深圳研究生院崔小乐教授课题组在SRAM存内计算方向取得重要进展

　　

存内计算是一类新兴的计算架构。该架构可在存储器阵列内完成逻辑运算，避免存储器和处理器之间频繁的数据搬移操作，从而提升算力，降低功耗。存内计算可分为模拟模式和数字模式。模拟模式可快速实现乘加运算，但计算精度受限，计算和存储的稳定性也较差。数字模式可以保证计算精度，但用于实现复杂逻辑功能时所需的面积较大，性能不佳。深圳研究生院信息工程学院崔小乐教授课题组针对数字模式的SRAM存内计算架构开展了系列研究工作。

该课题组发现基于SOP（积之和）逻辑形式的SRAM存内计算方案（如图1所示）与基于NOR-NOR（或非-或非）等逻辑形式的计算方案相比具有更好的性能，但面积消耗较多。针对该问题，他们设计了一种基于SRAM的查找表（LUT）电路（如图2所示），用于灵活地在SRAM阵列中实现各种逻辑运算。进而，他们设计了一种单元异构的SRAM存内计算阵列（如图3所示）。

图1 基于SOP（积之和）逻辑形式的SRAM 存内计算方案

图2 二输入SRAM LUT电路及其支持的逻辑操作（a）总体结构 （b）NOR单元 （c）10T单元

图3 SRAM存内计算阵列 （a）总体架构 （b）LUT模块 （c）驱动和拷贝模块

针对此存内计算阵列，该课题组提出了将任意逻辑功能映射至该阵列中的方法，并提出了逻辑合并和基于最大图匹配的空间合并等综合技巧，用以降低面积消耗。LGsynth’91，IWLS’93和EPFL等基准电路集合上的综合结果表明，这种在SRAM存内计算阵列上的基于SOP的逻辑综合方法具有高性能、低面积开销的效果。综合算法的代码已经在IEEE Code Ocean和GitHub平台开源，可供公开下载使用。

基于这一研究成果的论文“An area-efficient in-memory implementation method of arbitrary Boolean function based on SRAM array”已经于2023年12月在IEEE Transactions on Computers期刊发表，并被该刊选为本期的封面文章（Featured Article）。博士生张孙睿为论文第一作者。

杂志封面截图

内容寻址存储器（Content-Addressable Memory：CAM）可以将输入数据与存储在阵列内的数据进行比较，并返回匹配数据的地址信息。目前多功能的存内计算SRAM/CAM方案中，CAM的搜索操作都基于阵列的位线BL完成，按列对数据进行搜索匹配。这要求数据被存储在阵列的一列中，与按行进行数据存储的SRAM模式不兼容。

该课题组提出了一种新型的11T SRAM单元（如图4所示）。基于该单元构成的SRAM阵列可工作于四种工作模式，分别为普通读写的SRAM模式、存内逻辑运算的LOGIC模式、BCAM模式和TCAM模式，并且每种工作模式都支持行向和列向的操作（如图5所示）。使用该单元构成阵列，数据可以按行或者按列写进阵列中，行向的SRAM模式与行向的CAM模式兼容，列向的SRAM模式与列向的CAM模式兼容，解决了目前多功能存内计算SRAM/CAM方案中不同工作模式的兼容性问题。此外，该SRAM阵列有利于快速实现矩阵的转置运算。使用者仅需按照一个方向写入数据，按照另一个方向读出数据，即可完成矩阵的转置，从而使原本大运算量的矩阵转置的计算速度大幅提高。

图4 课题组提出的11T SRAM单元 (a) 原理图 (b) 单元版图 (c) 行向读操作 (d) 列向读操作 (e) 列向逻辑运算操作 (f) 行向逻辑运算操作

图5 课题组提出的11T SRAM单元的CAM工作模式 (a) 并行列向BCAM搜索与列向TCAM单元 (b)并行行向搜索与行向TCAM单元

基于这一研究的论文“An 11T SRAM Cell for the Dual-Direction In-Array Logic/CAM Operations”已被IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS II-EXPRESS BRIEFS期刊接收，博士生魏枫为论文第一作者。

这些工作得到了广东省重点领域研发计划项目（2019B010155002）、深圳市学科布局项目（JCYJ20220818100814033）和深圳市孔雀团队项目（KQTD 20200820113105004）等项目的资助。

论文列表如下：

[1] S. Zhang, X. Cui, F. Wei and X. Cui, "An Area-Efficient In-Memory Implementation Method of Arbitrary Boolean Function Based on SRAM Array," in IEEE Transactions on Computers, vol. 72, no. 12, pp. 3416-3430, Dec. 2023, doi: 10.1109/TC.2023.3301156.

[2] F. Wei, X. Cui, S. Zhang and X. Zhang, " An 11T SRAM Cell for the Dual-Direction In-Array Logic/CAM Operations," in IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs , doi: 10.1109/TCSII.2023.3337119.