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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Analog-Digital-Wandler und eine Matrixschaltungsanordnung.
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Hintergrund der Erfindung
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In vielen rechenintensiven Aufgaben, insbesondere bei Künstliche-Intelligenz-Anwendungen bzw. bei Anwendungen des maschinellen Lernens, ist eine Verarbeitung von Vektoren mittels Matrixoperationen notwendig. Beispielsweise müssen Vektor-Matrix-Multiplikationen durchgeführt werden. Um solche MatrixOperationen schnell und effizient durchzuführen, können Vektor-Matrix-Multiplizierer in Form eigens dafür vorgesehener elektronischer Schaltungen verwendet werden.
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In diesen Vektor-Matrix-Multiplizierern, die auch als „Dot-Product-Engines“ bezeichnet werden, wird ein Vektor von Eingangsspannungen mittels einer matrixförmigen Anordnung von Memristoren, die an Kreuzungspunkten von orthogonal zueinander verlaufenden Leitungen angeordnet sind und die die sich kreuzenden Leitungen paarweise verbinden, in einen Vektor von Ausgangsströmen gewandelt, wobei die Ausgangsströme jeweils proportional zum Skalarprodukt („dot product“) des Vektors der Eingangsspannungen mit den Leitfähigkeiten der in einer Spalte angeordneten Memristoren sind. Solche Schaltungen können Größen von jeweils einigen 100 Zeilen und Spalten erreichen.
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Die Eingangsspannungen werden an die in eine Richtung verlaufenden Zeilenleitungen angelegt und führen zu Strömen über die Memristoren in die dazu orthogonal verlaufenden Spaltenleitungen, die mit einer Masse bzw. mit einer virtuellen Masse verbunden sind. Die Ausgangsströme werden mittels Transimpedanzverstärkern, die für jede Spalte vorgesehen sind, in dazu proportionale Ausgangsspannungen gewandelt, die wiederum von Analog-Digital-Wandlern in digitale Signale umgesetzt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Analog-Digital-Wandler und eine Matrixschaltungsanordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Ein erfindungsgemäßer Analog-Digital-Wandler ermöglicht es, mittels einer Änderung der Höhe von an Zeilenleitungen anliegenden Spannungen die Wandlungsbandbreite der Wandlereinheit und damit des Analog-Digital-Wandler einzustellen, so dass eine Anpassung an die Stärke zu messender Ströme möglich ist und gleichzeitig möglichst alle Digitalisierungs-Abstufungen der Wandlereinheit verwendet werden. Es wird also weitergehend die Verwendung einer Wandlereinheit mit relativ wenigen Digitalisierungs-Abstufungen ermöglicht.
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Ströme mit wesentlich (z.B. einen Faktor 5 oder 10) unterschiedlicher Stärke treten insbesondere bei Vektor-Matrix-Multiplizierern auf, da die Stromstärken dort von den Eingangsspannungen an den Zeilenleitungen abhängen. Im Prinzip sind dort die Ausgangsströme des Vektor-Matrix-Multiplizierers proportional zur Summe der Eingangsspannungen, es kann also eine große Bandbreite auftreten. Werden die an den Zeilenleitungen anliegenden Spannung ebenfalls als Spannungssignale verwendet für die Schaltung, die den Messstrom erzeugt, z.B. indem die an den Zeilenleitungen anliegenden Spannungen die Eingangsspannungen eines Vektor-Matrix-Multiplizierers sind, findet eine automatische Anpassung der Wandlungsbandbreite statt.
