源极耦合、漏极求和的模拟向量-矩阵乘法运算电路

技术领域

本发明涉及信号处理领域，尤其涉及一种源极耦合、漏极求和的模拟向量-矩阵乘法运算电路。

背景技术

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。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种源极耦合、漏极求和的模拟向量-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，本发明采用如下技术方案：

第一方面，提供一种源极耦合、漏极求和的模拟向量-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、多个偏置电压输入端以及多个模拟电流输出端；

所述可编程半导体器件阵列中，每一列的所有可编程半导体器件的源极均连接至同一模拟电压输入端，多列可编程半导体器件对应连接多个模拟电压输入端，每一行的所有可编程半导体器件的栅极均连接至同一偏置电压输入端，多行可编程半导体器件对应连接多个偏置电压输入端，每一行的所有可编程半导体器件的漏极均连接至同一个模拟电流输出端，多行可编程半导体器件对应连接多个模拟电流输出端，其中，每个所述可编程半导体器件的阈值电压均可调节。

进一步地，源极耦合、漏极求和的模拟向量-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。

进一步地，源极耦合、漏极求和的模拟向量-矩阵乘法运算电路还包括：转换装置，连接在多个所述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，输至对应的所述模拟电压输入端。

进一步地，源极耦合、漏极求和的模拟向量-矩阵乘法运算电路还包括：电流检测输出电路，连接在所述模拟电流输出端之后，用于对所述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。

进一步地，所述可编程半导体器件采用浮栅晶体管。

第二方面，提供一种源极耦合、漏极求和的模拟向量-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、多个偏置电压输入端以及多个模拟电流输出端；

所述可编程半导体器件阵列中，每一列的所有可编程半导体器件的源极均连接至同一模拟电压输入端，多列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栅极均连接至同一偏置电压输入端，多列可编程半导体器件对应连接多个偏置电压输入端，每一行的所有可编程半导体器件的漏极均连接至同一个模拟电流输出端，多行可编程半导体器件对应连接多个模拟电流输出端，其中，每个所述可编程半导体器件的阈值电压均可调节。

第三方面，提供一种源极耦合、漏极求和的模拟向量-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、多个偏置电压输入端以及多个模拟电流输出端；

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源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，每一行的所有可编程半导体器件的栅极均连接至同一偏置电压输入端，多行可编程半导体器件对应连接多个偏置电压输入端，每一列的所有可编程半导体器件的漏极均连接至同一个模拟电流输出端，多列可编程半导体器件对应连接多个模拟电流输出端，其中，每个所述可编程半导体器件的阈值电压均可调节。

第四方面，提供一种源极耦合、漏极求和的模拟向量-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、多个偏置电压输入端以及多个模拟电流输出端；

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源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栅极均连接至同一偏置电压输入端，多列可编程半导体器件对应连接多个偏置电压输入端，每一列的所有可编程半导体器件的漏极均连接至同一个模拟电流输出端，多列可编程半导体器件对应连接多个模拟电流输出端，其中，每个所述可编程半导体器件的阈值电压均可调节。

第五方面，提供一种源极耦合、漏极求和的模拟向量-矩阵乘法运算电路的控制方法，应用于上述模拟向量-矩阵乘法运算电路，所述控制方法包括：

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列所有可编程半导体器件的源极；

将一预设偏置电压通过多个偏置电压输入端施加至对应行所有可编程半导体器件的栅极；

通过多行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。

第六方面，提供一种芯片，包括上述模拟向量-矩阵乘法运算电路。

本发明提供的模拟向量-矩阵乘法运算电路，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V

并且，本发明提供的模拟向量-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，本发明提供的模拟向量-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。

本发明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。

为让本发明的上述和其他目的、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。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明模拟向量-矩阵乘法运算电路的第一实施例的示意图；

