神经形态计算器件和阵列测试解决方案

神经形状计算是一种新型的计较范式，它仿照生物神经网络（如人脑）的布局和功能以在为野生智能、机械进修、机械人和感官处置等种种使用完成高性能、低功耗和自适应进修才能。

神经形状计较进展至今履历了四十多年，首要分为三个阶段，模仿计较、数字计较和混杂计较。2017年，英特尔第一款自立进修神经芯片Loihi问世。它接纳14nm工艺，包括跨越20亿个晶体管、13万个神经元和1.28亿个突触，与基于CNN锻炼野生智能体系的通用计较芯片相比，Loihi芯片的能效提升了1000倍。IBM的TrueNorth芯片、高通Zeroth芯片等等都属于数字计较，即架构在CMOS工艺和器件布局基础上的一种神经形状计较。由于资料和器件自身没有打破，是以依然受限于能算比低、体系架构庞杂等题目。真正的神经形状计较必需接纳新型资料组成的带有易失性阻变特点的器件，对生物神经突触的STDP等特点举行行动级的拟态，是以提出了全新的体系和器件设想的范式，并不息打破着能算比的极限。

图1：生物神经体系和神经形状计较比照

神经形状器件是神经形状计较体系的基础模块。它们是模仿生物神经元和突触行动的电子元件，比方尖峰、可塑性和影象。神经形状器件能够基于分歧的手艺，比方忆阻器、相变资料、自旋电子学或纳米线。神经形状阵列是完成庞杂神经布局和性能的互连神经形状设置装备摆设的大规模网络。

神经形状计较为神经形状器件和阵列的设想、创造和测试带来了一些挑战和机缘。一方面，神经形状器件和阵列表现出高可变性、非线性、随机性和噪声，这使得它们难以表征和建模；另外一方面，神经形状设置装备摆设和阵列拥有怪异的上风，比方容错性、鲁棒性和自组织性，需求严峻的测试和考证。

比方，基于ReRAM的神经形状阵列的首要挑衅之一是器件的可变性，这是由电阻开关进程固有的随机性和不均匀性惹起的。设置装备摆设可变性会影响神经计较的准确性和稳定性，并致使功能降低以至毛病。是以，懂得设置装备摆设可变性的起源和影响并开辟加重或利用它的要领异常首要。比方，能够经由过程优化器件创造工艺、设想参数和操纵前提来缩小器件可变性。或许，器件可变性能够用作随机性或多样性的起源，以加强神经形状体系的性能和适应性。

除了ReRAM范例以外，今朝也可以用神经拟态计较的器件能够有FeRAM范例、无机FET范例、以及更加普遍和多样的二维资料异质集成所构成的阻变器件而组成。

图2：突触权重特点图示

图3：两端口存算器件

研讨神经形状阵列的上风

神经形状阵列是一种应用忆阻器器件构成的小规模的、完成类似于大脑神经元连贯的集成电路。

这类电路拥有如下几个好处：

● 能够直接在硬件层面模仿生物神经元的突触可塑性，进修和影象进程，而无需庞杂的软件算法。

● 能够完成并行、分布式、低功耗和高效率的数据处置，适宜解决庞杂认知性能和使命，如图象辨认、语音辨认、天然言语处置等。

● 部份器件所构成的阵列能够与现有的CMOS手艺兼容，应用其成熟的创造工艺和设想要领，下降开辟本钱和危险。

为了索求其使用和上风，有需要开辟新的丈量手艺和模块，对忆阻器器件和阵列举行正确和周全的表征和评价。在阵列测试中，和器件测试和表征要领差别主要在若何高效、靠得住的“选通”阵列中每一个器件，举行参数表征，以及自动化的实现可靠性的相干测试，以至能够应用测试的平台间接举行神经形状计较的仿真和考证。

● 直流扫描测试：施加从零到最大值或最小值的电压或电流斜坡，并丈量响应的电流或电压呼应。绘制I-V曲线并阐发忆阻器器件的开关行动、通畅、阈值和非线性。

● 脉冲测试：施加拥有指定幅度、宽度、周期和数目的电压或电流脉冲，并丈量响应的电流或电压呼应。绘制脉冲波形并阐发忆阻器器件的瞬态和静态特点，比方开关时候、坚持时候、耐久性和可变性。

● 自定义脉冲测试：使用用户界说的拥有可变幅度、宽度、周期和数目的脉冲序列，并丈量响应的电流或电压呼应。绘制脉冲波形并阐发忆阻器器件的庞杂和非线性行动，比方尖峰准时相干可塑性、进修、影象和神经形状性能。

● 阵列测试：将电压或电流旌旗灯号的组合施加到忆阻器阵列的行和列上丈量每一个单位输入电流。通用的阵列布局如Crossbar实现阵列每一个器件锻炼实现必定的推理使命。同时考证矩阵功能比方网络的Sneak Path匀称性和可扩展性。

● 算法研讨分外针对于神经形状算法有别于卷积神经网络算法面临分歧的硬件阵列需求提出对立的、兼容的算法模子举行考证。

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阵列测试计划先容

Tektronix/Keithley公司供应厚实的测试产物，在神经形状资料（铁电、自旋无机、二维资料）和器件的科研失掉普遍应用关于阵列测试需要今朝业内鲜有业余体系和软件。特别是因为资料、器件分歧、工艺分歧，阵列测试要领还没有构成对立要领首要需求科研工作者自行集成开辟必定程度上浪费了珍贵的科研资本。Tektronix/Keithley供应一站式的解决计划供应灵巧设置体式格局供应一套通用的软件平台而且能够依据特定的测试需要开辟软件模块，真正的做到“交钥匙计划。

