No description available.

No description available.

The academic and industrial interest in magnetic data storage has been fuelled by the information age. The number of applications for magnetic thin-films has increased rapidly, along with the popularity of using X-ray techniques as a tool by which to characterise them. Structural characterisation is a key process to their development and understanding, correlating chemical and magnetic structure to magneto-transport. In this thesis a number of magneto-resistive devices are studied, including spin-valves, magnetic tunnel junctions and magnetic multilayers. The credence of using grazing incidence X-ray techniques for characterisation is initially demonstrated by accounting for variations in MR from nominally identical spin-valves, through observing subtle fluctuations in the pinning NiO layer thickness. The study of magnetic tunnel junctions has revealed discrepancies in barrier thickness as measured by X-ray reflectivity and through fits to the 1-V profile using Simmons’ model. This demonstrates localised tunnelling and the inaccuracy of 1-V modelling in determining average barrier thickness. Specular reflectivity and diffuse analysis have also determined a far larger than expected level of intermixing across Al bilayer interfaces with Al on X and X on Al, where X are transition metals from groups 3,4 and 5 of the periodic table. AF coupled multilayers are studied using polarised neutron reflectivity, the results of which have been compared directly with the relatively new technique: resonant soft X- ray magnetic scattering (SoXMaS). Specular and diffuse scattering studies reveal striking discrepancies between the two techniques, due to differences between the relative magnetic to chemical cross sections. Simulations further demonstrate SoXMaS and its sensitivity to magnetic structure. Finally, reflectivity data from Co/Cu Bragg peaks are used to calculate the refractive index of Co across the Co Lm and Ln edge under different magnetisation orientations.

Τις τελευταίες δεκαετίες, η ανάπτυξη των non-volatile μνημών (NVMs) κατέστησε ικανή την αντικατάσταση volatile μνημών, όπως των DRAMs και των μαγνητικών σκληρών δίσκων (HDDs), σε caching και storage εφαρμογές, αντίστοιχα. Οι δίσκοι στερεάς κατάστασης (SSDs) που βασίζονται σε NAND Flash μνήμες έχουν ήδη αναδειχθεί ως ένα χαμηλού κόστους, υψηλής απόδοσης και αξιόπιστο μέσο στα σύγχρονα συστήματα αποθήκευσης. Επιπλέον, οι ιδιότητες των υλικών αλλαγής φάσης και η πρόσφατη κλιμάκωση της Phase-Change μνήμης (PCM), την καθιστά ένα τέλειο υποψήφιο για την ανάπτυξη μνημών τυχαίας προσπέλασης αλλαγής φάσης (PCRAMs). Η ραγδαία κλιμάκωση των NVMs, με διαδικασίες ολοκλήρωσης κάτω από 19nm, και η χρήση της multi-level cell (MLC) τεχνολογίας συνέβαλλαν στην αύξηση της πυκνότητας αποθήκευσης πληροφορίας και συνεπώς μείωσαν το κόστος αποθήκευσης δραματικά. Ωστόσο, η διάρκεια ζωής των NV μνημών δεν παρέμεινε ανεπηρέαστη. Διαφορετικές παρεμβολές και πηγές θορύβου σε συνδυασμό με την επίδραση της γήρανσης έχουν ένα μεγάλο αντίκτυπο στην αξιοπιστία και την αντοχή αυτών των τεχνολογιών μνήμης, και ως εκ τούτου, των συστημάτων αποθήκευσης στα οποία χρησιμοποιούνται (SSDs, PCRAMs). Πολλές μέθοδοι και τεχνικές, όπως η μέθοδος wear-leveling, εξειδικευμένοι κώδικες ανίχνευσης και διόρθωσης λαθών (ECC) και τεχνικές pre-coding έχουν χρησιμοποιηθεί για να αντισταθμίσουν αυτές τις επιπτώσεις, ενώ άλλες, πιο περίπλοκες μεν, αλλά και πιο αποτελεσματικές, όπως η δυναμική προσαρμογή των κατωφλίων ανάγνωσης, βρίσκονται σε πειραματικό στάδιο. Η ανάπτυξη αυτών των τεχνικών βασίζεται στον πειραματικό χαρακτηρισμό των NV μνημών, τόσο σε επίπεδο κελιού όσο και σε επίπεδο ολοκληρωμένου κυκλώματος. Ο χαρακτηρισμός αυτός σχετίζεται με την μέτρηση του λόγου του αριθμού των bit σφαλμάτων προς τον αριθμό των συνολικών bits (BER) και το χρόνο απόκρισης (ανάγνωσης και εγγραφής) καθ' όλη τη διάρκεια ζωής της μνήμης, για διάφορες μορφές δεδομένων και σενάρια χρονισμών. Η διαδικασία αυτή, μέχρι τώρα, γίνεται με τη χρήση της πραγματικής NV μνήμης, συνήθως με ολοκληρωμένα κυκλώματα που βρίσκονται στο στάδιο της προ-παραγωγής, ενώ πιο ενδελεχής έλεγχος γίνεται στο τελικό στάδιο της παραγωγής. Αυτή η προσέγγιση έχει δύο σημαντικά μειονεκτήματα. Από τη μία πλευρά, είναι μια πολύ χρονοβόρα διαδικασία, δεδομένου ότι η γήρανση μίας NVM μπορεί να απαιτεί ένα μεγάλο αριθμό από program / erase (P/E) κύκλους που πρέπει να εκτελεστούν