New design approaches for flexible architectures and in-memory computing based on memristor technologies

Nouvelles approches de conception d'architectures flexibles et de calcul en mémoire basées sur les technologies des memristors Le développement récent de nouvelles technologies de mémoires non-volatiles basées sur le concept de memristor a suscité de nombreux efforts pour explorer leur utilisation potentielle dans différents domaines d'application. Les propriétés uniques de ces dispositifs memristifs et leur compatibilité pour uneintégration avec les technologies CMOS conventionnelles permettent de nouveaux paradigmes de conception d’architecture, offrant des niveaux sans précédent de densité, de reconfigurabilité et d’efficacité énergétique. Dans ce contexte, le but de ce travail de thèse était d'explorer et d'introduire de nouvelles approches de conception basées sur les memristors pour combiner flexibilité et efficacité en proposant des architectures originales qui dépassent les limites des architectures existantes. Cette exploration et cette étude ont été menées à trois niveaux : interconnexion, traitement et mémoire. Au niveau des interconnexions, nous avons étudié l'utilisation de dispositifs memristifs pour permettre une grande flexibilité basée sur des réseaux d'interconnexion programmables. Cela a permis de proposer la première architecture de transformée de Fourier rapide reconfigurable basée sur des memristors, nommée mrFFT. Les memristors sont insérés comme des commutateurs reconfigurables au niveau des interconnexions afin d'établir un routage flexible puce. Au niveau du traitement, nous avons exploré l'utilisation de dispositifs memristifs et leur intégration avec les technologies CMOS pour la conception de fonctions logique combinatoire. Ces circuits hybrides memristor-CMOS exploitent la forte densité d'intégration des memristors afin d'améliorer les performances des implémentations numériques, et en particulier des unités arithmétiques et logiques. Au niveau mémoire, une nouvelle approche de calcul en mémoire a été introduite. Dans ce contexte, un nouveau style de conception logique a été proposé, nommé Memristor Overwrite Logic (MOL), associé à une architecture originale de mémoire de calcul. L’approche proposée permet de combiner efficacement le stockage et le traitement afin de contourner les problèmes liés aux accès mémoire et d'améliorer ainsi l'efficacité de calcul. L'approche proposée a été appliquée dans trois études de cas à des fins de validation et d'évaluation des performances.