Smaller, Faster, Lower-Power Analog RRAM Matrix Computing Circuits Without Performance Compromise
- 1. Peking University
- 2. Beijing Academy of Artificial Intelligence
Description
Recently, the analog matrix computing (AMC) concept has been proposed for fast, efficient matrix operations, by configuring global feedback loops with crosspoint resistive memory arrays and operational amplifiers (OAs). The implementation of a general real-valued matrix (containing both positive and negative elements) is enabled by using a set of analog inverters, which, however, is considered inefficient regarding circuit compactness, power consumption, and temporal response. Here, with the assistance of the conductance compensation (CC) strategy to take full advantage of the inherent differential inputs of OAs, new AMC circuits without analog inverters are designed. Such a design saves the area occupation and power dissipation of analog inverters, and thus turns to be smaller and lower-power. Simulation results reveal that the new circuit also shows faster response towards the steady state, thanks to the reduction of poles in the circuit, which, again, is contributed by the elimination of analog inverters. Along with all of these benefits, extensive simulations demonstrate that the CC-AMC circuits do not compromise the computing performance in terms of relative error caused by various non-ideal factors in the circuit. The comparable performance of the two kinds of AMC circuits is also validated by addressing a typical matrix computing problem - the detection in multiple input multiple output (MIMO).
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
في الآونة الأخيرة، تم اقتراح مفهوم حوسبة المصفوفة التناظرية (AMC) لعمليات المصفوفة السريعة والفعالة، من خلال تكوين حلقات تغذية مرتدة عالمية مع مصفوفات ذاكرة مقاومة متقاطعة ومضخمات تشغيلية (OAs). يتم تمكين تنفيذ مصفوفة عامة ذات قيمة حقيقية (تحتوي على كل من العناصر الإيجابية والسلبية) باستخدام مجموعة من المحولات التناظرية، والتي، مع ذلك، تعتبر غير فعالة فيما يتعلق باكتناز الدائرة واستهلاك الطاقة والاستجابة الزمنية. هنا، بمساعدة استراتيجية تعويض الموصلية (CC) للاستفادة الكاملة من المدخلات التفاضلية المتأصلة في OAs، تم تصميم دوائر AMC جديدة بدون محولات تناظرية. مثل هذا التصميم يوفر إشغال المنطقة وتبديد الطاقة للمحولات التناظرية، وبالتالي يتحول إلى طاقة أصغر وأقل. تكشف نتائج المحاكاة أن الدائرة الجديدة تظهر أيضًا استجابة أسرع تجاه الحالة المستقرة، وذلك بفضل تقليل الأقطاب في الدائرة، والذي يساهم مرة أخرى في القضاء على المحولات التناظرية. إلى جانب كل هذه الفوائد، تُظهر عمليات المحاكاة الشاملة أن دوائر CC - AMC لا تعرض أداء الحوسبة للخطر من حيث الخطأ النسبي الناجم عن العديد من العوامل غير المثالية في الدائرة. كما يتم التحقق من الأداء المقارن لنوعي دوائر إيه إم سي من خلال معالجة مشكلة حوسبة مصفوفة نموذجية - الكشف في مدخلات متعددة ومخرجات متعددة (MIMO).
Translated Description (French)
Récemment, le concept de calcul analogique matriciel (AMC) a été proposé pour des opérations matricielles rapides et efficaces, en configurant des boucles de rétroaction globales avec des réseaux de mémoire résistive à points de croisement et des amplificateurs opérationnels (OA). La mise en œuvre d'une matrice générale à valeur réelle (contenant à la fois des éléments positifs et négatifs) est activée en utilisant un ensemble d'onduleurs analogiques, qui, cependant, est considéré comme inefficace en ce qui concerne la compacité du circuit, la consommation d'énergie et la réponse temporelle. Ici, avec l'aide de la stratégie de compensation de conductance (CC) pour tirer pleinement parti des entrées différentielles inhérentes aux OA, de nouveaux circuits AMC sans onduleurs analogiques sont conçus. Une telle conception économise l'occupation de la zone et la dissipation de puissance des onduleurs analogiques, et se transforme donc en une puissance plus petite et plus faible. Les résultats de la simulation révèlent que le nouveau circuit montre également une réponse plus rapide vers l'état stationnaire, grâce à la réduction des pôles dans le circuit, qui, encore une fois, est contribué par l'élimination des onduleurs analogiques. En plus de tous ces avantages, des simulations approfondies démontrent que les circuits CC-AMC ne compromettent pas les performances de calcul en termes d'erreur relative causée par divers facteurs non idéaux dans le circuit. La performance comparable des deux types de circuits AMC est également validée en abordant un problème de calcul matriciel typique - la détection en entrées multiples sorties multiples (MIMO).
Translated Description (Spanish)
Recientemente, se ha propuesto el concepto de computación matricial analógica (AMC) para operaciones matriciales rápidas y eficientes, mediante la configuración de bucles de retroalimentación global con matrices de memoria resistiva de punto de cruce y amplificadores operacionales (OA). La implementación de una matriz general de valor real (que contiene elementos positivos y negativos) se habilita mediante el uso de un conjunto de inversores analógicos, que, sin embargo, se considera ineficiente en cuanto a la compacidad del circuito, el consumo de energía y la respuesta temporal. Aquí, con la ayuda de la estrategia de compensación de conductancia (CC) para aprovechar al máximo las entradas diferenciales inherentes de los OA, se diseñan nuevos circuitos AMC sin inversores analógicos. Tal diseño ahorra la ocupación del área y la disipación de energía de los inversores analógicos y, por lo tanto, resulta ser más pequeño y de menor potencia. Los resultados de la simulación revelan que el nuevo circuito también muestra una respuesta más rápida hacia el estado estacionario, gracias a la reducción de polos en el circuito, que, de nuevo, se ve favorecida por la eliminación de los inversores analógicos. Junto con todos estos beneficios, las simulaciones extensas demuestran que los circuitos CC-AMC no comprometen el rendimiento informático en términos de error relativo causado por varios factores no ideales en el circuito. El rendimiento comparable de los dos tipos de circuitos AMC también se valida abordando un problema típico de computación matricial: la detección en múltiples entradas y múltiples salidas (mimo).
Files
40797803.pdf.pdf
Files
(125.5 kB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:db6ee415bc143afe9aaf852117c0273d
|
125.5 kB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- دوائر حوسبة مصفوفة RRAM تناظرية أصغر وأسرع وأقل طاقة دون المساومة على الأداء
- Translated title (French)
- Circuits de calcul de matrice RRAM analogique plus petits, plus rapides et de plus faible puissance sans compromis de performance
- Translated title (Spanish)
- Circuitos de computación de matriz analógica RRAM más pequeños, rápidos y de menor potencia sin comprometer el rendimiento
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4377820208
- DOI
- 10.36227/techrxiv.23058392