A Voltage-Controlled, Oscillation-Based ADC Design for Computation-in-Memory Architectures Using Emerging ReRAMs

计算机科学 电阻随机存取存储器 横杆开关 计算 高效能源利用 冯·诺依曼建筑 逐次逼近ADC 计算机体系结构 CMOS芯片 电压 电子工程 计算机硬件 并行计算 电容器 工程类 电气工程 算法 操作系统 电信
作者
Mahta Mayahinia,Abhairaj Singh,Christopher Bengel,Stefan Wiefels,Muath Abu Lebdeh,Stephan Menzel,Dirk J. Wouters,Anteneh Gebregiorgis,Rajendra Bishnoi,Rajiv Joshi,Said Hamdioui
出处
期刊:ACM Journal on Emerging Technologies in Computing Systems [Association for Computing Machinery]
卷期号:18 (2): 1-25 被引量:18
标识
DOI:10.1145/3451212
摘要

Conventional von Neumann architectures cannot successfully meet the demands of emerging computation and data-intensive applications. These shortcomings can be improved by embracing new architectural paradigms using emerging technologies. In particular, Computation-In-Memory (CiM) using emerging technologies such as Resistive Random Access Memory (ReRAM) is a promising approach to meet the computational demands of data-intensive applications such as neural networks and database queries. In CiM, computation is done in an analog manner; digitization of the results is costly in several aspects, such as area, energy, and performance, which hinders the potential of CiM. In this article, we propose an efficient Voltage-Controlled-Oscillator (VCO)–based analog-to-digital converter (ADC) design to improve the performance and energy efficiency of the CiM architecture. Due to its efficiency, the proposed ADC can be assigned in a per-column manner instead of sharing one ADC among multiple columns. This will boost the parallel execution and overall efficiency of the CiM crossbar array. The proposed ADC is evaluated using a Multiplication and Accumulation (MAC) operation implemented in ReRAM-based CiM crossbar arrays. Simulations results show that our proposed ADC can distinguish up to 32 levels within 10 ns while consuming less than 5.2 pJ of energy. In addition, our proposed ADC can tolerate ≈30% variability with a negligible impact on the performance of the ADC.
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