计算机科学 > 硬件架构
[提交于 2025年5月5日
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标题: 快速而准确的类比存内计算Tile电路与器件建模
标题: Rapid yet accurate Tile-circuit and device modeling for Analog In-Memory Computing
摘要: 模拟内存计算(AIMC)可以大幅提升深度学习的能量效率。 然而,模拟域中的设备和电路非理想性——存在于执行矩阵-向量乘法(MVM)操作的模拟“Tile”中——可能会降低神经网络任务的准确性。 我们量化了低级失真和噪声的影响,并为映射到模拟Tile上的乘积累加(MAC)操作开发了一个数学模型。 瞬时电流IR降(最显著的电路非理想性)以及ADC量化效应都被这个模型完全捕捉,与耗时得多的电路仿真相比,该模型能够快速且准确地预测MVM Tile的输出。 从实验测量中推导并匹配出PCM读取噪声在纳秒时间尺度上的统计模型。 我们将这些(统计)器件效应和(确定性)电路效应整合到一个基于PyTorch的框架中,以评估它们对BERT和ALBERT Transformer网络精度的影响。 结果显示,使用简单的高斯噪声进行硬件感知的微调可以增强对ADC量化和PCM读取噪声影响的鲁棒性,但对IR降的效果较差。 这是因为IR降虽然是确定性的,但它具有非线性特性,在积分窗口期间变化显著,并且最终取决于所有同时引入模拟Tile的所有激励。 训练过程中简单高斯噪声似乎无法有效准备深度神经网络应对推理阶段的IR降,这表明更复杂的训练方法——包括引入本文所述的Tile电路模型等进展——对于在大型神经网络上实现稳健部署至AIMC硬件将是至关重要的。
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