Nanotechnologie et architectures de calcul

CIPRIAN TEODOROV

Lab-STICC MOCS, CNRS UMR 3192

Plan

!   Domaine

!   Composants connus

!   Le système et sa fabrication

!   Architectures

!   Conclusions

Nanoscience

!   Concerne l'étude des phénomènes observés pour des objets dont la taille est de quelques nanomètres et dont les propriétés découlent spécifiquement de cette taille nanométrique.

Étalonnage

!   0,1 nanomètre : diamètre d'un atome d'hydrogène

!   2,5 nanomètres : largeur d'une molécule d'ADN

!   45-90 nanomètres : circuits µélectroniques actuels

!   800 nanomètres : globule rouge d'un être humain

!   1,7 milliard de nanomètres : taille moyenne d'un être humain

Nanotechnologie

!   La conception, la caractérisation, la production et l’application de structures, dispositifs et systèmes par le contrôle de la forme et de la taille à une échelle nanométrique.

Nanoélectronique

!   L'utilisation des nanotechnologies dans la conception des composants électroniques, tels que les transistors.

Applications de la nanotechnologie

!   Matériaux : matériaux et outils de coupe plus résistants

!   Médicine : diffusion des médicaments, cancer, robots microbivore

!   Énergétique : cellules photovoltaïques

!   Agriculture : champs intelligentes, nanocides

!   Environnement : membranes pour filtrer les polluants ou le sel dans l'eau

!   Défense : textiles légers qui se réparent d'eux-mêmes, remplacement du sang, systèmes de surveillance miniaturisés.

!   Mécanique : nanorobots, nanoMEMS

!   Électronique : nano-processeurs

Contexte

• Le nombre des transistors per cm2 est inversement proportionnel au prix et il double chaque 18 mois.

La loi du Moore :

• Des circuits plus puissants et moins chères qui consomme moins d’énergie

Les besoins de la société :

• Des technologies émergentes (nanoélectronique, ordinateur quantique, etc.) vue comme une alternative pour remplacer le CMOS

L’état de l’art :

L’histoire de l’ordinateur

Mainframe

PC

Mobile

Ubiquitous

Les limites du CMOS

• réduction de tailles des transistors • réduction de la tension d’alimentation et de la tension de seuil • augmentation de la vitesse de fonctionnement • augmentation du nombre de dispositifs intégrés dans une puce

Les sources d’évolution du CMOS

• Températures élevés • Courants de fuites • Couplage capacitif • Influences électromagnétiques • Bruit sur les lignes d’alimentation • Phénomènes radiatifs (particules alpha, neutrons atmosphérique)

Problèmes :

Du CMOS vers le nano

CMOS • Construction de haut vers bas • Placement précise des composants

Nanotechnologie • Construction de bas vers haut • Assemblage stochastique • Structures régulières • Probabilité d’erreurs très élevée

gate

sour

ce

drain

En 1947 : le premier transistor (Shockley, Brattain, Bardeen)

Composants passives (fils)

Nanotube de Carbone (CNT)

Nanofils de Silicone (SiNW) – élevées avec déposition de vapeurs de silane (SiH4)

Nanotubes de carbone •  les premiers produits industriels issus des nanotechnologies •  types :

•  mono feuillets •  multi feuillets

• conductivité - supérieure à celle du cuivre et 70 fois supérieure à celle du silicium.

• mobilité - 100 000 cm2/V*s à 300 K • Propriété d'absorption de la lumière

Propriétés

Nanofils de silicium

Comment crée un nanofil (1)

Comment crée un nanofil (2)

Composants actives

SiNW FET

Mémoires suspendues à CNT

Interrupteur moléculaire

Diode à effet tunnel résonant

Transistor à un seul électron

Macro composants Crossbar

Nanocell

Cellule quantique

Cellules quantiques

Nanocell

Crossbar

Nanoimprint lithography

Auto assemblage (1)

Auto assemblage (2)

!   Alignement fluidique de Longmuir-Blodgett

Auto assemblage (3)

On transfère les NW aligné sur un substrat On met la deuxième couche

à l’angle droit

Auto assemblage – Résumé

Types de défauts

!   Défauts permanents : !   Processus de fabrication : FETs fautifs , NWs brisés,

problèmes de contact… !   Bruit externe : interférence électromagnétique ou

décharge électrostatique

!   Variations de fabrication : !   variation de dopage, variation de la longueur du canal.

