用于计算矩阵乘法的交叉杆阵列制造技术

一种交叉杆阵列包括多条行线、在多个交叉点处与多条行线交叉的多条列线、在多个交叉点中的一部分交叉点处联接在多条行线和多条列线之间的多个连接点、以及联接到多个连接点的多条对角控制线。每个连接点包括电阻存储元件和晶体管，该连接点定位为计算第一矩阵和第二矩阵的矩阵乘法。

A cross bar array for calculating matrix multiplication

A crossbar array comprises a plurality of lines, in a number of cross point and multiple column line, the line at the intersection of multiple intersection part of the intersection in the connection between a plurality of row lines and a plurality of column lines, and a plurality of connection points connected to a plurality of connection points the diagonal line of control. Each connection point includes a resistance storage element and a transistor, which is located as a matrix multiplication of the first matrix and the second matrix.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于计算矩阵乘法的交叉杆阵列
技术介绍
忆阻器为能够通过施加诸如电压之类的编程能量而被编程为不同电阻状态的设备。具有忆阻器的存储设备的大型交叉杆阵列能够用于每个种应用，包括存储器、可编程逻辑、信号处理控制系统、模式识别和其它应用。卷积为对两个函数进行的数学运算，其生成通常视作初始函数中的一个的修改后的版本的第三函数。卷积具有包括图像处理、概率、统计、计算机信号处理、电工程、和差分方程的应用。附图说明以下具体描述参考了附图，其中：图1为示例性交叉杆阵列的图；图2为用于计算矩阵乘法的示例性交叉杆阵列的图；图3为图示第一矩阵及第二矩阵到交叉杆阵列上的示例性矩阵映射的图；图4为图示编程信号输入和采集的电流输出、具有交叉杆阵列的示例性图像处理器的图；图5为具有图像处理加速器的示例性计算设备的框图；并且图6为用于对存储单元进行编程的示例性方法的流程图。具体实施方式卷积为对两个函数进行的数学运算，其生成通常视作初始函数中的一个的修改后的版本的第三函数。卷积用于一些图像处理技术，包括图像与内核矩阵的卷积。可以将图像及内核映射到矩阵，可以对矩阵计算矩阵乘法。然而，卷积可能是图像处理技术计算最密集的部分之一。而且，对于硬件实现，等价矩阵可能太大，且映射太稀疏。忆阻器为可以广泛用于诸如存储器、开关、射频电路、逻辑电路及系统之类的电子电路中组件的设备。在存储结构中，可以使用具有忆阻器的存储设备的交叉杆阵列。当用作存储设备的基础时，忆阻器可以用于存储信息位元，1或0。可以通过忆阻器施加诸如电压或电流之类的电刺激来改变忆阻器的电阻。通常，可以形成至少一条能够在两种状态之间切换的通道——一种为通道形成导电路径(“开”)，一种信道形成不太导电的路径(“关”)。在一些其它情况下，导电路径表示“关”，不太导电的路径表示“开”。在一些应用中，存储器交叉杆阵列能够用于执行矩阵计算。例如，通过每个列中电阻设备的电导对来自交叉杆阵列每个行的输入电压信号进行加权，累计为来自每个列的电流输出。理想地，假如能够忽略线电阻，流出交叉杆阵列的电流I将大约为IT＝VTG，V为输入电压，G为电导矩阵，包括来自交叉杆阵列中每个忆阻器的贡献。在交叉杆阵列的连接点或交点使用忆阻器使得能够对处于与G的值相对应的每个此类连接点的电阻(或电导)进行编程。