一种基于铁电晶体管的存储阵列系统及其卷积计算方法与流程

本发明涉及铁电晶体管领域，具体是一种基于铁电晶体管的存储阵列系统及其卷积计算方法。

背景技术：

1、铁电晶体管是一种新型的场效应晶体管，它与传统的mos晶体管相比，具有更高的耐久性、更低的功耗和更好的存储能力。铁电晶体管的工作原理是利用铁电材料的铁电性质来控制场效应晶体管的通断，其实现了晶体管的非易失性存储。铁电晶体管的主要结构包括铁电层、栅极和源漏极，其中铁电层是铁电晶体管的核心部件。当外加电压施加在栅极上时，栅极会形成一个电场，这个电场可以改变铁电材料的极化状态。当电场的方向发生改变时，铁电材料的极化方向也随之发生改变。当栅极的电场与铁电材料的极化方向一致时，晶体管导通；当栅极的电场与铁电材料的极化方向相反时，晶体管截止。这一机制可以用于实现铁电晶体管的二进制存储。铁电晶体管主要应用于数字电路、处理器和存储器等领域。它可以用于替代传统的闪存存储器和dram存储器，提高了存储器的可靠性和存储密度。此外，铁电晶体管还可以用于高速数字信号处理、模数转换器、振荡器等领域。

2、随着数据量的快速增长和计算需求的日益提高，现有的数据存储和处理解决方案面临着效率和性能的挑战。尤其在处理大规模数据和复杂计算任务时，传统的单一存储阵列往往无法满足高效率和低功耗的需求。铁电晶体管fefet因其非易失性和低能耗特性被广泛研究，但现有存储阵列由于其逐步输入，存在传入效率较低，大规模数据处理不适用等问题，在大规模并行处理方面仍有提升的空间。

技术实现思路

1、对于现有存在的一些问题，本发明的目的在于提供一种基于铁电晶体管的存储阵列系统及其卷积计算方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于铁电晶体管的存储阵列系统，包括数据输入模块、数据处理模块、fefet存储阵列和卷积结果模块，所述数据输入模块和数据处理模块输入端连接，数据输入模块加载输入图像或传感器测量值，并将其传输到数据处理模块中，通过数据处理模块对加载的数据进行处理成特征图数据；

4、所述数据处理模块和fefet存储阵列通信连接，fefet存储阵列内设有多组卷积处理模块；

5、所述fefet存储阵列和卷积结果模块通信连接，卷积结果模块和数据处理模块通信连接；

6、所述数据处理模块将数据分配至各个fefet存储阵列，卷积结果模块用于将处理后的数据传回到数据处理模块。

7、作为本发明进一步的方案：所述fefet存储阵列设有多组，每个fefet存储阵列均由m*n个铁电晶体管fefet组成卷积处理模块构成crossbar结构；

8、所述数据处理模块为中央处理器或数字信号处理器，用于动态控制fefet存储阵列的数据流和卷积计算过程。

9、作为本发明进一步的方案：所述数据处理模块包括数据加载与预处理模块、特征图分割模块、卷积核处理模块、数据写入传输模块、卷积运算控制模块、结果处理模块；数据加载与预处理模块输入端和数据输入模块连接，数据加载与预处理模块、特征图分割模块、卷积核处理模块、数据写入传输模块、卷积运算控制模块依次通信连接，结果处理模块和卷积结果模块的输出端连接。

10、作为本发明进一步的方案：所述数据加载与预处理模块被配置为从内存、存储设备或直接从输入设备加载输入特征图数据；

11、所述特征图分割模块包括分割单元、均匀分配单元，cpu的分割单元用于将预处理后的特征图数据分割成更小的块或部分；均匀分配单元用于将数据块均匀分布在多个fefet存储阵列之间；

12、所述卷积核处理模块包括矩阵分解单元、近似计算单元，矩阵分解单元用于对于卷积核进行矩阵分解，卷积核分解为卷积核行向量和卷积核列向量；近似计算单元对于无法直接分解的卷积核，采用近似算法实现分解。

13、作为本发明进一步的方案：所述数据写入传输模块包括写入控制单元和数据传输单元，写入控制单元用于控制数据的写入过程，数据传输单元用于将分割后的特征图数据传输到各个fefet存储阵列；

14、所述写入控制单元包括正确地址定位单元、数据准备单元、写入命令单元、电压和定时控制单元和确认与反馈单元，正确地址定位单元用于确定写入的fefet存储阵列的具体地址；数据准备单元用于数据在写入前进行格式化和缓存；写入命令单元用于发出写入命令，写入命令包括目标地址、写入数据以及控制信号；电压和定时控制单元用于在写入过程中施加电压；确认与反馈单元用于写入完成后，确认信号或进行读取验证。