για κάθε πείραμα. Ο αριθμός αυτός κυμαίνεται από κάποιες δεκάδες χιλιάδες (NAND Flash) έως και κάποια εκατομμύρια κύκλους (PCM). Από την άλλη πλευρά, τα χαρακτηριστικά γήρανσης μίας NVM είναι αναλόγως εξαρτώμενα από τον αριθμό των Ρ/Ε κύκλων που εκτελούνται, καθιστώντας έτσι αδύνατη την διεξαγωγή διαφορετικών ή διαδοχικών πειραμάτων στην ίδια κατάσταση γήρανσης της μνήμης. Σε αυτή την εργασία παρουσιάζουμε ένα μοντέλο που αντιπροσωπεύει με ακρίβεια τη διαδικασία γήρανσης NV μνημών, αντιμετωπίζοντας τες ως ένα χρονικά μεταβαλλόμενο κανάλι επικοινωνίας βασισμένο σε ένα μη συμμετρικό n-PAM μοντέλο. Με βάση τη μοντελοποίηση των χαρακτηριστικών γήρανσης, υλοποιούμε ένα σύστημα εξομοίωσης σε πραγματικό χρόνο και με μεγάλη ακρίβεια της συμπεριφοράς NV-μνημών, κάτω από ορισμένες από το χρήστη συνθήκες γήρανσης, σε τεχνολογία FPGA. Η πλατφόρμα που παρουσιάζεται στην παρούσα εργασία βασίζεται σε μια αναπροσαρμόσιμη αρχιτεκτονική υλικού και λογισμικού που επιτρέπει την ακριβή εξομοίωση των νέων και αναδυόμενων τεχνολογιών και μοντέλων των NVMs. Η πλατφόρμα που αναπτύχθηκε μπορεί να αποτελέσει ένα πολύτιμο εργαλείο για την ανάπτυξη και αξιολόγηση αλγορίθμων και τεχνικών κωδικοποίησης. / Over the last few years, non-volatle memory (NVM) has shown a great potential in replacing volatile memory, like DRAM in caching applications, and magnetic HDDs in storage applications. NAND Flash-based solid state drives (SSDs) have already emerged as a low-cost, high-performance and reliable storage medium for both commercial and enterprise storage systems. Additionally, the properties of phase-change materials and the recent scaling of Phase-Change Memory (PCM) has made it a perfect candidate for developing phase-change random access memories (PCRAMs). The rapid scaling of NVMs, with process nodes below 19nm, and the use of multi-level cell (MLC) technologies has increased their storage density and reduced the storage cost per bit. However, their lifetime capacity has not remained unaffected. Different interferences and noise sources along with aging effects have now a great impact on the reliability and endurance of these memory technologies, and hence, on the storage systems where these memories are used (SSDs, PCRAMs). Numerous techniques, such as wear-leveling, specialized error correcting codes (ECC) and precoding techniques have been employed to compensate these effects, while others, more complex but also more efficient, like dynamic adaptation of read reference thresholds, are at an experimental level. The development of these techniques is based on experimental characterization of NVM cells and chips. Characterization is related with measuring bit error ratio (BER) and response time (read and write time) during the whole lifetime of a device, for various loading data patterns and timing scenarios. This process is performed using real NVM integrated chips, usually the engineering, pre-production parts, while more thorough testing at the system level is performed when production parts are available. This approach has two major drawbacks. On one hand it is a very time-consuming process, since the aging of an NVM may require a large number of program/erase (P/E) cycles to be performed for each experiment, ranging from tens of thousands (NAND Flash) to millions (PCM) program cycles. On the other hand, the aging characteristics of an NVM are proportionally dependent on the number of the performed P/E cycles, thus making it impossible to conduct different or successive experiments at the same aging state of a memory chip. In this work, we present a model that accurately represents the aging process of an NVM cell, by treating it as a time-variant communications channel, based on an asymmetric n-PAM model. We present the architecture of a flexible FPGA-based platform, designed for accurate emulations of NVM technologies, focusing mainly on MLC NAND Flash technologies. Accuracy is measured in reference to experimentally specified bit error probabilities for various aging conditions (ie. the number of P/E cycles applied to a NAND Flash chip), usually for random data patterns. The hardware platform presented in this work is based on a reconfigurable hardware-software architecture, which enables the accurate emulation of new and emerging models and technologies of NVMs. The developed platform can be a valuable tool for the evaluation of memory-related algorithms, signal processing and coding techniques.

