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Les mémoires à changement de phase (PRAM) développées par l’industrie de la microélectronique utilisent la capacité d’un materiau chalcogénure à passer rapidement et de façon réversible d’une phase amorphe à une phase cristalline. Le passage de la phase amorphe à la phase cristalline s’accompagne d’un changement de la résistance électrique du matériau. La transition amorphe vers cristallin est obtenue par un chauffage qui porte la cellule mémoires au delà de la température de transition du verre. Le verre ternaire de chalcogène Ge2Sb2Te5 (GST-225) est probablement le matériau amené à être le plus utilisé dans la prochaine génération de dispositifs de stockage de masse. La thermoréflectométrie résolue en temps (TDTR) et la radiométrie photothermique modulée (MPTR) sont utilisées ici pour étudier les propriétés thermiques des constituants des PRAM déposés sous forme de couche mince sur des substrats de silicium. Les diffusivités thermiques et les résistances thermiques de contact des films PRAM sont estimées. Ces paramètres sont identifiés en utilisant un modèle d’étude des transferts de chaleur basé sur la loi de Fourier et utilisant le formalisme des impédances thermiques. Ces mesures ont été effectuées pour des températures allant de 25 à 400°C. Les modifications de structure et de compositions chimiques causées par les hautes températures au cours des expériences sont aussi étudiées via des analyses par les techniques de DRX, MEB, TOF-SIMS et ellipsométrie.Les propriétés thermiques des GST - 225, isolants, électrodes de chauffage et électrodes métalliques mise en œuvre dans ce type de dispositif de stockage sont ainsi mesuré a l’échelle submicrométrique. / The Phase change Random Access Memories (PRAM), developed by semiconductor industry are based on rapid and reversible change from amorphous to crystalline stable phase of chalcogenide materials. The switching between the amorphous and the crystalline phase leads to change of the electrical resistance of material. The amorphous-to-crystalline transition is performed by heating the memory cell above the glass transition temperature (~130°C). The chalcogenide ternary compound glass Ge2Sb2Te5 (GST-225) is probably the candidate to become the most exploited material in the next generation of mass storage architectures. The Time Domain ThermoReflectance (TDTR) and the Modulated PhotoThermal Radiometry (MPTR) have been implemented to study the thermal properties of constituting element of PRAM deposited as thin layer (~100 nm) on silicon substrate. The thermal diffusivity and the Thermal Boundary Resistance of the PRAM film are retrieved. These parameters are identified using a model of heat transfer based on Fourier’s Law and the thermal impedance formalism. The measurements were performed in function of temperature from 25°C to 400°C. Structural and chemical changes due to the high temperature during the experimentation have been also investigated by using XRD, SEM, TOF-SIMS and ellipsometry techniques. The thermal properties of GST-225, insulator, heating and metallic electrode involved in these kind of storage devices were thus measured at a sub micrometric scale.

Les matériaux à changement de phase (PCM) sont utilisés pour la réalisation de mémoire non volatile. Ces matériaux possèdent la particularité de passer d’un état cristallin à un état amorphe à l’aide d’une impulsion de chaleur, créant ainsi un processus propre au stockage de l’information. Les PCMs sont généralement basés sur des composés ternaires de type Ge-Sb-Te (GST) avec une température de transition de l’ordre de 125°C, rendent ces matériaux inutilisable dans le domaine de l’automobile et pour des applications militaires. Pour contourner cette limitation, le GST est remplacé par le composé In-Sb-Te (IST) possèdent une température de transition plus élevé et un temps de transition beaucoup plus rapide (nanoseconde). Les propriétés thermiques de l’IST et de ses interfaces au sein de la cellule PCM peuvent influencer la température de transition. C’est pourquoi la mesure de la conductivité thermique nous donnera une estimation de la valeur de cette transition.Différentes techniques ont été misent en oeuvre pour mesurer la conductivité thermique des couches minces d’IST en fonction de la