图2为本发明实施例一种模拟向量-矩阵乘法运算电路中的浮栅晶体管结构图；

图3为本发明模拟向量-矩阵乘法运算电路的第二实施例的示意图；

图4为本发明模拟向量-矩阵乘法运算电路的第三实施例的示意图；

图5为本发明实施例一种模拟向量-矩阵乘法运算电路的控制方法的流程图；

图6为本发明模拟向量-矩阵乘法运算电路的第四实施例的示意图；

图7为本发明模拟向量-矩阵乘法运算电路的第五实施例的示意图；

图8为本发明模拟向量-矩阵乘法运算电路的第六实施例的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

向量-矩阵乘法是一种常用的逻辑计算函数，现有模拟向量-矩阵乘法运算的性能、功耗与成本有待提高。本发明提供的模拟向量-矩阵乘法运算电路，通过调节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，相当于模拟矩阵数据，对可编程半导体器件阵列施加模拟电压，实现矩阵乘法运算功能，电路结构简单、元器件数量少、响应速度快、功耗低，大大降低模数转换、数模转换、数据传输等带来的开销，处理性能大大提高。

图1为本发明模拟向量-矩阵乘法运算电路的第一实施例的示意图。如图1所示，该模拟向量-矩阵乘法运算电路包括：N个模拟电压输入端、一个M行×N列的可编程半导体器件阵列、M个偏置电压输入端以及M个模拟电流输出端。

该可编程半导体器件阵列中，每一列的所有可编程半导体器件的源极均连接至同一模拟电压输入端，N列可编程半导体器件对应连接N个模拟电压输入端，每一行的所有可编程半导体器件的栅极均连接至同一偏置电压输入端，M行可编程半导体器件对应连接M个偏置电压输入端，每一行的所有可编程半导体器件的漏极均连接至同一个模拟电流输出端，M行可编程半导体器件对应连接M个模拟电流输出端，其中，每个可编程半导体器件的阈值电压均可调节。N为大于等于零的正整数，M为大于等于零的正整数，M和N可以相等，也可以不等。

通过上述电路连接方式，形成源极耦合、漏极求和的拓扑结构。

其中，通过预先按照一定规则动态调节各可编程半导体器件的阈值电压V

电路工作时，将一行模拟电压信号V

本发明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，其处理性能大大提高。

另外，由于可编程半导体器件的栅源电压V

本发明实施例还提供一种源极耦合、漏极求和的模拟向量-矩阵乘法运算电路，参见图7，包括：多个模拟电压输入端、可编程半导体器件阵列、多个偏置电压输入端以及多个模拟电流输出端；

可编程半导体器件阵列中，每一列的所有可编程半导体器件的源极均连接至同一模拟电压输入端，多列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栅极均连接至同一偏置电压输入端，多列可编程半导体器件对应连接多个偏置电压输入端，每一行的所有可编程半导体器件的漏极均连接至同一个模拟电流输出端，多行可编程半导体器件对应连接多个模拟电流输出端，其中，每个所述可编程半导体器件的阈值电压均可调节。

本发明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，其处理性能大大提高。

另外，由于可编程半导体器件的栅源电压V

本发明实施例还提供了一种源极耦合、漏极求和的模拟向量-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、多个偏置电压输入端以及多个模拟电流输出端；

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源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，每一行的所有可编程半导体器件的栅极均连接至同一偏置电压输入端，多行可编程半导体器件对应连接多个偏置电压输入端，每一列的所有可编程半导体器件的漏极均连接至同一个模拟电流输出端，多列可编程半导体器件对应连接多个模拟电流输出端，其中，每个所述可编程半导体器件的阈值电压均可调节。

即图1所示模拟向量-矩阵乘法运算电路是每一列的源极接电压输入，每一行的漏极接电流输出，而本实施例提供的模拟向量-矩阵乘法运算电路将每一行的源极接电压输入，每一列的漏极接电流输出，效果与图1所示模拟向量-矩阵乘法运算电路相同，是电路结构上的一种变例。

本发明实施例还提供了一种源极耦合、漏极求和的模拟向量-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、多个偏置电压输入端以及多个模拟电流输出端；