- / -

Η πρόοδος της τεχνολογίας CMOS δίνει τη δυνατότητα σχεδιασμού φθηνών, πολυπύρηνων, κοινής μνήμης, ενσωματωμένων επεξεργαστών. Ωστόσο, η υποστήριξη της συνάφειας της κρυφής μνήμης με κάποια μέθοδο που παρουσιάζει καλή κλιμάκωση απαιτεί σημαντική προσπάθεια. Τα πρωτόκολλα υποκλοπής παρέχουν μία λύση εύκολη στο σχεδιασμό, όμως είναι απαιτητικά σε εύρος ζώνης και κατανάλωση. Επιπλέον, η κλιμάκωσή τους είναι περιορισμένη όταν χρησιμοποιούνται σε αρτηρίες. Τα πρωτόκολλα που κάνουν χρήση ευρετηρίου, ειδικά τα κατανεμημένα, επιφέρουν μικρότερη επιβάρυνση στο δίκτυο. Απαιτούν όμως ελεγκτές ευρετηρίων οι οποίοι είναι δύσκολοι στο σχεδιασμό και καταναλώνουν πολύτιμη μνήμη, επιφάνεια και κατανάλωση εντός του ολοκληρωμένου, κάνοντάς τη λύση αυτή ακατάλληλη για ενσωματωμένα πολυπύρηνα συστήματα. Στην εργασία αυτή, παρουσιάζουμε ένα μηχανισμό διατήρησης της συνάφειας ο οποίος παρουσιάζει καλή κλιμάκωση, και βασίζεται σε απλά πρωτόκολλα υποκλοπής, πάνω όμως σε ένα ιεραρχικό δίκτυο σημείο προς σημείο. Για να μειωθούν δραματικά τα μηνύματα που στέλνονται με ευρεία εκπομπή, προτείνουμε τα Χρονολογικά Φίλτρα, μια λύση βασισμένη στα φίλτρα Bloom. Σε αντίθεση με προηγούμενες προσεγγίσεις, τα Χρονολογικά Φίλτρα (Temporal Filters - TF) είναι εφοδιασμένα με ένα μοναδικό χαρακτηριστικό: την ικανότητα να σβήνουν τα περιεχόμενά τους σε συγχρονισμό - αλλά χωρίς να επικοινωνούν - με τις κρυφές μνήμες. Τα Χρονολογικά Φίλτρα και οι κρυφές μνήμες σβήνουν τα περιεχόμενά τους βασισμένα στις ενέργειες που γίνονται για τη διατήρηση της συνάφειας, παρέχοντας ασφαλές φιλτράρισμα ορισμένων μηνυμάτων του πρωτοκόλλου συνάφειας. Με τον τρόπο αυτό, ξεπερνάμε το πρόβλημα της αφαίρεσης στοιχείων των φίλτρων Bloom, χωρίς τη χρήση επιπλέον μετρητών, μηνυμάτων ή σημάτων, όπως έχουν προταθεί σε προηγούμενες εργασίες. Όλα τα παραπάνω γίνονται χωρίς καμία τροποποίηση των πρωτοκόλλων συνάφειας της κρυφής μνήμης. Ως αποτέλεσμα, η λύση που προτείνεται στην εργασία αυτή, χρησιμοποιεί μικρές δομές που μπορούν να ενσωματωθούν εύκολα στους μεταγωγείς του μέσου διασύνδεσης. Για την αποτίμηση των μηχανισμών που προτείνουμε, χρησιμοποιήθηκε το περιβάλλον προσομοίωσης GEMS - για να μοντελοποιηθούν πολυπύρηνοι επεξεργαστές εντός ολοκληρωμένου με 8 και 16 πυρήνες, με ιδιωτικές κρυφές μνήμες πρώτου και δευτέρου επιπέδου - και η σουίτα μετροπρογραμμάτων SPLASH-2. Τα Χρονολογικά Φίλτρα αποδείχτηκαν ικανά να μειώσουν έως και κατά 74.7\% (κατά μέσο όρο) τα μηνύματα στο μέσο διασύνδεσης. Επιπλέον, τα Χρονολογικά Φίλτρα προσφέρουν τη δυνατότητα μείωσης της στατικής κατανάλωσης, καθώς χρησιμοποιείται η τεχνική Decay στις κρυφές μνήμες. / Advances in CMOS technology are enabling the design of inexpensive, multicore, shared-memory, embedded processors. However, supporting cache coherence in a scalable fashion in these architectures requires considerable effort. Snoop protocols provide an easy-to-design solution but they are greedy bandwidth and power consumers. In addition, their scalability is limited over a broadcast bus. Scalable directory protocols, especially distributed ones, remedy the bandwidth overhead but require hard-to-design directory controllers that consume precious on-chip storage, area, and power, rendering the solution unattractive for embedded multicores. In this work we advocate a scalable coherence solution based on simple broadcast snooping protocols but over a scalable hierarchical point-to-point network. To dramatically cut down on broadcasts we propose Temporal Filtering, a solution based on Bloom filters - a storage-efficient memory structure. In contrast to previous approaches, Temporal Filters (TFs) are equipped with a unique characteristic: the ability to self-clean their contents in concert - but without communicating - with caches. Both TFs and caches decay their contents based on coherence activity, guaranteeing the correctness of coherence filtering. In this way, we overcome the problem of entry removal in the Bloom filters without the need of extra counters, messages, or even extra signals as in previous work and, more importantly, without requiring changes in the underlying cache snoop protocols. As a result, our solution utilizes frugal single-bit structures that can be easily integrated into network switches. For our evaluation we use GEMS to model a 8- and 16-core CMP with private L1/L2 caches of various sizes, and the SPLASH-2 suite. TFs are proven able to reduce the 74.7\% (arithmetic average) of the network messages. In addition, TFs offer also leakage saving opportunities since cache decay is also applied in private caches.

