本技術(shù)屬于微電子器件及電路領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于憶阻器的線性計(jì)算單元、模塊、電路及方法。

背景技術(shù)：

1、后摩爾時代智能計(jì)算應(yīng)用對計(jì)算系統(tǒng)算力和能效需求的正在急劇增長，而存儲與計(jì)算分離的傳統(tǒng)馮·諾依曼計(jì)算機(jī)受制于數(shù)據(jù)傳輸瓶頸，性能提升受到了嚴(yán)重的制約?；趹涀杵鞯拇嫠阋惑w架構(gòu)通過將計(jì)算和存儲集成在同一器件中，成為了突破存儲墻瓶頸，實(shí)現(xiàn)高能效、低延時計(jì)算系統(tǒng)的新興技術(shù)路徑。

2、當(dāng)前，受制于漏電流通路的影響，憶阻器往往需要依賴晶體管或選通管等選通器件以實(shí)現(xiàn)規(guī)模集成。這些集成方式不僅增加了制備工藝的復(fù)雜度，更犧牲了陣列集成密度，導(dǎo)致了系統(tǒng)算力和能效的損失。非線性憶阻器基于界面工程/勢壘工程實(shí)現(xiàn)了對漏電流的抑制，因此可以在不引入選通器件的同時實(shí)現(xiàn)高密度集成，成為了構(gòu)建存算一體系統(tǒng)的理想器件。

3、然而，由于非線性憶阻器具有非線性的i-v關(guān)系，且不遵循歐姆定律，無法通過線性模擬量輸入實(shí)現(xiàn)線性的原位模擬計(jì)算，而采用二值輸入會造成嚴(yán)重的性能損失。因此，為了充分發(fā)揮非線性憶阻器的高能效、高密度存算一體優(yōu)勢，迫切的需要實(shí)現(xiàn)基于非線性憶阻器的線性模擬計(jì)算。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本技術(shù)的目的在于實(shí)現(xiàn)基于非線性憶阻器的線性模擬計(jì)算。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，第一方面，本技術(shù)提供了一種基于憶阻器的線性計(jì)算單元，該線性計(jì)算單元包括：級聯(lián)的f函數(shù)電路、非線性憶阻器和電流電壓轉(zhuǎn)換電路；

3、f函數(shù)電路用于基于f函數(shù)將本電路輸入端口的電壓信號轉(zhuǎn)換為本電路輸出端口的電壓信號，f函數(shù)為非線性函數(shù)的反函數(shù)；

4、非線性憶阻器用于基于非線性函數(shù)將本器件輸入端口的電壓信號轉(zhuǎn)換為本器件輸出端口的電流信號；

5、電流電壓轉(zhuǎn)換電路用于將本電路輸入端口的電流信號轉(zhuǎn)換為本電路輸出端口的電壓信號。

6、可以理解的是，利用非線性函數(shù)擬合非線性憶阻器的i-v關(guān)系，并構(gòu)建非線性函數(shù)的反函數(shù)(也f函數(shù))，執(zhí)行模擬計(jì)算時，f函數(shù)電路能夠基于f函數(shù)將輸入端口的電壓信號轉(zhuǎn)換為輸出端口的電壓信號，非線性憶阻器能夠基于非線性函數(shù)將輸入端口的電壓信號轉(zhuǎn)換為輸出端口的電流信號，f函數(shù)為上述非線性函數(shù)的反函數(shù)，能夠確保f函數(shù)電路的輸入端口的電壓與非線性憶阻器輸出端口的電流之間呈現(xiàn)線性關(guān)系，再經(jīng)由電流電壓轉(zhuǎn)換電路能夠?qū)㈦娏餍盘栟D(zhuǎn)換為電壓信號，能夠確保線性計(jì)算單元的輸入電壓與輸出電壓之間呈現(xiàn)線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)基于非線性憶阻器的線性模擬計(jì)算，突破非線性器件實(shí)現(xiàn)線性計(jì)算的關(guān)鍵性能瓶頸，面向后摩爾時代的智能計(jì)算應(yīng)用實(shí)現(xiàn)算力與能效的同步提升。

7、在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，非線性函數(shù)為指數(shù)函數(shù)，相應(yīng)地，f函數(shù)為對數(shù)函數(shù)，上述f函數(shù)電路包括：級聯(lián)的對數(shù)運(yùn)算電路和第一電壓放大電路；

8、對數(shù)運(yùn)算電路用于基于對數(shù)函數(shù)將本電路輸入端口的電壓信號轉(zhuǎn)換為本電路輸出端口的電壓信號；

9、第一電壓放大電路用于對本電路輸入端口的電壓信號進(jìn)行放大，并通過本電路輸出端口輸出放大后的電壓信號。

10、在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，上述對數(shù)運(yùn)算電路包括：第一電阻、二極管和第一運(yùn)算放大器；

11、第一電阻與第一運(yùn)算放大器的同相輸入端(non-inverting?input，一般標(biāo)記為“+”)電連接，第一運(yùn)算放大器的反相輸入端(inverting?input，一般標(biāo)記為“-”)接地，二極管的陽極與第一運(yùn)算放大器的同相輸入端電連接，二極管的陰極與第一運(yùn)算放大器的輸出端電連接；

