6、基于忆阻器的非易失性内存计算技术解析

基于忆阻器的非易失性内存计算技术解析

1. 忆阻器计算概述

在许多网络工作负载中，计算主要由构成密集矩阵乘法的乘加（MAC）操作主导。在这类系统里，权重以忆阻器单元的电导形式存储，与输入激活成正比的电压施加在单元两端，累加操作在每条位线进行。

常用于内存计算的非易失性存储（NVM）设备有电阻式随机存取存储器（ReRAM 或 RRAM）、相变存储器（PCM）、自旋转移矩磁性随机存取存储器（STT - MRAM）等。这里主要聚焦于使用忆阻器的代表性存储技术 ReRAM。

2. 使用忆阻器的挑战

尽管近年来有大量工作挖掘 ReRAM 的计算能力，但由于基于忆阻器的 NVM 设备存在独特挑战，这种新兴存储技术仍具有一定的不确定性。以下是设计基于忆阻器的内存加速器时的一些重要挑战：
- 变化性 ：基于 ReRAM 的设备易受器件间和周期间变化的影响。这些变化由工艺变化（即器件参数偏离标称值）、噪声、非零导线电阻、I - V 特性非线性、电阻漂移（即电阻随时间恶化）等因素引起。特别是导线拥塞严重的大型 ReRAM 阵列，由于电压降和工艺变化，读写操作的缺陷率高且可靠性差。I - V 曲线的非线性导致电导在整个电导范围内呈非线性，影响每个单元存储的位数以及输入输出的信号传输方式。
- 操作成本 ：对忆阻器进行编程的能量和延迟可能比易失性存储器高得多。ReRAM 设备执行置位和复位操作需要更高的电压。此外，由于存在变化性，一些 ReRAM 设备在每次编程操作后需要进行写验证，以验证单元内容的完整性。特别是神经网络训练和对误差敏感的工作负载，需要精确校准 ReRAM 单元内容，这