La consommation énergétique est devenue un défi majeur dans les domaines de l'informatique embarquée et haute performance. Différentes approches ont été étudiées pour résoudre ce problème, entre autres, la gestion du système pendant son exécution, les systèmes multicœurs hétérogènes et la gestion de la consommation au niveau des périphériques. Cette étude cible les technologies de mémoire par le biais de mémoires non volatiles (NVMs) émergentes, qui présentent intrinsèquement une consommation statique quasi nulle. Cela permet de réduire la consommation énergétique statique, qui tend à devenir dominante dans les systèmes modernes. L'utilisation des NVMs dans la hiérarchie de la mémoire se fait cependant au prix d'opérations d'écriture coûteuses en termes de latence et d'énergie. Dans un premier temps, nous proposons une approche de compilation pour atténuer l'impact des opérations d'écriture lors de l'intégration de STT-RAM dans la mémoire cache. Une optimisation qui vise à réduire le nombre d'opérations d'écritures est implémentée en utilisant LLVM afin de réduire ce qu'on appelle les silent stores, c'est-à-dire les instances d'instructions d'écriture qui écrivent dans un emplacement mémoire une valeur qui s'y trouve déjà. Dans un second temps, nous proposons une approche qui s'appuie sur l'analyse des programmes pour estimer des pire temps d'exécution partiaux, dénommés δ-WCET. À partir de l'analyse des programmes, δ-WCETs sont déterminés et utilisés pour allouer en toute sécurité des données aux bancs de mémoire NVM avec des temps de rétention des données variables. L'analyse δ-WCET calcule le WCET entre deux endroits quelconques dans un programme, comme entre deux blocs de base ou deux instructions. Ensuite, les pires durées de vie des variables peuvent être déterminées et utilisées pour décider l'affectation des variables aux bancs de mémoire les plus appropriées. / Traditional memories such as SRAM, DRAM and Flash have faced during the last years, critical challenges related to what modern computing systems required: high performance, high storage density and low power. As the number of CMOS transistors is increasing, the leakage power consumption becomes a critical issue for energy-efficient systems. SRAM and DRAM consume too much energy and have low density and Flash memories have a limited write endurance. Therefore, these technologies can no longer ensure the needs in both embedded and high-performance computing domains. The future memory systems must respect the energy and performance requirements. Since Non Volatile Memories (NVMs) appeared, many studies have shown prominent features where such technologies can be a potential replacement of the conventional memories used on-chip and off-chip. NVMs have important qualities in storage density, scalability, leakage power, access performance and write endurance. Nevertheless, there are still some critical drawbacks of these new technologies. The main drawback is the cost of write operations in terms of latency and energy consumption. We propose a compiler-level optimization that reduces the number of write operations by elimination the execution of redundant stores, called silent stores. A store is silent if it’s writing in a memory address the same value that is already stored at this address. The LLVM-based optimization eliminates the identified silent stores in a program by not executing them. Furthermore, the cost of a write operation is highly dependent on the used NVM and its non-volatility called retention time; when the retention time is high then the latency and the energetic cost of a write operation are considerably high and vice versa. Based on that, we propose an approach applicable in a multi- bank NVM where each bank is designed with a specific retention time. We analysis a program and we compute the worst-case lifetime of a store instruction to allocate data to the most appropriate NVM bank.

Memory design is a crucial component of VLSI system design from area, power and performance perspectives. To meet the increasingly challenging system specifications, architecture, circuit and device level innovations are required for existing memory technologies. Emerging memory solutions are widely explored to cater to strict budgets. This thesis presents design methodologies for custom memory design with the objective of power-performance benefits across specific applications. Taking example of STTRAM (spin transfer torque random access memory) as an emerging memory candidate, the design space is explored to find optimal energy design solution. A thorough thermal reliability study is performed to estimate detection reliability challenges and circuit solutions are proposed to ensure reliable operation. Adoption of the application-specific optimal energy solution is shown to yield considerable energy benefits in a read-heavy application called MBC (memory based computing). Circuit level customizations are studied for the volatile SRAM (static random access memory) memory, which will provide improved energy-delay product (EDP) for the same MBC application. Memory design has to be aware of upcoming challenges from not only the application nature but also from the packaging front. Taking 3D die-folding as an example, SRAM performance shift under die-folding is illustrated. Overall the thesis demonstrates how knowledge of the system and packaging can help in achieving power efficient and high performance memory design.