12、相應(yīng)地，第一電壓放大電路包括：第二電阻、第三電阻和第二運(yùn)算放大器；

13、第二電阻的第一端與第一運(yùn)算放大器的輸出端電連接，第二電阻的第二端與第二運(yùn)算放大器的同相輸入端電連接，第二運(yùn)算放大器的反相輸入端接地，第三電阻的第一端與第二運(yùn)算放大器的同相輸入端電連接，第三電阻的第二端與第二運(yùn)算放大器的輸出端電連接。

14、在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，電流電壓轉(zhuǎn)換電路包括：級聯(lián)的跨阻放大電路和第二電壓放大電路。

15、在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，跨阻放大電路包括：第四電阻和第三運(yùn)算放大器；

16、第四電阻的第一端與第三運(yùn)算放大器的同相輸入端電連接，第四電阻的第二端與第三運(yùn)算放大器的輸出端電連接，第三運(yùn)算放大器的反相輸入端接地；

17、相應(yīng)地，第二電壓放大電路包括：第五電阻、第六電阻和第四運(yùn)算放大器；

18、第五電阻的第一端與第三運(yùn)算放大器的輸出端電連接，第五電阻的第二端與第四運(yùn)算放大器的同相輸入端電連接，第四運(yùn)算放大器的反相輸入端接地，第六電阻的第一端與第四運(yùn)算放大器的同相輸入端電連接，第六電阻的第二端與第四運(yùn)算放大器的輸出端電連接。

19、第二方面，本技術(shù)提供一種基于憶阻器的線性計(jì)算模塊，該線性計(jì)算模塊包括：m個f函數(shù)電路、k個電流電壓轉(zhuǎn)換電路和非線性憶阻器陣列，非線性憶阻器陣列由m行×k列的非線性憶阻器構(gòu)成；

20、同一行的非線性憶阻器的輸入端口連接至同一個f函數(shù)電路的輸出端口；

21、同一列的非線性憶阻器的輸出端口連接至同一個電流電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端口；

22、f函數(shù)電路用于基于f函數(shù)將本電路輸入端口的電壓信號轉(zhuǎn)換為本電路輸出端口的電壓信號，f函數(shù)為非線性函數(shù)的反函數(shù)；

23、非線性憶阻器用于基于非線性函數(shù)將本器件輸入端口的電壓信號轉(zhuǎn)換為本器件輸出端口的電流信號；

24、電流電壓轉(zhuǎn)換電路用于將本電路輸入端口的電流信號轉(zhuǎn)換為本電路輸出端口的電壓信號。

25、第三方面，本技術(shù)提供一種基于憶阻器的線性計(jì)算電路，該線性計(jì)算電路包括：主控制器、輸入電路、輸出電路和第二方面或第二方面的任一種可能的實(shí)現(xiàn)方式所描述的線性計(jì)算模塊；

26、主控制器用于通過輸入電路將待計(jì)算數(shù)據(jù)輸入至線性計(jì)算模塊；以及通過輸出電路接收線性計(jì)算模塊的計(jì)算結(jié)果。

27、在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，輸入電路包括：級聯(lián)的輸入緩存模塊、數(shù)據(jù)編碼模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊；

28、數(shù)據(jù)編碼模塊用于匹配本模塊的輸入數(shù)據(jù)與非線性憶阻器的電壓工作區(qū)間。

29、在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，輸出電路包括：級聯(lián)的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和輸出緩存模塊。

30、第四方面，本技術(shù)提供一種基于憶阻器的線性計(jì)算方法，該方法應(yīng)用于第三方面或第三方面的任一種可能的實(shí)現(xiàn)方式所描述的線性計(jì)算電路，該方法包括：

31、通過輸入電路將待計(jì)算數(shù)據(jù)輸入至線性計(jì)算模塊；

32、通過輸出電路接收線性計(jì)算模塊的計(jì)算結(jié)果。

33、可以理解的是，上述第二方面至第五方面的有益效果可以參見上述第一方面中的相關(guān)描述，在此不再贅述。

34、總體而言，通過本技術(shù)所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

35、(1)本技術(shù)提供了一種模擬存算一體電路、系統(tǒng)及其操作方法，其中，通過擬合器件的非線性i-v特性構(gòu)建了f函數(shù)電路和g函數(shù)電路，f函數(shù)電路將對非線性憶阻器的線性電壓輸入轉(zhuǎn)換為非線性電壓輸入。通過器件的i-v特性得到線性電流輸出，最后通過g函數(shù)電路將電流輸出轉(zhuǎn)換為電壓并放大。該設(shè)計(jì)能夠基于非線性憶阻器實(shí)現(xiàn)線性化的模擬計(jì)算，充分發(fā)揮非線性器件的性能優(yōu)勢，解決了現(xiàn)有存算一體單元在集成密度、計(jì)算能效方面的缺陷。

36、(2)本技術(shù)所提供的計(jì)算單元架構(gòu)及其操作方法具有泛化應(yīng)用特性，即任意基于不同物理機(jī)制，遵循不同i-v關(guān)系的非線性憶阻器，均可以通過對i-v關(guān)系進(jìn)行擬合分析，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)f函數(shù)電路和g函數(shù)電路，在本技術(shù)所設(shè)計(jì)的計(jì)算單元架構(gòu)和計(jì)算方法下實(shí)現(xiàn)線性模擬計(jì)算，只是f函數(shù)電路和g函數(shù)電路結(jié)構(gòu)或電路參數(shù)與本技術(shù)存在差異。因此，本技術(shù)可以擴(kuò)展到針對任意非線性憶阻器實(shí)現(xiàn)高效的模擬計(jì)算系統(tǒng)。