<pre><p>Conventional digital computers are built using stable deterministic units known as "bits". These conventional computers have greatly evolved into sophisticated machines, however there are many classes of problems such as optimization, sampling and machine learning that still cannot be addressed efficiently with conventional computing. Quantum computing, which uses q-bits, that are in a delicate superposition of 0 and 1, is expected to perform some of these tasks efficiently. However, decoherence, requirements for cryogenic operation and limited many-body interactions pose significant challenges to scaled quantum computers. Probabilistic computing is another unconventional computing paradigm which introduces the concept of a probabilistic bit or "p-bit"; a robust classical entity fluctuating between 0 and 1 and can be interconnected electrically. The primary contribution of this thesis is the first experimental proof-of-concept demonstration of p-bits built by slight modifications to the magnetoresistive random-access memory (MRAM) operating at room temperature. These p-bits are connected to form a clock-less autonomous probabilistic computer. We first set the stage, by demonstrating a high-level emulation of p-bits which establishes important rules of operation for autonomous p-computers. The experimental demonstration is then followed by a low-level emulation of MRAM based p-bits which will allow further study of device characteristics and parameter variations for proper operation of p-computers. We lastly demonstrate an FPGA based scalable synchronous probabilistic computer which uses almost 450 digital p-bits to demonstrate large p-circuits.</p> </pre>

Dans l'ère actuelle de l'informatique la quantité d'informations à stocker a connu un essor considérable. Dans ce contexte l'évolution des mémoires a été importante, tant pour les mémoires vives que pour les enregistreurs magnétiques sur bande. Ainsi le travail proposé vise à améliorer ces deux types de dispositifs. Une première partie traite de la modélisation et de la conception d'une tête de lecture pour enregistreur sur bande magnétique. Pour cela un nouveau type de design 'yoke' a été mis en avant couplé à l'utilisation d'un matériau à magnétorésistance géante. Dans un deuxième temps, nous avons mené une réflexion sur les diverses approches pour modéliser le processus d'écriture dans le cas d'une mémoire vive magnétique à accès aléatoire (MRAM). Ceci nous a ensuite conduit à étudier le phénomène de diaphonie lorsque la densité de la mémoire augmente.

This thesis presents the design and implementation of a high-speed read-access STT MRAM. The proposed design includes a 2T1MTJ cell topology, along with two different read schemes: current-based and voltage-based. Compared to the conventional read scheme with 1T1MTJ cells, the proposed design is capable of reducing the loading on the read circuit to minimize the read access time. A complete STT MRAM test chip including the proposed and the conventional schemes was fabricated in 90nm CMOS technology. The 16kb test chip's measurement results confirm a read access time of 6ns and a write access time of 10ns. The read time is 25% faster than other works of similar array size published thus far, while the write time is able to match the fastest result.

This thesis presents the design and implementation of a high-speed read-access STT MRAM. The proposed design includes a 2T1MTJ cell topology, along with two different read schemes: current-based and voltage-based. Compared to the conventional read scheme with 1T1MTJ cells, the proposed design is capable of reducing the loading on the read circuit to minimize the read access time. A complete STT MRAM test chip including the proposed and the conventional schemes was fabricated in 90nm CMOS technology. The 16kb test chip's measurement results confirm a read access time of 6ns and a write access time of 10ns. The read time is 25% faster than other works of similar array size published thus far, while the write time is able to match the fastest result.