Reproduire les fonctionnalités du cerveau représente un défi majeur dans le domaine des technologies de l’information et de la communication. Plus particulièrement, l’ingénierie neuromorphique, qui vise à implémenter au niveau matériel les propriétés de traitement de l’information du cerveau, apparait une direction de recherche prometteuse. Parmi les différentes stratégies poursuivies dans ce domaine, la proposition de composant memristif a permis d’envisager la réalisation des fonctionnalités des synapses et de répondre potentiellement aux problématiques d’intégration. Dans cette dissertation, nous présenterons comment les fonctionnalités synaptiques avancées peuvent être réalisées à partir de composants mémoires memristifs. Nous présentons une revue de l’état de l’art dans le domaine de l’ingénierie neuromorphique. En nous intéressant à la physique des composants mémoires filamentaires de type cellules électrochimiques, nous démontrons comment les processus de mémoire à court terme et de mémoire à long terme présents dans les synapses biologiques peuvent être réalisés en contrôlant la croissance de filaments de type dendritiques. Ensuite nous implémentons dans ces composants une fonctionnalité synaptique basée sur la corrélation temporelle entre les signaux provenant des neurones d’entrée et de sortie. Ces deux approches sont ensuite analysées à partir d’un modèle inspiré de la biologie permettant de mettre l’accent sur l’analogie entre synapses biologiques et composants mémoires filamentaires. Finalement, à partir de cette approche de modélisation, nous évaluons les potentialités de ces composants mémoires pour la réalisation de fonctions neuromorphiques concrètes. / Replicating the computational functionalities of the brain remains one of the biggest challenges for the future of information and communication technologies. In this context, neuromorphic engineering appears a very promising direction. In this context memristive devices have been recently proposed for the implementation of synaptic functions, offering the required features and integration potentiality in a single component. In this dissertation, we present how advanced synaptic features can be implemented in memristive nanodevices. By exploiting the physical properties of filamentary switching, we successfully implemented a non-Hebbian plasticity form corresponding to the synaptic adaptation. We demonstrate that complex filament shape, such as dendritic paths of variable density and width, can reproduce short- and long- term processes observed in biological synapses and can be conveniently controlled by achieving a flexible way to program the device memory state and the relative state volatility. Then, we show that filamentary switching can be additionally controlled to reproduce a Hebbian plasticity form that corresponds to an increase of the synaptic weight when time correlation between pre- and post-neuron firing is experienced at the synaptic connection. We interpreted our results in the framework of a phenomenological model developed for biological synapses. Finally, we exploit this model to investigate how spike-based systems can be realized for memory and computing applications. These results pave the way for future engineering of neuromorphic computing systems, where complex behaviors of memristive physics can be exploited.

