A High Throughput In-MRAM-Computing Scheme Using Hybrid p-SOT-MTJ/GAA-CNTFET

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作者
Zhongzhen Tong,Yilin Xu,Y. Liu,Xinrui Duan,Hao Tang,Suteng Zhao,Chenghang Li,Zhiting Lin,Xiulong Wu,Zhaohao Wang,Xiaoyang Lin
出处
期刊:IEEE Transactions on Circuits and Systems I-regular Papers [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:71 (2): 606-619 被引量:7
标识
DOI:10.1109/tcsi.2023.3341608
摘要

Silicon-based semiconductor transistors are approaching their physical limits due to shrinking feature sizes. Simultaneously, traditional silicon-based von Neumann architectures exhibit significant latency and power consumption issues in data-centric applications, such as the Internet of Things and artificial intelligence. To tackle these challenges, this study introduces a novel approach: Magnetoresistance Random Access Memory (MRAM) computing in-memory (CIM) using gate-all-around carbon nanotube field-effect transistors (GAA-CNTFET). The proposed MRAM array comprised three transistors and one perpendicular magnetic anisotropy spin-orbit torque magnetic tunnel junction (p-SOT-MTJ) (3T1M) cell and achieves full-array Boolean logic operations and half/full-adder operations. The calculated results can be stored in-situ during the computing phase without requiring additional peripheral circuits. A 16 Kb MRAM was simulated in both GAA-CNTFET/p-SOT-MTJ and 14-nm FinFET/p-SOT-MTJ technologies to examine the effectiveness of the proposed design. Compared to its 14-nm FinFET/p-SOT-MTJ counterparts, the write and computing latencies of the GAA-CNTFET/p-SOT-MTJ CIM macro were reduced by approximately 21% and 20.6%, respectively, while the read and computing energy consumption by approximately 45.3% and 24.7%, respectively. Moreover, the proposed in-memory Boolean logic throughput was 8192 GOPS, which was approximately 160–250 times higher than that of existing CIM solutions, in which only two rows of word lines can be activated.
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