【技术实现步骤摘要】
基于忆阻器实现计算与存储融合的处理器及其操作方法
本专利技术属于微电子器件领域,更具体地,涉及一种基于忆阻器实质蕴涵操作的计算与存储融合的处理器及其操作方法。
技术介绍
传统计算机采用冯诺依曼结构,此结构的存储和计算单元分离,分别由存储器和中央处理器(处理器)中的运算器完成。随着半导体工艺水平的不断提高,处理器和存储器的性能都有了很大的提升。根据Moore定律,微处理器内晶体管数目每18个月翻1番,处理器性能的年增长速度曾一度超过50%,而存储器性能的年增长速度平均只有7%,大约每10年增加1倍。以Intel处理器为例,从1980年到2006年,处理器的时钟频率提高了约3500倍,而DRAM的存取时间却只减少了约6倍。存储技术与处理器技术发展速度的不平衡,致使两者速度差距不断增大,使得处理器需要相当多的时间在等待内存数据的读取,导致存储墙(MemoryWall)问题的出现,这一问题已成为进一步提高计算机系统整体性能的瓶颈之一。处理器和存储器之间的性能差距是短期内无法解决的问题,降低存储访问对处理器性能的影响,是当前处理器体系结构设计的主要挑战之一。随着单芯片晶体管集成度越来越高,芯片功耗、线传输延迟、漏电流等问题日益严重,单纯依靠提高主频来提高处理器性能已非常困难,而采用传统的超标量和前瞻技术开发指令级并行的投资回报率也越来越低,因此,开发更高层次的线程级并行和任务级并行已成为持续提升处理器性能的必然趋势,以多核处理器为代表的先进体系结构已成为当前处理器发展的主流。多核设计是当前高性能计算领域的主导思想,已应用于服务器、笔记本到游戏平台以及高性能多媒体应用 ...
【技术保护点】
一种基于忆阻器实现计算与存储融合的处理器,其特征在于,包括:计算存储部件,包括X个融合单元和X个通信单元,每一个融合单元连接一个通信单元,各个通信单元相互连接构成一个通信网络,以及控制部件,用于根据指令产生相应控制信号,连接CMU之间的通信网络,选择操作数地址、结果存放地址,当操作需要用到其他CMU时,其能寻找空闲的一个或多个CMU,用以实现所做的操作;其中,一个融合单元包括M个位单元和M‑1个列开关,M个位单元的M条位线均连接一个通信单元,相邻两个位单元的位线端之间连接一个列开关;一个位单元包括一个电阻、一个行开关和N个忆阻器,第一忆阻器的一端作为第一选择线,另一端通过依次串联的行开关和电阻接地;第二忆阻器的一端作为第二选择线,另一端连接至第一忆阻器的另一端;第三忆阻器的一端作为第三选择线,另一端连接至第二忆阻器的另一端;……第N忆阻器的一端作为第N选择线,另一端连接至第N‑1忆阻器的另一端;X为大于等于2的正整数,M为大于等于1的正整数,N为大于等于1的正整数。
【技术特征摘要】
1.一种基于忆阻器实现计算与存储融合的处理器,其特征在于,包括:计算存储部件,包括X个融合单元和X个通信单元,每一个融合单元连接一个通信单元,各个通信单元相互连接构成一个通信网络,以及控制部件,用于根据指令产生相应控制信号,连接CMU之间的通信网络,选择操作数地址、结果存放地址,当操作需要用到其他CMU时,其能寻找空闲的一个或多个CMU,用以实现所做的操作;其中,一个融合单元包括M个位单元和M-1个列开关,M个位单元的M条位线均连接一个通信单元,相邻两个位单元的位线端之间连接一个列开关;一个位单元包括一个电阻、一个行开关和N个忆阻器,第一忆阻器的一端作为第一选择线,另一端通过依次串联的行开关和电阻接地;第二忆阻器的一端作为第二选择线,另一端连接至第一忆阻器的另一端;第三忆阻器的一端作为第三选择线,另一端连接至第二忆阻器的另一端;……第N忆阻器的一端作为第N选择线,另一端连接至第N-1忆阻器的另一端;X为大于等于2的正整数,M为大于等于1的正整数,N为大于等于1的正整数。2.