Jalabert, Antoine (2006) Architecture de mémoire haute densité à base d'électronique moléculaire tolérante à un très grand nombre de défauts. PhD thesis microélectronique, ENST.

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Abstract

L'électronique moléculaire, partie intégrante des nanotechnologies, résulte de la convergence de différents domaines: la microélectronique, la physique, la chimie ou encore la biologie. L'engouement suscité s'explique par l'espoir de trouver un complément faible coût, voire une alternative viable à l'électronique CMOS sur silicium actuelle, dont les perspectives d'évolution restent floues au-delà de 2015/2020 et dont le coût de fabrication actuel augmente de façon exponentielle.
Les dispositifs à base d'électronique moléculaire apparaissent comme des candidats potentiels à l'intégration dans les mémoires du futur. En effet, leur utilisation permettrait d'obtenir, de part leurs dimensions nanométriques, des densités très élevées, bien au-delà de la roadmap silicium, tout en réduisant les coûts de fabrication grâce aux procédés d'auto-assemblage et d'intégration tridimensionnelle.
Cependant, l'état de l'art actuel indique qu'il n'existe pas de modélisation appropriée à des simulations complexes et qu'à cette échelle, les variations technologiques d'un composant à l'autre seront très élevées.
Les travaux de recherche présentés dans ce manuscrit de thèse proposent un nouveau type d'architecture de mémoire de très haute densité et tolérante aux dispersions, à base de transistor moléculaire à nanofils à effet de champs (NW-FET moléculaire). L'étude présente un modèle continu VHDL-AMS du transistor moléculaire, et deux niveaux de modélisation VHDL-AMS d'une nouvelle cellule mémoire moléculaire haute densité. Enfin, différentes techniques de tolérance aux fortes dispersions (jusqu'à 25% de variations des caractéristiques des dispositifs de base) sont évaluées.

