基于電阻式存儲器的卷積加速運(yùn)算陣列及其控制方法

基于電阻式存儲器的卷積加速運(yùn)算陣列及其掌控方法電阻式存儲器是計(jì)算機(jī)中緊要的存儲器之一，具有存儲容量大、牢靠性高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如通信、掌控、圖像處理等。而卷積加速運(yùn)算陣列是一種常見的加速運(yùn)算器，可用于濾波、邊緣檢測、圖像處理、信號處理等方面。本文將介紹基于電阻式存儲器的卷積加速運(yùn)算陣列及其掌控方法，旨在為讀者供給更全面的了解和實(shí)踐引導(dǎo)。一、電阻式存儲器的基本原理電阻式存儲器（ResistiveRandomAccessMemory，簡稱ReRAM）是一種非易失性存儲器，重要由一個氧化物薄膜和兩個電極構(gòu)成。ReRAM的存儲原理是利用氧化物薄膜中的離子遷移和氧化還原反應(yīng)，可以在不需要電源的情況下存儲數(shù)據(jù)和讀取數(shù)據(jù)，使其具有非易失性。在ReRAM中，當(dāng)一個被稱為“SET”的電壓施加到薄膜中時，氧化物膜內(nèi)部的離子會因電場的作用而向電極移動，導(dǎo)致原子重新排列并形成一個導(dǎo)電通道，表示存儲“1”的狀態(tài)。相反，當(dāng)一個被稱為“RESET”的電壓施加到薄膜中時，通道將被“清除”，表示存儲“0”的狀態(tài)。由此，ReRAM可以被視為一種基于防范變化的存儲器，可用于構(gòu)建各種電路和系統(tǒng)。二、卷積加速運(yùn)算陣列的原理卷積加速運(yùn)算陣列是一種基于并行計(jì)算的加速器，可用于高速的數(shù)字信號處理和圖像處理。它重要是利用并行計(jì)算和流水線計(jì)算的特點(diǎn)，將一維和二維卷積運(yùn)算添加到其他眼圖操作中，以加速信號處理、圖像處理和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法的運(yùn)行速度。卷積加速運(yùn)算陣列通常由一組數(shù)據(jù)輸入端、一組卷積核輸入端、一組卷積運(yùn)算單元和一組數(shù)據(jù)輸出端構(gòu)成。數(shù)據(jù)輸入端將數(shù)據(jù)從外部輸入，卷積核輸入端將卷積核輸入到陣列中，卷積運(yùn)算單元對輸入的數(shù)據(jù)和卷積核進(jìn)行逐點(diǎn)卷積計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果輸出到數(shù)據(jù)輸出端。三、基于電阻式存儲器的卷積加速運(yùn)算陣列基于電阻式存儲器的卷積加速運(yùn)算陣列可以通過利用ReRAM的非易失性和可重構(gòu)性，在卷積加速運(yùn)算陣列中存儲卷積核和數(shù)據(jù)，以削減從外部讀取數(shù)據(jù)和卷積核的次數(shù)，從而提高運(yùn)行效率?；舅枷胧菍⒕矸e核存儲在CoPU單元中，將輸入數(shù)據(jù)存儲在CDPU單元中，對卷積核進(jìn)行讀取、存儲、輸入，對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、存儲、計(jì)算、輸出等。下面介紹基于電阻式存儲器的卷積加速運(yùn)算陣列的實(shí)現(xiàn)流程。1、設(shè)計(jì)CDPU結(jié)構(gòu)CDPU（ConvolutionDataProcessingUnit）是一種基于電阻式存儲器實(shí)現(xiàn)的可編程序卷積數(shù)據(jù)處理單元。在CDPU中，數(shù)據(jù)緩存區(qū)通過電容器陣列實(shí)現(xiàn)，卷積核存儲器通過ReRAM數(shù)組實(shí)現(xiàn)。CDPU中的數(shù)據(jù)緩存區(qū)和卷積核存儲器被設(shè)計(jì)為可重定位和可重構(gòu)的結(jié)構(gòu)，以充足不同數(shù)據(jù)和卷積核的存儲和處理需求。2、設(shè)計(jì)CoPU結(jié)構(gòu)CoPU（ConvolutionProcessingUnit）是一種基于電阻式存儲器實(shí)現(xiàn)的可編程序卷積處理單元。在CoPU中，卷積核存儲區(qū)通過電容器陣列實(shí)現(xiàn)，輸入數(shù)據(jù)通過ReRAM數(shù)組實(shí)現(xiàn)。CoPU中的卷積核存儲器和輸入數(shù)據(jù)存儲器被設(shè)計(jì)為可重定位和可重構(gòu)的結(jié)構(gòu)，以充足不同卷積核和輸入數(shù)據(jù)的存儲和處理需求。3、構(gòu)建卷積加速運(yùn)算陣列將CDPU和CoPU能夠?qū)崿F(xiàn)卷積加速運(yùn)算的單元相互連接，構(gòu)成卷積加速運(yùn)算陣列。在陣列中，CDPU用于輸入數(shù)據(jù)的存儲和計(jì)算輸出，而CoPU則用于卷積核的輸入和存儲。陣列中各個單元之間的通信和掌控可以通過通用接口或者專有總線實(shí)現(xiàn)。4、掌控方法在基于電阻式存儲器的卷積加速運(yùn)算陣列中，數(shù)據(jù)存儲和卷積核存儲都是在ReRAM中實(shí)現(xiàn)的。因此，在掌控方法中需要考慮ReRAM的讀取和寫入操作。同時，由于陣列中存在多而雜的數(shù)據(jù)交換和處理，也需要合理的數(shù)據(jù)流掌控和協(xié)調(diào)。實(shí)在的掌控策略包括以下三個方面：（1）存儲器的選擇和切換在CDPU和CoPU的實(shí)現(xiàn)中，存儲器的選擇和切換是最基本的掌控策略。可以通過寄存器和狀態(tài)機(jī)等方式來實(shí)現(xiàn)存儲器的自動切換和掌控。（2）數(shù)據(jù)流的協(xié)調(diào)和優(yōu)化在數(shù)據(jù)輸入、卷積計(jì)算和輸出等方面，需要協(xié)調(diào)和調(diào)度不同模塊之間的數(shù)據(jù)流。這可以通過設(shè)計(jì)有效的接口、緩存區(qū)和數(shù)據(jù)流管道實(shí)現(xiàn)。（3）數(shù)據(jù)完整性和訪問權(quán)限保護(hù)基于電阻式存儲器的卷積加速運(yùn)算陣列中，對于數(shù)據(jù)的完整性和訪問權(quán)限保護(hù)也是特別緊要的?？梢酝ㄟ^訪問掌控、數(shù)據(jù)加密等安全機(jī)制來保護(hù)數(shù)據(jù)的安全和完整性。四、結(jié)論本文介紹了基于電阻式存儲器的卷積加速運(yùn)算陣列及其掌控方法，呈現(xiàn)了該技術(shù)在信號處理和圖像處理等領(lǐng)域的應(yīng)