[發(fā)明專利]基于斯格明子的隨機(jī)數(shù)據(jù)流計(jì)算系統(tǒng)和計(jì)算控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010200108.0
• 申請日: 2020-03-20
• 公開（公告）號: CN111427539B
• 公開（公告）日: 2022-12-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 潘彪;姚勇;張昊陽;康旺;趙巍勝
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G06F7/58
• 分類號: G06F7/58
• 代理公司: 北京三友知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11127
• 代理人: 趙平;周永君

本發(fā)明提供一種基于斯格明子的隨機(jī)數(shù)據(jù)流計(jì)算系統(tǒng)和計(jì)算控制方法，該系統(tǒng)包括：依次連接的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊以及隨機(jī)運(yùn)算模塊；該隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生模塊根據(jù)輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)據(jù)流；該數(shù)據(jù)存儲模塊用于存儲該真隨機(jī)數(shù)據(jù)流，和/或存儲由該隨機(jī)運(yùn)算模塊輸出的運(yùn)算結(jié)果；該隨機(jī)運(yùn)算模塊對該數(shù)據(jù)存儲模塊中的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果發(fā)送至該數(shù)據(jù)存儲模塊和/或?qū)⒃撨\(yùn)算結(jié)果輸出；其中，該隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生模塊、該數(shù)據(jù)存儲模塊以及該隨機(jī)運(yùn)算模塊中至少一個包含斯格明子，使得基于斯格明子的隨機(jī)數(shù)據(jù)流計(jì)算系統(tǒng)的尺寸更小，降低了系統(tǒng)功耗及面積。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及自旋電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于斯格明子的隨機(jī)數(shù)據(jù)流計(jì)算系統(tǒng)和計(jì)算控制方法。

背景技術(shù)

目前，物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等大數(shù)據(jù)應(yīng)用興起，端側(cè)智能場景對于硬件的計(jì)算性能要求越來越高，尤其是在面對大量的矩陣運(yùn)算時。為了完成矩陣乘加運(yùn)算，傳統(tǒng)的解決方式是利用包含乘法器和加法器等邏輯運(yùn)算單元的ALU(arithmetic and logic unit)。但是，隨著數(shù)據(jù)量的增大和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)張，需要用到的ALU數(shù)量也越來越多，使得數(shù)據(jù)處理模塊在芯片中占用的面積過大，無法在計(jì)算資源有限的面向智能物聯(lián)網(wǎng)(AIoT)的端側(cè)硬件上得到有效配置。研究發(fā)現(xiàn)，隨機(jī)計(jì)算可以將加法、比較復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算轉(zhuǎn)換為與、或、異或等簡單的邏輯運(yùn)算，使運(yùn)算復(fù)雜度大幅下降，同時也使得硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜度明顯降低。

隨機(jī)計(jì)算是指在傳統(tǒng)的精確計(jì)算的基礎(chǔ)上加入了隨機(jī)因素，即通過隨機(jī)數(shù)選擇算法的下一步操作。隨機(jī)計(jì)算的一個基本特征是數(shù)字可以由非常簡單的電路處理的比特流表示，而數(shù)字本身被解釋為概率，即這串比特流中每一個比特為1的概率，如傳統(tǒng)的浮點(diǎn)數(shù)7/10，就可以用10101111011這一串二進(jìn)制數(shù)來進(jìn)行表示。根據(jù)伯努利大數(shù)定律，概率可以用頻率來估計(jì)，即每一位比特為1的概率可以用這串比特流中的1的個數(shù)在比特流中的占比來表示。隨機(jī)計(jì)算在概率域?qū)π畔⑦M(jìn)行重新編碼，將信息轉(zhuǎn)化為一串“01”序列，該序列中“1”的個數(shù)在整個序列中的占比就代表著信道信息的概率。

目前，在集成電路領(lǐng)域的隨機(jī)計(jì)算硬件，其原理多為基于CMOS的制程中出現(xiàn)的工藝偏差或者熱擾動。隨著工藝尺寸的進(jìn)一步微縮，基于CMOS的隨機(jī)計(jì)算硬件，系統(tǒng)功耗及面積比例增加，而面積無法進(jìn)一步減小。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提供一種基于斯格明子的隨機(jī)數(shù)據(jù)流計(jì)算系統(tǒng)和計(jì)算控制方法，能夠至少部分地解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

第一方面，提供一種基于斯格明子的隨機(jī)數(shù)據(jù)流計(jì)算系統(tǒng)，包括：依次連接的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊以及隨機(jī)運(yùn)算模塊；該隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生模塊根據(jù)輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)據(jù)流；該數(shù)據(jù)存儲模塊用于存儲該真隨機(jī)數(shù)據(jù)流，和/或存儲由該隨機(jī)運(yùn)算模塊輸出的運(yùn)算結(jié)果；該隨機(jī)運(yùn)算模塊對該數(shù)據(jù)存儲模塊中的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果發(fā)送至該數(shù)據(jù)存儲模塊和/或?qū)⒃撨\(yùn)算結(jié)果輸出；

其中，該隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生模塊、該數(shù)據(jù)存儲模塊以及該隨機(jī)運(yùn)算模塊中至少一個包含斯格明子。

進(jìn)一步地，該隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生模塊包括：斯格明子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、比較器以及輸入緩存單元；

該輸入緩存單元用于緩存該輸入數(shù)據(jù)，該斯格明子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器用于產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，該比較器比較該輸入數(shù)據(jù)與該隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生該真隨機(jī)數(shù)據(jù)流。

進(jìn)一步地，該斯格明子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器包括：從下到上依此設(shè)置的重金屬層、鐵磁自由層、隧穿層以及鐵磁固定層，該隧穿層以及該鐵磁固定層包括大小相同的兩部分，形成兩個磁隧道結(jié)，用于感知鐵磁自由層中的磁阻變化。

進(jìn)一步地，該數(shù)據(jù)存儲模塊包括：斯格明子賽道存儲器。

進(jìn)一步地，該斯格明子賽道存儲器包括：多條賽道，每條賽道均包括：斯格明子寫入端、斯格明子讀取端、納米軌道、數(shù)據(jù)輸入端以及數(shù)據(jù)輸出端；