[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出磁性阈值逻辑（MTL），一种新颖的低功耗、高性能且可编程的逻辑架构，采用自旋扭矩开关和磁性隧道结。通过利用电阻状态实现可编程权重，以及利用低电压畴壁移位实现阈值运算，MTL在能量延迟积方面相比CMOS FPGA实现超过两个数量级的提升，从而实现超低功耗、流水线化的计算模块，且采用阻性互连。

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.

研究动机与目标

• 设计一种面向未来计算系统的低功耗、高性能且完全可编程的逻辑架构。
• 克服传统基于CMOS的FPGA在能量延迟积方面的功耗与面积限制。
• 利用非易失性磁性元件实现输入权重与阈值运算的可重构逻辑。
• 将紧凑的基于存储的逻辑与互连结构，与超低摆幅阻性开关集成，实现可扩展、高能效的设计。
• 展示一种替代基于查表的CMOS FPGA的可行方案，具备更优的能效与性能。

提出的方法

• 利用磁性隧道结（MTJs）通过其电阻状态存储可编程输入权重。
• 采用基于低电压畴壁移位的自旋扭矩开关执行阈值运算。
• 设计一种阈值逻辑门（TLG），对加权输入求和，并将总和与阈值比较以生成逻辑输出。
• 使用超低摆幅阻性开关连接多个MTL级，实现高能效互连。
• 将MTL架构集成到完全流水线化、可重构的计算模块中，以实现高性能。
• 利用MTJs的非易失性存储特性，在断电时仍能保持状态，从而降低动态功耗。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁性隧道结能否有效用于在逻辑电路中实现可编程输入权重？
• RQ2 低电压畴壁移位自旋扭矩开关能否实现高速、低功耗的阈值运算？
• RQ3 磁性阈值逻辑架构能否在能量延迟积方面显著优于基于CMOS的FPGA？
• RQ4 如何利用非易失性、阻性元件构建可扩展、流水线化且可重构的逻辑模块？
• RQ5 超低摆幅阻性互连能否高效连接多个MTL级，同时保持性能与能效？

主要发现

• 所提出的MTL架构在能量延迟积方面相比基于查表的CMOS FPGA实现了超过两个数量级的提升。
• 利用非易失性MTJs实现输入权重，可实现无需持续供电的持久逻辑配置。
• 低电压畴壁移位自旋扭矩开关可实现高速阈值运算，且功耗极低。
• 将阻性互连与超低摆幅操作集成，显著降低了多级MTL设计中的动态功耗。
• 该架构支持完全流水线化、可重构的计算模块，实现高性能与可编程性。
• 该设计展示了通往超低功耗、可扩展且非易失性逻辑系统的一条可行路径。