JSSC 2020第4期Memory130nmEmerging MemoryCIM

Liquid Silicon A Nonvolatile Fully Programmable Processing-in-Memory Processor W

Liquid Silicon是一款非易失性全可编程存内计算处理器，结合了FPGA的灵活性和专用加速器的高效性。

650mV低电压操作，1.2V下60.9 TOPS/W神经网络推理，480 GOPS/W基于内容的相似性搜索

存内计算非易失性存储器RRAM人工智能大数据

▸创新点1：非易失性全可编程存内计算（系统创新） - 提出了一种结合RRAM非易失性和FPGA全可编程特性的存内计算架构，支持动态重构和低功耗（650mV工作电压），在AI推理中实现60.9 TOPS/W能效，较现有方案提升3倍。

▸创新点2：HfO2 RRAM与CMOS单片集成（工艺创新） - 采用130nm CMOS工艺实现HfO2 RRAM的3D单片集成，解决了存储与逻辑单元互联瓶颈，实测显示1.2V电压下内容搜索能效达480 GOPS/W，较RRAM加速器提升100倍。

▸创新点3：面向AI/大数据的自适应计算架构（方法创新） - 通过可编程存内计算单元实现硬件资源动态分配，支持神经网络推理和相似性搜索等异构负载，在通用计算中能效比非易失性FPGA提高3倍。

▸创新点4：低电压可靠性设计（电路创新） - 采用RRAM-CMOS混合信号电路优化技术，确保芯片在650mV超低电压下稳定运行，扩展了PIM处理器的适用场景。

Abstract

The slowdown of the CMOS technology scaling, and the trade-off between efﬁciency and ﬂexibility have fueled the exploration into novel architectures with emerging post- CMOS technology [e.g., resistive-RAM (RRAM)]. In this article, a nonvolatile fully programmable processing-in-memory (PIM) processor named Liquid Silicon is demonstrated, which com- bines the superior programmability of general-purpose com- puting devices [e.g., ﬁeld-programmable gate array (FPGA)] and the high efﬁciency of domai