JSSC 2024第10期Memory28nmCIM

LOG-CIM An Energy-Efficient Logarithmic Quantization Computing-In-Memory Process

LOG-CIM处理器通过对数量化提升内存计算能效和密度。

28nm CMOS, 0.85V, 120MHz, 192 TOPS/W, 116.4 TOPS/W

对数量化内存计算能效并行数据映射零感知双字线

▸创新点1：指数并行数据映射（EPDM）是一种方法创新，通过高效的移位对齐和数据累加优化LOGQ复杂计算流程，显著提升能效51.5%，解决了传统线性量化在CIM架构中的计算效率瓶颈。

▸创新点2：零感知双字线（ZADU）单元属于电路创新，通过增强并行性和降低读取功耗（88.9%功耗降低对应89.3%位稀疏度），显著减少计算功耗，提升了系统能效和内存密度。

▸创新点3：移位加法外围（SAP）逻辑是系统创新，通过在数据进入加法器树之前对不同位位置的数据进行加法操作，最大化吞吐量，提升能效24.3%，优化了计算延迟和资源利用率。

▸创新点4：整体架构创新，LOG-CIM在28nm CMOS工艺下实现192 TOPS/W（4b INT）和116.4 TOPS/W（4b LOGQ）能效，内存密度达599kb/mm²，相比8b INT权重推理能效提升3.54倍，训练总能耗降低68.7%。

Abstract

This article introduces the logarithmic quantization computing-in-memory processor (LOG-CIM), an advanced pro- cessor that extends the capabilities of conventional linear quanti- zation (INT) by integrating logarithmic quantization (LOGQ) into computing-in-memory (CIM) architectures. Emphasizing three key features, the LOG-CIM significantly achieves high energy efficiency and memory density using LOGQ: 1) exponen- tial parallel data mapping (EPDM) not only facilitates efficient shifted alignment