Le but de la thèse a été de montrer que les cellules mémoires MRAM présentent de nombreux avantages pour une utilisation en tant que mémoire de configuration pour les architectures reconfigurables et en particulier les FPGAs (Field Programmable Gate Arrays). Ce type de composant est programmable et permet de concevoir un circuit numérique simplement en programmant des cellules mémoires qui définissent sa fonctionnalité. Un FPGA est principalement constitué de cellules mémoires. C'est pourquoi elles déterminent en grande partie ses caractéristiques comme sa surface ou sa consommation et influencent ses performances comme sa rapidité. Les mémoires MRAM sont composées de Jonctions Tunnel Magnétiques (JTMs) qui stockent l'information sous la forme d'une aimantation. Une JTM est composée de trois couches : deux couches de matériaux ferromagnétiques séparées par une couche isolante. Une des deux couches ferromagnétiques a une aimantation fixée dans un certaine direction (couche de référence) tandis que l'autre peut voir son aimantation changer dans deux directions (couche de stockage). Ainsi, la propagation des électrons est changée suivant que les deux aimantations sont parallèles ou antiparallèles c'est-à-dire que la résistance électrique de la jonction change suivant l'orientation relative des aimantations. Elle est faible lorsque les aimantations sont parallèles et forte lorsqu'elles sont antiparallèles. L'écriture d'une JTM consiste donc à changer l'orientation de l'aimantation de la couche de stockage tandis que la lecture consiste à déterminer si l'on a une forte ou une faible résistance. Les atouts de la JTM font d'elle une bonne candidate pour être une mémoire dite universelle, bien que des efforts de recherche restent à accomplir. Cependant, elle a de nombreux avantages comme la non-volatilité, la rapidité et la faible consommation à l'écriture comparée à la mémoire Flash ainsi que la résistance aux radiations. Grâce à ces avantages, on peut déjà l'utiliser dans certaines applications et en particulier dans le domaine du spatial. En effet, l'utilisation dans ce domaine permet de tirer parti de tous les avantages de la JTM en raison du fait qu'elle est intrinsèquement immune aux radiations et non-volatile. Elle permet donc de réaliser un FPGA résistant aux radiations et avec une basse consommation et de nouvelles fonctionnalités. Le travail de la thèse s'est donc déroulé sur trois ans. La première année a d'abord été dédiée à l'état de l'art afin d'apprendre le fonctionnement des JTMs, l'architecture des FPGAs, les techniques de durcissement aux radiations et de basse consommation ainsi que le fonctionnement des outils utilisés en microélectronique. Au bout de la première année, un nouveau concept d'architecture de FPGA a été proposé. Les deuxième et troisième années ont été dédiées à la réalisation de cette innovation avec la recherche de la meilleure structure de circuit et la réalisation d'un circuit de base d'un FPGA ainsi que la conception puis la fabrication d'un démonstrateur. Le démonstrateur a été testé avec succès et a permis de prouver le concept. La nouvelle architecture de circuit de FPGA a permis de montrer que l'utilisation des mémoires MRAM comme mémoire de configuration de FPGA était avantageuse et en particulier pour les technologies futures.

Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第17519号 / 工博第3678号 / 新制||工||1559(附属図書館) / 30285 / 京都大学大学院工学研究科材料工学専攻 / (主査)教授 中村 裕之, 教授 酒井 明, 教授 田中 功 / 学位規則第4条第1項該当

In this review the different concepts of nanoscale resistive switching memory devices are described and classified according to their I–V behaviour and the underlying physical switching mechanisms. By means of the most important representative devices, the current state of electrical performance characteristics is illuminated in-depth. Moreover, the ability of resistive switching devices to be integrated into state-of-the-art CMOS circuits under the additional consideration with a suitable selector device for memory array operation is assessed. From this analysis, and by factoring in the maturity of the different concepts, a ranking methodology for application of the nanoscale resistive switching memory devices in the memory landscape is derived. Finally, the suitability of the different device concepts for beyond pure memory applications, such as brain inspired and neuromorphic computational or logic in memory applications that strive to overcome the vanNeumann bottleneck, is discussed.

