Neuartige Rechnerarchitekturkonzepte für passive Matrizen unter Verwendung von komplementären resistiven Schaltern

• Antragsteller: Dr.-Ing. Eike Linn
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 237378502

Ziel dieses Projektes ist es, neuartige Ansätze zur Nutzung von höchstskalierbaren passiven Speichermatrizen für Einsatzgebiete jenseits der reinen Speichernutzung zu erarbeiten. Den Ausgangspunkt bilden hierbei bestehende Ansätze, bei denen Logikoperationen mit Hilfe einzelner resistiver Schalter zu realisiert werden. Neben neuartige Logikkonzepte für passive Matrizen sollen auch neuartige Konzepte für neuromorphe Anwendungen aufgezeigt werden.Passive Matrizen ermöglichen sehr hohe Packungsdichten, benötigen aber zwingenderweise ein Auswahlelement, um das Auftreten parasitärer Ströme zu verhindern. Insbesondere komplementäre resistive Schalter (CRS) eigenen sich hervorragend als Auswahlelemente und sollen in diesem Projekt vorrangig für die Implementierung großer Matrizen verwendet werden.Der Hauptfokus dieses Projektes besteht in der Erforschung von neuartigen Matrixlogikkonzepten. Die größte Herausforderung wird hierbei die Erweiterung der initialen Einzelzellkonzepte zu effizienten und hochgradig parallel arbeitenden Matrixkonzepten darstellen. An die Betrachtung einzelner Matrizen wird sich dann die Betrachtung mehrerer Matrizen anschließen, um die Konzepte insbesondere hinsichtlich des erzielbaren Datendurchsatzes weiter zu verbessern. Darauf aufbauend soll der Einsatz von passiven CRS-basierten Matrizen für flächen- und energieeffiziente neuromorphe Anwendungen untersucht werden. Hierfür erscheint die Implementierung assoziativer Speicher ein geeigneter Weg zu sein. Ein wichtiger Schwerpunkt dieses Projekts ist der Vergleich der neuartigen Konzepte zu bestehenden CMOS Implementierungen. Um aussagekräftige Schaltungssimulationen der Logikoperationen in der Speichermatrix zu ermöglichen sollen zunächst dynamische (memristive) kompakte Modelle für drei prototypische Klassen von resistiven Schaltern, elektrochemischen Metallisierungszellen (ECM), Valenzwechselspeicherzellen (VCM) und magnetische Tunnelwiderstandszellen (MTJ) von physikalische Modellen abgeleitet, und für die Schaltungssimulation in SPICE angepasst werden. Diese dynamischen Modelle werden dann mit einem Auswahlelement gekoppelt, bzw. es werden komplementär verschaltete Modelle eingesetzt. Damit wird es möglich, Logikoperationen in der passiven Speichermatrix zu simulieren und direkt die Leistungsfähigkeit, insbesondere den Energieverbrauch und die Geschwindigkeit zu ermittelt. Sowohl die Matrixlogikkonzepte als auch die assoziativen Speicherkonzepte werden mit Hilfe von Simulationen validiert. Desweitern sollen die Multi-Matrizenansätze mit Hilfe von Simulationen auf ihre Effizienz hin geprüft werden.Der Flächenbedarf, der Energieverbrauch und die Geschwindigkeit des besten Logikkonzepts werden in einem letzten Schritt mit den erzielbaren Werten für höchstskalierte CMOS-Schaltungen verglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen