An Energy Efficient 4-bit SRAM Compute-in-Memory Macro With Tunable Reference Charge Injection SAR ADC

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作者
Ikramullah Shah,Huimin Zheng,Murad Abdullah,Khawar Sarfraz,Mansun Chan
出处
期刊:IEEE Transactions on Circuits and Systems I-regular Papers [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:73 (4): 2533-2545
标识
DOI:10.1109/tcsi.2025.3624065
摘要

In this article, an SRAM-based analog compute-in-memory (CIM) macro is presented that is designed to process multiply-accumulate (MAC) operations on 4-bit inputs and 4-bit weights encoded in a sign-magnitude format for convolutional neural network (CNN) inference. A charge-sharing 4-bit compute cell is proposed which performs multiplication between a 4-bit input and a 4-bit weight and stores the result on a unit capacitor for accumulation with other cells in the channel. The macro can effectively perform vector-matrix multiplication (VMM) on 32, 64, 96, or all 128 compute cells in a channel. This design flexibility allows the macro to deploy CNN kernels of different sizes which improves macro utilization. To minimize the power consumption of the analog-to-digital converter (ADC), the parasitic interconnect capacitance of the MAC lines is used as an integrating capacitor in the charge injection DAC. A 6-bit charge-injection SAR ADC is implemented which features a digitally controlled tunable reference, essential for converting the pre-ADC MAC value to its digital equivalent without gain error. The proposed design is implemented and fabricated in 65-nm low power CMOS process with a silicon footprint of 0.13 mm2. The macro achieves an energy efficiency of 85.8 TOPS/W and an area efficiency of 2.62 TOPS/mm2.
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