用于非精确计算的数模混合信号处理系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于非精确计算的数模混合信号处理系统，包括：输入模块，用于将A路B比特的数字输入信号拆解为A*B个单比特的高低电平信号，将所述高低电平信号作为模拟输入信号发送给信号处理模块；信号处理模块，对所述模拟输入信号进行计算得到C路的模拟输出信号，并将所述模拟输出信号发送给输出模块；以及输出模块，用于将所述模拟输出信号转化为D个高低电平信号作为E路F比特的数字信号输出，其中D、E和F均为自然数，且D＝E*F。本发明专利技术具有如下优点：可有效地降低运算系统在转换接口上的面积与功耗开销；接口设计的大幅度简化；能够减少面积50％以上并减少能耗60％以上，显著提升了该类系统的应用空间。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及计算机及电子信息
，特别涉及类脑运算、近似计算等数模混 合信号处理系统。
技术介绍
随着信息时代的不断发展，人们对计算复杂度和数据规模的需求呈爆发性增长， 而能耗则进而成为约束计算系统性能的一个重要瓶颈。然而，由于传统CMOS技术的发展已 经逼近其物理极限，当代的数字系统已经越来越难从工艺上提高系统的能效。同时，在传统 的冯诺依曼结构中，高性能CPU所需要的存储带宽也已经逐渐超过了传统存储架构所能提 供的有效带宽，进而产生了存储与计算之间新的通信瓶颈。 近年来，随着新工艺的不断产生，忆阻器等新型纳米器件得到了该领域的广泛关 注。该类纳米器件不仅拥有很高的集成度，作为阻性器件，它们还能够显著提升计算系统的 能效。此外，由于其本身同时具有对历史信息的记忆性，该类阻变性器件能够同时承担计算 与存储的任务，具有真正融合计算与存储的潜力，打破传统冯诺依曼结构带来的通信瓶颈， 从而进一步显著提升系统的性能与能效。利用上述特性，近年来已有许多工作实现了基于 忆阻器阵列等新型器件的人工神经网络系统与近似计算系统等基于非精确计算的数模混 合运算系统，在相同性能下获得了高于CPU百倍以上的能效。同时，人工神经网络等类脑运 算系统被广泛应用在网络、医疗和金融等应用环境中，在准确度与能效上具有巨大的优势， 因此该类基于非精确计算的数模混合运算系统具有巨大的应用前景。 在这类基于非精确计算的数模混合运算系统中，数字信号必须要经过接口转换成 某种形式的模拟信号，进而被带入到忆阻器阵列等模拟信号处理模块中运算。因而，该接口 是数模混合信号运算系统中的关键部分。在现有的设计中，该接口通常使用传统的数-模/ 模-数转换电路实现。然而，相比于具有高集成度与高能效的忆阻器阵列等模拟运算电路， 这些数-模/模-数转换电路不仅占用了大量的面积，也消耗了远多于模拟电路的能源。实 验数据显示，数-模/模-数转换电路在占用的面积和能耗在整个系统中能够达到85%以 上，这使得基于非精确计算的数模混合信号处理系统在能耗与面积方面的优势和潜力被浪 费了，进而限制了该类系统的进一步发展。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决上述技术问题之一。 为此，本专利技术的一个目的在于提出一种用于提高基于非精确计算的数模混合信号 处理系统的能效与集成度且非精确计算的数模混合信号处理系统。 为了实现上述目的，本专利技术的第一方面的实施例公开了一种用于非精确计算的数 模混合信号处理系统，包括：输入模块，用于将A路B比特的数字输入信号拆解为A*B个单 比特的高低电平信号，将所述高低电平信号作为模拟输入信号发送给信号处理模块，其中A 和B均为自然数，所述模拟输入信号代表一个二进制数值；信号处理模块，对所述模拟输入 信号进行计算得到C路的模拟输出信号，并将所述模拟输出信号发送给输出模块，其中C为 自然数；以及输出模块，用于将所述C路的模拟输出信号转化为D个高低电平信号，所述D 个高低电平信号作为E路F比特的数字信号输出，其中C、D、E和F均为自然数，且D多C， D = E*F〇 根据本专利技术实施例的用于非精确计算的数模混合信号处理系统，可有效地降低运 算系统在转换接口上的面积与功耗开销。相比于基于数-模/模-数转换电路接口的忆阻 器人工神经网络设计方案，本专利技术以增大忆阻器阵列为代价获得接口设计的大幅度简化， 最终在整体系统上获得面积与功效的收益。对于各类数模混合信号处理系统，能够减少面 积50%以上并减少能耗60%以上，显著提升了该类系统的应用空间。 另外，根据本专利技术上述实施例的用于非精确计算的数模混合信号处理系统，还可 以具有如下附加的技术特征： 进一步地，在信号处理模块中，对所述A*B个单比特的高低电平信号进行计算得 到C个单比特数字信号是通过非布尔式运算得到。 