- / -

Τη σημερινή εποχή, οι απαιτήσεις για αποθηκευτικές συσκευές που προσφέρουν πολύ υψηλές πυκνότητες σε εξαιρετικά μικρό μέγεθος και ταυτόχρονα υποστηρίζουν μεγάλες ταχύτητες στην ανταλλαγή δεδομένων, διαρκώς αυξάνουν. Ένα νέο πεδίο έρευνας ασχολείται με τη δυνατότητα εκμετάλλευσης των τεχνικών Μικροσκοπίας Ατομικής Δύναμης (AFM) για τη δημιουργία συσκευών ικανών να αποθηκεύουν δεδομένα με πολύ μεγαλύτερη πυκνότητα σε σχέση με τις συμβατικές συσκευές. Οι τεχνικές AFM χρησιμοποιούν μικροσκοπικές ακίδες, διαστάσεων μερικών νανομέτρων, με πολύ αιχμηρές άκρες, για να παρατηρούν και να τροποποιούν επιφάνειες σε ατομικό επίπεδο. Για την επίτευξη υψηλού ρυθμού εγγραφής και ανάγνωσης δεδομένων, χρησιμοποιούνται ηλεκτρομηχανικά συστήματα πολύ μικρής κλίμακας (Micro-electro-mechanical-systems, MEMS) αποτελούμενα από ακίδες που λειτουργούν παράλληλα. Κάθε ακίδα είναι προσαρμοσμένη σε έναν κατάλληλο βραχίονα και η συνολική διάταξη ονομάζεται probe. Κάθε probe εκτελεί λειτουργίες εγγραφής/ανάγνωσης/διαγραφής σε μια αφιερωμένη περιοχή του μέσου αποθήκευσης, η οποία ονομάζεται πεδίο αποθήκευσης. Στη διεθνή βιβλιογραφία έχουν προταθεί και μελετηθεί πειραματικά πολλές μέθοδοι εγγραφής και ανάγνωσης. Μια από αυτές είναι η θερμομηχανική μέθοδος αποθήκευσης, όπου η ψηφιακή πληροφορία αποθηκεύεται μέσω του φυσικού μηχανισμού δημιουργίας ή μη κοιλωμάτων διαμέτρου μερικών νανομέτρων σε πολυμερή υλικά με την χρήση ακίδας αντίστοιχων διαστάσεων. Η παρουσία (απουσία) κοιλωμάτων αντιστοιχεί στο λογικό '1' ('0'). Τα δεδομένα του χρήστη αποθηκεύονται με τη μορφή ακολουθιών κοιλωμάτων. Για την εγγραφή και την ανάγνωση των δεδομένων, το μέσο αποθήκευσης κινείται με σταθερή ταχύτητα σε σχέση με τη διάταξη των probes. Η κίνηση αυτή επιτυγχάνεται με χρήση ενός ηλεκτρομηχανικού συστήματος οδήγησης, το οποίο ελέγχεται από ένα σερβομηχανισμό. Κατά τη διάρκεια της εγγραφής/ανάγνωσης των δεδομένων, η κίνηση των probes πρέπει να γίνεται με μεγάλη ακρίβεια, καθώς όσο αυξάνουν οι αποκλίσεις σε σχέση με την κίνηση αναφοράς, ο ρυθμός των σφαλμάτων αυξάνεται με μη γραμμικό τρόπο. Εκτός από τον ενδογενή θερμικό θόρυβο και το θόρυβο κβαντισμού, αιτίες που μπορεί να προκαλέσουν αποκλίσεις στην κίνηση των probes είναι η μηχανική βλάβη της ακίδας ή κάποιο 'ξένo' σωματίδιο στο μέσο, οπότε σε αυτή την περίπτωση τα λάθη περιορίζονται σε ένα μόνο πεδίο. Μία άλλη αιτία τέτοιων αποκλίσεων είναι η εφαρμογή εξωτερικών διαταραχών στο ηλεκτρομηχανικό σύστημα οδήγησης η οποία μεταφράζεται σε διαταραχή στην κίνηση όλων των ακίδων, προκαλώντας έτσι την εμφάνιση λαθών σε όλα τα πεδία. Κατά συνέπεια, τα συστήματα αυτά είναι επιρρεπή σε λάθη ριπής. Στα συστήματα αποθήκευσης, τα δεδομένα του χρήστη λαμβάνονται με τη μορφή sectors σταθερού μεγέθους. Το γεγονός της όμοιας και ταυτόχρονης κίνησης όλων των probes, έχει οδηγήσει στην υιοθέτηση της τακτικής τα δεδομένα ενός sector να μοιράζονται σε ισόποσα μέρη ίσα με το πλήθος των πεδίων. Για την αντιμετώπιση των λαθών ριπής χρησιμοποιείται ένας συνδυασμός μη-δυαδικών κωδίκων διόρθωσης λαθών RS και κατάλληλων κυκλωμάτων διεμπλοκής που μετασχηματίζουν τα δεδομένα του χρήστη πριν αποθηκευτούν στο μέσο. Κάθε sector χωρίζεται σε κωδικολέξεις, ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του κώδικα RS. Όμως, ανάλογα με τις παραμέτρους του συστήματος μπορεί να μην είναι εφικτή η τοποθέτηση του ίδιου αριθμού δεδομένων σε όλα τα πεδία. Σε αυτές τις περιπτώσεις, στα πεδία όπου υπάρχει κενό χρησιμοποιείται κατάλληλος αριθμός συμπληρωματικών συμβόλων (padding) που αποτελούνται από μηδενικά, μειώνοντας σημαντικά την αποδοτικότητα αποθήκευσης της συσκευής, ειδικά για μεγάλο αριθμό πεδίων. Στο πλαίσιο της διδακτορικής διατριβής προτάθηκε ένας βέλτιστος τρόπος κατανομής των δεδομένων του χρήστη που εξαλείφει τα συμπληρωματικά σύμβολα, μεγιστοποιώντας έτσι τη δυνατότητα αποθήκευσης της συσκευής και αυξάνοντας πάρα πολύ τη χωρητικότητα του συστήματος σε σχέση με τις μέχρι σήμερα γνωστές διαδικασίες. Στο πλαίσιο της διδακτορικής διατριβής μελετήθηκε επίσης το θέμα της αξιοπιστίας ενός συστήματος αποθήκευσης πολλαπλών πεδίων. Το γεγονός ότι τα συστήματα αυτά είναι επιρρεπή στην εμφάνιση λαθών ριπής καθιστά κρίσιμη τη μελέτη της αξιοπιστίας ενός τέτοιου συστήματος για όλες τις περιπτώσεις λαθών που μπορεί να εμφανιστούν και να διερευνηθεί η επίδραση των διαφόρων παραμέτρων του συστήματος, όπως ο αριθμός των πεδίων αποθήκευσης, το μέγεθος του sector και ο ρυθμός του κώδικα, στη διορθωτική ικανότητα του συστήματος, ώστε να εκτιμηθεί ο βέλτιστος συνδυασμός τους. Στην περίπτωση των συστημάτων αποθήκευσης, ως αξιοπιστία ορίζεται η πιθανότητα να διαβαστεί σωστά ο sector. Για τον λόγο αυτόν, αναπτύχθηκε το σύνολο των