[發(fā)明專利]一種基于憶阻器陣列的方程求解器及其操作方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010310144.2
• 申請日: 2020-04-19
• 公開（公告）號: CN111507464B
• 公開（公告）日: 2022-03-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李祎;李健聰;繆向水
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: G06N3/063
• 分類號: G06N3/063;G06N3/04;G06F17/12;G06F17/16
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 李智

本發(fā)明公開了一種基于憶阻器陣列的方程求解器及其操作方法，包括：第一憶阻器陣列、第二憶阻器陣列、比較模塊和電導(dǎo)調(diào)制模塊，基于憶阻器陣列搭建了一個三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練算法來求解線性方程組的系數(shù)矩陣的逆矩陣或廣義逆矩陣，從而達(dá)到求解方程組的目的，該方程求解器可用于實(shí)現(xiàn)求解非奇異線性方程組、相容線性方程組、不相容線性方程組、偏微分方程、矩陣特征向量等多種任務(wù)，可重構(gòu)性較強(qiáng)。另外，由于憶阻器具有高速、低功耗、易集成以及與CMOS工藝相兼容等優(yōu)點(diǎn)，可以通過電導(dǎo)存儲運(yùn)算用的數(shù)據(jù)矩陣，以實(shí)現(xiàn)矢量矩陣乘法運(yùn)算，該方程求解器電路結(jié)構(gòu)簡單，電路面積小，電路功耗低、操作步驟簡單。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于模擬電路領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于憶阻器陣列的方程求解器及其操作方法。

背景技術(shù)

線性方程組、偏微分方程是許多實(shí)際問題的基本數(shù)學(xué)模型，在物理研究，工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，而利用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行方程求解任務(wù)面臨著電路功耗大，運(yùn)算速度較低的問題，迫切的需要一種新型的方程求解器來滿足上述需要。憶阻器陣列可通過將數(shù)據(jù)映射為器件電導(dǎo)并存人陣列，通過外加電壓矢量，依靠基爾霍夫電流定律和歐姆定律一步完成矢量矩陣乘法運(yùn)算，具有高能量/面積效率的同時也具有很高的運(yùn)算速度，利用憶阻陣列進(jìn)行方程求解運(yùn)算可以大大提高系統(tǒng)運(yùn)行速度，并有效降低系統(tǒng)功耗，因此，研究一種基于憶阻器陣列的方程求解器具有重要意義。

目前，現(xiàn)有的基于憶阻器陣列的方程求解器往往通過外接傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)支持陣列進(jìn)行方程求解運(yùn)算，或通過電路連接方式在陣列內(nèi)部完成運(yùn)算；其中，通過外接計(jì)算機(jī)的方式會顯著增加運(yùn)算系統(tǒng)的系統(tǒng)復(fù)雜度。而依靠電路連接完成運(yùn)算的方式，電路一旦連接完成就不可以再進(jìn)行擴(kuò)展，且該方法大多只能處理一種或兩種任務(wù)，而以線性方程組為例，線性方程組本身即有相容線性方程組，不相容線性方程組，其解也具有通解，最小二乘解等多種表現(xiàn)形式，這些方程求解器難以適應(yīng)如此類型的求解任務(wù)，可重構(gòu)性較弱。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供一種基于憶阻器陣列的方程求解器及其操作方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)由于電路一旦連接完成就不可以再進(jìn)行擴(kuò)展，只能處理一種或兩種任務(wù)而導(dǎo)致可重構(gòu)性較弱的技術(shù)問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，第一方面，本發(fā)明提出了一種基于憶阻器陣列的方程求解器，包括：第一憶阻器陣列、第二憶阻器陣列、比較模塊和電導(dǎo)調(diào)制模塊；

其中，第一憶阻器陣列和第二憶阻器陣列均包括行輸入端、列輸入端、行輸出端和列輸出端；各輸出端處均連接一組串聯(lián)的電流電壓轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器；第一憶阻器陣列的輸出端經(jīng)過其電流電壓轉(zhuǎn)換器與第二憶阻器陣列的輸入端相連，第二憶阻器陣列的輸出端經(jīng)過串聯(lián)的電流電壓轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器與比較模塊的輸入端相連；比較模塊的輸出端與電導(dǎo)調(diào)制模塊的輸入端相連；其中，第一憶阻器陣列的行輸出端經(jīng)過其電流電壓轉(zhuǎn)換器與第二憶阻器陣列的列輸入端相連，或者第一憶阻器陣列的列輸出端經(jīng)過其電流電壓轉(zhuǎn)換器與第二憶阻器陣列的行輸入端相連；若第一憶阻器陣列的行輸出端經(jīng)過其電流電壓轉(zhuǎn)換器與第二憶阻器陣列的列輸入端相連，則第一憶阻器陣列的輸入矩陣從其列輸入端輸入，第二憶阻器陣列中與比較模塊連接的輸出端為其行輸出端；否則，第一憶阻器陣列的輸入矩陣從其行輸入端輸入，第二憶阻器陣列與比較模塊連接的輸出端為其列輸出端；

第一憶阻器陣列的輸入矩陣、目標(biāo)矩陣以及初始狀態(tài)下第一憶阻器陣列和第二憶阻器陣列中所存儲的矩陣均根據(jù)待求解方程的類型確定，分別記為矩陣B、T、C和D；第一憶阻器陣列和第二憶阻器陣列的大小均大于或等于待求解方程系數(shù)矩陣的大小；

第一憶阻器陣列用于接收轉(zhuǎn)換為電壓矢量后的矩陣B的輸入，實(shí)現(xiàn)矩陣B與矩陣C的矢量矩陣乘法運(yùn)算，在第一憶阻器陣列的輸出端得到用于表征該運(yùn)算結(jié)果的電流，經(jīng)其對應(yīng)的電流電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓后，輸出到第二憶阻器陣列；