可以将输入电压值映射到矩阵。本文公开的示例提供了用于计算矩阵乘法的一晶体管一存储器形式的交叉杆阵列。示例性交叉杆阵列可以包括多条行线、在多个交叉点处与多条行线交叉的多条列线、在多个交叉点中的一部分处联接在行线与列线之间的多个连接点、以及联接到多个连接点的多条对角控制线。每个连接点可以具有1个晶体管和1个诸如忆阻器之类的电阻存储元件，且该连接点被定位为计算第一矩阵和第二矩阵的矩阵乘法。例如，可以将第一矩阵改变成向量，能够将矩阵乘法转换为向量-矩阵乘法。连接点可以不必被定位在第二矩阵可能具有0的值的交叉点。而且，一条对角控制线可以联接在交错矩阵内特定对角线中的所有连接点。以这种方式，能够为放置驱动及传感电路而节省控件，以最小化设备尺寸。现在参考附图，图1图示了示例性交叉杆阵列100。交叉杆阵列100可以是连接点联接在处于交叉点的线之间、平行及垂直的线的配置。交叉杆阵列100可以包括多条行线110、多条列线120和多个连接点130。每个连接点可以联接在一条列线与一条行线的唯一组合之间。换言之，无存储单元共享行线和列线。应该注意到，图1示出了示例性的交叉杆结构。与适当的额外结构一起，交叉杆阵列100可以用于每个种应用，包括用于如本文所述的矩阵乘法。行线110可以是贯穿交叉杆阵列100的携带电流的电极。在一些示例中，列线110可以互相平行，一般具有相等的间隔。行线110有时可以称作位线。取决于定向，行线110可以或称为字线。类似地，列线120可以是与行线110走向不平行的电极。在一些规范中，列线120可以称作字线。在其它定向方式中，列线120可以称作位线。行线110和列线120可以充当将电压及电流递送给连接点130的电极。用于行线110和列线120的示例性材料可以包括导电材料，诸如铂、钽、铪、锆、铝、钴、镍、铁、铌、钼、钨、铜、钛、氮化钛、氮化钽、氮化二钽、二氮化钨、氮化铌、氮化钼、二硅化钛、硅化钛、三硅化五钛、二硅化钽、二硅化钨、二硅化铌、硅化三钒、电掺杂多晶硅、电掺杂多晶锗、及其组合。连接点130可以在多个交叉点中的一部分交叉点处联接在行线110和列线120之间。例如，连接点130可被定位为计算第一矩阵和第二矩阵的矩阵乘法。尽管图1未直接图示，但在一些示例中，可以在一些交叉点形成连接点130而不在其它的一些交叉点形成连接点130，在此类连接点留出开放电路(无电流)。换言之，一些交叉点无连接点130。关于图2进一步描述了计算矩阵乘法的连接点130的定位。每个连接点130可以包括电阻存储元件。电阻存储元件可以具有随施加的电压或电流而改变的电阻。此外，在一些示例中，电阻存储元件可以“记忆”其最后的电阻。以此方式，可以将每个电阻存储元件设为至少两个状态。电阻存储元件可以通过具有忆阻器来实现这些属性，忆阻器可以是提供如本文所述的忆阻属性的双端电子组件。在一些示例中，忆阻器可以是基于氮化物的，意指忆阻器的至少一部分由包含氮化物的组合物形成。忆阻器还可以是基于氧化物的，意指忆阻器的至少一部分由包含氧化物的材料形成。而且，忆阻器可以是基于氮氧化物的，意指忆阻器的至少一部分由包含氧化物的材料形成，且忆阻器的至少一部分由包含氮化物的材料形成。忆阻器的示例性材料可以包括氧化钽、氧化铪、氧化钛、氧化钇、氧化铌、氧化锆或其它类似的氧化物或非过渡金属氧化物，诸如氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化镝、氧化镧、二氧化硅或其它类似氧化物之类。进一步的示例包括氮化物，诸如氮化铝、氮化镓、氮化钽、氮化硅之类，以及诸如氮氧化硅之类的氮氧化物。另外，可以在实践本文的教导时使用其它的忆阻器。忆阻器可以展现非线性或线性电流-电压行为。非线性可以描述不同于线性方程而增长方程。在一些实施例中，诸如在本文的示例中之类，忆阻器在感兴趣的电压范围内可能是线性的。例如，感兴趣的电压范围可以是用于交叉杆阵列100的操作的电压范围。在示例中，忆阻存储元件可以包括其它组件，诸如晶体管和/或选择器。晶体管可以充当具有状态“开”和“关”的开关，开关确定信号是否能够通过连接点。