μαθηματικών μοντέλων και σχέσεων που επιτρέπουν τον υπολογισμό της πιθανότητας αυτής όταν στο σύστημα εμφανίζονται τόσο τυχαία λάθη όσο και λάθη ριπής σε ένα πεδίο αποθήκευσης ή σε όλα τα πεδία ταυτόχρονα. Ιδιαίτερη βαρύτητα δόθηκε στη μοντελοποίηση των λαθών ριπής που εμφανίζονται ταυτόχρονα σε όλα τα πεδία αποθήκευσης, εξαιτίας της εφαρμογής εξωτερικών επιταχύνσεων στο ηλεκτρομηχανικό σύστημα κίνησης, καθώς αυτή είναι η κύρια αιτία που μπορεί να οδηγήσει σε αποτυχία το σύστημα. Αναπτύχθηκε ένα πλήρες μοντέλο καναλιού λαθών ριπής που συσχετίζει την απόκλιση θέσης με την πιθανότητα εμφάνισης λαθών στα δεδομένα που είναι αποθηκευμένα στα πολλαπλά πεδία. Με βάση πειραματικές μετρήσεις περιγράφεται η επίδραση της διαταραχής στο κανάλι ανάγνωσης, ενώ ταυτόχρονα μοντελοποιούνται με τη χρήση διεργασιών Markov τα λάθη ριπής που εμφανίζονταισε επίπεδο συμβόλου στα διάφορα πεδία εξαιτίας της συγκεκριμένης διαταραχής. Είναι έτσι δυνατή η σε βάθος μελέτη του φυσικού μηχανισμού που εισάγει τα λάθη ριπής στα πολλαπλά πεδία, της συσχέτισης των λαθών που εμφανίζονται ταυτόχρονα στα διαφορετικά πεδία, όπως επίσης και της επίδρασης των εξωτερικών διαταραχών στη διορθωτική ικανότητα των διαδικασιών αποκωδικοποίησης. Η μελέτη της συσχέτισης των λαθών ριπής που επηρεάζουν ταυτόχρονα τα δεδομένα σε όλα τα πεδία αποθήκευσης οδήγησε στην ανάπτυξη μιας μεθόδου που εκμεταλλεύεται το χαρακτηριστικό της παράλληλης λειτουργίας των πεδίων και τη δυνατότητα επέκτασης της διορθωτικής ικανότητας των κωδίκων RS, όταν είναι γνωστή η θέση κάποιων από τα λάθη. Τα λάθη αυτά ονομάζονται erasures και η χρήση τους μπορεί να βελτιώσει την αξιοπιστία των διαδικασιών αποκωδικοποίησης χωρίς να αυξηθεί η πλεονάζουσα πληροφορία στο σύστημα. Η προτεινόμενη μέθοδος εφαρμόζεται στην περίπτωση που η διαταραχή είναι τέτοια ώστε να οδηγεί τη διαδικασία διόρθωσης λαθών σε αποτυχία αλλά τουλάχιστον μία κωδικολέξη διορθώθηκε σωστά οπότε οι θέσεις των λαθών της είναι γνωστές. Με βάση τις γνωστές θέσεις λαθών, εκτιμάται η πιθανότητα να υπάρχει λάθος στα σύμβολα των ίδιων θέσεων στα άλλα πεδία, τα οποία όμως ανήκουν σε κωδικολέξεις που δεν ήταν δυνατό να διορθωθούν αρχικά. Τα σύμβολα με τις μεγαλύτερες πιθανότητες τίθενται ως erasures και ένας δεύτερος γύρος αποκωδικοποίησης εκτελείται. Τα αποτελέσματα για την απόδοση της μεθόδου δείχνουν ότι υπάρχει μεγάλη βελτίωση στη διορθωτική ικανότητα του συστήματος. Συγκεντρωτικά, η παρούσα διατριβή ασχολήθηκε με τη βελτιστοποίηση της κατανομής δεδομένων σε συστήματα αποθήκευσης πληροφορίας πολλαπλών πεδίων, τη μοντελοποίηση των διαφόρων τύπων λαθών που εμφανίζονται σε τέτοια συστήματα, την ανάλυση της αξιοπιστίας των διαδικασιών αποκωδικοποίησης και διεμπλοκής δεδομένων και την πρόταση μεθόδων για τη βελτίωσή της. / Nowadays, the need for storage devices that offer very high densities at extremely small size and, at the same time, support very high data rates, is constantly increasing. A new research area investigates whether the Atomic Force Microscopy (AFM) techniques that use nanometer-sharp tips for imaging and investigating the structure of materials down to the atomic scale, can be exploited to create data storage devices capable of storing data with much higher density than conventional devices. To achieve high data read/write rates, micro-electro-mechanical-systems (MEMS) with arrays of probes operating simultaneously are used, with each probe performing read/write/erase operations in a dedicated storage field. Several methods of probe-based data recording have been proposed and experimentally studied. One such method is the thermomechanical one, where digital information is stored by forming nanometer-scale indentations in thin polymer films. The presence or absence of indentations corresponds to logical ones or zeros, respectively. The user data are stored in the form of sequences of indentations. For writing and reading data, the storage medium is moved at a constant velocity underneath the array of probes. This movement is achieved using a MEMS-based microscanner with X/Y motion capability. During the read/write operations, the movement of the probes must be extremely precise, since even the slightest deviations from the reference movement increase the data error rate in a non-linear way. Apart from the intrinsic thermal and quantization noise, other causes that result to deviations in the movement of the probes, are, among others, a mechanical failure of a tip or a dust particle on the polymer medium. In these cases burst errors appear in a single field. Another severe error condition is observed when an external disturbance is applied to the system. In this case, all probes are affected