Verschmelzung von Widerstandsschaltern und CMOS für funktionale Schaltungen

Der Forschungsschwerpunkt des ehemaligen Lehrstuhls für Elektrotechnik und Computersysteme (EECS) an der RWTH Aachen lag auf dem Gebiet der Schaltungen auf der Basis von Widerstandsschaltern (RS) und nanoskaligen CMOS-Bauelementen. Besondere Anwendungsgebiete sind nichtflüchtige verteilte Speicher, rekonfigurierbare Logik und künstliche neuronale Netze. Eine der größten Herausforderungen beim Entwurf solcher Schaltungen ist die Bewältigung der erheblichen Auswirkungen der Variabilität auf die Zuverlässigkeit der Schaltungen, insbesondere unter Berücksichtigung der reduzierten Signalenergie, der Geschwindigkeitsanforderungen und der Forderung nach minimaler Flächenbelegung. Im Gegensatz zu Standardmethoden, die sich von vornherein auf funktionale Aspekte von Systemen konzentrieren, wurden hier Bedenken hinsichtlich der Zuverlässigkeit als Prämisse betrachtet, während die Realisierung einer bestimmten Funktion durch Zuverlässigkeitsanforderungen eingeschränkt wird. Um wirksame Mittel zur Erhaltung der Robustheit gegenüber verschiedenen physikalischen Störungsquellen zu entwickeln, stützt sich das Forschungsprogramm auf drei Säulen: (i) Erstellung realistischer Modelle von Bauelementen (RS, CMOS) und der Verbindungstechnik für die Schaltungssimulation. Typische Einflussfaktoren sind hierbei selbst statische Parametervariabilität durch Prozessvariabilität, zufälliges Telegraphenrauschen und elektronische Fallen, zufällige Bewegung geladener Ionen und Kreuzkopplung von Signalen durch elektromagnetische Felder. (ii) Identifizierung geeigneter Funktionsschaltungen, die die in der Standard-CMOS-Technologie verwendeten Gatter ersetzen könnten. Besonderes Augenmerk wurde auf Schaltungskonzepte gelegt, die eine signifikante Erhöhung des Gate-Fan-Ins (assoziatives Mapping von Operanden) ermöglichen. Dabei konnte der Grad der Parallelität erhöht und gleichzeitig die Geschwindigkeit einzelner Gatter gesenkt werden, um besondere Zuverlässigkeitsanforderungen zu erfüllen. Dabei wurden umfangreiche Monte-Carlo-Simulationen von grundlegenden Schaltungen durchgeführt, um deren Leistung hinsichtlich Stromverbrauch, Bitfehlerrate und Geschwindigkeit zu charakterisieren. (iii) Identifizierung elementarer passiver und aktiver Maßnahmen zur Verbesserung der Robustheit des Systems in Abhängigkeit von der betrachteten Ebene (Gerät, Schaltung, Architektur, System). Es wurden Konzepte bewertet, die Rückkopplungsschleifen, die Kalibrierung und Anpassung nichtflüchtiger Schaltkreise sowie die Verwendung bestimmter Fehlererkennungscodes umfassen.

Referenzen:

A. Heittmann, T.G. Noll, Variability of Multilevel Switching in Scaled Hybrid RS/CMOS Nanoelectronic Circuits: Theory, The European Physical Journal Applied Physics, 63, 14404, 2013 doi: 10.1051/epjap/2013120482