【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及存储和向量-矩阵-向量运算领域，尤其涉及一种基于三端口非易失性器件的crossbar架构、工作方法及无损压缩方法。
技术介绍
1、组合优化问题广泛应用于物流、资源分配、通信网络设计、金融、药物发现和交通系统等各个领域。这些问题通常属于非确定性多项式时间难题(np-hard)，代表了np领域中一些最具挑战性的计算任务。
2、使用基于冯·诺伊曼体系结构的数字计算机来解决组合优化问题存在困难，因为随着问题规模的增加，所需的资源在计算能力和延迟方面呈指数增长。因此，迫切需要探索新的硬件设计，采用替代架构和算法，以有效地解决组合优化问题。
3、目前，有多种基于ising模型和qubo模型的求解器来求解这些组合优化问题，这两种模型的目标函数都是向量-矩阵-向量的形式。然而，这些求解器的实现有以下不足：1.消耗时间和能源成本随着问题规模呈指数增长。2.可拓展性较差。3.仅限于求解部分类型的组合优化问题。
4、基于上述问题，为了减少求解器的资源成本，提高可拓展性和增加可求解的组合优化问题范围，申请人提出了一种基于三端口非易失性器件的crossbar架构、工作方法及无损压缩方法。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于针对目前基于ising模型和qubo模型的求解器消耗时间和能源成本随着问题规模呈指数增长、可拓展性较差、仅限于求解部分类型的组合优化问题的问题，提供基于三端口非易失性器件的crossbar架构、工作方法及无损压缩方法。
2、
3、一种基于三端口非易失性器件的crossbar架构，包括若干个构成n行×m列阵列的三端口非易失性器件，所述三端口非易失性器件结构的栅极与字线wl相连，漏极与输入线sl相连，源极与数据线dl相连，同一行的三端口非易失性器件共用一根字线wl，同一列三端口非易失性器件共用一根输入线sl和一根数据线dl。
4、进一步地，所述三端口非易失性器件为fefet或由1reram-1t构成的单元。
5、1reram-1t为下述文献中图1的1t1r单元。
6、xue c x,chen w h,liu j s,et al.24.1a 1mb multibit reram computing-in-memory macro with 14.6ns parallel mac computing time for cnnbased ai edgeprocessors[c]//2019ieee international solid-state circuits conference-(isscc).ieee,2019:388-390.
7、本专利技术还提供一种如上所述crossbar架构的工作方法，包括：
8、准备阶段：在所述架构开始工作前，根据所需加速的向量1-矩阵-向量2中矩阵的元素，对crossbar架构中每个三端口非易失性器件进行数据存储；
9、工作阶段：根据向量1中每个元素的值，对每条字线wl置0或1；根据向量2中每个元素的值，对每条输入线sl置0或1；此时，对于任意一个三端口非易失性器件，其导通的条件为：三端口非易失性器件存储的值为1，相应的字线wl、输入线sl均为1，此时该三端口非易失性器件会产生流入sl的电流；根据基尔霍夫电流定律，每列sl的电流都反映了该列满足上述导通条件的crossbar单元个数；所有输入线sl上的总电流之和，即能准确反应向量1-矩阵-向量2的结果。
10、进一步地，所述根据所需加速的向量1-矩阵-向量2中矩阵的元素，对架构中每个三端口非易失性器件进行数据存储具体包括：将信息编码为二进制序列后，通过字线wl、输入线sl和数据线dl对每个三端口非易失性器件进行写入。
11、本专利技术还提供一种适用于如上所述的crossbar架构的针对列向量-矩阵-行向量乘法(列向量等于行向量的转置)的无损压缩方法，其特征在于，该方法包括：
12、连接度排序阶段：根据向量中每个元素与其他元素产生非零乘积项的数量，按照从低到高的顺序对元素进行排序；
13、行压缩阶段：根据连接度从低到高的顺序，对列向量中的元素依次进行检测；对于第i个元素，检测矩阵的第i行是否包含“不可被置零”的元素，如果包括，则对第i行不作任何操作；如果不包含，则将第i行的所有非零元素加到第i列的对称位置(如第i行第j列的元素非零，则将该值加到第i列的第j行的元素)，再将所有被加了值的元素设置为“不可被置零”，再将第i行的所有元素置零；
14、列压缩阶段：根据连接度从低到高的顺序，对行向量中的元素依次进行检测；对于第i个元素，检测矩阵的第i列是否包含“不可被置零”的元素，如果包括，则对第i行不作任何操作；如果不包含，则将第i列的所有非零元素加到第i行的对称位置(如第i列第j行的元素非零，则将该值加到第i行的第j列的元素)，再将所有被加了值的元素设置为“不可被置零”，再将第i列的所有元素置零；
15、矩阵压缩阶段：将矩阵中全零的行和列及其对应的列向量、行向量中的元素删除。
16、本专利技术的有益效果如下：
17、本专利技术中的基于三端口非易失性器件的crossbar架构能够加速向量1-矩阵-向量2的乘法运算，加速对组合优化问题所对应的目标函数的运算。该架构充分利用了三个端口的特性，通过对除了输出端口外的另外两个端口进行操作，使得非易失性器件的状态同时受到两个信号的控制，进而实现该乘法运算。同时提出的一种针对向量-矩阵-向量乘法的无损压缩方法能减小所需crossbar的硬件规模，进一步提高目标函数的运算效率。
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1.一种基于三端口非易失性器件的Crossbar架构，其特征在于，包括若干个构成N行×M列阵列的三端口非易失性器件，所述三端口非易失性器件结构的栅极与字线WL相连，漏极与输入线SL相连，源极与数据线DL相连，同一行的三端口非易失性器件共用一根字线WL，同一列三端口非易失性器件共用一根输入线SL和一根数据线DL。
2.根据权利要求1所述的一种基于三端口非易失性器件的Crossbar架构，其特征在于，所述三端口非易失性器件为FeFET或由1ReRAM-1T构成的单元。
3.一种如权利要求1所述Crossbar架构的工作方法，其特征在于，包括：
4.根据权利要求3所述的工作方法，其特征在于，所述根据所需加速的向量1-矩阵-向量2中矩阵的元素，对架构中每个三端口非易失性器件进行数据存储具体包括：将信息编码为二进制序列后，通过字线WL、输入线SL和数据线DL对每个三端口非易失性器件进行写入。
5.一种适用于如权利要求1所述的Crossbar架构的针对列向量-矩阵-行向量乘法的无损压缩方法，其特征在于，该方法包括：
【技术特征摘要】
1.一种基于三端口非易失性器件的crossbar架构，其特征在于，包括若干个构成n行×m列阵列的三端口非易失性器件，所述三端口非易失性器件结构的栅极与字线wl相连，漏极与输入线sl相连，源极与数据线dl相连，同一行的三端口非易失性器件共用一根字线wl，同一列三端口非易失性器件共用一根输入线sl和一根数据线dl。
2.根据权利要求1所述的一种基于三端口非易失性器件的crossbar架构，其特征在于，所述三端口非易失性器件为fefet或由1reram-1t构成的单元。<...
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