!   Fautes transitoires : !   Bruit interne : fréquences élevées, interférences, !   Bruit externe : α - particule, neutron ou proton.

Techniques pour tolérer les défauts

!   Configuration autour des défauts !   Placement et routage autour des défauts !   « Mortal switching »

!   Masquage hiérarchique des défauts !   Redondances :

!   Duplication des dispositifs actives et passives !   Nanofils interleaving !   Ajout des faibles pull-up ou pull-down !   Redondance triple modulaire

!   Circuit correcteur d’erreur (ECC aux niveau de circuit)

!   Techniques nonconventionelle ! Reseaux neuronalles !   Champs aléatoires de Markov

Architectures

! NanoPLA

! Nanofabrics, CMOL et FPNI ( HP )

!   NASIC

! NanoCell

!   QCA

NanoPLA

!   Auteur : !   André DeHon

!   Place : ! University of Pennsilvania

!   Lien : ! http://www.seas.upenn.edu/~andre/

!   Référencés : !   André DeHon. Nanowire-Based Programmable Architectures. In ACM Journal

on Emerging Technologies in Computing Systems, Volume 1, Number 2, Pages 109--162, July 2005.

!   André DeHon. Design of Programmable Interconnect for Sublithographic Programmable Logic Arrays. In Proceedings of the International Symposium on Field Programmable Gate Arrays, pages 127--137,February, 2005.

Architecture NanoPLA

• Décodeur d’adresses : • Code k-hot

• Un code unique pour adresser chaque fil

Adressage statistique

!   Ensemble de codes uniques réalises par assemblage statistique

!   Hypothèses : !   Grande plage des codes (106 codes)

!   Grand nombre de fils (1012)

!   On choisi aléatoirement quelque fils (10 fils)

!   La probabilité que les 10 sont unique? !   Très grande! (99.995%)

Logique avec des diodes

• Logique passive • Non-restoring

•  Points de croissement programmable et non-volatile

Plan OU programmable

• Mais : –  La porte OR n’est pas universelle –  La logique avec des diodes est non-restoring à sans

gain, on ne peut pas cascadé

Logique FET avec restoration à la PMOS

• Usage des FETs pour obtenir la restoration du signal

Idéal vs. Stochastique restore

PLA basé sur nanofils

NOR-NOR = AND-OR PLA Logic

Tolérance aux défauts

•  Toutes les composants (PLA, routage, mémoire) interchangeable; •  On choisi N parmi les M composants disponible •  Programmation locale autour les défauts

Pavage de nanoPLAs

Pavage de nanoPLAs

Routage Manhattan

Routage Manhattan

Flot de conception NanoPLA

Blif Sis Plamap Vpr Npr (p, r)

Densité de la logique

NanoPLA – une architecture de calcul complète

!   Les portes NOR sont universelles

!   Sélective signal inversion

!   Structure d’interconnéctions pour le routage arbitraire

Peut calculer toutes les fonctions logique

•  Possibilité d’intégration avec nano mémoires

•  1000X plus dense que les PLA en CMOS à 22-nm

CMOL

!   Auteurs : !   D. Strukov et K. Likharev

!   Place : !   Stony Brook University

!   Lien : ! http://pavel.physics.sunysb.edu/~likharev/nano/

!   Référencés : !   K. K. Likharev and D. B. Strukov, "Prospects for the Development of

Digital CMOL Circuits", Proc. of NanoArch’07, pp. 109-116. !   D. B. Strukov and K. K. Likharev, "CMOL FPGA Circuits", in Proc.

WorldComp’06/CDES’06, pp. 213-219.

