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A 22nm 832Kb Hybrid-Domain Floating-Point SRAM In-Memory-Compute Macro with 16.2-70.2TFLOPS/W for High-Accuracy AI-Edge Devices

计算机科学 点(几何) 产品(数学) 静态随机存取存储器 GSM演进的增强数据速率 人工智能 算法 计算机硬件 数学 几何学
作者
Ping-Chun Wu,Jian-Wei Su,Li-Yang Hong,Jin-Sheng Ren,Chih-Han Chien,Ho-Yu Chen,Chao-En Ke,Hsu-Ming Hsiao,Sih-Han Li,Shyh-Shyuan Sheu,Wei‐Chung Lo,Shih-Chieh Chang,Chung‐Chuan Lo,Ren-Shuo Liu,Chih-Cheng Hsieh,Kea‐Tiong Tang,Meng‐Fan Chang
出处
期刊:Digest of technical papers 卷期号:: 126-128 被引量:115
标识
DOI:10.1109/isscc42615.2023.10067527
摘要

Advanced artificial-intelligence (Al) edge devices require high energy-efficiency$(\eta_{\mathrm{E}})$and high inference-accuracy [2,4-6]. An SRAM-based compute-in-memory (CIM) based on MAC operations is well-suited for improving the$\eta_{\mathrm{E}}$of Al edge devices. However, without support for floating-point (FP) computation, Al chips using integer-based SRAM-CIMs (INT-CIM) [2,4-5] are prone to precision loss when applied to complex datasets or neural network models. Product$(\text{PD}=\text{IN}\times \mathrm{W})$. alignment-based FP-MACs align the product's mantissa$(\text{PD}_{\mathrm{M}})$prior to accumulation, based on the product's exponent$(\text{PD}_{\mathrm{E}})$. This approach is commonly used for digital circuits [3] and for near-memory compute [1], but is not practical for in-memory-compute (IMC) macros: each$\text{PD}_{\mathrm{E}}$within a physical row/column is different and thus cannot be accumulated. An INT-IMC with off-macro digital circuits and off-chip software pre-alignment was used in [6] to process the exponents of inputs$(\text{IN}_{\mathrm{E}})$and weights$(\mathrm{W}_{\mathrm{E}})$externally for the FP-MAC. An INT-CIM with extra FP-to-INT converters can emulate an FP-MAC, but incurs additional area, power consumption, and latency (PPA). Researchers have yet to develop a true FP-IMC macro capable of exponent and mantissa computation. Analog CIMs suffer from a low readout accuracy due to intrinsic transistor variation. Digital CIMs are insensitive to variation, but are limited in terms of compute parallelism due to routing congestion, as Fig. 7.1.1 shows. This paper presents a true FP-IMC macro featuring (1) a hybrid-domain macro structure that enables computation of both the exponent and mantissa in an FP-MAC within the same IMC macro. A high$\eta_{\mathrm{E}}$and accuracy are achieved by exploiting advantages of computing in the time, digital, and analog-voltage domain by identifying the proper functional blocks for the FP-MAC [2,4-5]. (2) Time-domain based$\text{PD}_{\mathrm{E}}$generation, a$\text{maximum}-\text{PD}_{\mathrm{E}}(\text{PD}_{\mathrm{E}-\text{MAX}})$finder (TD-MPEF), and a$\text{PD}_{\mathrm{E}}-\text{PD}_{\mathrm{E}-\text{MAX}}$generator$(\text{TD}-\text{PD}_{\mathrm{E}}-\text{DG})$to achieve a high$\eta_{\mathrm{E}}$for all exponent computation. (3)$\text{PD}_{\mathrm{E}}$-based input-mantissa alignment (PEB-IMA) scheme to enable accumulation for$\text{PD}_{\mathrm{M}}$in the same column. (4) A place-value dependent digital/analog-hybrid computing scheme for mantissa computation with a high inference accuracy and$\eta_{\mathrm{E}}$. A 22-nm 832-kb FP SRAM-IMC macro is fabricated using foundry-provided compact-6T SRAM cells. The FP SRAM-IMC support FP-MACs with 128-accumulators (ACCU) for BF16 inputs (IN) and weights (W) with FP32 outputs (OUT) and achieves the highest reported FP-MAC$\eta_{\mathrm{E}}$, 70.2TFLOPS/W.

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