Toward Energy-efficient STT-MRAM-based Near Memory Computing Architecture for Embedded Systems

磁阻随机存取存储器 计算机科学 计算机体系结构 嵌入式系统 建筑 并行计算 计算机硬件 随机存取存储器 艺术 视觉艺术
作者
Yueting Li,Xueyan Wang,He Zhang,Biao Pan,Keni Qiu,Wang Kang,Jun Wang,Weisheng Zhao
出处
期刊:ACM Transactions in Embedded Computing Systems [Association for Computing Machinery]
卷期号:23 (3): 1-24 被引量:1
标识
DOI:10.1145/3650729
摘要

Convolutional Neural Networks (CNNs) have significantly impacted embedded system applications across various domains. However, this exacerbates the real-time processing and hardware resource-constrained challenges of embedded systems. To tackle these issues, we propose spin-transfer torque magnetic random-access memory (STT-MRAM)-based near memory computing (NMC) design for embedded systems. We optimize this design from three aspects: Fast-pipelined STT-MRAM readout scheme provides higher memory bandwidth for NMC design, enhancing real-time processing capability with a non-trivial area overhead. Direct index compression format in conjunction with digital sparse matrix-vector multiplication (SpMV) accelerator supports various matrices of practical applications that alleviate computing resource requirements. Custom NMC instructions and stream converter for NMC systems dynamically adjust available hardware resources for better utilization. Experimental results demonstrate that the memory bandwidth of STT-MRAM achieves 26.7 GB/s. Energy consumption and latency improvement of digital SpMV accelerator are up to 64× and 1,120× across sparsity matrices spanning from 10% to 99.8%. Single-precision and double-precision elements transmission increased up to 8× and 9.6×, respectively. Furthermore, our design achieves a throughput of up to 15.9× over state-of-the-art designs.
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