本公開涉及集成電路，更具體地涉及一種基于憶阻器陣列的帶符號權(quán)重映射方法及裝置。
背景技術(shù)：
1、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)因其強(qiáng)大的視覺處理能力，已廣泛應(yīng)用于各類視覺任務(wù)中。然而，其密集的計算需求對處理器的算力和能效提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在當(dāng)前的馮·諾依曼架構(gòu)下，處理單元與存儲單元之間的頻繁數(shù)據(jù)搬運(yùn)成為了制約處理器算力和能效提升的主要瓶頸。
2、為了突破這一瓶頸，基于非易失性存儲的存內(nèi)計算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理加速器應(yīng)運(yùn)而生。這種加速器利用原位高并行計算的特點，實現(xiàn)了比通用處理器高出10至1000倍的算力和能效提升。然而，存內(nèi)計算加速器的性能在很大程度上受到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重映射方式的影響。
3、現(xiàn)有的帶符號數(shù)權(quán)重映射方案，如圖1所示，采用兩列憶阻器來表示一個權(quán)重向量。其中一列用于存儲正權(quán)重，另一列用于存儲負(fù)權(quán)重。輸入向量分別與這兩列憶阻器進(jìn)行乘法累加運(yùn)算，得到正累加電流和負(fù)累加電流。隨后，這兩個累加電流經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行量化處理，再通過數(shù)字電路將正累加電流減去負(fù)累加電流，從而得到帶符號的運(yùn)算結(jié)果。
4、然而，這種分別量化再相減的方式存在明顯的問題。一方面，它需要至少兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換器（或分時復(fù)用一個adc但降低并行性），增加了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的面積和功耗開銷。另一方面，由于正累加電流和負(fù)累加電流是分別量化的，量化誤差會累加，嚴(yán)重影響了加速器的能效和精度。因此，探索更高效的權(quán)重映射和量化方法對于提升存內(nèi)計算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器的性能至關(guān)重要。未來的研究需要關(guān)注如何減少模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)量、降低量化誤差，以及提高加速器的整體能效和精度。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、（一）要解決的技術(shù)問題
2、為解決現(xiàn)有技術(shù)中憶阻器量化開銷大、誤差累積等問題，本公開提供了一種基于憶阻器陣列的帶符號權(quán)重映射方法及裝置，使用一列憶阻器存儲帶符號權(quán)重，所以僅需一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器對累加電流進(jìn)行量化，即可獲得帶符號的計算結(jié)果，能夠?qū)⒘炕螖?shù)減半，因此讀出電路的面積，功耗和延時開銷可以減半。
3、（二）技術(shù)方案
4、針對上述技術(shù)問題，本公開的實施例提出一種基于憶阻器陣列的帶符號權(quán)重映射方法及裝置。
5、根據(jù)本公開的第一個方面，提供了一種基于憶阻器陣列的帶符號權(quán)重映射方法，憶阻器陣列包括單列憶阻器陣列，該方法包括：將輸入信號施加到憶阻器的位線端；對輸入信號進(jìn)行乘累加運(yùn)算，以得到累加電流；利用單個模數(shù)轉(zhuǎn)換器對累加電流進(jìn)行量化，得到帶符號的權(quán)重。
6、在一些示例性的實施例中，在將輸入信號施加到憶阻器的位線端之前還包括：將憶阻器的電導(dǎo)態(tài)劃分為正權(quán)重區(qū)、負(fù)權(quán)重區(qū)和零值區(qū)。
7、在一些示例性的實施例中，將憶阻器的電導(dǎo)態(tài)劃分為正權(quán)重區(qū)、負(fù)權(quán)重區(qū)和零值區(qū)包括：將憶阻器的電導(dǎo)范圍均分為2n+1個電導(dǎo)態(tài)，其中，n為正整數(shù)；將2n+1個電導(dǎo)態(tài)由小到大進(jìn)行排序，得到憶阻器的電導(dǎo)態(tài)序列；定義電導(dǎo)態(tài)序列中的第n+1個電導(dǎo)態(tài)為0；定義電導(dǎo)態(tài)序列中的第1至第n個電導(dǎo)態(tài)為負(fù)權(quán)重；定義電導(dǎo)態(tài)序列中的第n+2至第2n+1個電導(dǎo)態(tài)為正權(quán)重；其中，所有為0的電導(dǎo)態(tài)構(gòu)成零值區(qū)；所有為負(fù)權(quán)重的電導(dǎo)態(tài)構(gòu)成負(fù)權(quán)重區(qū)；以及所有為正權(quán)重的電導(dǎo)態(tài)構(gòu)成正權(quán)重區(qū)。
8、在一些示例性的實施例中，對輸入信號進(jìn)行乘累加運(yùn)算包括：基于歐姆定律和基爾霍夫電流定律，實現(xiàn)憶阻器陣列的乘累加運(yùn)算。