simultaneously by the same statistical characteristics, leading to the occurrence of burst errors in all fields. Consequently, these storage systems are prone to burst errors. In storage systems, user data are usually exchanged in the form of fixed-size sectors. Due to the simultaneous movement of all probes, the technique of partitioning the user data sector into equal parts, each of which is stored in a different field, is usually applied. To deal with burst errors, a combination of non-binary Reed-Solomon (RS) error correction codes and appropriate interleaving circuits is used. So, initially each sector is divided into a number of codewords, depending on the characteristics of the RS code. However, depending on the system parameters it may not be possible to allocate the same number of data in all storage fields. In such a case, the gaps are filled with zero padding symbols, reducing the storage efficiency of the device, especially when the number of fields is large. The thesis proposes an optimal data allocation method that eliminates the unnecessary information, and therefore maximizes the storage efficiency of the device and increases at the same time the system capacity compared with the hitherto known processes. The thesis also studies the reliability of a probe-based storage device with multiple fields. The fact that these systems are prone to burst errors makes it critical to study their reliability for all possible cases of errors that may occur and investigate the effect of the various system parameters, such as the number of storage fields, the sector size and the RS code rate, on the error correction capability of the system, so that the optimal combination is determined. Regarding storage systems, the reliability is defined as the probability of correct sector retrieval. For that reason, the necessary mathematical models have been developed and the equations have been specified, which allow the calculation of the correct sector retrieval probability when the system is affected by all types of errors, namely random errors and burst errors, either in a single storage field or in all fields simultaneously. Particular focus was placed on the modeling of burst errors that occur simultaneously in all storage fields, due to the application of external disturbances to the entire system, which is the main source of errors that can lead the system to failure. A complete burst errors channel model has been developed, which describes the correlation between the deviations in the movement of the probes and the probability of error appearance in the data stored in the multiple fields. Based on experimental data, the effect of the disturbance on the reading channel is described, while the burst errors that appear consequently in the symbols stored in the various fields are modeled using Markov processes. It is thus possible to study thoroughly the physical mechanism that introduces burst errors in the multiple storage fields, the correlation of the errors that occur simultaneously in the different fields, as well as the impact of the level of the external disturbances on the error correction capability of the decoding scheme. The study of the correlation among the burst errors that appear in all storage fields due to external disturbances led to the development of a new method that exploits the simultaneous operation of the probes and the possibility to extend the error correction capability of the RS codes, when the position of a number of errors, called erasures, is known, and improves the reliability of the decoding procedures without increasing the redundancy used in the system. The proposed method is applicable when the disturbance is such that it leads to a sector retrieval failure but at least one codeword was properly corrected and the positions of its errors are revealed. Based on the known error locations, an estimate of the probability that the symbols that lie at the same positions in the other fields, but belong to non-decodable codewords, are in error is produced. Then, a second decoding iteration that employs the additional information is executed. The results regarding the performance of the method show that there is a big improvement in the error correction capability of the system. In summary, the thesis deals with the optimization of the data allocation method in storage systems that use multiple fields that operate simultaneously, the modeling of the different types of errors that occur in such systems, the analysis of the reliability of the decoding and data interleaving procedures and finally, the introduction of new methods that improve their effectiveness.

