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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精度无损全并行数字式非易失存内计算宏单元.doc
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精度无损全并行数字式非易失存内计算宏单元
摘要
传统模拟式非易失存内计算（nvCIM）架构面临计算精度受限、工艺电压温度波动影响大、可扩展性差等瓶颈。本文基于南方科技大学林龙扬团队的研究成果，设计了一种精度无损、全并行的数字式非易失存内计算（nvDCIM）宏单元，在STT-MRAM位单元中实现单比特输入与存储权重的乘法运算并直接输出数字化结果，从源头避免使用模拟式nvCIM中常见的数模/模数转换器。在40nm CMOS工艺下，宏单元支持4/8/12/16比特多种精度配置，实现了全并行、精度无损的矩阵向量乘法，同时通过翻转率感知训练方法降低了动态功耗。
一、数字式存内计算的原理
1.1 模拟式nvCIM的局限
模拟式nvCIM将计算权重编码为存储单元的电导值，通过基尔霍夫定律在模拟域完成乘加运算，然后通过ADC转换为数字结果。这一过程中，ADC的精度和功耗限制了系统的可扩展性，且模拟计算的非理想性（如器件偏差、温度漂移）导致精度损失。
1.2 单元内乘法与数字化
本文提出的单元内乘法与数字化（IBMD）方案，在STT-MRAM位单元中直接实现数字"与"逻辑——输入数据为数字比特，存储权重为数字比特，两者在单元内完成乘法（即逻辑与），输出为数字信号。多个位单元的输出通过数字加法树累加，实现全精度的矩阵向量乘法，无需任何模拟电路。
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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精度无损全并行数字式非易失存内计算宏单元.docx | 38K |
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