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Erreicht wird dieses Ziel, indem in einer Wandlereinheit, die mit einer Referenzschaltung verbunden ist, um von dieser wenigstens einen Referenzstrom zu erhalten, eine Wandlungsbandbreite der Wandlereinheit durch wenigstens eine Stärke des wenigstens einen Referenzstroms bestimmt wird. Die Wandlereinheit ist dazu eingerichtet, die Stärke eines Messstroms (d.h. eines zu messenden Stroms) in ein digitales Messsignal zu wandeln. Die Referenzschaltung ist dazu eingerichtet, den wenigstens einen Referenzstrom, der als eine Summe von Zellenströmen gebildet wird, in wenigstens einer jeweilig zugehörigen Referenzspaltenleitung zu erzeugen, wobei die Referenzschaltung in Zeilen und wenigstens einer Spalte angeordnete Referenzzellen umfasst, wobei für jede Zeile eine Zeilenleitung vorgesehen ist, wobei die Referenzzellen einer Spalte jeweils mit einer der Zeilenleitungen und der einen oder einer der mehreren Referenzspaltenleitungen verbunden und dazu eingerichtet sind, einen der Zellenströme in der Referenzspaltenleitung zu erzeugen. Die Stärke des Zellenstroms hängt von einer an der Zeilenleitung (und damit an der Referenzzelle) anliegenden Spannung ab. Der wenigstens eine Referenzstrom ist also von den anliegenden Spannungen abhängig und wird entsprechend durch Ändern der Spannungen ebenfalls geändert, so dass sich auch die Wandlungsbandbreite ändert.
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Die Referenzzellen könnten im Prinzip Feldeffekttransistoren sein, deren Gates (Steueranschlüsse) mit der Zeilenleitung verbunden sind, so dass der Strom in der Referenzspaltenleitung proportional zur Anzahl der Zeilenleitungen ist, an denen eine Spannung höher als die Schwellenspannung anliegt. Dies kann insbesondere bei einer Ansteuerung der Zeilenleitungen mit „binären“ Spannungen Verwendung finden.
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Bevorzugt ist die Stärke des erzeugten Zellenstroms weiterhin von einem Speicherzustand der jeweiligen Referenzelle abhängig, wobei sich alle mit derselben Referenzspaltenleitung verbundenen Referenzzellen im gleichen Speicherzustand befinden. D.h. die Stärke des erzeugten Zellenstroms ist sowohl von der an der Zeilenleitung anliegenden Spannung und als auch von einem Speicherzustand der jeweiligen Referenzelle abhängig, wobei sich alle mit derselben Referenzspaltenleitung verbundenen Referenzzellen im gleichen Speicherzustand befinden. Die Wandlungsbandbreite wird also neben der Spannung auch durch die Speicherzustände der Referenzzellen beeinflusst.
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Die Referenzzellen, zumindest jeder Spalte, weisen alle die gleichen Eigenschaften bzw. den gleichen Aufbau auf, d.h. das Verhalten des Zellenstroms ist für alle Referenzzellen (bzw. die Referenzzellen jeder Spalte) identisch.
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Der Begriff ‚Wandlungsbandbreite‘ bezeichnet die Differenz zwischen stärkstem messbarem Strom und schwächstem messbarem Strom, wobei letzterer typischerweise Null ist, so dass die Wandlungsbandbreite dem höchsten messbaren Strom entspricht. ‚Messbar‘ bezieht sich hierauf, dass kein Überlauf nach oben oder unten auftritt, die Wandlereinheit also dem Strom eine Stärke in einem beschränkten Bereich (Stufe) zuordnen kann. Die Wandlungsbandbreite wird von der Wandlereinheit bevorzugt in eine bestimmte (nicht veränderliche) Anzahl von Stufen eingeteilt, denen jeweils ein unterschiedliches digitales Messsignal entspricht. Der Begriff „einen Strom in einer Leitung zu erzeugen“ kann sich sowohl darauf beziehen, dass ein Strom in die Leitung geleitet wird als auch darauf, dass ein Strom aus der Leitung abgeleitet wird.
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Die Wandlereinheit kann ein dem Fachmann an sich bekannter Analog-Digital-Umsetzer sein (etwa ein Parallelumsetzer), der zur Festlegung der Wandlungsbadbreite eine Referenzspannung oder einen Referenzstrom braucht.
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Bevorzugt umfasst die Wandlereinheit wenigstens eine Strom-Spannungs-Umwandlungseinheit, die den wenigstens einen Referenzstrom in wenigstens eine Referenzspannung umwandelt. Mittels einer solchen Strom-Spannungs-Umwandlungseinheit kann der Referenzstrom in eine proportionale Referenzspannung umgewandelt werden, falls ein verwendeter Analog-Digital-Umsetzer eine solche benötigt. Dies könnte z.B. ein einfacher Widerstand sein, wobei die Referenzspannung als Spannungsabfall über diesen gebildet wird.