15、作为本发明进一步的方案：所述卷积运算控制模块包括运算启动单元、动态调整单元，运算启动单元用于启动fefet存储阵列上的卷积运算；动态调整单元用于使用窗口滑动算法动态调整fefet阵列的卷积核行向量、卷积核列向量的移位和数据流。

16、作为本发明进一步的方案：所述结果处理模块包括结果读取单元、输出准备单元，结果读取单元用于从fefet存储阵列读取计算结果；输出准备单元用于将数据用于网络的下一层或作为最终输出。

17、一种基于铁电晶体管的存储阵列系统的卷积计算方法，其方法步骤如下：

18、步骤s1、数据输入模块将图像或传感器测量值加载传输到数据处理模块中处理为特征图数据；

19、步骤s2、数据处理模块将特征图数据分配至各个fefet存储阵列；

20、步骤s3、fefet存储阵列输出结果到卷积结果模块，卷积结果模块将结果数据传输到数据处理模块；

21、步骤s4、数据处理模块的结果处理模块对卷积结果模块的输出结果进行读取准备。

22、作为本发明再进一步的方案：所述步骤s2中，特征图数据分配至各个fefet存储阵列具体步骤如下：

23、1)数据加载与预处理模块将数据输入模块传输的图像或传感器测量值进行加载，数据处理模块执行预处理步骤，预处理步骤包括归一化、调整尺寸，处理为特征图数据，以使特征图适合于后续的卷积计算；

24、2)特征图分割模块对预处理后的特征图数据进行分割；

25、a)特征图分割模块的分割单元将预处理后的特征图数据分割成更小的块或部分，以适应fefet存储阵列的尺寸和处理能力，采用图像分割或图像分块算法进行实现；

26、b)特征图分割模块的均匀分配模块确保分割后的数据块在多个fefet存储阵列之间均匀分布，以实现有效的并行处理，采用动态分区算法进行实现；

27、3)卷积核处理模块对分割后的特征图数据进行分解；

28、a)卷积核处理模块的矩阵分解单元对于卷积核，使用矩阵分解算法将卷积核分解为卷积核行向量和卷积核列向量，矩阵分解算法包括奇异值分解svd；

29、b)卷积核处理模块的近似算法单元对于无法直接分解的卷积核，采用近似算法实现分解，近似算法包括低秩近似；

30、4)数据写入传输模块根据fefet存储阵列的配置和特性，控制数据的写入传输过程；

31、a)数据写入传输模块的写入控制单元根据fefet存储阵列的配置和特性，控制数据的写入过程，其控制数据的写入过程包括；

32、i、确定要写入的fefet存储阵列的具体地址，通过地址译码逻辑完成，写入控制单元的正确地址定位单元确保数据准确写入预定位置；

33、ii、数据在写入前需要在写入控制单元的数据准备单元内部进行格式化和缓存；

34、iii、写入控制单元的写入命令单元发出写入命令，写入命令包括目标地址、写入数据以及控制信号；

35、iv、在写入过程中写入控制单元的电压和定时控制单元施加电压，并遵循同步定时或异步定时协议；

36、v、写入完成后，写入控制单元的确认与反馈单元接收到写入确认信号或进行读取验证，以确保数据正确写入fefet存储阵列步骤；

37、b)数据写入传输模块的数据传输单元将分割后的特征图数据从数据处理模块传输到各个fefet存储阵列；采用pcie高速数据接口和同步机制，以确保数据准确和高效地写入；

38、5)卷积运算控制模块启动调整fefet存储阵列；

39、a)卷积运算控制模块的运算启动单元发出指令，启动fefet存储阵列上的卷积运算；

40、b)根据运算需求，卷积运算控制模块的动态调整单元使用窗口滑动算法动态调整fefet阵列的行列向量移位和数据流。

41、作为本发明再进一步的方案：所述步骤s4中，对卷积结果模块的输出结果进行读取准备具体步骤如下：

42、1)卷积计算完成后，数据处理模块的结果读取单元负责从fefet存储阵列读取计算结果，并进行后续处理；

43、2)处理后的数据通过数据处理模块的输出准备单元用于网络的下一层或作为最终输出。

44、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

45、本发明采用基于nmos管型的fefet存储阵列，优化了器件的开关速度和能级，具备更好的驱动能力及兼容效果，基于中央处理器对多个存储模块进行同步卷积处理，大大增强数据处理速度，提高了系统吞吐量；基于动态卷积核处理，动态特征图分割与映射，提高了计算效率，更具适应性与灵活性，优化资源分配，减少资源浪费。