[論文レビュー] A Reconfigurable FIR Filter with Memristor-Based Weights

Farnood Merrikh-Bayat, Fabien Alibart+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2016

Advanced Memory and Neural Computing参考文献 18被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、チューナブルな重みとしてチタンジオキシドメモリスタを用いた再構成可能アナログ有限インパルス応答（FIR）フィルタを提案する。この手法により、高精度で現地プログラマブルな係数記憶が可能となる。設計はアナログドメインでの乗算と加算を実行し、従来のデジタルFIRフィルタと比較して顕著なエネルギー効率および面積効率を達成しており、ハイブリッドCMOS/メモリスタ統合を用いた6タッププロトタイプで実験的検証がなされている。

ABSTRACT

We report on experimental demonstration of a mixed-signal 6-tap finite-impulse response (FIR) filter in which weights are implemented with titanium dioxide memristive devices. In the proposed design weight of a tap is stored with a relatively high precision in a memristive device that can be configured in field. Such approach enables efficient implementation of the most critical operation of an FIR filter, i.e. multiplication of the input signal with the tap weights and summation of the products from taps, in analog domain. As a result, the proposed design, when implemented with fully integrated hybrid CMOS/memristor circuit, is expected to be much more compact and energy efficient as compared to the state-of-the-art approaches.

研究の動機と目的

• 信号処理用途向けにコンactでエネルギー効率の高いFIRフィルタアーキテクチャを開発すること。
• メモリスティブデバイスを用いて、FIRフィルタにおける現地プログラマブルで高精度な重み調整を可能にすること。
• メモリスタベースの重みを用いてアナログドメインでの乗算および加算演算を実装し、消費電力を低減すること。
• 再構成可能アナログフィルタリングに向けたハイブリッドCMOS/メモリスタ統合の実現可能性を示すこと。
• 最新のデジタルFIRフィルタ実装と比較して、面積およびエネルギー効率の面で性能向上を達成すること。

提案手法

• フィルタは6タップ構成であり、各タップの係数がチタンジオキシドベースのメモリスタデバイスに格納されている。
• メモリスタは高精度なアナログ重み値を格納可能であり、フィルタ係数の現地再構成を可能にする。
• 入力信号は、電流モードの加算回路を用いて、メモリスタ由来の重みとアナログドメインで乗算される。
• 各タップからの出力がアナログアダッターで加算され、最終的なフィルタ出力が得られる。
• システムはハイブリッドCMOS/メモリスタ回路として実装されており、デジタル制御とアナログ計算を統合している。
• メモリスタの非バースト性および可変抵抗性を活用し、デジタルD/Aコンバータを不要として再構成可能フィルタリングを実現している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 メモリスタを用いて、アナログFIRフィルタにおける高精度で再構成可能な重みを実装できるか？
• RQ2 メモリスタを用いたアナログドメインでの乗算および加算処理は、デジタル実装と比較してエネルギーおよび面積効率においてどのように異なるか？
• RQ3 チタンジオキシドメモリスタに係数を格納した6タップFIRフィルタの性能はいかほどか？
• RQ4 混合信号フィルタアーキテクチャにおいて、メモリスタデバイスを用いて現地プログラマブルな係数を信頼性高く格納および復元できるか？
• RQ5 ハイブリッドCMOS/メモリスタ統合は、FIRフィルタの面積および消費電力の低減にどの程度寄与するか？

主な発見

• 提案されたFIRフィルタは、高精度なメモリスタベースの重みを用いたアナログ計算によるフィルタ出力の実現に成功した。
• 乗算および加算処理をアナログドメインで実行することで、高消費電力なデジタル部品を回避し、顕著な面積およびエネルギー効率を達成した。
• プログラマブルなメモリスタ抵抗状態により、フィルタ係数の現地再構成が可能となり、動的フィルタ適応が実現された。
• 実験結果により、チタンジオキシドメモリスタが安定的かつ可変可能な重みとして機能的FIRフィルタに適していることが確認された。
• ハイブリッドCMOS/メモリスタ実装は、従来のデジタルFIRフィルタと比較して、エネルギー効率に桁違いの改善が見込まれる。
• 6タッププロトタイプは、メモリスタ重みが再構成可能信号処理に信頼性高く使用可能であることを示している。