Novel Computer-Architectural Concepts Arising from Complementary Resistive Switch Enhanced Passive Crossbar Arrays
Final Report Abstract
Als das wichtigste Ergebnis dieses Projektes ist die Konzeption, Entwicklung und Realisierung neuartiger Addiererkonzepte zu nennen, welche auf der Verwendung von resistiven Schaltern in passiven Speichermatrizen beruhen. Im Rahmen des Projekts würden dafür bestehende Logikansätze weiterentwickelt und durch den Vergleich unterschiedlicher Konzepte eine besonders energie- und flächeneffiziente Lösung erarbeitet. Das ursprünglich nur für von komplementären resistiven Schaltern (CRS) entwickelte Logikkonzept konnte erfolgreich auf alle bipolar-schaltende resistive Schalter übertragen werden. Es konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass komplementäre resistiven Schalter alle 16 Boole’schen Logikfunktionen realisieren können. Um eine detaillierte Analyse der unterschiedlichen Logikkonzepte zu ermöglichen wurden umfangreiche Schaltungssimulationen durchgeführt. Dafür wurden zunächst Schaltungsmodelle aus der Literatur analysiert, und vier Bewertungskriterien für die Qualität memristiver Modelle herausgearbeitet. Die gewonnenen Erkenntnisse flossen dann in die Entwicklung der verbesserten Schaltungsmodelle ein. Sowohl für elektrochemische Metallisierungszellen als auch für Valenzwechselspeicherzellen konnten im Rahmen dieses Projekts Schaltungsmodelle etabliert werden, und für Logiksimulationen mittels SPICE erfolgreich eingesetzt werden. So konnte im direkten Vergleich unterschiedlicher Logikkonzepte die Vorteile der CRS-basierter Logik quantitativ ermittelt werden. Auch komplexere Funktionalitäten, insbesondere die Eigenschaften der neuartigen Addierer, konnten hinsichtlich der Leistungsfähigkeit, der Energieeffizienz und des Flächenbedarfs detailliert untersucht werden und entsprechend optimiert werden. Es wurden komplementäre resistive Schalter hinsichtlich der Schalteigenschaften und des Stromverbrauchs optimiert und für die Überprüfung der Logikkonzepte eingesetzt. So konnten erstmals die neuentwickelten Addiererkonzepte unter Verwendung komplementär schaltender Hafniumoxidspeicherzellen experimentell realisiert werden. Des Weiteren wurde im Rahmen des Projekts ein Konzept zur Mustererkennung mittels passiver Speichermatrizen weiterentwickelt und verifiziert. Der ermittelte Energieverbrauch ist dabei deutlich geringer als in herkömmlichen SRAM-basierten Assoziativspeichern. Als ein alternatives Logikkonzept konnten im Rahmen dieses Projekts CRS-basierte Gatter zur Realisierung der Minimums- bzw. Maximumsfunktion identifiziert werden. Diese könnten zukünftig für die Implementierung von Sortiernetzwerken eingesetzt werden. Die im Rahmen dieses Projekts erarbeiten Konzepte ermöglichen Datenverarbeitung direkt in einer nichtflüchtigen Speichermatrix. Damit könnte in zukünftigen Computersystemen die Trennung von Rechenwerk und Speicher aufgehoben werden, welche die Leistungsfähigkeit heutiger Prozessoren maßgeblich begrenzt und wesentlich für den Gesamtenergieverbrauch verantwortlich ist.
Publications
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“Applicability of Well-Established Memristive Models for Simulations of Resistive Switching Devices,” IEEE Transactions on Circuits and Systems - Part I: Regular Papers (TCAS-I), vol. 61, pp. 2402 - 2410, 2014
Linn, Eike; Siemon, Anne; Waser, Rainer & Menzel, Stephan
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“A Complementary Resistive Switch-based Crossbar Array Adder,” IEEE J. Emerging Sel. Top. Circuits Syst., vol. 5, pp. 64 -74, 2015
Siemon, Anne; Menzel, Stephan; Waser, Rainer & Linn, Eike
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“Realization of Boolean Logic Functionality using Redox-based Memristive Devices,” Adv. Funct. Mater., vol. 25, pp. 6414–6423, 2015
Siemon, Anne; Breuer, Thomas; Aslam, Nabeel; Ferch, Sebastian; Kim, Wonjoo; van den Hurk, Jan; Rana, Vikas; Hoffmann‐Eifert, Susanne; Waser, Rainer; Menzel, Stephan & Linn, Eike
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“Study of Memristive Associative Capacitive Networks for CAM Applications,” IEEE J. Emerging Sel. Top. Circuits Syst., vol. 5, pp. 153-161, 2015
Nielen, Lutz; Siemon, Anne; Tappertzhofen, Stefan; Waser, Rainer; Menzel, Stephan & Linn, Eike
