Design and development of nanoelectronic circuits and architectures

Abstract

Dimensional scaling of CMOS technology is expected to soon reach fundamental physical limits. This has driven great research efforts in emerging nanoelectronic devices over the last decade. Several new alternative information processing devices and architectures for existing or new functions are being explored in an attempt to sustain the historical integrated circuit performance increase. Among many nanotechnologies currently under investigation, resistance-switching devices, generally referred as “memristors”, show great potential and are widely considered as a possible successor of CMOS-based storage and processing cells in future electronic systems. The memristor was predicted by L. O. Chua in 1971 as the fourth fundamental circuit element, joining the resistor, the capacitor, and the inductor. It is a passive two-terminal electronic device whose behavior is described by a nonlinear constitutive relation between the voltage drop at its terminals and the flowing current. However, this device attracted most of attention worldwide only after 2008 when the first practical implementation was announced by HP Laboratories. This Ph.D. Thesis considers the design and development of nanoelectronic circuits and architectures focusing particularly on memristors. The ultimate goal is to study, explore, and address the related challenges and propose solutions for the smooth transition from conventional circuit technologies to emerging nanotechnologies. To this end, several new results on memristor modeling, memristive interconnections, logic circuit design, memory circuit architectures, development of design and simulation software tools, and applications of memristors in computing are presented. The results presented in this work indicate that memristors are well-suited for both storing and computing information, since both take place in the same devices. The content of this Thesis applies well to nowadays research trends on nanoscale memristive circuits and systems. The presented findings contribute to a step forward, towards emerging technologies which are promising to dominate the electronic industry in the future.

H συνεχής σμίκρυνση των διαστάσεων των CMOS κυκλωμάτων αναμένεται σύντομα να πλησιάσει τα θεμελιώδη φυσικά όρια της. Το γεγονός αυτό έχει στρέψει το παγκόσμιο ερευνητικό ενδιαφέρον σε αναδυόμενες νανοηλεκτρονικές διατάξεις. Αυτή την περίοδο πραγματοποιείται εντατική έρευνα σε εναλλακτικές διατάξεις και αρχιτεκτονικές επεξεργασίας πληροφορίας με απώτερο στόχο τη διατήρηση της ιστορικά αυξανόμενης απόδοσης των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που συχνά αναφέρεται ως «νόμος του Moore». Μεταξύ των νέων νανοτεχνολογιών που ερευνώνται αυτή την περίοδο, οι διατάξεις μεταβαλλόμενης αντίστασης ευρύτερα χαρακτηριζόμενες ως «memristors», επιδεικνύουν ως τώρα σπουδαίες λειτουργικές δυνατότητες και θεωρούνται ως πιθανός διάδοχος της CMOS τεχνολογίας τόσο σε διατάξεις μνήμης όσο και επεξεργασίας στα ηλεκτρονικά συστήματα του μέλλοντος. Το memristor προτάθηκε από τον L. O. Chua το 1971 ως το τέταρτο θεμελιώδες κυκλωματικό στοιχείο για να προσχωρήσει στα ήδη γνωστά μας: αντιστάτης, πυκνωτής, και πηνίο. Πρόκειται για μια παθητική ηλεκτρονική διάταξη δύο ακροδεκτών η συμπεριφορά της οποίας περιγράφεται από μια μη-γραμμική θεμελιώδη μαθηματική σχέση μεταξύ της τάσης στα άκρα της και του ρεύματος που τη διαρρέει. Ωστόσο, αυτή η διάταξη συγκέντρωσε το περισσότερο επιστημονικό ενδιαφέρον μόλις μετά το 2008 όταν και ανακοινώθηκε η πρώτη πειραματική υλοποίηση από τα εργαστήρια της Hewlett-Packard. Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή αναφέρεται στο σχεδιασμό και την ανάπτυξη νανοηλεκτρονικών κυκλωμάτων και αρχιτεκτονικών εστιάζοντας στις memristive διατάξεις. Απώτερος στόχος είναι η μελέτη, διερεύνηση, και αντιμετώπιση των σχετικών προκλήσεων, καθώς και η πρόταση λύσεων για την ομαλότερη μετάβαση από τις καθιερωμένες τεχνολογίες κυκλωμάτων σε νέες αναδυόμενες νανοτεχνολογίες. Σε αυτή την κατεύθυνση, παρουσιάζονται νέα αποτελέσματα σχετικά με τη μοντελοποίηση memristive διατάξεων, τη μοντελοποίηση πολύπλοκων διασυνδέσεων τους, μεθοδολογίες σχεδιασμού κυκλωμάτων λογικής, αρχιτεκτονικές σχεδιασμού κυκλωμάτων μνήμης, ανάπτυξη εργαλείων σχεδιασμού και προσομοίωσης κυκλωμάτων, και εφαρμογές των memristive διατάξεων σε δικτυώματα. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται αποδεικνύουν ότι τα memristors είναι κατάλληλα τόσο για την αποθήκευση όσο και για την επεξεργασία πληροφοριών, αφού αμφότερες οι λειτουργίες λαμβάνουν χώρα στις ίδιες ηλεκτρονικές διατάξεις. Το περιεχόμενο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής συνάδει απόλυτα με τις σύγχρονες τάσεις της έρευνας στο χώρο των νανοηλεκτρονικών memristive κυκλωμάτων και συστημάτων. Τα συμπεράσματα της έρευνας συνεισφέρουν στην ανάπτυξη των αναδυόμενων τεχνολογιών που αναμένεται να κυριαρχήσουν στη βιομηχανία ημιαγωγών στο προσεχές μέλλον.