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1 © CEA 2010. Tous droits réservés. Toute reproduction totale ou partielle sur quelque support que ce soit ou utilisation du contenu de ce document est interdite sans l’autorisation écrite préalable du CEA All rights reserved. Any reproduction in whole or in part on any medium or use of the information contained herein is prohibited without the prior written consent of CEA 2010 Emerging Memory Technologies for Reconfigurable Routing in FPGA Architecture Fabien Clermidy P.E Gaillardon, H. Ben Jamaa, G. Beneventi, L. Perniola CEA, LETI, Minatec Campus Grenoble, France 2010

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All rights reserved. Any reproduction in whole or in part on any medium or use of the information contained herein is prohibited without the prior written consent of CEA

2010

Emerging Memory Technologies for Reconfigurable Routing in FPGA

Architecture Fabien Clermidy

P.E Gaillardon, H. Ben Jamaa, G. Beneventi, L.

PerniolaCEA, LETI, Minatec Campus

Grenoble, France

2010

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2Emerging memories for FPGA

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2010

FPGA Market

• About 90% of market controlled by SRAM-based FPGA– Long set-up time

– Large power consumption

• Non-volatile FPGA opportunities– Instant power up

– Data integrity

– low power modes

Small niche applications : Space, Defense

High PriceLow Capacity

Low PriceOr high Capacity

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3Emerging memories for FPGA

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2010

FPGA architecture: where to play?

Ahmed et al., 2001

Logic element = CLB

Interconnections = Switch boxLin et al., 2007

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4Emerging memories for FPGA

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2010

PCRAM opportunities

Density equivalent to DRAM

5 order of magnitudes more write/erase cycles

Good perspectives of write/erase cycles

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5Emerging memories for FPGA

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2010

Outline

• Context

• Phase Change Memories overview

• FPGA application

• Conclusion

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6Emerging memories for FPGA

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2010

Phase-Change RAM principle

• Material with 2 stable phases– Chalcogenide alloys : GST, GeTe, …– Hysteresis cycle between 2 states

• Transition by Joule heating

Polycrystal Amorphous

High conductivity Low conductivity

ReversibleReversible

Phase Phase ChangeChange

AmorphousAmorphous

tQUENCH < 10 ns

Tmelt

PolycrystalPolycrystal

tQUENCH > 100 ns

TX

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7Emerging memories for FPGA

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2010

The Phase-Change RAM structure

• Electrodes– Heater

Control the current densityImprove Joule heating

– Contact

• Back-End compatibility– PC material deposited at BE

temperatures– Possible integration in BEOL or in

metal layers

Heater

Active region

Crystalline chalcogenide

M0 Gnd

M1TEC

PC

BEC

PCM

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10Emerging memories for FPGA

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2010

The Phase-Change RAM opportunities

Phase-Change Memories

Non-volatility

3D technology

Low Cost

Low “On” resistance

Delay reduction Size reduction

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11Emerging memories for FPGA

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2010

Switch box using PCM

• Resistive memories are replacing pass gates + configuration point

In W

In W

In E

In E

In S In S

In N In NNorth

South

West East

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12Emerging memories for FPGA

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2010

Programming

• Complex programming units needed– But shared with many switch boxes

3 - state

MUX

Programmingunit

In

Iprog

Sel En

Out

Sel

3 - state

Programmingunit

In W In E

In S In S

In N In N

PolycrystalPolycrystaltQUENCH > 100 ns

TX

AmorphousAmorphous

tQUENCH < 10 ns

Tmelt

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13Emerging memories for FPGA

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2010

Comparison with Flash and SRAM

• Switch box with its configuration memory– Write time

• Extracted from ITRS• Depends mainly on heater structure

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2010

Replacing other configuration points?

• Can’t be used as a flash point• Proposal: structure of voltage divider

– 2 Resistive Elements between power lines– Configuration selector– Output node drive a gate load

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2010

Configuration point: operations

• Read operation is intrinsic• Write operation is active

ReadMem 1 PolycrystalMem 2 Amorphous

Addressing transistor OffPower lines Vdd, Vss

Voltage divider

WritePower lines Connection to

programming unitAddressing transistor On

Mem programming

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16Emerging memories for FPGA

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2010

Comparison with Flash and SRAM

• Area: 30% gain • Flash = large programming MOS transistor• Lithographic pitch for contacts

• Write time• Extracted from ITRS• Depends on heater structure

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2010

FPGA architecture: Final view

Ahmed et al., 2001

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18Emerging memories for FPGA

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FPGA architecture: results

• CLB Area reduction 13%• Average Delay reduction 44% - Lower “On” resistance

Toolflow : ABC – T-VPACK - VPR

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Conclusion

• Phase-Change RAM is an option to consider for FPGA design

• Both switch boxes and configuration memories

• Non-volatility is another aspect which can induce further improvements

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Questions?