自供能系統(tǒng)中可配置DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計

周坤雨，岳寧寧，邱柯妮

(首都師范大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京 100048)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是指利用互聯(lián)網(wǎng)和傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)等信息載體，來實現(xiàn)諸多設(shè)備之間互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。作為信息科技產(chǎn)業(yè)的第三次革命，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)給我們的日常生活帶來了翻天覆地的變化，各種各樣的物聯(lián)網(wǎng)嵌入式邊緣設(shè)備在生產(chǎn)生活中已經(jīng)隨處可見[1]。傳統(tǒng)的設(shè)備供能大多采用電池，通過消耗電池中的電能來支撐節(jié)點設(shè)備的運行。然而這種供能方式對于物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備來說卻存在很多隱患與不便，例如過大的電池體積無法在一些占用空間較小的邊緣設(shè)備中安置；另外由于電池中的電能消耗殆盡之后必須更換，這在一些不能輕易拆卸的設(shè)備中也無法起到穩(wěn)定循環(huán)的供能作用。因此，近年來自供能系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備的能量供給，它能夠采集周圍環(huán)境中的能量來為系統(tǒng)提供能量[2-3]，并且不需要進(jìn)行充電、更換和維護(hù)。然而這種自供能系統(tǒng)所采集的能量受環(huán)境條件影響較大，在環(huán)境能量波動較大時系統(tǒng)采集能量也極不穩(wěn)定[4]，這在一定程度上也給邊緣設(shè)備的供能引入了新的問題。

自供能系統(tǒng)的能量采集架構(gòu)主可分為收集-使用和收集-存儲-使用[3]。收集-使用架構(gòu)中系統(tǒng)的采集功率直接提供給負(fù)載，結(jié)構(gòu)較為簡單。而收集-存儲-使用架構(gòu)中在儲能電容和負(fù)載之間存在DC-DC轉(zhuǎn)換器，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。儲能電容的工作電壓會影響DC-DC的轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而影響負(fù)載的供能，負(fù)載功耗則又決定了下個周期內(nèi)的儲能電容工作電壓。因此對于收集-存儲-使用架構(gòu)，如何來平衡負(fù)載和供能之間的復(fù)雜關(guān)系，尋找最優(yōu)的轉(zhuǎn)換效率以使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)工作狀態(tài)則是該架構(gòu)的研究重點。

由于自供能系統(tǒng)中收集-存儲-使用能量采集架構(gòu)的DC-DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換效率直接影響著整個系統(tǒng)的性能和能效，因此，本文采用線性擬合的方法，離線擬合出每種升壓比的轉(zhuǎn)換效率，然后根據(jù)擬合的數(shù)據(jù)計算出每種升壓比對應(yīng)最佳轉(zhuǎn)換效率的電壓區(qū)間來指導(dǎo)開關(guān)電容切換升壓比。從而提出了一種自供能存算一體系統(tǒng)中動態(tài)可配置的DC-DC轉(zhuǎn)換器，并分析了儲能電容放電電壓和負(fù)載與DC-DC轉(zhuǎn)換效率之間的量化關(guān)系。針對基于RRAM的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器作為負(fù)載和儲能電容放電電壓為0.255～0.480 V之間的實驗場景進(jìn)行了實驗分析。本文對自供能系統(tǒng)中DC-DC轉(zhuǎn)換效率的量化分析，可為負(fù)載端的任務(wù)優(yōu)化策略提供理論依據(jù)。

1 研究基礎(chǔ)

1.1 自供能采集系統(tǒng)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)正在成為現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的主要驅(qū)動力量，各種各樣的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備也在生產(chǎn)、生活、學(xué)習(xí)中隨處可見。根據(jù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，近年來中國的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量不斷增長，到2020年中國物聯(lián)網(wǎng)鏈接數(shù)量將會達(dá)到40億[5]。很多物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備或者嵌入式設(shè)備由于其工作場景的特殊性，如果采用電池供電的方式會極大地限制設(shè)備的性能。因此對于這類物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備，研究者們提出利用自供能系統(tǒng)來給設(shè)備供能的方案。即通過將環(huán)境中的能量，如太陽能、熱能、風(fēng)能等轉(zhuǎn)化為電能供給設(shè)備運行[6]，這樣有效地解決了電池體積過大、需要頻繁充電和使用壽命較短等問題。圖1為4種環(huán)境能量的采樣蹤跡，可見采集的能量存在較大的波動，具有間歇性和不穩(wěn)定性的特征，這也會對系統(tǒng)的正常運行帶來挑戰(zhàn)。

