12、基于交叉开关的模拟MAC加速单元中使用FeFET作为电阻突触

基于交叉开关的模拟MAC加速单元中使用FeFET作为电阻突触

在人工智能算法的核心计算——乘积累加计算（MAC）中，新兴非易失性存储器（eNVMs）面临着诸多问题，如ROFF/RON比不足和有限的存储器操作窗口，这会显著降低使用基于交叉开关的模拟电阻式内存计算（CIM）结构进行MAC计算的精度。本文从电路设计的角度探讨了在基于交叉开关的模拟MAC加速单元中使用FeFET等eNVM的边界条件。

1. 研究背景

新兴非易失性存储器的CIM技术在集成电路（IC）设计领域引起了广泛关注，因为它有很大潜力实现高度并行的模拟（或多位）计算，从而大幅加速人工智能算法中的MAC计算。其中，铁电场效应晶体管（FeFET）作为一种eNVM，因其可编程的开关特性被用于加速MAC计算。通过调整晶体管栅极顶部铁电层的极化，可以对其阈值电压进行编程。

然而，与其他电阻开关型eNVM（如ReRAM、OxRAM）一样，FeFET用于基于交叉开关的MAC加速器时，必须满足一些要求，如合理的ROFF/RON比和足够的操作窗口，以实现模拟（多位）计算。但由于当前技术成熟度以及尺寸越小工艺变化越明显的特点，在基于电阻交叉开关的加速器中使用FeFET等小尺寸eNVM会面临较大的工艺变化。这会导致操作窗口不足，进而使推理计算精度不理想。

为了应对这一问题，目前实现具有二进制状态（开或关）或少数位的加速器成为向全模拟计算过渡的中间步骤。在特定用例中，二进制计算分别实现了532 TOP/W和超过10000 TOPS/W的显著功率效率。但要进一步提高基于FeFET的加速器的效率和准确性，就需要了解基于交叉开关的MAC加速器的基本设计挑战。

2. 单端和伪差分结构的比较