MemDPU

Domino Processing Unit: Auf dem Weg zum hocheffizienten In-Memory-Rechenwerk

Partner

Dr.-Ing. Nan Du

Dr.-Ing. Nan Du

Nr.: DU 1896/3-1

FSU Jena

Dr.-Ing. Stephan Menzel

Dr.-Ing. Stephan Menzel

Nr.: ME 4612/1-1

Forschungszentrum Jülich

Outcome

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Projektbeschreibung

In der Ära des Internet der Dinge und großer Datenmengen ergeben sich neue Herausforderungen für Rechnerarchitekturen der neuen Generation. Diese müssen eine kosteneffiziente Echtzeitanalyse sehr großer Datenmengen gewährleisten. Nichtflüchtige memristive Bauelemente (Memristoren) zeigen ein hohes Potential für den Einsatz in In-Memory Rechnerarchitekturen bzw. neuronalen Netzen.

In dem Projekt MemDPU soll ein neuartiges Rechenwerk, die Domino Processing Unit (DPU), entwickelt werden, die auf Basis von memristiven Bauelementen eine In-Memory Rechnerarchitektur für das Prozessieren großer Datenmengen realisiert. Dazu werden eine Reihe von In-Memory Logikkonzepten für analog und abrupt schaltende memristive Bauelemente realisiert und miteinander verglichen. Darauf basierend soll schlussendlich eine DPU basiertes Rechenkonzept entwickelt werden. Die Realisierung wird auf Basis von Experimente als auch mit Hilfe von Simulation umgesetzt.

Grundsätzlich lassen sich vier verschiedene memristive Logikansätze auf Basis der physikalischen Ein- und Ausgangsgröße (Input und Output) eines Logikgatters unterscheiden. Die physikalischen Ein-und Ausgangsgrößen sind Widerstand des Memristors (Memristance) und Spannung (Voltage): Dadurch ergeben sich die vier memristiven Logikansätze MIMO, MIVO; VIMO und VIVO. Verschiedene binäre Logikfamilien auf Basis dieser generellen Ansätze sollen sowohl für analoge als auch abrupte memristive Bauelemente untersucht und verglichen. Zusätzlich sollen neuartige ternäre Logikkonzepte erforscht werden, die durch die Multilevel-Eigenschaft der verwendeten memristiven Bauelemente ermöglicht werden.

Basierend auf der Studie der verschiedenen Logikfamilien, wird in einem nächsten Schritt ein DPU Rechenwerk entwickelt, bei dem MIMO Ansätze die Ein- und Ausgangsgatter jeder Anwendung darstellen. Die eigentlich Anwendungsoperation wird mit Hilfe von VIVO Ansätzen realisiert, während MIVO/VIMO Ansätze die MIMO und VIVO Ansätze verknüpfen. Zur Realisierung eines allgemeinen, hocheffizienten DPU Rechenwerks, wird ein allgemeines Synthesewerkzeug design. Dieses Werkzeug erzeugt eine optimierte Spannungsfolge, die an die memristive Speichermatrix angelegt wird, um die geforderte Operation durchzuführen. Das finale Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Demonstrators des DPU Rechenwerks für arithmetische Berechnungen. In Hardware wird ein 4-Bit Demonstrator avisiert, während die Skalierung dieses Konzeptes auf n-Bit auf Basis von Simulationen erfolgen soll.

Die Ziele des MemDPU Projektes erfordern die Zusammenarbeit von Theorie und Experiment. Nan Du hat eine große Erfahrung auf dem Gebiet der Herstellung und Charakterisierung von memristiven Bauelementen und Systemen. Auf der anderen Seite bringt Stephan Menzel vielfältige Vorarbeiten auf dem Bereich der Modellierung und Simulation memristiver Bauelemente und System mit. Dieses komplementäre Wissen adressiert alle relevanten Aspekte um das vorgeschlagenen Projekt umzusetzen.