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源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栅极均连接至同一偏置电压输入端，多列可编程半导体器件对应连接多个偏置电压输入端，每一列的所有可编程半导体器件的漏极均连接至同一个模拟电流输出端，多列可编程半导体器件对应连接多个模拟电流输出端，其中，每个所述可编程半导体器件的阈值电压均可调节。

即图7所示模拟向量-矩阵乘法运算电路是每一列的源极接电压输入，每一行的漏极接电流输出，而本实施例提供的模拟向量-矩阵乘法运算电路将每一行的源极接电压输入，每一列的漏极接电流输出，效果与图7所示模拟向量-矩阵乘法运算电路相同，是电路结构上的一种变例。

在一个可选的实施例中，可编程半导体器件可以采用浮栅晶体管实现，浮栅晶体管的结构如图2所示，该浮栅晶体管包括衬底、绝缘层、栅极G、源极S、漏极D以及浮栅F，浮栅设置于栅极与绝缘层之间，绝缘层设置于浮栅与衬底之间，用于保护浮栅中的电子不会泄漏，浮栅中可以存储电子；通过调节浮栅中的电子数量，动态调节该浮栅晶体管的阈值电压，由于浮栅晶体管的这种结构特性，可以将其看作一个可变的等效模拟权重，存储一个模拟数据。

在一个可选的实施例中，上述的各种模拟向量-矩阵乘法运算电路还可以包括：

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。

在一个优选的实施例中，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。

具体地，编程电路利用热电子注入效应，根据可编程半导体器件阈值电压需求数据，向可编程半导体器件的源极施加高电压，将沟道电子加速到高速，以增加可编程半导体器件的阈值电压。

并且，编程电路利用隧穿效应，根据可编程半导体器件阈值电压需求数据，向可编程半导体器件的栅极或衬底施加高电压，从而减少可编程半导体器件的阈值电压。

在第一实施例或第二实施例中，可选地，上述的各模拟向量-矩阵乘法运算电路还可以包括：

控制器，连接编程电路，通过控制编程电路工作，调节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，以适应-矩阵乘法运算需求。

优选地，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。

在第一实施例或第二实施例中，可选地，上述的各该模拟向量-矩阵乘法运算电路还可以包括：偏置电压产生电路，用于产生预设的偏置电压，输入至偏置电压输入端，可以理解的是，该模拟向量-矩阵乘法运算电路还可以不设置偏置电压产生电路，通过复用编程电路中的电压产生电路，控制该电压产生电路产生预设的偏置电压，输入至偏置电压输入端。

图3为本发明模拟向量-矩阵乘法运算电路的第二实施例的示意图，该模拟向量-矩阵乘法运算电路在包括图1所示第一实施例中全部内容的基础上，还可以包括：转换装置5，转换装置5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，图6示出了图7所示电路中的转换装置的结构，原理与图3相同。

在一个可选的实施例中，转换装置5包括:多个运算放大器以及与多个运算放大器一一对应连接的多个可编程半导体器件。

每个运算放大器的反相输入端均连接至对应可编程半导体器件的漏极，正相输入端连接第一固定偏压Vd，

运算放大器的输出端与可编程半导体器件的源极相连，并连接至对应的模拟电压输入端，

可编程半导体器件的栅极连接第一固定偏压Vd。该实施例中，运算放大器的反相输入端用于接收模拟电流输入信号I

可选地，转换装置5中可编程半导体器件可采用浮栅晶体管。

电路工作时，将一行模拟电流输入信号I

值得说明的是，上述的转换装置的实现方式只是一种示例，凡是能实现将电流输入信号转换为电压输入信号的电路结构或电路元件均可用于实施该转换装置，可以理解的是，上述转换装置中的可编程半导体器件也可以采用电阻器、金属半导体场效应晶体管等器件实现。

图4为本发明模拟向量-矩阵乘法运算电路的第三实施例的示意图。如图4所示，该模拟向量-矩阵乘法运算电路包括上述第一实施例、第二实施例中任一项所述的全部内容的基础上，还可以包括：电流检测输出电路6，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，图8示出了图7所示电路中的电流检测输出电路的结构，原理与图4相同。