concentration en Te, à savoir ; la radiométrie photo-thermique modulée (MPTR) et la méthode 3ω dans une gamme de température allant de l’ambiant jusqu'à 550°C.Les résultats obtenus par les deux techniques de caractérisation thermiques démontrent que la conductivité thermique de l'IST diminue lorsque l'on augmente la teneur en Te. L'augmentation de la teneur en Te pourrait donc conduire à un alliage thermiquement plus résistif, qui est censé apporter l'avantage d'un flux de chaleur plus confiné et limiter la cross-talk thermique dans le dispositif de mémoire à changement de phase. / Phase change memories (PCM) are typically based on compounds of the Ge-Sb-Te (GST) ternary system. Nevertheless, a major drawback of PCM devices is the failure to fulfill automotive-level or military-grade requirements (125°C continuous operation), due to the low crystallization temperature of GST. To overcome this limitation, alloys belonging to the In-Sb-Te (IST) system have been proposed, which have demonstrated high crystallization temperature, and fast switching. Thermal properties of the chalcogenide alloy and of its interfaces within the PCM cell can influence the programming current, reliability and optimized scaling of PCM devices. The two methods, namely: 3ω and Modulated Photothermal Radiometry (MPTR) technique was implemented to measure the thermal conductivity of IST thin films as well as the thermal boundary resistance at the interface with other surrounding materials (a metal and a dielectric). The experiment was carried outin situ from room temperature up to 550oC in order to investigate the intrinsic thermal properties at different temperatures and the significant structural rearrangement upon the phase transition.The results obtained from the two thermal characterization techniques demonstrate that the thermal conductivity of IST decreases when increasing the Te content. Increasing the Te content could thus lead to a more thermally resistive alloy, which is expected to bring the advantage of a more confined heat flow and limiting the thermal cross-talk in the phase change memory device.

While 3D stacked multi-processor technology offers the potential for significant computing advantages, these architectures also face the significant challenge of small, localized hotspots with very large heat fluxes due to the placement of asymmetric cores, heterogeneous devices and performance driven layouts. In this thesis, a new thermal management solution is introduced that seeks to maximize the performance of microprocessors with dynamically managed power profiles. To mitigate the non-uniformities in chip temperature profiles resulting from the dynamic power maps, solid-liquid phase change materials (PCMs) with an embedded heat spreader network are strategically positioned near localized hotspots, resulting in a large increase in the local thermal capacitance in these problematic areas. Theoretical analysis shows that the increase in local thermal capacitance results in an almost twenty-fold increase in the time that a thermally constrained core can operate before a power gating or core migration event is required. Coupled to the PCMs are solid state coolers (SSCs) that serve as a means for fast regeneration of the PCMs during the cool down periods associated with throttling events. Using this combined PCM/SSC approach allows for devices that operate with the desirable combination of low throttling frequency and large overall core duty cycles, thus maximizing computational throughput. The impact of the thermophysical properties of the PCM on the device operating characteristics has been investigated from first principles in order to better inform the PCM selection or design process. Complementary to the theoretical characterization of the proposed thermal solution, a prototype device called a "Composite Thermal Capacitor (CTC)" that monolithically integrates micro heaters, PCMs and a spreader matrix into a Si test chip was fabricated and tested to validate the efficacy of the concept. A prototype CTC was shown to increase allowable device operating times by over 7X and address heat fluxes of up to ~395 W/cm2. Various methods for regenerating the CTC have been investigated, including air, liquid, and solid state cooling, and operational duty cycles of over 60% have been demonstrated.