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Bevorzugt sind Referenzzellen, die mit einer als Maximal-Referenzspaltenleitung bezeichneten Referenzspaltenleitung verbunden sind, in einem Speicherzustand programmiert, so dass die Stärke der von diesen Referenzzellen erzeugten Zellenströme für die jeweilig anliegende Spannung einem maximalen Zellenstrom entspricht. Bevorzugt ist ein Wandlungsbandbreiteneingang der Wandlereinheit mit der Maximal-Referenzspaltenleitung verbunden. Ein (Maximal-) Referenzstrom, der damit erhalten wird, ist für die jeweilig anliegenden Spannungen der maximale bzw. stärkste Referenzstrom.
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Weiter bevorzugt sind Referenzzellen, die mit einer von mindestens einer als Stufen-Referenzspaltenleitung bezeichneten Referenzspaltenleitung verbunden sind, in einen Speicherzustand programmiert, so dass die Stärke der von diesen Referenzzellen erzeugten Zellenströme für die jeweilig anliegende Spannung einem vorgegebenen Bruchteil des maximalen Zellenstroms für diese anliegende Spannung entspricht. In diesen Stufen-Referenzspaltenleitungen können dann (Stufen-)Referenzströme erzeugt werden, die den entsprechend vorgegebenen Bruchteil des in der Maximal-Referenzspaltenleitung erzeugten Maximal-Referenzstroms bilden, d.h. deren Stärke ein entsprechender Bruchteil ist.
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Die Wandlereinheit umfasst bevorzugt einen Stufen-Analog-Digital-Wandler mit mehreren Stufen, der das digitale Messsignal erzeugt, wobei eine höchste Stufe der Wandlungsbandbreite entspricht. Insbesondere ist die Verwendungen eines Stufen-Analog-Digital-Wandlers mit maximal 32, bevorzugt maximal 16, mehr bevorzugt maximal 8 Stufen vorgesehen.
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Stufen-Analog-Digital-Wandler sind an sich bekannt, z.B. Flash-Analog-Digital-Wandler bzw. Parallelumsetzer, die eine zu messende Spannung mittels Komparatoren mit Stufenspannungen vergleichen, wobei die Stufenspannungen z.B. durch in Reihe geschaltete Widerstände gebildet werden, an die eine Referenzspannung angelegt wird. Hier können Schaltungselemente vorgesehen werden, die den Referenzstrom bzw. die Referenzströme und den Messstrom in entsprechende Spannungen wandeln, die von einem solchen Stufen-Analog-Digital-Wandler verarbeitet werden können, d.h. die eine Strom-Spannungs-Wandlung durchführen. Es sind aber auch Wandlereinheiten denkbar, die das digitale Messsignal direkt aus den Strömen gewinnen, die z.B. Stromspiegel mit zwei Transistoren verwenden, wobei durch einen ein Stufenstrom fließt, der gespiegelt wird, und wobei der Spannungsabfall, der am anderen Transistor, durch den der zu messende Strom fließt, auftritt, wenn ein zu messender Strom den Stufenstrom überschreitet, als digitales Messsignal verwendet wird.
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Weiter bevorzugt ist mindestens ein Stufeneingang der Wandereinheit mit der mindestens einen Stufen-Referenzspaltenleitung verbunden. Dies ermöglicht es, Stufenströme oder, nach einer eventuellen Strom-Spannungs-Wandlung, Stufenspannungen vorzugeben, so dass diese nicht mehr in der Wandlereinheit erzeugt werden müssen.
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Weiterhin umfasst der Analog-Digital-Wandler bevorzugt eine Kodiereinheit, die mit der Referenzschaltung verbunden ist, um eine von der Referenzschaltung erzeugte Referenzinformation, die wenigstens eine Stärke des wenigstens einen Referenzstroms anzeigt, zu erhalten, die mit der Wandlereinheit verbunden ist, um das digitale Signal zu erhalten, und die dazu eingerichtet ist, aus der Referenzinformation und dem digitalen Signal einen digitalen Messwert zu bestimmen, der der Stärke des Messstroms entspricht.