进一步地，所述输出模块中，将所述模拟输出信号转化为D个高低电平信号可通 过模拟放大器或其他单路模拟信号处理电路实现。 进一步地，所述输入模块还可用于屏蔽所述A*B个单比特的高低电平信号中至少 一路高低电平信号，将剩余的所述高低电平信号作为模拟输入信号发送给信号处理模块。 进一步地，所述输入模块还可设置N组输入接口，第一组所述输入接口接收Al路 Bl比特的数字输入信号，第二组所述输入接口接收A2路B2比特的数字输入信号，以此类 推，其中 N、A1、B1、A2、B2、...AN 和 BN 均为自然数，且 N 彡 1，A1+A2+…+AN 彡 A，B1+B2+... +BN ^ B ； 所述输出模块还可设置M组输出接口，第一组所述输出接口输出El路Fl比特的 数字信号，第二组所述输出接口输出E2路F2比特的数字信号，以此类推，其中M、E1、F1、E2、 F2、...EM 和 FM 均为自然数，且 M 彡 1，E1+E2+...+EM 彡 E，F1+F2+...+FM 彡 F。 进一步地，所述输入模块拆解的所述高低电平信号中，高电平信号和低电平信号 的电平可以与所述数字信号的逻辑电平相同或不同。 进一步地，所述输出模块在所述C路模拟输出信号不能满足数字输出信号需要的 精度时，可以额外添加 G路高低电平信号，共同组成D路高低电平信号，并被当做E路F比 特数字信号输出，其中G为自然数，且C+G = D。 本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本专利技术的实践了解到。【附图说明】 本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变 得明显和容易理解，其中： 图1为本专利技术实施例的用于非精确计算的数模混合信号处理电路结构图； 图2为与本专利技术实施例进行对比的基于数-模/模-数转换电路接口的数模混合 信号处理电路结构图。【具体实施方式】 下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。 在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"上"、"下"、"前"、 "后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"等指示的方位或位置关系为基于 附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所 指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发 明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要 性。 在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相 连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可 以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是 两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本 专利技术中的具体含义。 参照下面的描述和附图，将清楚本专利技术的实施例的这些和其他方面。在这些描述 和附图中，具体公开了本专利技术的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本专利技术的实施 例的原理的一些方式，但是应当理解，本专利技术的实施例的范围不本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于非精确计算的数模混合信号处理系统，其特征在于，包括：输入模块，用于将A路B比特的数字输入信号拆解为A*B个单比特的高低电平信号，将所述高低电平信号作为模拟输入信号发送给信号处理模块，其中A和B均为自然数，所述模拟输入信号代表一个二进制数值；信号处理模块，对所述模拟输入信号进行计算得到C路的模拟输出信号，并将所述模拟输出信号发送给输出模块，其中C为自然数；以及输出模块，用于将所述C路的模拟输出信号转化为D个高低电平信号，所述D个高低电平信号作为E路F比特的数字信号输出，其中C、D、E和F均为自然数，且D≥C，D＝E*F。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：汪玉，李伯勋，夏立雪，谷芃，唐天琪，杨华中，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11