其中，通过该电流检测输出电路对运算完的电流进行精确处理并输出，或者接到下一个可编程半导体阵列的输入，能够有效实现电流精准输出。

在一个可选的实施例中，电流检测输出电路可以包括：多个运算放大器，每个运算放大器的正相输入端连接第二固定偏置Vs，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等。

其中，该第二固定偏置一般为高电压，该运算放大器将模拟电流输出端的电压控制在与正相输入端的电压相等，用来保证可编程半导体器件的栅源电压V

以上仅是举例说明本发明实施例提供的模拟向量-矩阵乘法运算电路中各模块的具体结构，在具体实施时，上述各模块的具体结构不限于本发明实施例提供的上述结构，还可以是本领域技术人员可知的其他结构，在此不作限定。

本申请实施例还提供了一种源极耦合、漏极求和的模拟向量-矩阵乘法运算电路的控制方法，可以用于控制上述各实施例所描述的模拟向量-矩阵乘法运算电路，如下面的实施例所述。由于控制方法解决问题的原理与上述电路相似，因此控制方法的实施可以参见上述电路的实施，重复之处不再赘述。

该模拟向量-矩阵乘法运算电路的控制方法如图5所示，用于控制上述各模拟向量-矩阵乘法运算电路，控制方法包括：

步骤S100：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列所有可编程半导体器件的源极。

步骤S200：将一预设偏置电压通过多个偏置电压输入端施加至对应行所有可编程半导体器件的栅极。

步骤S300：通过多行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。

值得说明的是，图5示出了图1所示模拟向量-矩阵乘法运算电路的控制方法，本发明实施例中提供的其他模拟向量-矩阵乘法运算电路的控制原理与图5相同，在此不再赘述。

在一个可选的实施例中，若所述模拟向量-矩阵乘法运算电路的输入信号为模拟电流输入信号，则所述控制方法还包括：

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。

具体地，若输入信号为模拟电流输入信号，则先通过转换装置5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，再将模拟电压输入信号输至模拟电压输入端，进行矩阵-乘法运算。

可选地，每一行得到的模拟电流输出信号为：施加在该行的模拟电压输入信号与该行每一个可编程半导体器件的权重的乘积再求和。

优选地，源极耦合、漏极求和的模拟向量-矩阵乘法运算电路的控制方法还包括：

通过编程电路调控可编程半导体器件的阈值电压。

优选地，控制方法还包括：

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。

本发明实施例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。该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。

优选地，该存储装置为快闪存储器或电可擦可编程只读存储器。

优选地，该快闪存储器是NOR型快闪存储器。

本发明实施例还提供一种芯片，包括上述模拟向量-矩阵乘法运算电路。

上述各实施例中，浮栅晶体管可为SONOS型浮栅晶体管(floating-gatetransistor)、分裂式浮栅晶体管(Split-gate floating-gate transistor)或电荷式浮栅晶体管(Charge-trapping floating-gate transistor)，包括但不限于此，所有能够通过调节浮栅中电子数量而调节晶体管本身阈值电压的晶体管均属于本发明实施例的保护范围。

本发明实施例模拟向量-矩阵乘法运算电路、控制方法、存储装置以及芯片，可用于计算机、手机、平板电脑等终端中执行相关运算，对于该模拟向量-矩阵乘法运算电路的其它必不可少的组成部分均为本领域的普通技术人员应该理解具有的，在此不做赘述，也不应作为对本发明的限制。

通过调节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，相当于模拟矩阵数据，对可编程半导体器件阵列施加模拟电压，实现矩阵乘法运算功能，电路结构简单、元器件数量少、响应速度快、功耗低，大大降低模数转换、数模转换、数据传输等带来的开销，有效提高了运算电路的处理性能。

并且，本发明提供的模拟向量-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。

本发明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。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。