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Im Prinzip kann die Referenzinformation der Referenzstrom selbst (bzw. - um den Referenzstrom nicht zu beeinflussen - ein aus diesem mittels eines Stromspiegels erhaltener Strom) oder eine dazu proportionale Spannung (z.B. mit einem Transimpedanzverstärker gewonnen, oder als Spannungsabfall über einen Widerstand, durch den der Referenzstrom oder ein aus diesem mittels eines Stromspiegels erhaltener Strom fließt, gewonnen) sein, der/die mit einem Analog-Digital-Wandler in der Kodiereinheit in eine entsprechende digitale Information, die insbesondere eine binäre Zahl ist, d.h. einen Referenzstromstärkenwert, umgewandelt wird. Diese Wandlung kann auch bereits in der Referenzschaltung erfolgen, so dass dann der Referenzstromstärkenwert an die Kodiereinheit übermittelt wird, d.h. der Referenzstromstärkenwert ist in diesem Fall die Referenzinformation. Sind die an den Zeilenleitungen anliegenden Spannungen als digitale Spannungssignale gegeben, d.h. weisen diese lediglich den Wert 0 V (logische ‚0‘) und einen von Null verschiedenen Wert (logische ‚1‘), z.B. 2 V, auf, kann die Referenzinformation als Hamming-Gewicht (also die Anzahl von Spannungssignalen an den Zeilenleitungen, die ungleich Null sind) in der Referenzschaltung bestimmt und an die Kodiereinheit übermittelt werden.
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Der digitale Messwert wird durch Multiplikation des aus der Referenzinformation erhaltenen Referenzstromstärkenwerts mit dem digitalen Messwert erhalten. Der digitale Messwert wird dabei vorzugsweise als binäre Zahl bzw. binärer Messwert erhalten. Der binäre Messwert entspricht also der absoluten Stärke des Messstroms, während das digitale Messsignal dessen relative Stärke anzeigt. Die Kodiereinheit ist also im Wesentlichen eine digitale Schaltung, die aus zwei Informationen (Wert in % vom Wertebereich und Wertebereich selbst) eine macht (absoluter Wert).
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Eine erfindungsgemäße Matrixschaltungsanordnung umfasst wenigstens einen Analog-Digital-Wandler und eine Matrixschaltung, die mehrere matrixförmig in Zeilen und Spalten angeordnete Speicherzellen umfasst, wobei jede Zeile einer der Zeilenleitungen des Analog-Digital-Wandlers entspricht und für jede Spalte eine Spaltenleitung vorgesehen ist, wobei jede Speicherzelle mit der entsprechenden Zeilenleitung und der entsprechenden Spaltenleitung verbunden und dazu eingerichtet ist, einen elektrischen Strom, dessen Stärke von einem Speicherzustand der Speicherzelle und einer an der mit der Speicherzelle verbundenen Zeilenleitung anliegenden Spannung abhängig ist, in der Zeilenleitung zu erzeugen. Die Spaltenleitungen sind mit dem wenigstens einen Analog-Digital-Wandler verbunden sind oder verbindbar.
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Da die Stärke der zu messenden Ströme der Spaltenleitung der Matrixschaltung von der Höhe der an den Zeilenleitungen anliegenden Spannungen bzw. deren Summe abhängig ist, wird in einer solchen Matrixschaltungsanordnung die Wandlungsbandbreite der Wandlereinheit automatisch an die tatsächlich zu messenden Ströme angepasst.
