[發(fā)明專利]基于憶阻器的存儲器內(nèi)計算架構(gòu)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811329873.1
• 申請日: 2018-11-09
• 公開（公告）號: CN109542391A
• 公開（公告）日: 2019-03-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 薛曉勇;劉文軍;周鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué)
• 主分類號: G06F7/483
• 分類號: G06F7/483;G06F21/72
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發(fā)明屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于憶阻器的存儲器內(nèi)計算架構(gòu)。本發(fā)明的基于憶阻器的存儲器內(nèi)計算架構(gòu)包括憶阻器陣列和輔助電路；憶阻器陣列是一個交叉陣列，由若干水平方向的互連線和若干豎直方向的互連線互相交叉構(gòu)成，每個交叉處有一個憶阻器單元；憶阻器陣列實現(xiàn)存儲內(nèi)計算時，動態(tài)劃分為存儲區(qū)和計算區(qū)；計算區(qū)用于實現(xiàn)與、或、非、與非、或非、異或這些邏輯運算；計算區(qū)的運算結(jié)果保存在存儲區(qū)；輔助電路用于進(jìn)行除與、或、非、與非、或非、異或等邏輯運算之外的復(fù)雜運算包括數(shù)據(jù)處理、加密運算等。本發(fā)明可用于物聯(lián)網(wǎng)終端架構(gòu)中替代傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)終端架構(gòu)中的SRAM和Flash模塊。本發(fā)明有利于改善物聯(lián)網(wǎng)終端的低功耗和信息安全特性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于憶阻器的存儲器內(nèi)計算架構(gòu)。

背景技術(shù)

隨著計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、通信和集成電路等技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)（IoT，Internet ofThings）在醫(yī)療健康、工業(yè)、交通、家居、金融等方面的應(yīng)用越來越廣泛。我國2016年物聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模已經(jīng)超過9000億元，預(yù)計到2020年將超過1.5萬億元。在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中，終端是物聯(lián)網(wǎng)中連接傳感網(wǎng)絡(luò)層和傳輸網(wǎng)絡(luò)層，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)及向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備，擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)采集、初步處理、加密、傳輸?shù)榷喾N功能。典型的物聯(lián)網(wǎng)終端是基于MCU（微控制單元，俗稱單片機(jī)）構(gòu)建的。除了MCU，終端還包括傳感器、無線收發(fā)和電池等模塊。目前，國內(nèi)外各大公司包括華為、谷歌、亞馬遜和蘋果等越來越重視終端產(chǎn)品，原因在于：隨著人們對于終端產(chǎn)品需求的增加以及產(chǎn)品更新?lián)Q代速度的提升，硬件終端市場的容量也得到了很大程度上的拓展；終端是拓展其他業(yè)務(wù)的平臺，以智能手機(jī)為載體的服務(wù)包括O2O、游戲、在線直播、社交、出行等等快速崛起讓很多企業(yè)看到了終端的價值。

物聯(lián)網(wǎng)終端最重要的兩個訴求是信息安全和低功耗。終端大都部署在無人監(jiān)控的環(huán)境，具有能力脆弱、資源受限等特點。當(dāng)終端連接到物聯(lián)網(wǎng)時，其采集的信息可能被黑客竊取。因此，傳感器采集到的信息必須經(jīng)過MCU處理和加密之后才通過無線收發(fā)模塊交給物聯(lián)網(wǎng)，這樣一方面濾除噪聲等無用信息，減少發(fā)送的信息量，節(jié)省功耗；另一方面，信息經(jīng)過加密之后，能夠降低被竊取的風(fēng)險。終端的低功耗訴求主要來源于其依靠電池供電，而電池的容量決定了終端的使用壽命。在一些環(huán)境惡劣的使用場合，物聯(lián)網(wǎng)終端低功耗需求是工作時長達(dá)到10年左右。

但是，目前物聯(lián)網(wǎng)終端的核心部分MCU仍然采用傳統(tǒng)的馮洛伊曼架構(gòu)，這給終端的功耗和安全性帶來很大的影響。傳感器采集到的信息交給MCU處理，在處理之前，CPU需要先通過總線從Flash中讀取代碼；在處理過程中，計算的中間數(shù)據(jù)一般通過總線保存在SRAM中；在處理完之后，數(shù)據(jù)一方面通過總線寫入Flash保存，另一方面通過總線交給IO，最后由無線收發(fā)模塊發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)。在整個信息處理過程中，由于用于計算的CPU和用于存儲數(shù)據(jù)和代碼的SRAM和Flash在物理上是分開的，數(shù)據(jù)和代碼需要經(jīng)過總線進(jìn)行多次搬運，這樣，一方面帶來功耗的增加，另一方面，數(shù)據(jù)容易通過總線被某些端口惡意監(jiān)聽竊取，給安全性帶來不利影響。

憶阻器（memristor）兼具存儲和計算的特性，為克服馮洛伊曼架構(gòu)的缺陷、改善物聯(lián)網(wǎng)終端的能效和安全性提供了希望。作為除電阻、電容和電感之外的“第四種無源器件”，憶阻器的概念是由華裔科學(xué)家蔡少棠（Leon Chua）提出，來描述電荷與磁通量之間的非線性關(guān)系。直到2008年，惠普（HP）的科學(xué)家在實驗中發(fā)現(xiàn)TiOx具有憶阻器的特性。憶阻器具有非易失、單元結(jié)構(gòu)簡單（兩端器件）、微縮性好和與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容性好等優(yōu)點，因此，憶阻器可以取代flash實現(xiàn)片上高密度存儲。除了存儲，memristor在實現(xiàn)非易失邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算方面也表現(xiàn)出優(yōu)勢，有望克服傳統(tǒng)馮諾依曼架構(gòu)的缺陷。