Integration, Architecture, and Applications of 3D CMOS- Memristor ...

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Application/Architecture/Ckt Exploration ... Tunable bias network for analog design ..... design for. CMOL integration.
Integration, Architecture, and  Applications of 3D CMOS‐ Memristor Circuits  K.‐T. Tim Cheng and Dimitri Strukov

Univ. of California, Santa Barbara ISPD 2012 1

3D Hybrid ‐ CMOS/NANO add-on

nanodevices layer top nanowire level

CMOS stack

CMOS layer

bottom nanowire level

similar two-terminal nanodevices at each crosspoint

• CMOS stack + nano add-on • nanowire crossbar of two-terminal devices (memristors) 2

Resistive Switching “Memristive” Devices (latching switches, a.k.a. resistive switches, a.k.a. programmable diodes, a.k.a. memristive switches)

200

+ Wide range of material systems and  physical phenomena Current  ( uA )

100 50 nm hp 0 ‐100  1. • Crossbar is tilted by an angle α equal to ArcTan(1/r)  with respect to the pins. • # of reachable crosspoints per wire segment is r2 – 1

Crossbar Construction – Bottom Level

Adding a Second Crossbar Layer Connectivity domain in  the first crossbar layer

Connectivity domain in the  second crossbar layer

The mapping is done  through pin  translation wires

Blue pins are common to all  crossbar layers. Red pins are "redefined" for  each layer using the pin  translation wires.

First layer of red pins.

First layer of red and blue  pins.

Layer of (bluish) wires  connected to the blue  pins.

Single (orange) wire  connected to a red pin.  The cross‐points with the  bottom wires are shown  in green.

First complete crossbar  layer.

A single pin translation  wire (in yellow).

Every orange wire is  “translated” into another  point using the same type  of pin translation wire.

The first crossbar layer  with its pins translation  wires are then “buried” in  SiO2

We start to build the next  crossbar layer (bluish  wires)

We start to build the next  crossbar layer (bluish  wires)

We add the orange wires  (the cross‐points are  formed)

And we add the pins  translation wires and  repeat the process…

Maximum Number of Layers • Each layer has N2 cells. • There are r2 – 1 cross points per cell. • That gives us a total of N2(r2 – 1) cross points  per layer. • The double decoding scheme allows us to  address up to N4 locations • Which means that we can (potentially) have  up to N2/(r2 – 1) crossbar layers.

How Does it Stand Up as a Memory?  Memristor

PCM

STTRAM

DRAM

Flash

HDD

Density (F2)

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