[論文レビュー] Ultra-low Energy, High Performance and Programmable Magnetic Threshold Logic

Mrigank Sharad, Deliang Fan+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2013

Advanced Memory and Neural Computing参考文献 20被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、スピンターブスイッチと磁気トンネル接合（MTJ）を用いた、低消費電力で高性能かつプログラマブルな論理アーキテクチャとして、磁気しきい値論理（MTL）を提案する。抵抗性状態を用いてプログラマブルな重みを実装し、低電圧ドメインウォールシフトによるしきい値処理を実現することで、CMOS FPGAsと比較してエネルギー遅延積が2桁以上改善され、抵抗性インターコネクトを備えた超低消費電力でパイプライン化可能な計算ブロックを実現する。

ABSTRACT

We propose magnetic threshold-logic (MTL) design based on non-volatile spin-torque switches. A threshold logic gate (TLG) performs summation of multiple inputs multiplied by a fixed set of weights and compares the sum with a threshold. MTL employs resistive states of magnetic tunnel junctions as programmable input weights, while, a low-voltage domain-wall shift based spin-torque switch is used for thresholding operation. The resulting MTL gate acts as a low-power, configurable logic unit and can be used to build fully pipelined, high-performance programmable computing blocks. Multiple stages in such a MTL design can be connected using energy-efficient ultralow swing programmable interconnect networks based on resistive switches. Owing to memory-based compact logic and interconnect design and low-voltage, high-speed spintorque based threshold operation, MTL can achieve more than two orders of magnitude improvement in energy-delay product as compared to look-up table based CMOS FPGA.

研究の動機と目的

• 将来の計算システム向けに、低消費電力で高性能かつ完全にプログラマブルな論理アーキテクチャを設計すること。
• 特にエネルギー遅延積において、従来のCMOSベースのFPGAに見られるエネルギーと面積の制限を克服すること。
• 入力重みとしきい値処理の両方の操作に、非揮発性の磁気素子を用いた再構成可能な論理を実現すること。
• コンactなメモリベースの論理とインターコネクトを、超低スイング抵抗スイッチと統合して、スケーラブルでエネルギー効率の良い設計を実現すること。
• ラックアップテーブルベースのCMOS FPGAsに代わる実用的で、優れたエネルギー効率と性能を示す代替手段を示すこと。

提案手法

• 磁気トンネル接合（MTJ）を用いて、その抵抗状態によりプログラマブルな入力重みを記憶する。
• 低電圧ドメインウォールシフトに基づくスピンターブスイッチを用いて、しきい値処理を実行する。
• 重み付き入力を合算し、その合計をしきい値と比較して論理出力を得るしきい値論理ゲート（TLG）を設計する。
• 複数のMTL段階を、超低スイング抵抗スイッチを用いて接続することで、エネルギー効率の高いインターコネクトを実現する。
• 高性能を実現するため、完全にパイプライン化された再構成可能な計算ブロックにMTLアーキテクチャを統合する。
• MTJの非揮発性メモリ特性を活用して、電源を切っても状態を維持でき、動的エネルギーを削減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁気トンネル接合は、論理回路におけるプログラマブルな入力重みの実装に効果的に利用できるか？
• RQ2 低電圧ドメインウォールシフトスピンターブスイッチは、高速かつ低消費電力のしきい値処理を実現できるか？
• RQ3 磁気しきい値論理アーキテクチャは、CMOSベースのFPGAと比較して顕著に優れたエネルギー遅延積を達成できるか？
• RQ4 非揮発性で抵抗性の素子を用いて、スケーラブルでパイプライン化可能かつ再構成可能な論理ブロックを構築できるか？
• RQ5 超低スイング抵抗インターコネクトは、複数のMTL段階を効率的に接続できるか？ また、性能とエネルギー効率を損なわず維持できるか？

主な発見

• 提案されたMTLアーキテクチャは、ラックアップテーブルベースのCMOS FPGAsと比較して、エネルギー遅延積が2桁以上改善された。
• 入力重みに非揮発性MTJを用いることで、継続的な電源供給がなくても論理構成が持続する。
• 低電圧ドメインウォールシフトスピンターブスイッチは、極めて低いエネルギー消費で高速なしきい値処理を実現できる。
• 超低スイング動作の抵抗性インターコネクトを統合することで、マルチステージMTL設計における動的パワーが削減された。
• アーキテクチャは完全にパイプライン化された再構成可能な計算ブロックをサポートしており、高性能とプログラマビリティを実現した。
• 本設計は、超低消費電力でスケーラブルかつ非揮発性の論理システムへの実用的道筋を示した。