L’architecture CMOL Characteristics

• 3D integration • Rotation du crossbar avec :

• α = arcsin(Fnano/βFCMOS)

Mémoires CMOL

D. Strukov et K. Likharev (2007)

Circuits logique reconfigurable

D. Strukov et K. Likharev (2005)

Circuits logique séquentiels

Le flot de conception CMOL

Configuration autour des défauts !   TERAMAC projet du HP (1995)

!   Construction d’une carte de défauts – BIST ou testeur CMOS externe

!   Placement et routage du circuit autour des défauts

Circuit placé sur CMOL sans défauts

Circuit placé sur CMOL avec défauts

CMOL – Réseaux neuromorphiques

• Somas en CMOS • nanofils comme dendrites et axones • interrupteur moléculaire comme synapses

Réseaux neuromorphiques en CMOL

CMOL –Réseaux neuromorphiques

NASIC

!   Auteurs : !   C. A. Moritz et al.

!   Place : ! University of Massachusetts

!   Lien : ! http://www.ecs.umass.edu/ece/ssa/index.html

!   Référencés : ! Pritish Narayanan, Michael Leuchtenburg, Teng Wang, Csaba Andras

Moritz, CMOS Control Enabled Single-Type FET NASIC, Best Paper Award, IEEE Computer Society Annual Symposium on VLSI 2008 , 2008 [PDF][extended PDF]

! Teng Wang, Pritish Narayanan, Michael Leuchtenburg, Csaba Andras Moritz, NASICs: A Nanoscale Fabric for Nanoscale Microprocessors, IEEE International Nanoelectronics Conference (INEC) , 2008 [PDF]

Architecture NASIC •  Architecture hiérarchique hybride •  Pas reconfigurable •  Storage temporaire sur le nanofil •  Combinaison de plusieurs types de logique •  Usage d’un seul type de FET

Redondances structurelles

C : valeur ‘1’ (possible) « hard-to-mask »)

b

c’

evaluate

preChargevdd gnd

a bevaluate a’ b’

c

A B Co1 o1’

predischarge

vdd

gnd

A : valeur ‘0’ masque par le plan OR)

B : masque par le plan AND du PLA suivant

L’amélioration de la tolérance aux défauts

!   La réduction des zones « hard-to-mask » par : !   Le placement des NW de

sortie

!   L’ajout des faibles pull-ups/pull-downs :

on Ω < Ω < off Ω

gnd

vdd gndo1 o1' o2 o2'

gnd

vdd gnd

evaluate

o1 o1'o2 o2'

AND OR

AND OR

D

D

vdd

evaluate

predischarge

vdd

predischarge

(a)

(b)pull-down NW

Codes correcteur d’erreurs !   Applique pour le plan

AND du PLA.

!   Utilisés en parallèle avec les techniques de redondance structurelle

vdd

gnd

a0 a0

neva

ndis

vdd

gndpeva

ppre

b0 c0b0 c0r1 r1 r2 r3r2 r3

vddppre s sco co

Next-stage Logic

Pull-up wire

o1 o1 o2 o3o2 o3

Original Stage 1

Redundant Stage 1

Original Stage n

Redundant Stage n

CMOSencoder

CMOS decoder

Résultats pour NASIC I - Transistor Defects (10% Stuck-off, 90% Stuck-on)

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12 0.13 0.14

Defect Rate

Yie

ld o

f WIS

P-0

RAW2-wayEC3+2wayEC4+2way2-way +TMR

Broken NWs

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12 0.13 0.14

Defect Rate

Yie

ld o

f WIS

P-0

RAW2-wayEC3+2wayEC4+2way2-way +TMR

Comparaison NanoPLA CMOL NASIC

Composant de base 2D crossbar 3D crossbar 2D crossbar

Structure Régulier Régulier Hétérogène

Dispositifs passives Nanofils Nanofils Nanofils

Dispositifs actives Diodes et FET Interrupteur latché FET

Rôle du nano Logique and routage

logique OU and routage

Logique and routage

Rôle du CMOS Adressage Inversion, gain, demultiplexeurs

Interconnéction

Tolérance aux défauts Reconfiguration Reconfiguration Masquage des défauts

Conclusions

!   Les systèmes nanoélectroniques fournissent des nombreux avantages par rapport au silicium classique, surtout une augmentation de la densité.

!   En raison de leur très petite taille, les composants nanométrique présentent de nouveaux problèmes dans la fabrication et la tolérance aux défauts qui doivent être surmontés.

!   doit être capable de s'interfacer avec des puces en silicium, au moins dans le court terme.