模拟向量-矩阵乘法运算电路制造技术

本发明专利技术提供一种模拟向量‑矩阵乘法运算电路，采用可编程存储器件阵列实现，可编程半导体器件阵列中，每一行的所有可编程半导体器件的栅极均连接至同一模拟电压输入端，M行可编程半导体器件对应连接M个模拟电压输入端，每一列的所有可编程半导体器件的漏极(或源极)均连接至同一偏置电压输入端，N列可编程半导体器件对应连接N个偏置电压输入端，每一列的所有可编程半导体器件的源极(或漏极)均连接至同一个模拟电流输出端，N列可编程半导体器件对应连接N个模拟电流输出端，通过控制可编程半导体器件的阈值电压，将每个可编程半导体器件看作一个可变的等效模拟权重，实现矩阵乘法运算功能。

Analog vector matrix multiplication circuit

The invention provides an analog vector matrix multiplication operation circuit, which is realized by programmable memory device array. In the programmable semiconductor device array, the gates of all programmable semiconductor devices in each row are connected to the same analog voltage input terminal, and the M-line programmable semiconductor devices correspondingly connect M analog voltage input terminals. The drain (or source) of all programmable semiconductor devices in each column is connected to the same bias voltage input. The N-column programmable semiconductor devices correspond to N bias voltage input terminals. The source (or drain) of all programmable semiconductor devices in each column is connected to the same analog current output terminal, and the N-column programmable half. Conductor devices are connected to N analog current output terminals. By controlling the threshold voltage of programmable semiconductor devices, each programmable semiconductor device is regarded as a variable equivalent analog weight to realize matrix multiplication.