The trends in virtualization as well as multi-core, multiprocessor environments have translated to a massive increase in the amount of main memory each individual system needs to be fitted with, so as to effectively utilize this growing compute capacity. The increasing demand on main memory implies that the main memory devices and their issues are as important a part of system design as the central processors. The primary issues of modern memory are power, energy, and scaling of capacity. Nearly a third of the system power and energy can be from the memory subsystem. At the same time, modern main memory devices are limited by technology in their future ability to scale and keep pace with the modern program demands thereby requiring exploration of alternatives to main memory storage technology. This dissertation exploits dynamic knowledge of memory state and memory data value to improve memory performance and reduce memory energy consumption. A cross-boundary approach to communicate information about dynamic memory management state (allocated and deallocated memory) between software and hardware viii memory subsystem through a combination of ISA support and hardware structures is proposed in this research. These mechanisms help identify memory operations to regions of memory that have no impact on the correct execution of the program because they were either freshly allocated or deallocated. This inference about the impact stems from the fact that, data in memory regions that have been deallocated are no longer useful to the actual program code and data present in freshly allocated memory is also not useful to the program because the dynamic memory has not been defined by the program. By being cognizant of this, such memory operations are avoided thereby saving energy and improving the usefulness of the main memory. Furthermore, when stores write zeros to memory, the number of stores to the memory is reduced in this research by capturing it as compressed information which is stored along with memory management state information. Using the methods outlined above, this dissertation harnesses memory management state and data value information to achieve significant savings in energy consumption while extending the endurance limit of memory technologies. / text

Αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας αποτελεί η μελέτη και ανάλυση των μεθόδων διόρθωσης λαθών με χρήση κώδικα BCH που μπορούν να εφαρμοστούν σε συστήματα αποθήκευσης πληροφορίας τεχνολογίας PCM (Phase-Change Memory). Η τεχνολογία PCM αποτελεί μία νέα τεχνολογία που υπόσχεται υψηλές χωρητικότητες, χαμηλή κατανάλωση ισχύος και μπορεί να εφαρμοστεί είτε σε συσκευές αποθήκευσης σταθερής κατάστασης (Solid State Drives) είτε σε μνήμες τυχαίας προσπέλασης (Random-Access Memories), παρέχοντας μία εναλλακτική πρόταση έναντι μνημών τεχνολογίας flash και DRAM. Ένα από τα μειονεκτήματα της τεχνολογίας PCM είναι η ανθεκτικότητα εγγραφής (write endurance), η οποία μπορεί να βελτιωθεί με τη χρήση μεθόδων διόρθωσης λαθών που θα παρατείνουν τον χρόνο ζωής της συσκευής όταν, λόγω της φυσικής φθοράς του μέσου, αρχίσουν να υπάρχουν σφάλματα στα αποθηκευμένα δεδομένα. Για την εφαρμογή της διόρθωσης λαθών μπορούν να χρησιμοποιηθούν κώδικες BCH, οι οποίοι αποτελούν μια κλάση ισχυρών κυκλικών κωδίκων διόρθωσης τυχαίων λαθών, και κατασκευάζονται με χρήση της άλγεβρας πεπερασμένων πεδίων. Οι κώδικες BCH είναι ιδανικοί για διόρθωση λαθών σε συσκευές αποθήκευσης πληροφορίας όπου η κατανομή των λαθών είναι τυχαία. Αρκετοί αλγόριθμοι έχουν προταθεί για τις λειτουργίες αποδοτικής κωδικοποίησης και αποκωδικοποίησης κωδίκων BCH. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν λύσεις που μπορούν να υλοποιηθούν με παράλληλες αρχιτεκτονικές, ενώ ειδικότερα για την λειτουργία αποκωδικοποίησης έγινε χρήση ενός παράλληλου αλγορίθμου που δεν χρειάζεται αντιστροφείς πεπερασμένου πεδίου για την επίλυση των εξισώσεων των συνδρόμων, επιτυγχάνοντας υψηλές συχνότητες λειτουργίας. Για την κατανόηση των λειτουργιών κωδικοποίησης και αποκωδικοποίησης απαιτείται η προσεκτική μελέτη της άλγεβρας πεπερασμένων πεδίων και της αριθμητικής της. Οι κώδικες BCH προσφέρουν πλεονεκτήματα όπως χαμηλή πολυπλοκότητα και ύπαρξη αποδοτικών μονάδων υλοποίησης σε υλικό. Στην παρούσα εργασία σχεδιάστηκαν ένας παράλληλος κωδικοποιητής και ένας παράλληλος αποκωδικοποιητής για τον κώδικα BCH(728,688). Τα δύο συστήματα υλοποιήθηκαν ως περιφερειακά σε ενσωματωμένο σύστημα βασισμένο σε επεξεργαστή MicroBlaze, με έμφαση σε μια καλή σχέση μεταξύ της συχνότητας λειτουργίας και των απαιτήσεων σε επιφάνεια υλικού και κατανάλωση ισχύος. Για την υλοποίηση χρησιμοποιήθηκε συσκευή FPGA σειράς Virtex-6. / The objective of this thesis is the study and analysis of BCH error-correction methods that can be applied on PCM (Phase-Change Memory) storage devices. PCM is a new technology that promises high capacities, low power consumption and can be applied either on Solid State Drives or on Random Access Memories, providing an alternative to flash and DRAM memories. However, PCM suffers from limited write endurance, which can be increased using error-correction schemes that will extend the lifetime of the device when, due to medium wear-out, errors start to appear in the written data. Thus, BCH codes (powerful cyclic random multiple error-correcting codes) can be employed. BCH codes are ideal for ECC (Error-Correction Coding) in storage devices, due to their fault model which is random noise. Several algorithms have been proposed for the efficient coding and decoding BCH codes. In the present thesis parallel implementations where studied. For the decoding process in particular, a parallel algorithm was used that does not require finite field inverter units to solve the syndrome equations, achieving high operation frequencies. For the understanding of BCH coding and decoding processes, basic knowledge of the finite field algebra and arithmetic is required. BCH codes offer advantages such as low complexity and efficient hardware implementations. In the present thesis a parallel BCH(728,688) encoder and a parallel BCH(728,688) decoder were designed. The above systems were implemented as peripherals on an MicroBlaze-based embedded system, with emphasis on an optimal tradeoff between area and power consumption. A Virtex-6 FPGA device was used for the final stages of the implementation.