DC测试

AC测试

神经形状计较人造是脉冲。用脉冲体式格局举行测试不但能够排除自热效应首要能够模仿“突触实践事情的脉冲安慰丈量呼应是以绝大部份的阵列测试都在脉冲下举行起首经由过程脉冲举行阵列每一个器件突触特点刻划失掉阵列团体的突触特点能够用于前期仿真算法开辟；进一步能够丈量阵列每一个器件的脉冲特点因为脉冲宽度和幅度请求分歧能够应用4200-PMU鼓励丈量脉宽最高到50ns应用AFG或许AWG合营内部放大器能够完成50ns~100ps的脉冲鼓励而且应用TIA或高灵敏度电流探头集成体式格局完成脉冲电流丈量。

在Endurance或Retention测试因而丈量阵列长期、多脉冲下的可靠性特点每每对Read电流的精度请求很高，用于精准描绘阻变的动力学进程，因此会用到1pA量程下0.01fA分辨率的源表或更高精度举行电流测试是以脉冲电压Set/Reset鼓励和直流Read电流读取需要在同一个端口举行。4225-RPM是一款成为了电流缩小、通道切换的模块，无需改换前端探针或连线能够轻松完成分歧范例旌旗灯号的测试。

图4：4225-RPM外部布局，SMU和PMU复用一个输入

矩阵开关抉择

矩阵开关目标是寻址阵列中特定的器件举行表征丈量的前置前提。引入矩阵开关能够大幅度下降测试本钱和复杂度，有助于标准化探针布局，标准化测试流程进步测试服从独自的DC测试假如选用2600系列源表作为首要测试机能够设置3706系列的矩阵开关，漏流小于100pA假如选用4200A或许接纳AC测试需求抉择更低漏流、更大带宽、更小杂散电容的707B系列矩阵开关，漏流低于100fA支撑4225-PMU脉冲旌旗灯号切换。

矩阵开关通道抉择需求依据阵列范围M x N，以及器件端口数抉择。下图是阵列测试组网示意图暗示一种通用连贯方式详细设置请和Tektronix手艺专家相同。

图6：DC测试

图7：AC测试。脉冲Spike的参数界说

软件性能

软件内置I/V扫描特点性能，在选通待定器件后，在矩阵主动实现。考虑到Sneak Path题目能够经由过程体式格局将待测器件断绝或许定制非凡的算法。

软件内置规范突触特点测试经由过程PMU举行Reset/Set以及轮回能够在脉冲经由过程SMU举行Read操纵正确的测试特点。

自定义波形

软件分外开发了脉冲调试性能支撑加倍灵巧的脉冲波形编纂丈量。可视化的界面输出的时序参数马上能够仿真进去，使用者能够防止制造谬误的脉冲参数致使器件毁坏；将波形导入测试步伐能够定制Read电流时候频率，从而倏地反馈给用户举行脉冲波形参数的调优。真正做到“所见即所得”。K-pulse编纂KSF波形，+measure的时序及时debug。

图8：K-pulse可视化脉冲编纂和自定义Read电流配置。

图9：Endurance测试，对Reset和Set两种状况分手测试Endurance

阵列Endurance测试经由过程PMU轮回举行Set/Reset和Read操纵严峻举行Endurance丈量丈量时候需求达到的Endurance的数量级成正比比方，MRAM Endurance测试轮回在1015量级假如接纳100ns Set/Reset周期，一个测试轮回大致500ns以是统共测试时候为15年！解决计划改换AFG/AWG加速Set/Reset的脉冲宽度能够达到100ps级别依据详细器件呼应时候抉择）也可通过小规模的测试，对小样本下的Endurance举行需求PMU有很高的Set/Reset电压精度稳固度以及SMU对Read电流的精度，有助于Endurance模子的准确度。

阵列Retention测试，涉及到长期的周期或非周期的Read，timing参数和周期参数灵巧多变能够依据PMU和SMU特点灵巧分配Read体式格局。

工艺可靠性TDDB等，借助软件规范的测试能够灵巧扩大阵列可靠性的测试模块。

器件及阵列测试集成开辟环境TMAS

为了下降神经形状器件和阵列测试的复杂度，手动测试关于精度的影响，以及进步测试服从和可重复性，Tektronix公司供应对立的器件和阵列集成化测试平台TMAS套件包括ACS-BASIC和器件阵列测试模块。

● 器件特点参数表征

● 阵列锻炼部份推理

● 开放式平台，Python剧本直写定制测试模块

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小结

● 测试解决计划拥有灵活性和可扩展性顺应同的网络范围设置装备摆设架构，以及分歧的测试性能和参数。

● 测试解决计划正确靠得住捕捉忆阻器器件纤细静态行动比方纳秒级脉冲呼应、亚皮安电流和蔼随机开关征象。

● 测试解决计划应高效且用户友爱便利数据收集阐发，以及忆阻器器件和网络的优化考证。

● 易于开辟丈量手艺和模块降服现有仪器的局限性。

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泰克公司总部位于美国俄勒冈州毕佛顿市，致力供应立异正确操纵轻便的测试丈量和监测解决计划，解决种种题目开释洞察力推进立异才能。70多年来始终走在数字时期前沿接待到场咱们立异之旅，敬请登录：tek.com.cn。