Hybrid CMOS-PCM Ternary Logic for Digital Circuit Applications

三元运算 CMOS芯片 电子工程 与非门 逆变器 计算机科学 逻辑门 晶体管 电气工程 算法 工程类 电压 程序设计语言
作者
Manoj Kumar,Manan Suri
出处
期刊:IEEE Transactions on Nanotechnology [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:22: 228-237 被引量:8
标识
DOI:10.1109/tnano.2023.3272831
摘要

This paper presents hybrid design of a Ternary Inverter (TI) circuit by integrating an Ovonic-Threshold-Switching (OTS) based Phase-Change-Memory (PCM) cell between Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) transistors. Volatile OTS behaviour of the PCM structure helps to generate the ternary state. Reliability of the proposed TI design has been demonstrated through the Monte-Carlo simulations in Cadence-Spectre simulator incorporating both Process and Mismatch variability at all corners. The proposed inverter cell consumes 10.44 $\mu$ W power and 1.47 ns delay on UMC-180 nm technology node. Moreover to demonstrate the scaling potential, we have simulated the proposed inverter at various technology nodes i.e 180/90/65/28 nm. At advanced feature sizes, power and delay are improved by significant amount. For benchmarking, we have compared the proposed TI design with various state-of-the-art hybrid structures. Furthermore, to demonstrate potential applications, we designed and simulated ternary universal logic gates i.e NAND/NOR. Benefits of the proposed TI in circuit applications are shown through a Ternary Multiplier (TMUL) arithmetic circuit implementation. Finally, a Ternary-Static-Random-Access-Memory (TSRAM) is proposed with two back-to-back connected CMOS-PCM TIs with three bit storing capability.
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