一种基于权利要求1所述的处理器的数据传输操作方法,其特征在于,包括下述步骤:(1.1)通过在第二融合单元B-CMU中的第1组忆阻器B1和第2组忆阻器B2的选择线上同时施加第一电压VCLEAR,使得所述第1组忆阻器B1和所述第2组忆阻器B2均处于高阻状态,该状态记为0;第一电压VCLEAR为负向且值大于阈值电压;所述阈值电压为使得忆阻器的状态发生改变的电压;(1.2)通过通信网络将第一融合单元A-CMU和第二融合单元B-CMU连通,通过在第一融合单元A-CMU的第1组忆阻器A1的选择线上施加第二电压VCOND,并在第二融合单元B-CMU的第2组忆阻器B2的选择线上施加第三电压VSET,将((NOTA1)ORB2)保存在B2中实现蕴含操作,其中第二电压VCOND正向且值小于阈值电压;第三电压VSET为正向且值大于阈值电压;且所述第三电压VSET与所述第二电压VCOND的差值小于所述阈值电压;(1.3)在第二融合单元B-CMU的第2组忆阻器B2的选择线上施加第二电压VCOND,并在第二融合单元B-CMU中的第1组忆阻器B1上施加第三电压VSET,将数据保存在B1中实现蕴含操作B1←B2IMPB1,从而实现将存储于第一融合单元A-CMU中第1组忆阻器A1中的数据x传输至第二融合单元B-CMU中的第1组忆阻器B1中。3.一种基于权利要求1所述的处理器的数据交换操作方法,其特征在于,包括下述步骤:(2.1)通过在第三融合单元C-CMU中第1组忆阻器C1、第三融合单元C-CMU中第2组忆阻器C2、第四融合单元D-CMU中第1组忆阻器D1和第四融合单元D-CMU中第2组忆阻器D2的选择线上同时施加第一电压VCLEAR,使得C1,C2,D1,D2均处于高阻状态,该状态记为0;(2.2)通过通信网络将第一融合单元A-CMU与第三融合单元C-CMU连通,将第二融合单元B-CMU与第四融合单元D-CMU连通,在第一融合单元A-CMU中第1组忆阻器A1和第二融合单元B-CMU中第1组忆阻器B1的选择线上同时施加第二电压VCOND,并在C2和D2的选择线上同时施加第三电压VSET,实现蕴含操作C2←A1IMPC2,D2←B1IMPD2;(2.3)在C2,D2的选择线上同时施加第二电压VCOND,并在C1,D1的选择线上同时施加第三电压VSET,实现蕴含操作C1←C2IMPC1,D1←D2IMPD1;(2.4)在第一融合单元A-CMU中第1组忆阻器A1,第一融合单元A-CMU中第2组忆阻器A2,第二融合单元B-CMU中第1组忆阻器B1,第二融合单元B-CMU中第二组忆阻器B2的选择线上同时施加第一电压VCLEAR,使得A1,A2,B1,B2处于高阻状态;(2.5)通过通信网络将A-CMU与D-CMU连通,B-CMU与C-CMU连通,在C1,D1的选择线上同时施加第二电压VCOND,并在A2,B2的选择线上同时施加第三电压VSET,实现蕴含操作A2←D1IMPA2,B2←C1IMPB2;(2.6)在A2,B2的选择线上同时施加第二电压VCOND,并在A1,B1的选择线上同时施加第三电压VSET,实现蕴含操作A1←A2IMPA1,B1←B2IMPB1,将原存储于第一融合单元A-CMU中的A1中的数据x存储于第二融合单元B-CMU中的B1中,且将原存储于B-CMU的B1中的数据y存储于A-CMU中的A1中。4.一种基于权利要求1所述的处理器的加法操作方法,其特征在于,包括下述步骤:(3.1)通过在第三融合单元C-CMU中第2组忆阻器C2、第七融合单元G-CMU中第1组忆阻器G1、第七融合单元G-CMU中第2组忆阻器G2、第四融合单元D-CMU中第2组忆阻器D2、第八融合单元H-CMU中第1组忆阻器H1的选择线上同时施加第一电压VCLEAR,使得C2、G1、G2、D2、H1处于高阻状态;(3.2)通过通信网络将第一融合单元A-CMU与第七融合单元G-CMU连通,第二融合单元B-CMU与第八融合单元H-CMU连通,在第一融合单元A-CMU中第1组忆阻器A1、第二融合单元B-CMU中第1组忆阻器B1的选择线上同时施加第二电压VCOND,并在G1、H1的选择线上同时施加第三电压VSET,实现蕴含操作G1←A1IMPG1,H1←B1IMPH1;(3.3)通过通信网络将C-CMU与G-CMU连通,D-CMU与H-CMU连通,在G1、H1的选择线上同时施加第二电压VCOND,并在C2、D2的选择线上同时施加第三电压VSET,实现蕴含操作C2←G1IMPC2,D2←H1IMPD2;(3.4)通过通信网络将A-CMU与D-CMU连通,B-CMU与C-CMU连通,在A1、B1的选择线上同时施加第二电压VCOND,并在C2、D2的选择线上同时施加第三电压VSET,实现蕴含操作D2←A1IMPD2,C2←B1IMPC2;(3.5)通过通信网络将C-CMU与G-CMU连通,在C2的选择线上施加第二电压VCOND,并在G2的选择线上施加第三电压VSET,实现蕴含操