Hybrid IGZO-Si 3T0C DRAM for Energy-Efficient Near-Memory MAC and Bitwise computing

Abstract

Data-intensieve systemen vereisen energiezuinig geheugen, aangezien conventioneel silicium-DRAM een hoog vernieuwingsenergieverbruik kent en IGZO-DRAM onvoldoende snel is. Deze masterproef onderzoekt een hybride IGZO–Si 3T0C-geheugencel voor near-memory computing. Die cel bestaat uit een IGZO-schrijftransistor, een IGZO-opslagtransistor en een Si-cascode-transistor, en is geïntegreerd in een 32×32-array met alle perifere circuits.

De decoder, de sense-amplifier en de controller zijn in silicium (Si) gerealiseerd. Simulaties met het IGZO-PDK van Pragmatic en het X-Fab 180 nm Si-PDK hebben de schrijf- en leestijd, de retentie, de functionaliteit en het energieverbruik van de perifere circuits geëvalueerd.

Simulatie-resultaten tonen een schrijftoegangstijd van 55 ns met een totale energie-consumptie van 131 pJ, terwijl een volledige lees-operatie 50 ns in beslag neemt en 116 pJ verbruikt, waarvan 108 pJ door de DRAM-controller, met een geschatte retentietijd van meer dan 400 s. MAC-operaties (multiply-accumulate) behalen een doorvoersnelheid van 290,9 MOPS bij een energie-efficiëntie van 111,1 GOPS/W, terwijl bitwise-operaties 11,76 MOPS bereiken bij 4,31 GOPS/W. Rijverversing vergt 131 pJ per 400 s (ten opzichte van 64 ms bij conventioneel silicium), wat neerkomt op een energiereductie van een 818,6 nJ per verversinterval. De voorgestelde architectuur minimaliseert het energieverbruik en maximaliseert de doorvoer, waarmee een schaalbare in-memory computing-oplossing wordt aangetoond.