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Dans le cadre de l'augmentation de la densité de stockage des mémoires magnétorésistives à accès direct (MRAM), les matériaux à anisotropie magnétique perpendiculaire sont particulièrement intéressants car ils possèdent une très forte anisotropie. Cependant, cette augmentation d'anisotropie induit également un accroissement de la consommation d'écriture. Un nouveau concept d'écriture assistée thermiquement a été proposé par le laboratoire SPINTEC. Le principe est de concevoir une structure très stable à température ambiante, mais qui perd son anisotropie lorsqu'elle est chauffée, facilitant ainsi l'écriture. Le but de cette thèse est de valider expérimentalement ce concept. Les premiers chapitres sont consacrés à l'optimisation des matériaux à anisotropie perpendiculaire que sont les multicouches (Co/Pt), (Co/Pd) et (Co/Tb). Leur intégration dans une jonction tunnel magnétique est ensuite présentée. L'évolution de l'anisotropie en température, paramètre crucial au bon fonctionnement de l'assistance thermique, a également été étudiée. Enfin, il est démontré que l'écriture thermiquement assistée est particulièrement efficace : les structures développées présentent une consommation d'écriture réduite par rapport aux structures classiques et une forte stabilité à température ambiante. / In order to increase the storage density of magnetoresistive random access memories (MRAM), magnetic materials with perpendicular anisotropy are very appealing thanks to high anisotropy. However, the enhancement of anisotropy induces an increase of writing consumption as well. A new thermally assisted switching concept has been proposed by SPINTEC laboratory. The principle is to design a highly stable structure at stand-by temperature which loses its anisotropy when heated, making thus the switching easier. The aim of this thesis is to validate experimentally this concept. The first chapters describe the optimisation of out-of-plane magnetic materials such as (Co/Pt), (Co/Pd) and (Co/Tb) multilayers. Their integration in magnetic tunnel junctions is then presented. The evolution of anisotropy with temperature is a critical parameter for thermally assisted writing and has been therefore studied. Finally, the efficiency of this thermally assisted writing is demonstrated: the developed structures present a reduced consumption compared to standard structures and high stability at room temperature.

This thesis discusses spin-transfer torques in MgO-based magnetic tunnel junctions. The voltage-field switching phase diagrams have been experimentally determined for in-plane CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions. In order to limit the effect of thermal activation, experiments have been carried out using nanosecond voltage pulses, as well as at low-temperature (4.2 K). The bias-dependence of the two spin-torque terms (Slonczewski-like and field-like) has been determined from thermally-excited ferromagnetic resonance measurements, yielding values which are in good agreement with previous reports. Additionally, material parameters such as the effective magnetisation and the damping factor have also been extracted. Using these values as input, the switching voltages as function of the applied magnetic field have been calculated numerically and analytically by solving the modified Landau-Lifshitz-Gilbert equation. Unlike previous studies, the field-like spin-torque has also been included. Moreover, different configurations have been considered for the magnetic anisotropy directions of the reference and free layer, respectively. / Diese Arbeit befasst sich mit Spin-Transfer-Torque-Effekten in MgO-basierten magnetischen Tunnelstrukturen. Die Phasendiagramme als Funktion von Spannung und Magnetfeld von CoFeB/MgO/CoFeB-Tunnelstrukturen mit Magnetisierung in der Ebene wurden experimentell bestimmt. Um thermische Anregungseffekte zu limitieren, wurden die Experimente einerseits mit nanosekundenlangen Spannungspulsen und andererseits bei niedrigen Temperaturen (4.2 K) durchgeführt. Die Spannungsabhängigkeit der beiden Spin-Torque-Parameter (in-plane und senkrechter Spin-Transfer-Torque) wurde aus Messungen der thermisch angeregten ferromagnetischen Resonanz bestimmt, wobei sich Werte ergaben, die gut mit vorangegangenen Untersuchungen übereinstimmen. Zusätzlich wurden Werte für Materialparameter wie die effektive Magnetisierung und den Dämpfungsparameter gewonnen. Unter Verwendung der erhaltenen Werte wurden die Schaltspannungen als Funktion des angelegten Magnetfeldes analytisch und numerisch berechnet, indem die erweiterte Landau-Lifshitz-Gilbert-Gleichung gelöst wurde. Im Gegensatz zu vorangegangenen Untersuchungen wurde der senkrechte Spin-Transfer-Torque dabei mit einbezogen. Darüber hinaus wurden verschiedene Konfigurationen für die Richtung der magnetischen Anisotropie der freien und fixierten Schicht berücksichtigt.