Dans cette thèse, nous proposons une étude détaillée des mécanismes responsables de la perte de données dans les mémoires à changement de phase enrichies en germanium (Ge-rich PRAMs), à savoir la dérive de la résistance au cours du temps et la recristallisation de la phase amorphe. Nous commençons par une présentation du contexte dans lequel s'inscrit cette étude an donnant un aperçu rapide du marché des mémoires à semiconducteur et une comparaison des mémoires non volatiles émergentes. Les principes de fonctionnement de la technologie PRAM sont introduits, avec ses avantages, ses inconvénients, ainsi que la physique régissant le processus de cristallisation dans les matériaux à changement de phase, avant de décrire les problèmes de fiabilité qui nous intéressent.Une caractérisation électrique complète de dispositifs intégrant des alliages de GST enrichi en germanium est ensuite proposée, en commençant par la caractérisation des matériaux utilisés dans nos cellules, introduisant alors les avantages des alliages enrichis en Ge sur le GST standard. Les performances électriques des dispositifs intégrant ces matériaux sont analysées, avec une étude statistique des caractéristiques SET & RESET, de la fenêtre de programmation, de l'endurance et de la vitesse de cristallisation. Nous nous concentrons ensuite sur le thème principal de cette thèse en analysant la dérive en résistance de l'état SET de nos dispositifs Ge-rich, ainsi que les performances de rétention de l'état RESET.Dans la dernière partie, nous étudions les mécanismes physiques impliqués dans ces phénomènes en fournissant une étude détaillée de la structure des cellules, grâce à l'utilisation de la Microscopie Électronique en Transmission (MET). Les conditions et configurations expérimentales sont décrites, avant de présenter les résultats qui nous ont permis d'aller plus loin dans la compréhension de la dérive en résistance et de la recristallisation de la phase amorphe dans les dispositifs Ge-rich. Une discussion est finalement proposée, reliant les résultats des caractérisations électriques avec ceux des analyses TEM, conduisant à de nouvelles perspectives pour l'optimisation des dispositifs PRAMs. / In this thesis we provide a detailed study of the mechanisms responsible for data loss in Ge-rich Ge2Sb2Te5 Phase-Change Memories, namely resistance drift over time and recrystallization of the amorphous phase. The context of this work is first presented with a rapid overview of the semiconductor memory market and a comparison of emerging non-volatile memories. The working principles of PRAM technology are introduced, together with its advantages, its drawbacks, and the physics governing the crystallization process in phase-change materials, before describing the reliability issues in which we are interested.A full electrical characterization of devices integrating germanium-enriched GST alloys is then proposed, starting with the characterization of the materials used in our PCM cells and introducing the benefits of Ge-rich GST alloys over standard GST. The electrical performances of devices integrating those materials are analyzed, with a statistical study of the SET & RESET characteristics, programming window, endurance and crystallization speed. We then focus on the main topic of this thesis by analyzing the resistance drift of the SET state of our Ge-rich devices, as well as the retention performances of the RESET state.In the last part, we investigate on the physical mechanisms involved in these phenomena by providing a detailed study of the cells' structure, thanks to Transmission Electron Microscopy (TEM). The experimental conditions and setups are described before presenting the results which allowed us to go deeper into the comprehension of the resistance drift and the recrystallization of the amorphous phase in Ge-rich devices. A discussion is finally proposed, linking the results of the electrical characterizations with the TEM analyses, leading to new perspectives for the optimization of PRAM devices.