【技术实现步骤摘要】
模拟向量-矩阵乘法运算电路
本专利技术涉及信号处理领域，尤其涉及一种模拟向量-矩阵乘法运算电路。
技术介绍
矩阵乘法运算广泛应用于图像处理、推荐系统、数据降维等数据挖掘领域，然而，传统的技术架构和仅靠单台计算机基于串行的方式越来越不适应当前海量数据处理的要求。因此，扩大矩阵乘法的运算规模并降低其运算时间，将有利于满足矩阵分解算法处理大规模数据的要求。然而，矩阵乘法具有较高的时间复杂度，传统矩阵乘法通过求左矩阵行与右矩阵列的内积来求解矩阵的乘积。这种算法可以实现为分布式算法，但是其性能不容乐观。对于矩阵乘法的另外一种形式是将左矩阵的列和右矩阵相应的行进行外积运算，从而得到结果矩阵的部分结果，最后对各个部分结果求和。虽然在并行化方面，这种算法与传统算法相比在效率有了很大提升，但也存在一定的瓶颈，当矩阵规模非常大，大到单个机器的内存不能存放左矩阵的一行和右矩阵的一列时，便不能计算。向量-矩阵乘法是一种常用的逻辑计算函数。在传统冯诺依曼计算体系结构中，存储器和处理器是物理分离的，两者之间通过数据总线进行连接，执行向量-矩阵乘法运算时，首先需要把待处理的向量和矩阵数据从存储器中读取出来，传输到处理器当中，进行逻辑计算，再把计算结果存回到存储器当中。这种计算方式消耗大量的数据总线带宽和传输功耗。对于模拟信号的向量-矩阵乘法运算就更加复杂。首先，需要通过模数转换等方法，把模拟信号转换成数字信号，存储到存储器当中，然后根据上面的处理过程进行向量-矩阵乘法运算后，再通过数模转换等方法，把数字信号转换成模拟信号。这种模拟向量-矩阵乘法运算造成更大功耗与成本开销，处理性能不佳。随着大数据应用的兴起，海量数据的传输与处理进一步加剧了这些问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术实施例提供了一种模拟向量-矩阵乘法运算电路，解决现有矩阵乘法运算的处理性能不佳的问题。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种模拟向量-矩阵乘法运算电路，包括：多个模拟电压输入端、可编程半导体器件阵列、多个第一端以及多个第二端；可编程半导体器件阵列中，每一行的所有可编程半导体器件的栅极均连接至同一模拟电压输入端，多行可编程半导体器件对应连接多个模拟电压输入端，每一列的所有可编程半导体器件的漏极均连接至同一第一端，多列可编程半导体器件对应连接多个第一端，每一列的所有可编程半导体器件的源极均连接至同一第二端，多列可编程半导体器件对应连接多个第二端，每个可编程半导体器件的阈值电压均可调节；其中，第一端为偏置电压输入端，第二端为模拟电流输出端，或者，第一端为模拟电流输出端，第二端为偏置电压输入端。一实施例中，模拟向量-矩阵乘法运算电路还包括：编程电路，连接可编程半导体器件阵列中每一个可编程半导体器件的源极、栅极和/或衬底，用于调控可编程半导体器件的阈值电压。一实施例中，编程电路包括：电压产生电路和电压控制电路，电压产生电路用于产生编程电压或者擦除电压，电压控制电路用于将编程电压加载至选定的可编程半导体器件的源极，或者，将擦除电压加载至选定的可编程半导体器件的栅极或衬底，以调控可编程半导体器件的阈值电压。一实施例中，模拟向量-矩阵乘法运算电路还包括：控制器，连接编程电路，通过控制编程电路工作，控制投入工作的可编程半导体器件的数量以及各可编程半导体器件的阈值电压。一实施例中，控制器包括：行列译码器，用于选通待编程的可编程半导体器件。一实施例中，模拟向量-矩阵乘法运算电路还包括：转换装置，连接在多个模拟电压输入端之前，用于将多个模拟电流输入信号分别转换为模拟电压输入信号，输至对应的模拟电压输入端。一实施例中，转换装置包括多个可编程半导体器件；每个可编程半导体器件的栅极与漏极相连，并连接至对应的模拟电压输入端；每个可编程半导体器件的源极接入第一偏置电压。一实施例中，模拟向量-矩阵乘法运算电路还包括：电流检测输出电路，连接在模拟电流输出端之后，用于对模拟电流输出端输出的模拟电流输出信号进行处理和输出。一实施例中，电流检测输出电路包括：多个运算放大器，每个运算放大器的正相输入端连接第二偏置电压，反相输入端连接至对应的模拟电流输出端，并且，反相输入端与输出端之间连接一电阻器或晶体管。一实施例中，可编程半导体器件采用浮栅晶体管。本专利技术还提供一种模拟向量-矩阵乘法运算电路的控制方法，用于上述模拟向量-矩阵乘法运算电路，控制方法包括：基于矩阵乘法运算的位数需求，利用控制器控制投入工作的可编程半导体器件的数量；通过编程电路调控可编程半导体器件的阈值电压；将多个模拟电压输入信号通过多个模拟电压输入端施加至对应行所有可编程半导体器件的栅极；将一预设偏置电压通过多个偏置电压输入端施加至对应列所有可编程半导体器件；通过多列可编程半导体器件对应的多个模拟电流输出端，得到多个模拟电流输出信号。一实施例中，在将多个模拟电压信号通过多个模拟电压输入端施加至对应行所有可编程半导体器件的栅极之前，控制方法还包括：通过转换装置将多个模拟电流输入信号分别转换为多个模拟电压输入信号。本专利技术还提供一种存储装置，包括上述模拟向量-矩阵乘法运算电路。本专利技术还提供一种芯片，包括上述模拟向量-矩阵乘法运算电路。本专利技术提供的模拟向量-矩阵乘法运算电路及其控制方法，通过预先按照一定规律动态调节各可编程半导体器件的阈值电压VTH，可将各可编程半导体器件看作一个可变的等效模拟权重，相当于存储一个模拟数据，可编程半导体器件阵列则存储一个模拟数据阵列；电路工作时，将一列模拟电压向量或一列由模拟电流向量经转换装置转换成的模拟电压向量施加至对应可编程半导体器件的栅极，使可编程半导体器件的栅极得到一电压信号，源极(或漏极)输出一模拟电流输出信号，根据可编程半导体器件特性，每个可编程半导体器件源极(或漏极)输出的模拟电流输出信号等于电压乘以权重，因为每一列的所有可编程半导体器件的源极(或漏极)均连接至同一个模拟电流输出端，根据基尔霍夫定律，所以在该模拟电流输出端的模拟电流输出信号为该列所有可编程半导体器件的源极(或漏极)电流之和，即为该列所有可编程半导体器件的栅压与权重的乘积之和，多个模拟电流输出端输出多个栅压与权重的乘积之和，实现矩阵乘法运算功能；本专利技术利用可编程半导体器件阵列实现模拟向量-矩阵乘法运算，因为可编程半导体器件集成度高、响应速度快、功耗低，所以采用可编程半导体器件阵列实现的模拟向量-矩阵乘法运算电路有效减少了模数转换、数模转换、数据传输等带来的开销，其处理性能提高。并且，本专利技术提供的模拟向量-矩阵乘法运算电路，在处于空闲状态时，可编程半导体器件阵列可以用作快闪存储器或电可擦可编程只读存储器，实现电器元件的复用，提高元件利用效率，节省集成电路的硬件成本。另外，本专利技术提供的模拟向量-矩阵乘法运算电路，通过在模拟电流输出端之后设置电流检测输出电路，将运算完的电流精确处理并输出，或者接到下一个可编程半导体器件阵列的输入，能够有效提高输出电流精度。本专利技术提供的存储装置上集成模拟向量-矩阵乘法运算电路，直接在存储装置中对模拟信号进行向量-矩阵乘法运算，不需要在存储器与处理器之间来回传输数据，提高处理性能，降低功耗与成本开销。为让本专利技术的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟向量‑矩阵乘法运算电路，其特征在于，包括：多个模拟电压输入端、可编程半导体器件阵列、多个第一端以及多个第二端；所述可编程半导体器件阵列中，每一行的所有可编程半导体器件的栅极均连接至同一模拟电压输入端，多行可编程半导体器件对应连接多个模拟电压输入端，每一列的所有可编程半导体器件的漏极均连接至同一第一端，多列可编程半导体器件对应连接多个第一端，每一列的所有可编程半导体器件的源极均连接至同一第二端，多列可编程半导体器件对应连接多个第二端，每个所述可编程半导体器件的阈值电压均可调节；其中，所述第一端为偏置电压输入端，所述第二端为模拟电流输出端，或者，所述第一端为模拟电流输出端，所述第二端为偏置电压输入端。

