面向存算一体芯片的模拟计算阵列中存算一体芯片的模拟计算精度退化模型与补偿算法.docx

更新时间：2026-09-17 08:42:24 大小：39K 上传用户：潇潇江南查看TA发布的资源 标签：存算一体芯片模拟计算阵列精度退化模型补偿算法器件老化 下载积分：2分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

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面向存算一体芯片的模拟计算阵列中存算一体芯片的模拟计算精度退化模型与补偿算法

摘要

存算一体芯片中模拟计算阵列的核心优势在于其高能效比，但模拟计算固有的非理想性——包括器件工艺偏差、温度漂移、噪声耦合等——导致计算精度随运行时间逐渐退化，严重制约了其在高精度AI推理任务中的部署。本文构建了面向存算一体芯片模拟计算阵列的精度退化模型，系统分析了器件老化、温度效应和噪声耦合对计算精度的耦合影响机制，提出了一种自适应混合精度补偿算法框架。实验结果表明，该算法可将模拟计算精度损失控制在1%以内，芯片有效使用寿命延长至原来的3倍以上。

一、模拟计算精度退化的物理机制

1.1 器件层面的退化因素

存算一体芯片中模拟计算阵列的计算精度高度依赖于存储器件（如RRAM、PCM、MRAM）的电阻状态稳定性。在持续运行过程中，器件特性呈现多维度退化趋势。电阻漂移是核心退化因素——RRAM器件在反复读写操作后，其高阻态（HRS）和低阻态（LRS）的电阻值会逐渐偏离初始值，典型PCM器件的电阻漂移指数可达0.01-0.05，导致存储的权重值发生偏移。耐久性退化则表现为器件在大规模循环编程后，阻态切换窗口逐渐缩小，最终无法区分多值状态。

1.2 温度耦合效应

温度对模拟计算精度的影响呈现非线性特征。在3D堆叠存算一体芯片中，计算阵列局部温度可能超过100℃，导致：（1）忆阻器件的电导率随温度变化，典型RRAM器件的温度系数约为-0.5%/℃；（2）金属互连线的电阻随温度升高而增大，影响电流分配精度；（3）感测放大器的偏移电压随温度漂移，降低信号检测裕度。温度与器件退化的耦合效应是精度退化的关键——高温加速了器件的电化学迁移过程，使电阻漂移速率增加2-3倍，形成"高温-加速退化-计算精度下降-功耗增加-温度进一步升高"的正反馈循环。

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一、模拟计算精度退化的物理机制

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1.2 温度耦合效应

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