Les mémoires non-volatiles magnétiques à effet de couple de transfert de spin - STT-MRAM sont un nouveau type de mémoire pouvant remplacer les mémoires DRAM ou SRAM. Chaque point de mémoire STT-MRAM est une jonction tunnel magnétique sous forme d’un pilier de taille nanométrique, composée de deux couches magnétiques séparées par une barrière d'oxide. L'empilement multicouche doit être élaboré sous ultravide par épitaxie par faisceau moléculaire (M.B.E.) ou par pulvérisation cathodique (P.V.D.). Ces méthodes d’élaboration sont développées par la société Vinci Technologies (finançant ce travail de thèse par une bourse CIFRE). L’amplitude de la magnétorésistance tunnel, utilisée pour lire les informations stockées dans la mémoire, dépend de l'orientation relative des aimantations des deux couches magnétiques. Par ailleurs, l'écriture de l’information dans le dispositif est obtenue grâce à l'effet de couple de transfert de spin, qui permet la manipulation de l’aimantation en utilisant un courant polarisé. Enfin, la stabilité thermique du dispositif est donnée par la barrière en énergie séparant les deux orientations d'aimantation (vers le haut et vers le bas dans le cas d'un dispositif perpendiculaire). Pour que les STT-MRAM soient une technologie compétitive, la tension critique nécessaire au retournement de l’aimantation (tension d'écriture) ainsi que le temps de retournement doivent être réduits, tandis que la stabilité thermique doit rester suffisamment élevée pour assurer la conservation de l'information. Au cours de ma thèse, en collaboration avec Vinci Technologies, les équipements nécessaires à la croissance des couches minces composant les jonctions tunnels (M.B.E. et P.V.D.) ont été optimisées. Grâce à cela, nous avons pu obtenir des couches minces avec une anisotropie perpendiculaire (hors du plan) bien caractérisée. J'ai ensuite concentré mon étude sur les dispositifs STT-MRAM industriels (IBM et STT) présentant une aimantation perpendiculaire pour comprendre le mécanisme de retournement de l’aimantation induite par le courant. J'ai alors pu identifier les paramètres pertinents influençant la valeur de la tension de retournement et proposer des solutions pour l'abaisser tout en préservant la stabilité thermique. Grâce à une étude concernant la probabilité de retournement d'aimantation, comparée à une modélisation macrospin et micromagnétique, j'ai mis en évidence un mécanisme de retournement variable en fonction de la configuration magnétique initiale. En effet, le champ rayonné par une couche magnétique sur une autre et la forme de la jonction tunnel ont un impact important sur la manipulation de l'aimantation / Spin Transfer Torque - Magnetic Random Access Memories – STT-MRAM – are developed as a new type of memory which could replace DRAM or SRAM. In the case of STT- MRAM, each memory point is a nanopillar magnetic tunnel junction composed of two magnetic layers separated by an oxide barrier. The multilayer stack can be grown under ultra-high vacuum using Molecular Beam Epitaxy (MBE) or Physical Vapor Deposition (PVD). Those systems are developed by the company Vinci Technologies (sponsoring this PhD work). The tunnel magnetoresistance signal which depends on the relative orientation of the two magnetizations is used to read the information stored in the device. The writing of the information in the device is realized thanks to the spin transfer torque effect, which allows magnetization manipulation using a spin current. The thermal stability of the device is given by the energy barrier separating the two magnetization orientations (up and down in the case of a perpendicular device). For STT-MRAM to be a competitive technology, the critical voltage needed for magnetization switching (writing voltage) as well as the switching time have to be reduced while the thermal stability remains high enough to ensure the retention of information. During my thesis, in collaboration with Vinci-Technologies several tools to grow thin films have been optimized. With such equipment, we were able to grow thin films with well characterized perpendicular (out-of-plane) anisotropy. I have then focused my study on industrial STT-MRAM devices (from two companies: IBM and STT) with an out-of-plane magnetization direction so as to understand the mechanism of current induced magnetization switching. By doing so, I could identify the relevant parameters influencing the switching voltage value and propose solutions to lower it while preserving thermal stability. Through a probabilistic study of magnetization reversal, coupled with macrospin and micromagnetic modeling studies, I have evidenced different switching mechanisms depending on the initial magnetic configuration. Indeed both the stray field from one magnetic layer to the other and the shape of the nanopillar have a large impact on magnetization manipulation