圖1 4種環(huán)境能量的采樣蹤跡Figure 1 Power traces of four environmental energy sources

圖2為自供能采集系統(tǒng)的架構(gòu)，主要由能量采集模塊、能量轉(zhuǎn)換模塊和傳感器節(jié)點模塊構(gòu)成。能量采集模塊負(fù)責(zé)采集環(huán)境能量，能量轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)將環(huán)境能量轉(zhuǎn)換為電能，傳感器節(jié)點模塊通過消耗轉(zhuǎn)換的能量使整個系統(tǒng)運行。但是由于采用自供能系統(tǒng)的邊緣設(shè)備工作環(huán)境變化，周圍的環(huán)境能量也可能會存在較為明顯的變化。當(dāng)環(huán)境能量較為充裕時，系統(tǒng)所采集的能量能夠維持設(shè)備的正常運行；但當(dāng)環(huán)境能量較低甚至不足以達(dá)到支持設(shè)備運行的最低要求時，系統(tǒng)就需要備份相關(guān)數(shù)據(jù)和狀態(tài)，并等待供能恢復(fù)。

圖2 自供能系統(tǒng)架構(gòu)Figure 2 Energy harvesting system architecture

1.2 能量采集架構(gòu)

能量采集是指將能量從一種形式轉(zhuǎn)換成電能。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，邊緣設(shè)備可利用能量采集系統(tǒng)從外部獲取能量來為節(jié)點供電，從而延長設(shè)備壽命和提升性能。能量采集架構(gòu)可決定系統(tǒng)的工作方式。

如圖3所示，能量采集架構(gòu)[3]主要分為2類:收集-使用、收集-存儲-使用。在第1種架構(gòu)中，能源即時獲取以供使用。如圖3(a)所示，在這種架構(gòu)下能量采集系統(tǒng)直接為傳感器節(jié)點供電。因此要使該節(jié)點穩(wěn)定運行，采集系統(tǒng)的功率輸出必須高于最小工作點，如果沒有足夠的能量，那么這個節(jié)點將無法正常工作。

圖3 2種能量采集架構(gòu)Figure 3 Energy harvesting architectures

在收集-存儲-使用架構(gòu)中，能源是獲取并存儲在電容器中供將來使用。圖3(b)中的能量采集架構(gòu)由一個存儲組件構(gòu)成，存儲組件將采集的能量存儲起來為傳感器節(jié)點供電。當(dāng)采集的能量超過當(dāng)前使用量時，系統(tǒng)會將能量存儲起來，在系統(tǒng)無法采集能量或者采集的能量不足時使用存儲的能量為系統(tǒng)供能。

典型的收集-存儲-使用架構(gòu)一般由多個部分組成，如圖4所示，該架構(gòu)包括能量采集(EH)模塊、帶有最大功率點跟蹤的功率升壓器(MPPT助推器)、儲能電容、DC-DC轉(zhuǎn)換器和傳感器節(jié)點。前2個組件可經(jīng)過精心設(shè)計和優(yōu)化，盡量從環(huán)境中獲取最多的能量，并對儲能電容進(jìn)行充電。但即使是給定EH和MPPT模塊的固定設(shè)計，儲能電容、DC-DC轉(zhuǎn)換器和傳感器節(jié)點之間的相互作用和影響仍十分復(fù)雜。

