基于阻变存储器的高阶矩阵向量运算方法及相关设备

本申请涉及于新型存内计算技术和集成电路架构设计领域，尤其涉及一种基于阻变存储器的高阶矩阵向量运算方法及相关设备。

背景技术：

1、阻变存储器(resistive random access memory,reram)是一种非易失性存储器，它的电阻状态可以在外部电场或电流的作用下发生变化，从而实现信息的存储。近年来，基于阻变存储器的存内计算技术(in-memory computing)成为了研究热点，被认为是一种能够突破冯·诺伊曼瓶颈(即存储和计算分离导致的性能瓶颈)的新兴计算技术。

2、传统的阻变存储器阵列结构主要适配于矩阵-向量内积(matrix-vectormultiplication,mvm)计算，这种计算方式在很多机器学习算法(如神经网络)中都有广泛应用。然而，当需要执行存储矩阵与多个向量间的运算时，传统的电压编码方式和信号输入方式就显得捉襟见肘，难以满足复杂计算的需求。

技术实现思路

1、有鉴于此，本申请的目的在于提出一种基于阻变存储器的高阶矩阵向量运算方法及相关设备，以解决或部分解决上述问题。

2、基于上述目的，本申请提供了一种基于阻变存储器的高阶矩阵向量运算方法，应用于基于阻变存储器的高阶矩阵向量运算单元；

3、所述基于阻变存储器的高阶矩阵向量运算单元，包括：

4、晶体管以及阻变存储器；其中，所述晶体管包括漏极、栅极和源极；所述阻变存储器与所述漏极串联；

5、所述方法包括：

6、响应于所述栅极接收到第一输入信号，根据所述第一输入信号确定第一操作数；其中，所述第一输入信号表征所述晶体管的开启或者关闭；

7、响应于所述漏极接收到第二输入信号，根据所述第二输入信号确定第二操作数；

8、根据所述第一操作数、所述第二操作数以及所述阻变存储器的预存电导值确定所述源极的输出信号。

9、在一种可能的实现方式中，所述第一输入信号包括高电平信号；所述高电平信号表征所述晶体管的开启；

10、所述响应于所述栅极接收到第一输入信号，根据所述第一输入信号确定第一操作数，包括：

11、响应于所述栅极接收到第一输入信号，确定所述第一输入信号是否为所述高电平信号；

12、响应于所述第一输入信号为所述高电平信号，确定所述第一操作数为1。

13、在一种可能的实现方式中，所述第一输入信号包括低电平信号；所述低电平信号表征所述晶体管的关闭；

14、所述响应于所述栅极接收到第一输入信号，根据所述第一输入信号确定第一操作数，包括：

15、响应于所述栅极接收到第一输入信号，确定所述第一输入信号是否为所述低电平信号；

16、响应于所述第一输入信号为所述低电平信号，确定所述第一操作数为0。

17、在一种可能的实现方式中，所述响应于所述漏极接收到第二输入信号，根据所述第二输入信号确定第二操作数，包括：

18、响应于所述漏极接收到第二输入信号，将所述第二输入信号的值作为所述第二操作数。

19、在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：

20、根据所有所述第一操作数得到二进制电平序列。

21、在一种可能的实现方式中，所述根据所述第一操作数、所述第二操作数以及所述阻变存储器的预存电导值确定所述源极的输出信号，包括：

22、根据所述二进制电平序列、所述第二操作数以及所述阻变存储器的预存电导值进行三元乘法运算，得到所述源极的输出信号。

23、在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：

24、根据所述二进制电平序列、所述第二操作数以及所述阻变存储器的预存电导值进行三元乘法运算，得到若干个部分积；其中，所述部分积的数量与所述二进制电平序列中的第一操作数的个数相同；

25、将所有所述部分积进行移位，得到若干个移位后的部分积；

26、对所有所述移位后的部分积进行求和，得到所述输出信号。

27、基于同样的目的，本申请还提出了一种基于阻变存储器的高阶矩阵向量运算单元，包括：晶体管以及阻变存储器；其中，所述晶体管包括漏极、栅极和源极；所述阻变存储器与所述漏极串联；

28、所述栅极被配置为，接收到第一输入信号，根据所述第一输入信号确定第一操作数；其中，所述第一输入信号表征所述晶体管的开启或者关闭；

29、所述漏极被配置为，接收到第二输入信号，根据所述第二输入信号确定第二操作数；

30、所述源极被配置为，根据所述第一操作数、所述第二操作数以及所述阻变存储器的预存电导值确定输出信号。

31、基于上述目的，本申请还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任意一项所述的方法。

32、基于上述目的，本申请还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行上述任意一项所述的方法。

33、从上面所述可以看出，本申请提供的基于阻变存储器的高阶矩阵向量运算方法及相关设备，基于阻变存储器的高阶矩阵向量运算单元，包括晶体管以及阻变存储器；其中，晶体管包括漏极、栅极和源极；阻变存储器与漏极串联；响应于栅极接收到第一输入信号，根据第一输入信号确定第一操作数；其中，第一输入信号表征晶体管的开启或者关闭；响应于漏极接收到第二输入信号，根据第二输入信号确定第二操作数；根据第一操作数、第二操作数以及阻变存储器的预存电导值确定源极的输出信号。本申请在不改变电路拓扑结构的前提下，利用1t1r型阻变存储器阵列实现了二元二次矩阵向量计算(binary quadraticmatrix-vector multiplication,bqmvm)。其中，“1t1r”指的是每个存储单元由一个晶体管(transistor)和一个阻变电阻(resistor)组成。本申请通过精心设计电压脉冲序列和读取电路，使得阻变存储器阵列能够同时处理多个输入向量，并在存储矩阵和这些向量之间进行非线性计算。这种方法不仅提高了计算效率，还扩展了阻变存储器在多输入非线性计算方面的应用范围。

技术特征：

1.一种基于阻变存储器的高阶矩阵向量运算方法，其特征在于，应用于基于阻变存储器的高阶矩阵向量运算单元；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一输入信号包括高电平信号；所述高电平信号表征所述晶体管的开启；

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一输入信号包括低电平信号；所述低电平信号表征所述晶体管的关闭；

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述响应于所述漏极接收到第二输入信号，根据所述第二输入信号确定第二操作数，包括：

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一操作数、所述第二操作数以及所述阻变存储器的预存电导值确定所述源极的输出信号，包括：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

8.一种基于阻变存储器的高阶矩阵向量运算单元，其特征在于，包括：晶体管以及阻变存储器；其中，所述晶体管包括漏极、栅极和源极；所述阻变存储器与所述漏极串联；

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任意一项所述的方法。

10.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行权利要求1至7任一所述方法。

技术总结本申请提供一种基于阻变存储器的高阶矩阵向量运算方法及相关设备。基于阻变存储器的高阶矩阵向量运算单元；所述基于阻变存储器的高阶矩阵向量运算单元，包括：晶体管以及阻变存储器；其中，所述晶体管包括漏极、栅极和源极；所述阻变存储器与所述漏极串联；所述方法包括：响应于所述栅极接收到第一输入信号，根据所述第一输入信号确定第一操作数；其中，所述第一输入信号表征所述晶体管的开启或者关闭；响应于所述漏极接收到第二输入信号，根据所述第二输入信号确定第二操作数；根据所述第一操作数、第二操作数以及所述阻变存储器的预存电导值确定所述源极的输出信号。技术研发人员：王宗巍,鲍霖,蔡一茂,计和晨,王翠梅,黄善国受保护的技术使用者：北京大学技术研发日：技术公布日：2024/7/15