Au cours des dernières années, la demande de plus en plus forte pour des mémoires non-volatiles performantes, a mené au développement des technologies NOR Flash et NAND Flash, qui dominent aujourd'hui le marché des mémoires non-volatiles. Cependant, la miniaturisation de ces technologies, qui permettait d'en réduire le coût, laisse aujourd'hui entrevoir ses limites. En conséquence, des mémoires alternatives et émergentes sont développées, et parmi celles-ci, la technologie des mémoires à changement de phase, ou PCRAM, est l'une des candidates les plus prometteuses tant pour remplacer les mémoires Flash, notamment de type NOR, que pour accéder à de nouveaux marchés tels que le marché des SCM. Toutefois, afin d'être pleinement compétitives avec les autres technologies mémoires, certaines performances de la technologie PCRAM doivent encore être améliorées. Au cours de cette thèse, nous cherchons donc à obtenir des dispositifs PCRAM plus performants. Parmi les résultats présentés, nous réduisons les courants de programmation et la consommation électrique des dispositifs tout en augmentant la rétention de l'information à haute température. Pour cela, nous modifions la structure du dispositif ou nous utilisons un matériau à changement de phase alternatif. De plus, à l'aide de solutions innovantes, nous permettons aux dispositifs PCRAM de conserver l'information pendant une éventuelle étape de soudure de la puce mémoire. Enfin, nous avons conçu, développé et validé un procédé de fabrication permettant d'intégrer une diode PN de sélection en Silicium en série avec un élément résistif PCRAM, démontrant l'intérêt de ce sélecteur vertical pour être utilisées comme élément de sélection d'une cellule PCRAM intégrée au sein d'une architecture crossbar. / In the past few years, the increasing demand for high quality non-volatile memory (NVM) devices, leads to the developpment of NOR Flash and NAND Flash technologies, which are now the two main NVM players. However, because of some limitations such as performance degradation and limited cost reduction, the scaling of these technologies will reach in the next few years. Therefore, new NVM technologies are under development and among them, phase-change memory (PCM) technology has attracted strong interest and is now became one of the most promising candidates in order to replace Flash technologies, especially NOR Flash technology, and to address new memory markets, such as storage-class-memory market. However, in order to fully take their role in the memory arena, some performances of the PCM technology have to be improved. Therefore, during this PhD, we have tried to improve PCM devices electrical performances by reducing both programming currents and energy consumption while increasing high-temperature data-retention. To this extent, we have studied innovative device structure and alternative phasechange material. Moreover, using innovatives solutions, we show that our PCM devices could store data during the soldering step of the memory chipset. Finally, we have conceived, developed and validated, a process flow in order to make 1D1R PCM cell with Silicon-based vertical PN diodes, proving the relevance of this selector for PCRAM-based crossbar architecture.

Computer security and privacy are becoming extremely important nowadays. The task of protecting computer systems from malicious attacks and potential subsequent catastrophic losses is, however, challenged by the ever increasing complexity and size of modern hardware and software design. We propose several methods to improve computer security and privacy from architectural point of view. They provide strong protection as well as performance efficiency. In our first approach, we propose a new dynamic information flow method to protect systems from popular software attacks such as buffer overflow and format string attacks. In our second approach, we propose to deploy encryption schemes to protect the privacy of an emerging non-volatile main memory technology - phase change memory (PCM). The negative impact of the encryption schemes on PCM lifetime is evaluated and new methods including a new encryption counter scheme and an efficient error correct code (ECC) management are proposed to improve PCM lifetime. In our third approach, we deconstruct two previously proposed secure cache designs against software data-cache-based side channel attacks and demonstrate their weaknesses. We propose three hardware-software integrated approaches as secure protections against those data cache attacks. Also we propose to apply them to protect instruction caches from similar threats. Furthermore, we propose a simple change to the update policy of Branch Target Buffer (BTB) to defend against BTB attacks. Our experiments show that our proposed schemes are both security effective and performance efficient.

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