类似地，选择器可以是可以用于忆阻设备以提供想要的电属性的电设备，诸如开关。例如，选择器可以是根据跨端上所施加的电压而允许电流的双端子设备或电路元件。而且在一些示例中，选择器可以在连接点130与忆阻器串联地联接。在一些示例中，不是行线与列线的所有交叉点都有具连接点130。换言之，交叉点中的一些可以具有具有串联联接的电阻存储元件与晶体管的连接点130。连接点130可被定位为计算两个矩阵的矩阵乘法。可以不用于矩阵乘法的行线110和列线120的交叉点可能没有连接点，如图1中的140所示。图2图示了用于计算图像和内核的卷积的示例性交叉杆阵列200。交叉杆阵列200可以与图1的交叉杆阵列100相似，并可以例如是图像处理器的一部分。交叉杆阵列200可以包括与行线110类似的多条行线210、与列线120类似的多条列线220、与连接点本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种交叉杆阵列，包括：多条行线；在多个交叉点处与所述多条列线交叉的多条列线；在所述多个交叉点中的一部分交叉点处联接在所述多条行线与所述多条列线之间的多个连接点；以及联接到所述多个连接点的多条对角控制线，其中：每个连接点包括电阻存储元件和晶体管；并且所述连接点被定位为计算第一矩阵和第二矩阵的矩阵乘法。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种交叉杆阵列，包括：多条行线；在多个交叉点处与所述多条列线交叉的多条列线；在所述多个交叉点中的一部分交叉点处联接在所述多条行线与所述多条列线之间的多个连接点；以及联接到所述多个连接点的多条对角控制线，其中：每个连接点包括电阻存储元件和晶体管；并且所述连接点被定位为计算第一矩阵和第二矩阵的矩阵乘法。2.根据权利要求1所述的交叉杆阵列，其中所述交叉杆阵列用于：在所述多条对角控制线中的一条对角控制线处接收栅极电压，以激活联接到所述多条对角控制线中的所述一条对角控制线的连接点的晶体管；在所述电阻存储元件处接收多个第一编程信号，其中所述多个第一编程信号限定要施加至所述电阻存储元件的多个值；在所述电阻存储元件处接收多个第二编程信号，其中所述多个第二编程信号限定所述第一矩阵内的多个值；并且从所述电阻存储元件的相应列线输出从所述电阻存储元件采集到的多个电流，其中采集到的电流限定所述第一矩阵和所述第二矩阵的所述矩阵乘法。3.根据权利要求1所述的交叉杆阵列，其中所述第一矩阵与二维图像相对应，并且所述第二矩阵与二维内核相对应。4.根据权利要求3所述的交叉杆阵列，其中所述交叉杆阵列用于计算所述二维图像和所述二维内核的卷积。5.根据权利要求1所述的交叉杆阵列，其中：所述第一矩阵具有维度a和b；所述第二矩阵具有维度c和d；所述多条行线包括a*b条行线；所述多条列线包括(a+c-1)*(b+d-1)条列线；并且所述多个连接点包括a*b*c*d个连接点。6.根据权利要求5所述的交叉杆阵列，其中所述多条对角控制线包括b*c条对角控制线。7.根据权利要求1所述的交叉杆阵列，其中所述交叉点中的一些交叉点不包括连接点。8.根据权利要求1所述的交叉杆阵列，其中所述电阻存储元件包括忆阻器。9.一种图像处理器，包括用于计算图像和内核的卷积的交叉杆阵列，所述交叉杆阵列包括：多条行线；在多个交叉点处与所述多条行线交叉的多条列线；在所述多个交叉点中的一部分交叉点处联接在所述多条行线与所述多条列线之间的多个连接点；以及联接到所述多个连接点的多条对角控制线，其中：每个连接点包括电阻存储元件和晶体管；并且所述连接点被定位为计算与所述图像相对应的第一矩阵和与所述内核相对应的第二矩阵的矩阵乘法。10.根据权利要求9所述的图像处理器，进一步包括电路，以：将栅极电压递送给所述多条对角控制线中的一条对角控制线，以激活联接到所述多条对角控制线中的所述一条对角控制线的连接点的晶...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡苗，李智勇，约翰·保罗·斯特罗恩，
申请(专利权)人：慧与发展有限责任合伙企业，
类型：发明
国别省市：美国,US