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面向存算一体芯片的模拟计算电路非理想性校准与补偿技术.docx
资料介绍
面向存算一体芯片的模拟计算电路非理想性校准与补偿技术
——从器件非线性和工艺偏差到系统级自校准的解决方案
引言
存算一体（Computing-in-Memory, CiM）芯片通过在存储阵列内直接执行模拟计算操作，在AI推理、边缘计算和低功耗应用中展现出显著的能效优势。然而，模拟计算电路——尤其是基于电流累积的乘累加（MAC）操作——受到器件非理想性的严重影响，包括忆阻器的电导非线性和波动、晶体管的工艺偏差、温度漂移以及模拟电路中的噪声和失调。这些非理想性导致计算精度下降，限制了存算一体芯片在高精度场景中的应用。本文系统分析模拟计算电路中非理想性的来源和影响，并探讨校准与补偿技术的设计方法。
模拟计算非理想性的来源分析
忆阻器电导非线性和波动
在基于ReRAM和PCM的存算一体阵列中，存储单元的电导值在编程后呈现显著的时变特性。关键非理想性包括：
1. 电导漂移：PCM单元在编程后，非晶态区域的电阻随时间以幂律关系增大，导致存储的电导值偏离目标值。在10⁴秒后，电导变化可达20%至30%。
2. 电导波动：ReRAM单元的SET/RESET操作具有随机性，即使在相同编程条件下，相邻单元的电导差异可达10%至15%。
3. 非对称更新：PCM和ReRAM的增量编程（Incremental Programming）在SET和RESET方向上的电导变化幅度不对称，给梯度下降类算法带来收敛困难。
晶体管工艺偏差
在SRAM-CiM宏单元中，6T/8T位元结构的晶体管阈值电压失配导致读电流的偏差。在先进工艺节点（7nm以下），阈值电压的标准偏差可达30mV至50mV，对应读电流偏差约5%至10%。
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