Table of content

Table des matières
Table des matières i
Introduction générale 1
I État de l'art 7
1 Les matériaux de l'électronique moléculaire 9
1.1 Les nanofils - 9
1.2 Transistor à nanofil semiconducteur recouvert de molécules - 11
1.2.1 La molécules de bis(terpyridine) − Fe2+ - 11
1.2.2 Fabrication du transistor NW-FET à grille flottante molécuaire - 12
1.2.3 Analyse des caractéristiques du transistor - 13
1.2.4 Phénomènes physiques, électroniques et électro-chimiques - 15
1.2.5 Commentaires à propos du transistor NW-FET moléculaire - 16
1.3 Les nanotubes de carbone - 17
1.3.1 Qu'est-ce qu'un nanotube de carbone ? - 17
1.3.2 Propriétés électriques - 20
1.3.3 Procédés de Synthèse: arc-discharge, laser-ablation et CVD - 22
1.3.4 Les nanotubes de carbone appliqués à la micro-électronique - 25
1.3.4.1 Les transistors FET à base de nanotubes: CNTFET - 25
1.3.4.2 Point mémoire électro-mécanique - 26
1.3.4.3 Système Nano-électro-mécanique (NEMS) - 28
1.3.4.4 Autres applications - 29
1.4 Les molécules - 33
1.4.1 Negative Differential Resistance (NDR) - 33
1.4.2 Conformation géométrique bistable - 34
1.4.3 Multiples états d'oxydo-réduction - 36
1.4.4 Calcul intra-moléculaire - 37
2 Les architectures de l'électronique moléculaire 39
2.1 Nanocell: l'approche bottom-up - 40
2.1.1 La Nanocell - 40
2.1.2 Exploitation de la Nanocell - 42
i ii Table des matières
2.1.3 Conclusion - 46
2.2 Nanofabric: Reprogrammabilité et tolérance aux défauts de fabrication - 46
2.2.1 Éléments de base de la Nanofabric - 47
2.2.1.1 Le bloc logique de base: le nanoBlock - 47
2.2.1.2 La Nanofabric - 48
2.2.2 La tolérance aux défauts de fabrication - 49
2.2.3 Conclusion - 50
2.3 FPGA nanométrique - 51
2.3.1 Architectures reprogrammables spatialement - 52
2.3.2 La fabrication des NWs - 52
2.3.3 Diodes programmables - 53
2.3.4 Adressabilité - 54
2.3.5 Restauration de niveau logique - 55
2.3.6 Conclusion - 55
2.4 Interface Micro-nano - 56
2.4.1 Des transistors à partir d'un réseau de nanofils - 57
2.4.2 L'adressage micro-nano - 58
2.4.3 Conclusion - 60
2.5 Architecture neuromorphique - 61
2.5.1 L'architecture CMOL: une architecture hybride - 62
2.5.2 Le CrossNet - 64
2.5.3 Conclusion - 65
2.6 Automate Cellulaire - 66
2.6.1 Qu'est ce qu'une cellule QCA? - 67
2.6.2 Implémentation avec des jonctions tunnel métalliques - 71
2.6.3 Vers une implémentation moléculaire - 73
2.6.4 Perspectives - 73
2.7 Le crossbar moléculaire - 74
2.7.1 Le crossbar d'interrupteurs moléculaires - 75
2.7.2 Réalisation expérimentale - 76
2.7.3 Perspectives - 78
3 Les points mémoires 79
3.1 DRAM - 79
3.2 SRAM - 80
3.3 Flash - 80
3.4 Cellules issues de l'électronique moléculaire - 82
3.4.0.1 Stockage électronique - 82
3.4.0.2 Stockage électro-mécanique - 83
3.5 Tableau récapitulatif - 84
Table des matières iii
II Contribution originale 85
4 Modélisation du transistor moléculaire NW-FET 89
4.1 VHDL-AMS - 90
4.2 Modélisation - 92
4.2.1 Équations électriques - 92
4.2.1.1 Évaluation du courant IDS - 92
4.2.1.2 Équations complémentaires du modèle - 96
4.2.2 Modélisation des phénomènes d'oxydo-réduction - 96
4.3 Simulation - 98
4.3.1 Environnement de simulation - 98
4.3.2 Résultats - 98
5 Présentation de la cellule mémoire moléculaire 105
5.1 La cellule mémoire moléculaire - 106
5.2 La cellule mémoire de base - 107
5.2.1 Description - 107
5.2.2 Fonctionnement et simulation - 110
5.2.3 Variations technologiques - 113
5.3 Modélisation optimisée en temps de calcul de la cellule mémoire - 114
5.4 Conclusion et perspectives - 115
6 Architecture tolérante aux dispersions technologiques 117
6.1 L'outil développé en Matlab - 118
6.1.1 Aide à la saisie de caractéristique - 118
6.1.2 Générateur de code - 119
6.2 Architecture proposée - 121
6.2.1 Politique d'intégrité de l'information - 121
6.2.2 Proposition d'architecture - 122
6.2.2.1 Séquenceur et contrôle de lecture/écriture (Read/Write
Logic and Scheduler) - 122
6.2.2.2 Découpage par paquets de mvBits et encodeur de code correcteur (mvBits address Splitter and Error Code Corrector
Encoder) - 124
6.2.2.3 Regroupement des paquets de mvBits et détecteur et correcteur d'erreur (mvBits Merger and Error Corrector) 124
6.2.3 Techniques proposées pour la tolérance aux dispersions - 124
6.2.3.1 Méthode De Base: Amplificateur de lecture semi-intelligent125
6.2.3.2 Méthode d'Évaluation d'Erreur (Error Sensing) - 126
6.2.3.3 Méthode Boucle d'Évaluation d'Erreur (Boucle Error
Sensing) - 128
6.2.3.4 Méthode Évaluation d'Erreur à Code Correcteur d'Erreur
(Error Sensing ECC) - 130
6.3 Conclusion et perspectives - 136
iv Table des matières
A Chronogrammes 143
B Exemples de code 147
C Résultats de simulation 151
Bibliographie 166
Table des figures 167
Publications 173

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