[논문 리뷰] A Reconfigurable FIR Filter with Memristor-Based Weights

Farnood Merrikh-Bayat, Fabien Alibart외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 18.

Advanced Memory and Neural Computing참고 문헌 18인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 티타니아 다이옥사이드 메모리스터를 가변 가중치로 사용하여 재구성 가능한 아날로그 유한 임펄스 응답(FIR) 필터를 제안한다. 이는 고정밀도, 현장에서 재프로그래밍 가능한 계수 저장을 가능하게 한다. 설계는 아날로그 도메인에서 곱셈과 합산을 수행하여 기존 디지털 FIR 필터에 비해 에너지 및 면적 효율성이 뛰어나며, 하이브리드 CMOS/메모리스터 통합을 통해 6타프 프로토타입에서 실험적으로 검증되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 신호 처리 응용 분야를 위한 소형, 에너지 효율적인 FIR 필터 아키텍처를 개발하기 위해.
• 메모리스티브 장치를 사용하여 FIR 필터에서 현장에서 재프로그래밍 가능한 고정밀도 가중치 조정을 가능하게 하기 위해.
• 메모리스터 기반 가중치를 사용하여 아날로그 도메인에서 곱셈 및 합산 연산을 수행하여 전력 소비를 감소시키기 위해.
• 재구성 가능한 아날로그 필터링을 위한 하이브리드 CMOS/메모리스터 통합의 실현 가능성을 입증하기 위해.
• 최신 기술 수준의 디지털 FIR 필터 실현 방식에 비해 면적 및 에너지 효율성에서 성능 향상을 달성하기 위해.

제안 방법

• 필터는 6타프를 사용하며, 각 타프의 계수는 티타니아 다이옥사이드 기반 메모리스터 장치에 저장된다.
• 메모리스터는 고정밀도 아날로그 가중치 값을 저장하여 필터 계수의 현장 재구성 가능성을 제공한다.
• 입력 신호는 전류 모드 합산 회로를 사용하여 메모리스터 유래 가중치와 아날로그 도메인에서 곱해진다.
• 각 타프의 출력은 아날로그 덧셈기에서 합산되어 최종 필터링 출력을 생성한다.
• 시스템은 디지털 제어와 아날로그 계산을 조합한 하이브리드 CMOS/메모리스터 회로로 구현된다.
• 메모리스터의 비버니시성 및 조절 가능한 저항을 활용하여 디지털 DAC 없이도 재구성 가능한 필터링을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 메모리스터를 사용하여 아날로그 FIR 필터에서 고정밀도, 재구성 가능한 가중치를 구현할 수 있는가?
• RQ2 메모리스터를 사용한 아날로그 도메인 곱셈 및 합산은 에너지 및 면적 효율성 측면에서 디지털 구현 방식에 비해 어떻게 비교되는가?
• RQ3 티타니아 다이옥사이드 메모리스터에 저장된 가중치를 사용할 때 6타프 FIR 필터의 성능은 어떠한가?
• RQ4 혼합 신호 필터 아키텍처에서 메모리스티브 장치를 사용하여 현장에서 재프로그래밍 가능한 계수를 신뢰성 있게 저장하고 복원할 수 있는가?
• RQ5 하이브리드 CMOS/메모리스터 통합은 FIR 필터의 면적 및 전력 소비를 얼마나 줄일 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 FIR 필터는 고정밀도로 메모리스터 기반 가중치를 사용하여 아날로그 도메인에서 필터 출력을 계산하는 데 성공적으로 구현되었다.
• 디지털 구성 요소의 고전력 소비를 피하기 위해 아날로그 도메인에서 곱셈 및 합산을 수행함으로써 면적 및 에너지 효율성이 크게 향상되었다.
• 프로그래밍 가능한 메모리스터 저항 상태를 통해 필터 계수의 현장 재구성이 가능해져 동적 필터 적응이 가능해졌다.
• 실험 결과는 티타니아 다이옥사이드 메모리스터를 안정적이고 조절 가능한 가중치로 사용하여 기능성 있는 FIR 필터에 적용할 수 있음을 확인하였다.
• 하이브리드 CMOS/메모리스터 구현은 기존 디지털 FIR 필터 대비 에너지 효율성에서 수 개의 주기수 개선 잠재력을 보였다.
• 6타프 프로토타입은 메모리스티브 가중치가 재구성 가능한 신호 처리를 위한 혼합 신호 시스템에서 신뢰성 있게 사용될 수 있음을 입증하였다.