作G2←C2IMPG2;(3.6)通过通信网络将D-CMU与G-CMU连通,在D2的选择线上施加第二电压VCOND,并在G2的选择线上施加第三电压VSET,实现蕴含操作G2←D2IMPG2;(3.7)通过在第二融合单元B-CMU中第2组忆阻器的第i个忆阻器B2,i、第四融合单元D-CMU中第2组忆阻器的第i个忆阻器D2,i、第八融合单元H-CMU中第2组忆阻器的第i+1个忆阻器H2,i+1的选择线上同时施加第一电压VCLEAR,使得B2,i、D2,i、H2,i+1处于高阻状态,初始i=1;(3.8)通过通信网络将D-CMU与G-CMU连通,在B1,i、G2,i的选择线上同时施加第二电压VCOND,并在B2,i、D2,i的选择线上同时施加第三电压VSET,实现蕴含操作B2,i←B1,iIMPB2,i,D2,i←G2,iIMPD2,i;(3.9)通过通信网络将A-CMU与B-CMU连通,D-CMU与H-CMU连通,在A1,i、H2,i的选择线上同时施加第二电压VCOND,并在B2,i、D2,i的选择线上同时施加第三电压VSET,实现蕴含操作B2,i←A1,iIMPB2,i,D2,i←H2,iIMPD2,i;(3.10)通过通信网络将D-CMU与H-CMU连通,断开开关DKi,闭合开关DKi,i+1,在D2,i的选择线上施加第二电压VCOND,并在H2,i+1的选择线上施加第三电压VSET,实现蕴含操作H2,i+1←D2,iIMPH2,i+1;(3.11)通过通信网络将B-CMU与H-CMU连通,断开开关BKi、HKi、HKi+1、BKi,i+1,闭合开关HKi,i+1,在B2,i的选择线上同时施加第二电压VCOND,并在H2,i+1的选择线上同时施加第三电压VSET,实现蕴含操作H2,i+1←B2,iIMPH2,i+1;(3.12)若i小于8,则i+1,并返回至步骤(3.7),若i≥8,则进入步骤(3.13);(3.13)通过在第一融合单元A-CMU中第二组忆阻器A2、第五融合单元E-CMU中第1组忆阻器E1、第二融合单元B-CMU中第2组忆阻器B2、第六融合单元F-CMU中第1组忆阻器F1、第三融合单元C-CMU中第1组忆阻器C1的选择线上同时施加第一电压VCLEAR,使得A2、E1、B2、F1、C1处于高阻状态;(3.14)通过通信网络将E-CMU与G-CMU连通,F-CMU与H-CMU连通,在G2、H2的选择线上同时施加第二电压VCOND,并在E1、F1的选择线上同时施加第三电压VSET,实现蕴含操作E1←G2IMPE1,F1←H2IMPF1;(3.15)通过通信网络将A-CMU与E-CMU连通,B-CMU与F-CMU连通,在E1、F1的选择线上同时施加第二电压VCOND,并在A2、B2的选择线上同时施加第三电压VSET,实现蕴含操作A2←E1IMPA2,B2←F1IMPB2;(3.16)通过通信网络将A-CMU与H-CMU连通,B-CMU与G-CMU连通,在H2、G2的选择线上同时施加第二电压VCOND,并在A2、B2的选择线上同时施加第三电压VSET,实现蕴含操作A2←H2IMPA2,B2←G2IMPB2;(3.17)通过通信网络将A-CMU与C-CMU连通,在A2的选择线上施加第二电压VCOND,并在C1的选择线上施加第三电压VSET,实现蕴含操作C1←A2IMPC1;(3.18)通过通信网络将B-CMU与C-CMU连通,在B2的选择线上施加第二电压VCOND,并在C1的选择线上施加第三电压VSET,实现蕴含操作C1←B2IMPC1;将存储于A-CMU中的A1中的数据x与存储于B-CMU中的B1中数据y相加后存储于C-CMU的C1中。5.一种基于权利要求1所述的处理器的立即数加法操作方法,立即数为128,其特征在于,包括下述步骤:(4.1)通过在第二融合单元B-CMU中第一组忆阻器的第一个忆阻器B1,1的选择线上加第三电压VSET,在第二融合单元B-CMU中第一组忆阻器的第2-8个忆阻器B1,2-B1,8的选择线上加第一电压VCLEAR,将128写入B1中;(4.2)通过在第三融合单元C-CMU中第2组忆阻器C2、第七融合单元G-CMU中第1组忆阻器G1、第七融合单元G-CMU中第2组忆阻器G2、第四融合单元D-CMU中第2组忆阻器D2、第八融合单元H-CMU中第1组忆阻器H1的选择线上同时施加第一电压VCLEAR,使得