Avec la réduction continue des dimensions des transistors CMOS, le développement des mémoires statiques du type SRAM énergétiquement efficientes et de hautes densités devient de plus en plus difficile. Les dernières années ont vu l'apparition de nouvelles technologies de mémoire, qui ont attiré l'intérêt de la communauté académique, ainsi que de nombreux acteurs industriels. Parmi ces technologies, la STT-MRAM se distingue pour ses caractéristiques très avantageuses, comme sa faible consommation, ses performances et sa facilité d'intégration dans une technologie de fabrication CMOS. En plus, les MRAMs sont des technologies non-volatiles, avec une endurance élevée, nous allons utiliser cette caractéristique pour proposer de nouvelles fonctionnalités aux systèmes intégrés, notamment sur les architectures de processeur et les dispositifs reconfigurables.Une comparaison entre plusieurs amplificateurs de lecture, utilisables pour concevoir des matrices de mémoire et des cellules séquentielles a été aussi menée. Afin de démontrer la faisabilité de la conception hybride CMOS/MRAM plusieurs prototypes ont été conçus sur une technologie 28nm CMOS FDSOI et une technologie magnétique capable de produire des MTJ perpendiculaires STT de 200nm. Nous avons appliqué ces briques de base au monde du processeur notamment en proposant un processeur capable de conserver un état sain lors d'une erreur d'exécution. Les résultats obtenus confirment que le surcout de ces techniques est tout à fait compatible avec la démarche de conception d'un circuit intégré actuel. / With the downscaling of the CMOS technology, it is becoming increasingly difficult to design power-efficient and dense static random-access memories (SRAM). In the last two decades, alternative memory technologies have been actively researched both by academia and industry. Among them, STT-MRAM is one of the most promising, having near-zero static power consumption, competitive performance with respect to SRAM and easy integration with CMOS fabrication processes. Furthermore, MRAM is a non-volatile memory technology, providing for new features and capabilities when embedded in reconfigurable devices or processors. In this thesis, applications of MRAM to embedded processors and field-programmable gate-arrays (FPGAs) were investigated. A comparison of several self-referenced read circuits, with application for both memory arrays and sequential cells is provided, based on MTJ compact models provided by our project partners. To demonstrate the feasibility of the proposed circuits, we laid-out and fabricated independent, self-contained sequential cells and a hybrid, multi-context CMOS/MTJ memory array, using state-of-the-art 28nm FDSOI CMOS technology, combined with a 200nm perpendicular STT-MTJ process. Finally, we used these building blocks to implement instant on/off and backward-error recovery capabilities in an embedded processor. Results obtained by simulation allowed us to verify that these features have minimal impact on performance. An initial layout implementation allowed us to estimate the impact on silicon footprint, which could be further reduced by improvements in the MTJ integration process.

La MRAM est une technologie de mémoire non-volatile émergente, elle a la particularité de stocker les données sous forme d’orientations de moments magnétiques. Ses performances sont intéressantes et surpassent les technologies actuelles sur plusieurs aspects. Crocus Technology développe une nouvelle génération de MRAM, les TAS-MRAM (pour ThermallyAssistedSwitching MRAM). Ces MRAM ont la particularité d’effectuer les opérations d’écritures à hautes températures, améliorant ainsi la consommation électrique et facilitant sa réduction d’échelle. Les TAS-MRAM sont développées pour des applications sécuritaires ou critiques, cependant la technologie MRAM utilise des principes physiques liés aux interactions magnétiques qui sont relativement peu étudiés en termes de sécurité du composant.L’objet du travail de cette thèse est d’évaluer les potentielles faiblesses de sécurité pour cette technologie. En particulier la capacité des MRAM à garantir l’intégrité et la confidentialité des informations qui sont stockées a été étudiée. Ce travail est divisé en deux parties, une première partie est consacrée à l’analyse de la résistance des MRAM aux attaques physiques avec un focus tout particulier sur l’étude des effets des champs magnétiques sur l’écriture, la lecture et la rétention des données ainsi que les différentes solutions envisagées pour réduire ces effets. Une étude des effets de la température a également été réalisée. L’autre partie du travail porte sur l’étude des émissions électromagnétiques et l’analyse de plusieurs méthodes pour retrouver le poids de Hamming des données manipulées par la mémoire et de ce fait en extraire de potentiels secrets ou données sensibles. / MRAM (magnetoresistive RAM) is an emergent non-volatile memory technology; it has the particularity to store data in magnetic moments orientations. It has very interesting characteristics that overwhelm mature technologies on several points. Crocus Technology is developing a new MRAM technology called TAS-MRAM (for Thermally Assisted Switching). During write operations, this new MRAM technology uses a current to heat the memory cell. This reduces the power consumption and makes scalability easier. TAS-MRAM are developed for secure or critical applications but this technology relies on spintronic, a field of physics not much studied for electronics security.This work aims to evaluate potential security weaknesses of this technology. More specifically the memory capacity to guarantee data confidentiality was studied. This work was divided in two parts; one part is dedicated to the analysis of MRAM resistance against physical perturbations, with a special focus on magnetic fields (both static and pulsed) effects on read and write operations as well as their effects on data retention. Various methods to reduce these effects were tested and compared. The effect of high temperature was also studied.The second part focuses on the analysis of electromagnetic emissions of the MRAM components during its operations. Methods to retrieve the Hamming weight of data written in the memory are exposed and compared.