圖4 收集-存儲-使用架構(gòu)Figure 4 Harvest-store-use architecture

1.3 自供能系統(tǒng)中的可配置負(fù)載

隨著人工智能的快速發(fā)展，學(xué)者們利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在目標(biāo)檢測[7]和圖像融合[8]領(lǐng)域取得了較大的進(jìn)展。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的計算主要是以卷積操作為主，而卷積操作以乘加運算為基本特征，研究表明，乘加操作占到了整個運算的90%以上[9]。在傳統(tǒng)的馮諾依曼架構(gòu)中，CPU與存儲器會進(jìn)行頻繁的數(shù)據(jù)交換，由于CPU處理速度與存儲器訪問速度差距較大造成了存儲墻問題，因此馮諾依曼架構(gòu)不適用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運算。在諸多新型存儲器件中，RRAM具有低功耗、不易失、速度快等優(yōu)越特性，因此RRAM是實現(xiàn)存內(nèi)運算的理想器件。

Shafiee等[10]提出了一個基于RRAM交叉陣列適用于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的矩陣向量乘法器。如圖5所示，在RRAM交叉陣列電路中，RRAM節(jié)點流過的電流是通過節(jié)點的電壓和電導(dǎo)的乘積，即I=I1+I2=V1×G1+V2×G2，該操作與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的乘加操作類似，非常適合模擬乘加操作。

圖5 基于憶阻器交叉陣列的矩陣向量乘法器Figure 5 Matrix vector multiplier based on RRAM crossbar

針對自供能系統(tǒng)中供能不穩(wěn)定的特征，Qiu等[11]提出了一種基于RRAM交叉陣列的彈性智能加速器：ResiRCA。ResiRCA通過對RRAM交叉陣列負(fù)載進(jìn)行切分和并行調(diào)度等方式來進(jìn)行計算操作，從而實現(xiàn)系統(tǒng)在不同能級的高效運行。

如圖6所示，不采取分級策略優(yōu)化的情況下，如果系統(tǒng)的輸入端功耗小于整個RRAM交叉陣列的滿激活功耗時，系統(tǒng)處于無法工作狀態(tài)；而如果此時采用分級優(yōu)化策略讓RRAM交叉陣列以部分激活的方式運行，即將RRAM交叉陣列分塊為m×n大小(圖6(b)激活大小為4×2)，其中m代表激活的行，n代表激活的列。為了實現(xiàn)更靈活的計算，引入了RRAM副本d，以支持并行運算，根據(jù)輸入功率大小，RRAM激活因子可表示為m×n×d，因此可以靈活調(diào)節(jié)負(fù)載功耗，使系統(tǒng)在供能波動的環(huán)境下運行。

圖6 RRAM乘加操作的計算分解Figure 6 Computational decomposition of RRAM multiplication and addition operation

Ma等[12]在基于動態(tài)機(jī)器學(xué)習(xí)的非易失性處理器微體系結(jié)構(gòu)與能量分布匹配研究中提出了一種動態(tài)匹配體系結(jié)構(gòu)。如圖7所示，將負(fù)載的運行架構(gòu)根據(jù)需求能量的不同分為了無序、無流水線和N級流水線，通過三者的動態(tài)微體系結(jié)構(gòu)來適應(yīng)不同的供能場景。由此可見，自供能系統(tǒng)的能量架構(gòu)對負(fù)載的可配置性需求相較于傳統(tǒng)固定負(fù)載更加嚴(yán)苛。

圖7 能量預(yù)測Figure 7 Energy prediction

2 可配置DC-DC轉(zhuǎn)換器研究

由于DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率對整個自供能系統(tǒng)的能效有著至關(guān)重要的影響，所以學(xué)者們針對DC-DC轉(zhuǎn)換器作了大量的研究，提出了可配置的DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計，并且可配置DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路實現(xiàn)已比較成熟。例如，考慮1種1∶2的DC-DC轉(zhuǎn)換器，1種2∶3的DC-DC轉(zhuǎn)換器，和一種1∶2和2∶3混合升壓比的DC-DC轉(zhuǎn)換器，在電容的放電電壓為0.305～0.480 V、DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為0.6 V、負(fù)載固定的情況下的轉(zhuǎn)換效率。

