AP3 Simulation und Modellierung

Neben den erforderlichen technologischen Entwicklungen in AP1 und AP2 können KI-Schaltungen nur dann erfolgreich und weit verbreitet werden, wenn entsprechende Design- und Simulationswerkzeuge etabliert werden. Das AP3 bildet damit eine Brücke zu den mehr anwendungsorientierten APs 4-6 und DP. Da noch nicht alle physikalischen Details der memristiven Bauelemente verstanden sind, ist die Entwicklung von physikalischen Simulationsmodellen noch am Anfang. Diese Modelle tragen zum physikalischen Verständnis der memristiven Bauelementtechnologien bei und helfen diese zu optimieren. Zur Entwicklung von memristiven KI-Schaltungen werden zudem vereinfachte Kompaktmodelle benötigt, die eine schnelle Simulationszeit erlauben. Um die Technologie in Kontext mit der Anwendung in KI-Schaltungen zu optimieren werden auch höher-wertige Entwurfs- und Simulationswerkzeuge benötigt, die eine schnelle Abschätzung von Parameter wie Fläche, Energie und Performanz ermöglichen. Daher verfolgt dieses AP drei Ziele in drei Unterarbeitspaketen

· Entwicklung von Modelle für die memristiven Bauelemente (AP 3.1)

· Entwicklung von Modellen für memristive Matrizen und 3D Interconnects (AP 3.2)

· Entwicklung höherwertiger Design- und Simulationswerkzeuge für KI-Schaltungen (AP 3.3).

In AP 3.1 werden physikalische Modell für die memristiven Bauelemente, die in Neurotec II hergestellt werden, entwickelt. Dazu werden verschiedenen Ansätze verfolgt beginnend mit Transportrechnungen auf der atomaren Skala hin zu Kompaktmodellen, die in Schaltungssimulatoren verwendet werden können. Diese Kompaktmodelle können dann in den AP4-6 und DP für den Schaltungsentwurf eingesetzt werden. Alle Kompaktmodelle werden unter dem Namen Jülich-Aachen ReRAM Tools (JART) auf unserer Webseite www.emrl.de/jart.html veröffentlicht. Für filamentäre VCM Zellen wurden in Neurotec I, Kompaktmodelle entwickelt, die die Zyklenvariabilität und die Bauelementvariabilität abbilden (siehe Abbildung 1).

In AP3.2 wird das Zusammenspiel von memristiven Baulementen miteinander untersucht. Vor allem bei der Integration in Matrizen mit hoher Speicherdichte, werden die einzelnen Speicherzellen dicht aneinander gebaut. Dadurch kann es zu einem thermischen Übersprechen kommen (siehe Abbildung 2). Dieses Übersprechen muss in Matrizenmodellen berücksichtigt. Eine reine Betrachtung als Einzelzellen ist für hohe Speicherdichten nicht mehr möglich. Die Simulationen ermöglichen auch ein Design der Matrizen, das ein thermisches Übersprechen verhindert. Die Entwicklung von Designregeln für Matrizen und die Entwicklung von Modellen für ganze Matrizen unter Berücksichtigung der Interaktion der verschiedenen Zellen sind die Hauptziele dieses Arbeitspakets.

Für eine Bewertung des neuartigen Rechenkonzepts basierend auf memristiven Speicherbauelemente müssen auch höherwertige Tools auf Systemebene entwickelt werden. Erst durch den Vergleich auf Systemebene lassen sich die neuartigen Rechenkonzepte mit herkömmlichen rein auf CMOS-basierten Konzepten vergleichen. In Neurotec I konnte schon gezeigt werden, dass eine Architektur, die auf zu einer Minimierung des Energieverbrauchs führt.