【技术特征摘要】
1.一种模拟向量-矩阵乘法运算电路，其特征在于，包括：多个模拟电压输入端、可编程半导体器件阵列、多个第一端以及多个第二端；所述可编程半导体器件阵列中，每一行的所有可编程半导体器件的栅极均连接至同一模拟电压输入端，多行可编程半导体器件对应连接多个模拟电压输入端，每一列的所有可编程半导体器件的漏极均连接至同一第一端，多列可编程半导体器件对应连接多个第一端，每一列的所有可编程半导体器件的源极均连接至同一第二端，多列可编程半导体器件对应连接多个第二端，每个所述可编程半导体器件的阈值电压均可调节；其中，所述第一端为偏置电压输入端，所述第二端为模拟电流输出端，或者，所述第一端为模拟电流输出端，所述第二端为偏置电压输入端。2.根据权利要求1所述模拟向量-矩阵乘法运算电路，其特征在于，还包括：编程电路，连接可编程半导体器件阵列中每一个可编程半导体器件的源极、栅极和/或衬底，用于调控可编程半导体器件的阈值电压。3.根据权利要求2所述模拟向量-矩阵乘法运算电路，其特征在于，所述编程电路包括：电压产生电路和电压控制电路，所述电压产生电路用于产生编程电压或者擦除电压，所述电压控制电路用于将所述编程电压加载至选定的可编程半导体器件的源极，或者，将擦除电压加载至选定的可编程半导体器件的栅极或衬底，以调控可编程半导体器件的阈值电压。4.根据权利要求3所述模拟向量-矩阵乘法运算电路，其特征在于，还包括：控制器...

【专利技术属性】
技术研发人员：王绍迪，康旺，
申请(专利权)人：北京知存科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11