[论文解读] A compact Verilog-A ReRAM switching model

Ioannis Messaris, Alexander Serb+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2017

Advanced Memory and Neural Computing参考文献 3被引用 13

一句话总结

本文提出了一种用于基于TiOx的ReRAM器件的紧凑Verilog-A模型，通过依赖电压和初始电阻状态的函数捕捉开关动态。通过将开关速率建模为具有指数电压依赖性和二阶多项式依赖性的静态表面，该模型在保持快速、可扩展仿真能力的同时，准确反映了实验偏置协议和开关速率依赖性。

ABSTRACT

The translation of emerging application concepts that exploit Resistive Random Access Memory (ReRAM) into large-scale practical systems requires realistic, yet computationally efficient, empirical models that can capture all observed physical devices. Here, we present a Verilog-A ReRAM model built upon experimental routines performed on TiOx-based prototypes. This model was based on custom biasing protocols, specifically designed to reveal device switching rate dependencies on a) bias voltage and b) initial resistive state. Our model is based on the assumption that a stationary switching rate surface m(R,v) exists for sufficiently low voltage stimulation. The proposed model comes in compact form as it is expressed by a simple voltage dependent exponential function multiplied with a voltage and initial resistive state dependent second order polynomial expression, which makes it suitable for fast and/or large-scale simulations.

研究动机与目标

• 开发一种计算高效、紧凑的Verilog-A模型，适用于大规模系统级仿真。
• 利用基于TiOx原型的实验数据，捕捉开关速率对偏置电压和初始电阻状态的依赖关系。
• 建立一个静态开关速率表面 m(R,v)，以准确表示低电压激励下的器件行为。
• 通过现实但轻量的建模，实现ReRAM在新兴类脑和存算一体架构中的实用集成。

提出的方法

• 该模型基于专门设计的实验偏置协议推导，旨在隔离开关速率对电压和初始电阻状态的依赖关系。
• 假设在低电压工作条件下存在一个静态开关速率表面 m(R,v)，其中 R 为初始电阻状态，v 为施加的电压。
• 开关速率表示为电压相关指数函数与 v 和 R 的二阶多项式乘积的形式。
• 该模型在Verilog-A中实现，以确保与标准电路仿真工具的兼容性。
• 功能性形式经过优化，以在大规模仿真中实现准确性和计算效率之间的平衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在系统级仿真中以最小计算开销准确建模ReRAM的开关动态？
• RQ2 在基于TiOx的ReRAM器件中，开关速率对施加电压和初始电阻状态的功能依赖关系是什么？
• RQ3 是否可以为低电压工作条件定义一个静态开关速率表面以简化建模？
• RQ4 紧凑的Verilog-A模型在保持高效性的同时，能在多大程度上复现实验开关行为？

主要发现

• 所提出的模型通过紧凑的功能形式，成功捕捉了开关速率对偏置电压和初始电阻状态的依赖关系。
• 该模型的结构——结合指数电压依赖性和 v 与 R 的二阶多项式——在表示实验数据方面表现出色。
• 由于其解析简单性以及在Verilog-A中的高效实现，该模型实现了快速且可扩展的仿真。
• 在低电压激励下，静态开关速率表面假设成立，验证了模型的物理一致性。