C2、G1、G2、D2、H1处于高阻状态;(4.3)通过通信网络将第一融合单元A-CMU与第七融合单元G-CMU连通,第二融合单元B-CMU与第八融合单元H-CMU连通,在第一融合单元A-CMU中第1组忆阻器A1、第二融合单元B-CMU中第1组忆阻器B1的选择线上同时施加第二电压VCOND,并在G1、H1的选择线上同时施加第三电压VSET,实现蕴含操作G1←A1IMPG1,H1←B1IMPH1;(4.4)通过通信网络将C-CMU与G-CMU连通,D-CMU与H-CMU连通,在G1、H1的选择线上同时施加第二电压VCOND,并在C2、D2的选择线上同时施加第三电压VSET,实现蕴含操作C2←G1IMPC2,D2←H1IMPD2;(4.5)通过通信网络将A-CMU与D-CMU连通,B-CMU与C-CMU连通,在A1、B1的选择线上同时施加第二电压VCOND,并在C2、D2的选择线上同时施加第三电压VSET,实现蕴含操作D2←A1IMPD2,C2←B1IMPC2;(4.6)通过通信网络将C-CMU与G-CMU连通,在C2的选择线上施加第二电压VCOND,并在G2的选择线上施加第三电压VSET,实现蕴含操作G2←C2IMPG2;(4.7)通过通信网络将D-CMU与G-CMU连通,在D2的选择线上施加第二电压VCOND,并在G2的选择线上施加第三电压VSET,实现蕴含操作G2←D2IMPG2;(4.8)通过在第二融合单元B-CMU中第2组忆阻器的第i个忆阻器B2,i、第四融合单元D-CMU中第2组忆阻器的第i个忆阻器D2,i、第八融合单元H-CMU中第2组忆阻器的第i+1个忆阻器H2,i+1的选择线上同时施加第一电压VCLEAR,使得B2,i、D2,i、H2,i+1处于高阻状态,初始i=1;(4.9)通过通信网络将D-CMU与G-CMU连通,在B1,i、G2,i的选择线上同时施加第二电压VCOND,并在B2,i、D2,i的选择线上同时施加第三电压VSET,实现蕴含操作B2,i←B1,iIMPB2,i,D2,i←G2,iIMPD2,i;(4.10)通过通信网络将A-CMU与B-CMU连通,D-CMU与H-CMU连通,在A1,i、H2,i的选择线上同时施加第二电压VCOND,并在B2,i、D2,i的选择线上同时施加第三电压VSET,实现蕴含操作B2,i←A1,iIMPB2,i,D2,i←H2,iIMPD2,i;(4.11)通过通信网络将D-CMU与H-CMU连通,断开开关DKi,闭合开关DKi,i+1,在D2,i的选择线上施加第二电压VCOND,并在H2,i+1的选择线上施加第三电压VSET,实现蕴含操作H2,i+1←D2,iIMPH2,i+1;(4.12)通过通信网络将B-CMU与H-CMU连通,断开开关BKi、HKi、HKi+1、BKi,i+1,闭合开关HKi,i+1,在B2,i的选择线上同时施加第二电压VCOND,并在H2,i+1的选择线上同时施加第三电压VSET,实现蕴含操作H2,i+1←B2,iIMPH2,i+1;(4.13)若i小于8,则i+1,并返回至步骤(4.8),若i≥8,则进入步骤(4.14);(4.14)通过在第一融合单元A-CMU中第二组忆阻器A2、第五融合单元E-CMU中第1组忆阻器E1、第二融合单元B-CMU中第2组忆阻器B2、第六融合单元F-CMU中第1组忆阻器F1、第三融合单元C-CMU中第1组忆阻器C1的选择线上同时施加第一电压VCLEAR,使得A2、E1、B2、F1、C1处于高阻状态;(4.15)通过通信网络将E-CMU与G-CMU连通,F-CMU与H-CMU连通,在G2、H2的选择线上同时施加第二电压VCOND,并在E1、F1的选择线上同时施加第三电压VSET,实现蕴含操作E1←G2IMPE1,F1←H2IMPF1;(4.16)通过通信网络将A-CMU与E-CMU连通,B-CMU与F-CMU连通,在E1、F1的选择线上同时施加第二电压VCOND,并在A2、B2的选择线上同时施加第三电压VSET,实现蕴含操作A2←E1IMPA2,B2←F1IMPB2;...
【专利技术属性】
技术研发人员:刘群,张涛,缪向水,李祎,周亚雄,缪天鹏,
申请(专利权)人:华中科技大学,
类型:发明
国别省市:湖北;42
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