Programming Weights to Analog In-Memory Computing Cores by Direct Minimization of the Matrix-Vector Multiplication Error

计算机科学 梯度下降 随机梯度下降算法 乘法(音乐) CMOS芯片 超参数 并行计算 算法 电子工程 计算机工程 人工智能 人工神经网络 工程类 数学 组合数学
作者
Julian Büchel,Athanasios Vasilopoulos,Benedikt Kersting,Corey Lammie,Kevin Brew,Timothy M. Philip,Nicole Saulnier,Vijay Narayanan,Manuel Le Gallo,Abu Sebastian
出处
期刊:IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:13 (4): 1052-1061 被引量:9
标识
DOI:10.1109/jetcas.2023.3329449
摘要

Accurate programming of non-volatile memory (NVM) devices in analog in-memory computing (AIMC) cores is critical to achieve high matrix-vector multiplication (MVM) accuracy during deep learning inference workloads. In this paper, we propose a novel programming approach that directly minimizes the MVM error by performing stochastic gradient descent optimization with synthetic random input data. The MVM error is significantly reduced compared to the conventional unit-cell by unit-cell iterative programming. We demonstrate that the optimal hyperparameters in our method are agnostic to the weights being programmed, enabling large-scale deployment across multiple AIMC cores without further fine tuning. It also eliminates the need for high-resolution analog to digital converters (ADCs) to decipher the small unit-cell conductance during programming. We experimentally validate this approach by demonstrating an inference accuracy increase of 1.26% on ResNet-9. The experiments were performed using phase change memory (PCM)-based AIMC cores fabricated in 14nm CMOS technology.
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