基于SOT-MRAM的超低功耗心电智能处理器关键技术研究
批准号:
62104025
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
常亮
依托单位:
学科分类:
集成电路设计
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
常亮
中文摘要
可穿戴心电监测设备被用于实时监测心律不齐等心脏疾病,而心电智能处理器是该设备的核心,具有超低功耗的要求,以保证设备维持长时间稳定的分类检测。但是,传统智能计算架构中数据不断在存储器和计算单元间移动,带来较大的动态功耗开销。同时,随着半导体工艺的进步,存储器的静态功耗比例不断升高,导致依托于传统技术的心电智能处理器难以满足可穿戴心电监测设备的超低功耗要求。本项目旨在解决心电智能处理器中计算和存储架构所面临的功耗瓶颈,利用新兴的自旋轨道矩存储器(SOT-MRAM)技术设计心电智能处理器的计算和缓存架构。但是,现有的SOT-MRAM技术针对通用计算和存储架构设计,没有根据心电信号特点进行设计,有冗余的功耗开销。并且心电信号分类算法模型在超低功耗限制下也将进一步优化,以满足心电信号监测的准确率要求。该项目对推动我国可穿戴心电设备智能化和国产化,具有重要的科学意义和前景。
英文摘要
Wearable Electrocardiograph (ECG) monitoring devices are employed to detect heart diseases such as arrhythmia in real time. In the ECG monitoring, ECG intelligent processor is the core element with low power requirement to prolong the stable monitoring for classification and detection. However, there are large data movements between computing unit and working memory in traditional intelligent computing architecture, inducing large dynamic power consumption. In addition, as the CMOS technology scaling down, the proportion of static power consumption of memory is increasing. Therefore, the ECG intelligent processor with traditional CMOS technology is difficult to meet the ultra-low power requirement of wearable ECG monitoring devices. In this proposal, we develop the ECG intelligent processor using Spin-Orbit Torque Magnetoresistance Random Access Memory (SOT-MRAM) to solve power issues in both computing and memory architectures. Unfortunately, current solutions with SOT-MRAM techniques are developed for universal computing and memory architectures. The ECG intelligent processor with current SOT-MRAM solutions brings redundancy power consumption due to without considering characteristics of ECG. Moreover, we provide optimization ECG classification algorithm to meet both ultra-low power and high accuracy requirements of ECG intelligent processor. Our proposal has important scientific significance and prospect for promoting the intellectualization and localization of China's wearable ECG devices.
可穿戴设备需求低功耗的智能处理器支持,满足端侧设备的准确率及低功耗需求,尤其对于ECG监测场景,需要根据信号特性进行适配的算法模型研究、系统模式以及智能处理器技术的研究。本项目选取心电信号二分类和五分类两个阶段进行正常信号及异常信号识别,能够在系统层面降低心电信号识别的功耗。进一步采用SOT-MRAM的低功耗操作特性以及极低的静态功耗特性来定制化硬件处理器架构进一步降低整个系统功耗,属于“小而精”的应用基础研究,可以进一步推广到多种端侧的低功耗应用场景。本项目主要的研究进展包括探索了ECG信号监测任务的特性及实际应用需求、MRAM的工业发展现状及存储器存在的问题、MRAM的低功耗存算一体电路设计及待突破的瓶颈问题。本项目的研究成果具有较好应用潜力,尤其探索清晰的事件驱动ECG监测模型结合专用的神经网络部署方法,能够较好的在可穿戴设备及端侧设备中进行推广及应用。本项目研制的MRAM高稳定性控制器以及损耗均衡的算法可以在多种非易失存储器中应用,并且进一步提升非易失存储器的写入寿命,提升整体非易失系统的稳定性。更进一步,本项目采用更实际的数字化电路设计方法,提升整体MRAM存算一体电路的稳定性和安全性,能够在多种端侧设备中进一步降低功耗。
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