9、在一些示例性的實施例中，利用單個模數(shù)轉(zhuǎn)換器對累加電流進(jìn)行量化，得到帶符號的權(quán)重包括：利用單個模數(shù)轉(zhuǎn)換器對累加電流進(jìn)行采樣；利用單個模數(shù)轉(zhuǎn)換器對累加電流的幅值進(jìn)行量化；將量化后的電流的幅值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字信號，得到帶符號的權(quán)重。
10、在一些示例性的實施例中，負(fù)權(quán)重區(qū)電導(dǎo)態(tài)由小到大對應(yīng)的累加電流的幅值量化后對應(yīng)的數(shù)值范圍為-n至-1；正權(quán)重區(qū)電導(dǎo)態(tài)由小到大對應(yīng)的累加電流的幅值量化后對應(yīng)的數(shù)值范圍為1至n；定義負(fù)權(quán)重的電導(dǎo)態(tài)的符號位為1；定義正權(quán)重的電導(dǎo)態(tài)的符號位為0。
11、在一些示例性的實施例中，將量化后的電流的幅值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字信號包括：基于累加電流的幅值量化后對應(yīng)的數(shù)值范圍和電導(dǎo)態(tài)，將量化后的電流的幅值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字信號。
12、在一些示例性的實施例中，該方法還包括：通過調(diào)節(jié)憶阻器的電導(dǎo)值，以實現(xiàn)權(quán)重的更新；以及利用憶阻器的非易失性特性存儲更新后的權(quán)重。
13、根據(jù)本公開的第二個方面，提供一種基于憶阻器陣列的帶符號權(quán)重映射裝置，憶阻器陣列包括單列憶阻器陣列，該裝置包括：信號輸入模塊，用于將輸入信號施加到憶阻器的位線端；運(yùn)算模塊，用于對輸入信號進(jìn)行乘累加運(yùn)算，以得到累加電流；量化模塊，用于利用單個模數(shù)轉(zhuǎn)換器對累加電流進(jìn)行量化，得到帶符號的權(quán)重。
14、在一些示例性的實施例中，該裝置還包括：設(shè)置模塊，用于將憶阻器的電導(dǎo)態(tài)劃分為正權(quán)重區(qū)、負(fù)權(quán)重區(qū)和零值區(qū)。
15、（三）有益效果
16、從上述技術(shù)方案可以看出，本公開實施例提供的一種基于憶阻器陣列的帶符號權(quán)重映射方法及裝置，至少具有如下有益效果：
17、（1）使用一列憶阻器存儲帶符號權(quán)重，所以僅需一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器對累加電流進(jìn)行量化，即可獲得帶符號的計算結(jié)果，避免了減法器的使用，簡化了電路結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⒘炕螖?shù)減半，因此讀出電路的面積，功耗和延時開銷可以減半。
18、（2）減少了量化誤差的累積，提高了計算精度。
19、（3）顯著降低了功耗、面積和延時開銷。
1.一種基于憶阻器陣列的帶符號權(quán)重映射方法，所述憶阻器陣列包括單列憶阻器陣列，其特征在于，所述方法包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述將輸入信號施加到憶阻器的位線端之前還包括：將憶阻器的電導(dǎo)態(tài)劃分為正權(quán)重區(qū)、負(fù)權(quán)重區(qū)和零值區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述將憶阻器的電導(dǎo)態(tài)劃分為正權(quán)重區(qū)、負(fù)權(quán)重區(qū)和零值區(qū)包括：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述對所述輸入信號進(jìn)行乘累加運(yùn)算包括：基于歐姆定律和基爾霍夫電流定律，實現(xiàn)憶阻器陣列的乘累加運(yùn)算。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述利用單個模數(shù)轉(zhuǎn)換器對所述累加電流進(jìn)行量化，得到帶符號的權(quán)重包括：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述負(fù)權(quán)重區(qū)電導(dǎo)態(tài)由小到大對應(yīng)的累加電流的幅值量化后對應(yīng)的數(shù)值范圍為-n至-1；
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，將量化后的電流的幅值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字信號包括：
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括：通過調(diào)節(jié)憶阻器的電導(dǎo)值，以實現(xiàn)權(quán)重的更新；以及
9.一種基于憶阻器陣列的帶符號權(quán)重映射裝置，所述憶阻器陣列包括單列憶阻器陣列，其特征在于，所述裝置包括：
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括：