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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基于器件几何尺寸比例的高精度模拟计算电路.docx
资料介绍
面向存算一体芯片的模拟计算阵列中存算一体芯片的基于器件几何尺寸比例的高精度模拟计算电路
摘要
模拟存内计算面临的核心瓶颈是计算精度受限——传统方案依赖器件的电阻值作为权重，而电阻值存在编程随机偏差且易受温度影响，导致精度难以提升。本文基于南京大学缪峰团队提出的创新思路，设计了一种基于器件几何尺寸比例的高精度模拟计算电路，将权重的实现方式从物理参数转向器件几何尺寸比，利用器件几何比例在制备完成后具备极高稳定性的特点，实现高精度计算。在180nm CMOS工艺下，芯片在并行向量矩阵乘法运算中实现了仅0.101%的均方根误差，刷新了模拟计算领域的最高精度纪录，并在-78.5℃至180℃的极端环境下保持稳定。
一、模拟计算精度的根本制约
1.1 器件参数的不稳定性
传统模拟存内计算方案将权重编码为RRAM、PCM或MRAM器件的电阻值。然而，这些器件的电阻值在编程时存在显著的随机偏差（典型值5%-20%），且随温度、电压和时间漂移。这种不稳定性使得模拟计算的有效位数通常限制在4-6bit，难以满足高精度AI推理的需求。
1.2 几何尺寸比例的稳定性
与电阻值不同，晶体管的几何尺寸（宽度W和长度L）在芯片制造完成后具有极高的稳定性。W/L比例决定了电流拷贝电路的增益系数，不随温度、电压和工作时间变化。利用这一特性，可以实现高精度的模拟乘法运算。
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