如圖8和表1所示，通過模擬這3種DC-DC轉(zhuǎn)換器得到其轉(zhuǎn)換效率。可以觀察到混合升壓比的DC-DC轉(zhuǎn)換器支持的輸入電壓范圍最廣，并且在0.30～ 0.48 V內(nèi)平均轉(zhuǎn)換效率約79.8%。而采用單個DC-DC轉(zhuǎn)換器，圖8中，2∶3的DC-DC適用區(qū)間的平均轉(zhuǎn)換效率為75.01%。但是從整個區(qū)間看，在輸入電壓小于0.4 V時，由于2∶3的DC-DC轉(zhuǎn)換效率會逐漸減小，因此在0.30～0.48 V內(nèi)平均轉(zhuǎn)換效率只有約36.3%。1∶2的DC-DC轉(zhuǎn)換器輸入電壓在大于0.415 V時會比混合升壓比的DC-DC轉(zhuǎn)換器低20%左右，這種情況下的整體平均轉(zhuǎn)換效率在0.30～ 0.48 V內(nèi)大約在72.7%左右。相比2∶3的DC-DC轉(zhuǎn)換器和1∶2的轉(zhuǎn)換器，混合升壓比的DC-DC轉(zhuǎn)換器平均轉(zhuǎn)換效率分別提升了約7.1%和43.4%。雖然相比2∶3的DC-DC轉(zhuǎn)換效率提升只有7.1%，如果擴(kuò)大DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入電壓，從圖8中可以看出，采用混合升壓比的DC-DC轉(zhuǎn)換效率有著更大的提升，其轉(zhuǎn)換效率達(dá)到的峰值也是最高的。所以采用混合升壓比的DC-DC轉(zhuǎn)換器不僅可以提供較高的轉(zhuǎn)換效率，還能適應(yīng)更廣的DC-DC輸入電壓范圍。

表1 混合DC-DC與單個DC-DC轉(zhuǎn)換效率Table 1 Hybrid DC-DC and single DC-DC conversion efficiency

圖8 混合DC-DC與單個DC-DC的轉(zhuǎn)換效率Figure 8 Hybrid DC-DC and single DC-DC conversion efficiency

綜上可知，混合DC-DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換效率比單個轉(zhuǎn)換器效率要高，并且能提供更廣的DC-DC輸入電壓范圍?；诳膳渲肈C-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計的理論基礎(chǔ)[11-13]，本文設(shè)計一種自供能系統(tǒng)，負(fù)載為基于RRAM交叉陣列的存內(nèi)計算加速器，其供電電壓為0.6 V。針對該系統(tǒng)，結(jié)合3種升壓比的DC-DC轉(zhuǎn)換器，設(shè)計了一個混合升壓比的DC-DC轉(zhuǎn)換器。升壓器的升壓比分別為2∶3、1∶2、2∶5，混合這3種升壓比的轉(zhuǎn)換器可支持更廣的輸入電壓范圍。這3種升壓比的轉(zhuǎn)換器對應(yīng)不同輸入電壓區(qū)間時會有不同的轉(zhuǎn)換效率，為了使整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率更高，需要知道每一種升壓比的轉(zhuǎn)換效率，將3種升壓比混合在一起時，在同一電壓下選擇最佳的轉(zhuǎn)換效率。在文獻(xiàn)[13]的基礎(chǔ)上，首先采用曲線擬合的方法，離線擬合出每種升壓比的轉(zhuǎn)換效率，然后根據(jù)擬合的數(shù)據(jù)計算出每種升壓比對應(yīng)最佳轉(zhuǎn)換效率的電壓區(qū)間來指導(dǎo)轉(zhuǎn)換效率的選取。該混合升壓比DC-DC轉(zhuǎn)換器可通過調(diào)節(jié)開關(guān)電容來實現(xiàn)[13]。開關(guān)電容可根據(jù)離線求出的升壓比最佳轉(zhuǎn)換效率區(qū)間和儲能電容的放電電壓大小切換到相應(yīng)的升壓比。