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Die Speicherzellen weisen bevorzugt die gleichen Eigenschaften bzw. den gleichen Aufbau auf wie die Referenzzellen. Der Vorteil dieser Ausführung liegt darin, dass die Matrixschaltungsanordnung unempfindlich gegenüber Variationen, etwa Temperaturänderungen, ist, da sich diese gleichermaßen auf die elektrischen Eigenschaften der Speicherzellen und der Referenzzellen auswirken, so dass mittels der Matrixschaltungsanordnung durchgeführte Operationen, deren Ergebnis durch Verhältnisse der in den Speicher- und Referenzzellen erzeugten Ströme bestimmt ist, unverändert bleiben. Werden normale Feldeffekttransistoren (d.h. ohne einstellbare Schwellenspannung) als Referenzzellen verwendet, sollten diese so auf die Speicherzellen abgestimmt sein, dass der von ihnen gesteuerte Strom (Zellenstrom) einem maximalen Strom der Speicherzellen der Matrixschaltung gleicht. Eventuell könnte dazu ein Source-Widerstand an den normalen Feldeffekttransistoren eingefügt werden, um diese Anpassung zu erreichen.
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Vorzugsweise umfassen die Referenzzellen und/oder die Speicherzellen Memristoren und/oder Halbleiterschaltelemente mit einstellbarer Schwellenspannung, insbesondere ferroelektrische Feldeffekttransistoren oder Feldeffekttransistoren mit schwebendem Gate, wobei Steuerungsanschlüsse der Halbleiterschaltelemente mit den Zeilenleitungen bzw. den Zeilenleitungen verbunden sind. Mit Halbleiterschaltelementen ausgeführte Referenz- bzw. Speicherzellen ermöglichen einen energieeffizienten Betrieb der Referenzschaltung bzw. der Vektor-Matrix-Schaltung.
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Konkret können ferroelektrische Feldeffekttransistoren (FeFET) oder Floating-Gate-Metalloxid-Feldeffekttransistoren (FGMOS, Feldeffekttransistor mit schwebendem Gate) verwendet werden. Bei beiden kann die Schwellenspannung durch eine Programmierung verschoben werden, so dass Speicherzustände realisiert werden können. Bei FeFETs ist ein ferroelektrisches Material zwischen der (mit dem Gateanschluss verbundenen) Gateelektrode des FeFET und der Source-Drain-Strecke vorgesehen, dessen Polarisation die Schwellenspannung verschiebt. Der Speicherzustand entspricht der Polarisation des ferroelektrischen Materials. Bei FGMOSs ist zwischen der Gateelektrode und der Source-Drain-Strecke ein isoliertes, sogenanntes schwebendes Gate (floating Gate) vorgesehen, in dem eine elektrische Ladung gespeichert werden kann, durch die die Schwellenspannung verschoben wird. Der Speicherzustand entspricht dann der gespeicherten Ladung. In beiden Fällen erfolgt die Programmierung durch Anlegen geeigneter (relativ hoher) Programmierspannungen, wobei eventuell nicht dargestellte Programmierleitungen vorgesehen sein können.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Ausdrücke „Verbindung“, „verbunden“, u.ä. sind in dieser Anmeldung im Sinne elektrisch leitender Verbindungen zu verstehen, wobei allerdings, falls entsprechend angemerkt, vorgesehen sein kann, die Verbindung zwischen einem leitenden und nichtleitenden Zustand hin- und herzuschalten. „Ströme“ sind elektrische Ströme.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Figurenliste
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- 1A und 1B zeigen einen nicht-erfindungsgemäßen Vektor-Matrix-Multiplizierer; und
- 2 zeigt eine Matrixschaltungsanordnung, die einen Analog-Digital-Wandler umfasst, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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Die 1A und 1B illustrieren das Funktionsprinzip eines Vektor-Matrix-Multiplizierers, auch als Matrixschaltung oder „dot product engine“ bezeichnet. Der Vektor-Matrix-Multiplizierer umfasst in Zeilen und Spalten matrixförmig angeordnete Speicherzellen in Form von Memristoren 2. Die Anzahl von Zeilen und die Anzahl von Spalten sind jeweils beliebig, wobei exemplarisch eine 4x4-Anordnung dargestellt ist. Die Speicherfunktion der Memristoren ergibt sich daraus, dass der Widerstand der Memristoren durch Anlegen einer Programmierspannung einstellbar ist.
