[发明专利]一种内嵌于忆阻器阵列的逻辑运算装置的计算方法

说明书

本发明公开了一种内嵌于忆阻器阵列的逻辑运算装置的计算方法，利用反向连接的差分单元结构实现互补形式的输入表示，利用阵列本身在位线上的“线或”操作实现最大项；通过将敏感放大器输出的最大项取反得到最小项；引入运算单元CU完成最大项或最小项的合并；所述利用运算单元CU缓存迭代过程中产生的中间结果的方法为：复用传统存储阵列中的行缓冲，用于在运算过程中缓存迭代产生的中间结果。本发明通过差分单元结构及运算单元的引入，丰富了逻辑原语，使电路以“积之和/和之积”的方式进行运算，同时大幅减少写回操作，从而有效的提高的运算效率。

技术领域

本发明涉及存储器内计算技术领域，具体地说，特别涉及到一种内嵌于忆阻器阵列的逻辑运算装置的计算方法。

背景技术

现阶段针对基于忆阻器逻辑运算的方法主要有三种，分别是IMPLY电路，MAGIC电路和Majority电路。不同于传统CMOS工艺，忆阻器利用阻值存储逻辑信息“1”和“0”，并通过改变施加在两端的电压来改变阻值状态，从而完成存储与运算操作。

基于忆阻器的IMPLY电路是最先提出的，它向人们展示了忆阻器具备进行逻辑运算的能力。IMPLY电路的基本结构如图1a所示，两个忆阻器并联后共同连接到一个负载电阻。在VCOND和VSET两种电压的作用下，完成实质蕴涵操作(material implication)，并将结果写到忆阻器q中，即同时该结构还可以在VRESET电压作用下完成取反操作。利用这两种逻辑原语，IMPLY电路可以完成任意的逻辑运算。这种忆阻器并联的结构很容易集成到规则的存储阵列结构中，从而实现内存中的逻辑运算。

然而IMPLY电路存在以下4个缺点：

1)需要额外继承负载电阻，增加了制造的开销与复杂度；2)操作电压种类繁多，增加了控制电路的难度；3)逻辑原语过于单一，在处理复杂的逻辑操作时需要繁琐的操作步骤，降低运算效率；4)IMPLY操作是破坏性操作，即在运算发生时，存储原始输入数据的忆阻器q会被破坏并存入输出的结果。

MAGIC电路的基本结构如图1b所示，通过不同的忆阻器的拓扑结构实现不同的逻辑功能，本质上是通过忆阻器间分压来完成相应的操作。然而对于规则的阵列结构而言，只有“或非”和“非”操作的MAGIC电路结构满足要求，可以集成到存储阵列中。MAGIC电路相对于IMPLY电路的优势在于：

1)逻辑操作是非破坏性的，输入和输出分别由不同的忆阻器表示，逻辑操作不会破坏输入忆阻器的状态；2)无需额外的负载电阻；3)只需要一种控制电压。然而MAGIC电路也存在两个问题，1)与IMPLY类似，由于阵列结构限制了其拓扑结构，导致其逻辑原语过于单一，降低了运算效率；2)输入个数受限，由于MAGIC电路本质上是利用阻值分压方式进行运算，因此当输入忆阻器个数过多时，会对分压结果造成影响，从而导致计算无法正确执行。

Majority电路的基本结构如图1c所示，忆阻器两端电压，忆阻器原始状态及忆阻器更新后的状态构成了一个状态转换图，分析各种状态转换后得到基于Majority的逻辑形式。这种逻辑运算方式同样存在三个问题：1)与IMPLY电路一样，逻辑操作是破坏性的；2)由于施加在忆阻器两端的控制电压是由输入确定的，因此其控制方式是动态的，这无疑增加了控制难度；3)同样受逻辑原语过于单一的限制。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种内嵌于忆阻器阵列的逻辑运算装置的计算方法，通过差分单元结构及运算单元的引入，丰富了逻辑原语，使电路以“积之和/和之积”的方式进行运算，同时大幅减少写回操作，从而有效的提高的运算效率。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种内嵌于忆阻器阵列的逻辑运算装置的计算方法，包括如下步骤：

1)互补形式的输入表示；

2)“和之积/积之和”的逻辑运算形式；