A Variation-Aware MTJ Store Energy Estimation Model for Edge Devices With Verify-and-Retryable Nonvolatile Flip-Flops

计算机科学 隧道磁电阻 能量(信号处理) 旋转扭矩传递 失败 功率选通 非易失性存储器 工艺变化 功率(物理) 还原(数学) 电子工程 GSM演进的增强数据速率 磁阻随机存取存储器 CMOS芯片 高效能源利用 电气工程 过程(计算) 计算机硬件 电压 工程类 材料科学 并行计算 晶体管 电信 图层(电子) 随机存取存储器 复合材料 物理 磁场 操作系统 统计 量子力学 数学 磁化 几何学
作者
Aika Kamei,Hideharu Amano,Takuya Kojima,Daiki Yokoyama,Kimiyoshi Usami,Keizo Hiraga,Kenta Suzuki,Kazuhiro Bessho
出处
期刊:IEEE Transactions on Very Large Scale Integration Systems [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:31 (4): 532-542 被引量:8
标识
DOI:10.1109/tvlsi.2023.3237794
摘要

While the spin-transfer torque (STT) magnetic tunnel junction (MTJ) is a promising technique for enabling nonvolatile flip-flops (NVFFs) to perform power gating to reduce leakage power without any data losses, the large store energy (the energy to make a store operation) of MTJs needs to be addressed. The nonvolatile cool mega array series is an edge-oriented coarse-grained reconfigurable accelerator that implements an improved MTJ-based NVFF with a verify-and-retryable store method that should ideally reduce the store energy under the presence of the switching time variation originating from the stochastic nature of the MTJs. However, the energy reduction effect of the method has not been formulated or evaluated thoroughly enough to make the best use of the method in actual applications. In this study, we propose an analytical model to estimate the store energy in typical operational conditions under the assumption of switching time variations following the normal distributions based on the measurements of a real chip fabricated with a 40-nm perpendicular MTJ/CMOS hybrid process. In contrast to the tedious measurement on each different condition, the proposed model allows for an instantaneous determination of the best storing method for minimizing the store energy, with an energy reduction of up to 69% compared with a conventional one-time attempt storing method. This model is expected to be used for system-level energy simulations and, ultimately, for design explorations in pursuit of energy-optimized memory.

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