以基于RRAM的存內(nèi)計算加速器作為負(fù)載為例，設(shè)置了5種不同的負(fù)載。同時，把能量劃分為5個能級：第1個能級為166.6～277.9 μW；第2個能級為277.9～1 719.2 μW；第3個能級為1 719.2～4 580.1 μW；第4個能級為4 580.1～10 845.8 μW；第5個能級為10 845.8～+∞μW。圖9為這5個能級區(qū)間的負(fù)載下DC-DC轉(zhuǎn)換效率隨輸入電壓的變化情況，紅色橢圓標(biāo)注了不同升壓比轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率曲線。把3種DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入電壓區(qū)間規(guī)定如下：2∶5的DC-DC轉(zhuǎn)換器的為0.255～0.305 V；1∶2的DC-DC轉(zhuǎn)換器為0.305～0.415 V；2∶3的DC-DC轉(zhuǎn)換器為0.415～0.480 V。這使得混合升壓比的DC-DC總體轉(zhuǎn)換效率得到較大提升。

圖9 5種能級下的3種升壓比的DC-DC轉(zhuǎn)換效率Figure 9 DC-DC conversion efficiency of three step-up ratios under five power levels

3 實驗部分

3.1 實驗設(shè)置

Biswas等[13]提出了一種具有3種升壓比的可配置的DC-DC轉(zhuǎn)換器，模擬了2∶3、1∶2、2∶5這3種升壓比的轉(zhuǎn)換效率，混合后得到了這3種升壓比工作效率較高的輸入電壓區(qū)間，分別為：0.255～0.305、0.305～0.415和0.415～0.480 V。以基于RRAM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器為負(fù)載，該加速器可以動態(tài)調(diào)節(jié)RRAM的激活因子以適應(yīng)環(huán)境能量的不穩(wěn)定性，其中負(fù)載分塊的功率為：166.6～10 845.8 μW。

3.2 不同儲能電容放電電壓對DC-DC轉(zhuǎn)換效率的影響

在實驗中，對不同網(wǎng)絡(luò)模型下電容放電電壓大小和DC-DC轉(zhuǎn)換效率之間的關(guān)系進(jìn)行探究。

圖10展示了FR、HG、LeNet和PV這4種網(wǎng)絡(luò)模型(表2為4種網(wǎng)絡(luò)模型的參數(shù))，在同一固定負(fù)載情況下不同電容放電電壓所對應(yīng)的DC-DC轉(zhuǎn)換效率。FR、HG和LeNet這3種網(wǎng)絡(luò)模型所選取的固定負(fù)載對應(yīng)的激活因子均為25×1×1，而PV模型下所選取的激活因子為36×1×1。儲能電容放電電壓為0.255～0.480 V。

表2 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載參數(shù)Table 2 Parameters of CNN workloads

圖10 不同儲能電容放電電壓的DC-DC轉(zhuǎn)換效率Figure 10 DC-DC conversion efficiency vs.different capacitor discharge voltages

觀察在3種不同升壓比的DC-DC轉(zhuǎn)換器的各自輸入電壓范圍內(nèi)的折線圖，如圖10所示，可以得到如下結(jié)論：①轉(zhuǎn)換效率明顯根據(jù)3種不同的升壓比劃分成了3部分，每個部分都有各自對應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率變化區(qū)間。②在固定升壓比DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍中，轉(zhuǎn)換效率總是存在最大值。③最大轉(zhuǎn)換效率與輸入電壓的大小沒有明確的線性關(guān)系，但最大轉(zhuǎn)換效率值出現(xiàn)在電壓較小的情況下偏多。④少數(shù)情況下轉(zhuǎn)換效率會隨著輸入電壓的增大而提升，而大多數(shù)區(qū)間內(nèi)會出現(xiàn)負(fù)增長的情況，這種情況多出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換效率峰值之后的區(qū)間。

