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ReHarvest: An ADC Resource-Harvesting Crossbar Architecture for ReRAM-Based DNN Accelerators

横杆开关 计算机科学 电阻随机存取存储器 计算机体系结构 计算机硬件 高效能源利用 瓶颈 嵌入式系统 电压 电气工程 电信 工程类
作者
Jiahong Xu,Haikun Liu,Zhuohui Duan,Xiaofei Liao,Hai Jin,Xiaokang Yang,Huize Li,Cong Liu,Fubing Mao,Yu Zhang
出处
期刊:ACM Transactions on Architecture and Code Optimization [Association for Computing Machinery]
卷期号:21 (3): 1-26 被引量:4
标识
DOI:10.1145/3659208
摘要

ReRAM-based Processing-In-Memory (PIM) architectures have been increasingly explored to accelerate various Deep Neural Network (DNN) applications because they can achieve extremely high performance and energy-efficiency for in-situ analog Matrix-Vector Multiplication (MVM) operations. However, since ReRAM crossbar arrays’ peripheral circuits– analog-to-digital converters (ADCs) often feature high latency and low area efficiency, AD conversion has become a performance bottleneck of in-situ analog MVMs. Moreover, since each crossbar array is tightly coupled with very limited ADCs in current ReRAM-based PIM architectures, the scarce ADC resource is often underutilized. In this article, we propose ReHarvest, an ADC-crossbar decoupled architecture to improve the utilization of ADC resource. Particularly, we design a many-to-many mapping structure between crossbars and ADCs to share all ADCs in a tile as a resource pool, and thus one crossbar array can harvest much more ADCs to parallelize the AD conversion for each MVM operation. Moreover, we propose a multi-tile matrix mapping (MTMM) scheme to further improve the ADC utilization across multiple tiles by enhancing data parallelism. To support fine-grained data dispatching for the MTMM, we also design a bus-based interconnection network to multicast input vectors among multiple tiles, and thus eliminate data redundancy and potential network congestion during multicasting. Extensive experimental results show that ReHarvest can improve the ADC utilization by 3.2×, and achieve 3.5× performance speedup while reducing the ReRAM resource consumption by 3.1× on average compared with the state-of-the-art PIM architecture–FORMS.

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