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Gain-Cell Embedded DRAMs: Modeling and Design Space

Résumé

Among the different types of dynamic random-access memories (DRAMs), gain-cell embedded DRAM (GC-eDRAM) is a compact, low-power, and CMOS-compatible alternative to conventional static random-access memory (SRAM). GC-eDRAM achieves high memory density, as it relies on a storage cell that can be implemented with as few as two transistors and that can be fabricated without additional process steps. However, since the performance of GC-eDRAMs relies on many interdependent variables, the optimization of the performance of these memories for the integration into their hosting system, as well as the design investigation of future GC-eDRAMs, proves to be highly complex tasks. In this context, modeling tools of memories are key enablers for the exploration of this large design space in a short amount of time. In this article, we present GC-eDRAM modeling tool (GEMTOO), the first modeling tool that estimates timing, memory availability, bandwidth, and area of GC-eDRAMs. The tool considers parameters related to technology, circuits, and memory architecture, and it enables the evaluation of architectural transformations as well as advanced transistor-level effects, such as the increase in the access delay due to the deterioration of the stored data. The timing is estimated with a maximum deviation of 15% from postlayout simulations in a 28-nm FD-SOI technology for different memory sizes and architectures. Moreover, the measured random cycle frequency of a GC-eDRAM fabricated in a 28-nm CMOS bulk process is estimated with a 9% deviation when considering 6-sigma random process variations of the bitcells. The proposed GEMTOO modeling tool is used to show the intricacies in design optimization of GC-eDRAMs, and based on the results, optimal design practices are derived.

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Concepts associés (32)
Mémoire vive
La mémoire vive, parfois abrégée avec l'acronyme anglais RAM (Random Access Memory), est la mémoire informatique dans laquelle peuvent être enregistrées les informations traitées par un appareil informatique. On écrit mémoire vive par opposition à la mémoire morte. L'acronyme RAM date de 1965. Les caractéristiques actuelles de cette mémoire sont : Sa fabrication à base de circuits intégrés ; L'accès direct à l'information par opposition à un accès séquentiel ; Sa rapidité d'accès, essentielle pour fournir rapidement les données au processeur ; Sa volatilité, qui entraîne une perte de toutes les données en mémoire dès qu'elle cesse d'être alimentée en électricité.
Mémoire vive dynamique
La mémoire vive dynamique (en anglais DRAM pour Dynamic Random Access Memory) est un type de mémoire vive compacte et peu dispendieuse. La simplicité structurelle de la DRAM — un pico-condensateur et un transistor pour un bit — permet d'obtenir une densité élevée. Son inconvénient réside dans les courants de fuite des pico-condensateurs : l'information disparaît à moins que la charge des condensateurs ne soit rafraîchie avec une période de quelques millisecondes. D'où le terme de dynamique.
Mémoire flash
vignette|Une clé USB en 2005. La puce de gauche est la mémoire flash, celle de droite le microcontrôleur. vignette|Un lecteur USB de cartes mémoires utilisées par exemple dans les appareils photo numériques. La mémoire flash est une mémoire de masse à semi-conducteurs réinscriptible, c'est-à-dire possédant les caractéristiques d'une mémoire vive mais dont les données ne disparaissent pas lors d'une mise hors tension. La mémoire flash stocke dans des cellules de mémoire les bits de données qui sont conservées lorsque l'alimentation électrique est coupée.
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