3.3 不同負(fù)載對DC-DC轉(zhuǎn)換效率的影響

在實驗中采用了RRAM部分激活策略對系統(tǒng)進(jìn)行分級優(yōu)化處理，這樣系統(tǒng)的負(fù)載功耗也會隨著分級策略的不同而產(chǎn)生變化。由于DC-DC的轉(zhuǎn)換效率會受到負(fù)載的影響，在這部分對不同網(wǎng)絡(luò)模型下負(fù)載大小和DC-DC轉(zhuǎn)換效率之間的關(guān)系進(jìn)行探究。如圖11所示，可以得到如下結(jié)論：①同一種儲能電容放電電壓下，所有負(fù)載中可能存在一個轉(zhuǎn)換效率峰值，也可能存在多個峰值，即存在多個負(fù)載對應(yīng)轉(zhuǎn)換效率相同的情況。②除PV之外的3種網(wǎng)絡(luò)模型中，轉(zhuǎn)換效率的整體變化趨勢是隨著負(fù)載增大而增大，3種網(wǎng)絡(luò)模型在中間部分都出現(xiàn)了下降，而PV網(wǎng)絡(luò)模型的轉(zhuǎn)換效率相對其他網(wǎng)絡(luò)模型來說波動較大。

圖11 4種網(wǎng)絡(luò)模型下的DC-DC轉(zhuǎn)換效率Figure 11 DC-DC conversion efficiency vs.different CNN workloads

3.4 儲能電容放電電壓和負(fù)載對DC-DC轉(zhuǎn)換效率的影響

由于儲能電容的放電電壓和負(fù)載共同影響著DC-DC的轉(zhuǎn)換效率，模擬了采用LeNet網(wǎng)絡(luò)模型在不同能級下的RRAM激活因子和放電電壓在0.255～0.480 V之間的轉(zhuǎn)換效率，圖12所示為3種混合升壓比的DC-DC轉(zhuǎn)換器在不同輸入電壓和不同負(fù)載下的DC-DC轉(zhuǎn)換效率。

圖12 不同負(fù)載下隨電壓變化的混合DC-DC轉(zhuǎn)換效率Figure 12 Hybrid DC-DC conversion efficiency with voltage variation under different loads

從圖12可以看出，混合升壓比DC-DC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率都保持在60%以上，由于這種轉(zhuǎn)換器會選擇每個升壓比工作最佳的輸入電壓區(qū)間使轉(zhuǎn)換效率最高，因此圖12中轉(zhuǎn)換效率會呈現(xiàn)出在每種負(fù)載下都會在各升壓比轉(zhuǎn)換效率最高的區(qū)間內(nèi)隨著電壓波動相似的曲線。在所有的分塊情況下，隨著DC-DC輸入電壓變化轉(zhuǎn)換效率波動的范圍保持在30%以內(nèi)。這保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少了供能中斷的情況。在不同的電壓區(qū)間都會存在一個峰值，并且最高峰值達(dá)到了87.93%。在圖中紅色曲線代表了儲能電容放電電壓和不同負(fù)載對轉(zhuǎn)換效率的平均水平，其平均轉(zhuǎn)換效率也在78.49%以上。所以整體來說，針對儲能電容放電電壓不穩(wěn)定的系統(tǒng)(如自供能系統(tǒng))或者負(fù)載可變的系統(tǒng)(如基于RRAM部分激活策略的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器)，混合升壓比的DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計對提高系統(tǒng)的能效有著重要的意義。

4 結(jié)論

針對自供能RRAM交叉陣列存算一體系統(tǒng)的應(yīng)用場景，本文提出了一種支持3種升壓比的動態(tài)可配置DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計，研究了儲能電容放電電壓、RRAM負(fù)載與DC-DC轉(zhuǎn)換效率之間的量化關(guān)系。結(jié)果表明，該DC-DC轉(zhuǎn)換器可以提供更廣范圍的輸入電壓和更高的轉(zhuǎn)換效率，為自適應(yīng)負(fù)載調(diào)度優(yōu)化研究提供理論依據(jù)。在系統(tǒng)運行時，DC-DC轉(zhuǎn)換器會根據(jù)儲能電容放電電壓和最佳轉(zhuǎn)換效率的電壓區(qū)間選擇這3種升壓比對應(yīng)最高的轉(zhuǎn)換效率。在未來的工作中，將進(jìn)一步探索利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實時動態(tài)配置DC-DC轉(zhuǎn)換器。