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Nonvolatile Nano-Electromechanical (NEM) Memory Switches for Reconfigurable Logic

기능 전환형 논리 회로 개선을 위한 나노 전기기계 메모리 스위치 연구

초록/요약

Field-programmable gate array (FPGA)와 같은 기능 전환형 논리 회로는 유연한 회로 설계, 짧은 개발 시간, 저비용 등의 장점을 가져 많은 연구가 진행되었다. 그러나 기존 metal-oxide-semiconductor field-effect-transistor (MOSFET) 기반 FPGA는 낮은 동작 속도, 높은 전력 소모, 낮은 집적도가 문제가 되었으며, 또한 이를 해결하기 위한 나노 전기기계 (NEM) relay 기반 FPGA는 움직이는 금속 빔이 신호에 따라 이동하여 데이터 신호 전송 경로가 불안정한 것이 문제가 되었다. 상기의 제반 문제를 해결하기 위해 NEM memory 스위치가 FPGA에 최초로 적용되었다. NEM memory 스위치는 FPGA의 connection block (CB)와 switch box (SB) 에 사용되는 MOSFET과 NEM relay 스위치를 대체하며, 이러한 NEM-memory 기반 FPGA는 고속, 저전력, 고집적 구현이 가능하다. 또한 NEM memory 스위치는 빔과 전극 간 강한 접착력을 이용해 데이터 신호 전송 경로를 유지하므로 데이터 이동 경로의 비휘발성 저장 및 안정적인 데이터 신호 전송이 가능하다. 추가적으로, NEM memory 스위치는 빔과 전극 간 큰 접착 면을 가져 NEM relay 스위치보다 작은 접착 저항을 갖는다. 이와 같은 NEM-memory 기반 FPGA의 장점을 시뮬레이션 결과, 실제 제작된 소자 및 회로의 측정 결과를 통해 검증하였다.

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초록/요약

Reconfigurable logic such as a field-programmable gate array (FPGA) has been investigated intensively thanks to its flexible circuit design, short development time and low cost. However, conventional metal-oxide-semiconductor field-effect-transistor (MOSFET)-based FPGAs have some limitations: low speed, high energy consumption and large chip area. Also, nano-electromechanical (NEM)-relay-based FPGAs have unstable and volatile data signal paths because movable beam movement is dependent on data signals. In order to address these problems, the application of NEM memory switches to field-programmable gate arrays (FPGAs) has been proposed for the first time. NEM memory switches replace MOSFETs and NEM relay switches in connection blocks (CBs) and switch boxes (SBs). The proposed NEM-memory-based FPGAs feature higher speed, lower energy consumption and smaller chip area than the other FPGAs. Also, compared with previously-reported NEM-relay-based FPGAs, they show nonvolatile storage of data signal paths and stable rail-to-rail signal voltage swing because data signal paths are maintained by adhesion force. In addition, the contact resistance (Rco) of a NEM memory switch is lower than that of a NEM relay switch thanks to its larger contact area. These advantages of NEM-memory-based FPGAs have been confirmed based on simulation results and measurement of NEM memory switch cells. Also, CMOS-NEM-memory hybrid circuits have been implemented for the first time.

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