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域激活函数与非线性变换电路设计.docx

更新时间：2026-09-17 09:05:15 大小：39K 上传用户：他山之石可攻玉查看TA发布的资源 标签：存算一体芯片模拟域激活函数非线性变换电路跨导放大器可编程激活函数 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域激活函数与非线性变换电路设计

摘要

激活函数是神经网络中不可或缺的组成部分，在存算一体芯片的模拟计算阵列中，激活函数需要在模拟域直接实现，以避免数据在模拟域和数字域之间的频繁转换。然而，常见的激活函数——如ReLU、Sigmoid、Tanh等——在模拟域的实现面临精度、功耗和面积的多重挑战。本文针对存算一体芯片模拟计算阵列的需求，设计了一种可编程的模拟域激活函数电路，通过跨导放大器（OTA）和二极管连接的MOSFET组合，实现了ReLU、Leaky ReLU、GELU和Sigmoid四种激活函数的模拟域计算，精度达到8bit等效，功耗仅0.5mW，面积仅0.01mm²。

一、模拟域激活函数的实现挑战

1.1 激活函数在存算一体芯片中的位置

在存算一体芯片中，模拟计算阵列执行矩阵乘加运算后，输出结果为模拟电流或电压信号。按照神经网络的计算流程，这些信号需要经过激活函数进行非线性变换，然后传递到下一层。在传统数字架构中，激活函数由数字逻辑电路实现，但在存算一体芯片中，如果将模拟输出先转换为数字信号再执行激活函数，会引入额外的ADC开销和转换延迟。因此，在模拟域直接实现激活函数，可以显著降低延迟和功耗。

1.2 模拟域实现的主要难点

模拟域激活函数的实现面临以下难点：精度控制——模拟电路受工艺偏差和温度影响，难以实现高精度非线性变换，8bit精度要求下，电路的非线性误差需控制在0.4%以内；可编程性——不同神经网络模型使用不同的激活函数，要求同一电路可配置为多种激活函数；动态范围——激活函数的输入信号动态范围较大（可达数倍满量程），电路需在宽输入范围内保持精度。

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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域激活函数与非线性变换电路设计

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一、模拟域激活函数的实现挑战

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