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Der Vektor-Matrix-Multiplizierer umfasst weiterhin für jede Zeile der matrixförmigen Anordnung eine Zeilenleitung 4 und für jede Spalte eine Spaltenleitung 6. Die Memristoren 2 sind an den Kreuzungspunkten der zueinander senkrecht verlaufenden Zeilen- und Spaltenleitungen angeordnet und verbinden jeweils eine Zeilenleitung mit einer Spaltenleitung, die anderweitig nicht verbunden sind.
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Werden an die Zeilenleitungen Spannungen angelegt, so fließen Ströme von den Zeilenleitungen 4 durch die Memristoren 2 in die Spaltenleitungen 6. Dies ist für eine Spalte und zwei Zeilen in 1B illustriert. Dort wird an eine der Zeilenleitungen eine Spannung U1 angelegt und an die andere eine Spannung U2. Der Strom I1 durch einen der Memristoren wird durch dessen Leitfähigkeit G1 bestimmt: I1 = G1 . U1; der Strom I2 durch den anderen Memristor, dessen Leitfähigkeit G2 ist, ist entsprechend I2 = G2 . U2. Durch die Spaltenleitung 6 fließt dann die Summe der Ströme, d.h. der Gesamtstrom I = I1 + I2 = G1 . U1 + G2 . U2. Es findet also eine Multiplikation der als Vektor aufgefassten Spannungen U1, U2 an den Zeilenleitungen 4 mit den als Vektor aufgefassten Leitfähigkeiten G1, G2 der Memristoren in einer Spalte statt, wobei der Gesamtstrom proportional zum Ergebnis dieses Vektorprodukts ist. Bezogen auf die gesamte Matrixanordnung findet also im Prinzip eine Multiplikation des Vektors der Spannungen mit den als Matrixelemente aufgefassten Leitfähigkeiten der Memristoren statt.
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Der Gesamtstrom jeder Spalte wird üblicherweise mittels eines Transimpedanzverstärkers 8 (die in 1A nicht eingezeichnet sind) in eine Ausgangspannung Ua gewandelt. Der hier beispielhaft dargestellte, an sich bekannte Transimpedanzverstärker 8 umfasst einen Operationsverstärker 10, dessen invertierender Eingang mit der Spaltenleitung verbunden ist und dessen nichtinvertierender Eingang auf Masse liegt, und einen Widerstand 12, über den der Operationsverstärker gegengekoppelt ist, so dass die Ausgangsspannung Ua gegeben ist als Ua = - R · I, wobei R der Widerstandswert des Widerstands 12 ist. Der Transimpedanzverstärker 8 erzeugt am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 10 eine sogenannte „virtuelle Masse“, die sich aufgrund der hohen Leerlaufverstärkung des Operationsverstärkers (z.B. 100.000) nur wenig (z.B. nur ca. 50 µV, wenn die Spannungen U1, U2 im Bereich von etwa 5 V liegen) vom Massepotential unterscheidet, so dass schaltungstechnisch am Ende der Spaltenleitung das Massepotential (d.h. die virtuelle Masse) anliegt, wie für die Funktion der Schaltung erforderlich.
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Die Spannungen an den Zeilenleitungen werden typischerweise aus digitalen Signalen mittels Digital-Analog-Wandlern 14 erzeugt. Ebenso werden typischerweise die Ausgangsspannungen an den Spaltenleitungen, d.h. die von den Transimpedanzverstärkern erzeugten Spannungen Ua, mittels Abtast-Halte-Gliedern 16 (Sample-and-Hold-Schaltungen) und Analog-Digital-Wandlern 18 wieder in ein digitales Signal umgesetzt. Die Abtast-Halte-Glieder 16 können im Analog-Digital-Wandler 18 bzw. in den Analog-Digital-Wandlern 18 integriert sein.
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Da je nach Anwendung die an den Zeilenleitungen angelegten Spannung von sehr unterschiedlicher Höhe sein können oder bei kleineren Matrizen/Vektoren nur ein Teil der Schaltung verwendet wird, können an den Spaltenleitungen je nach Anwendung von sehr unterschiedlich starke Ströme auftreten. Wird also ein Analog-Digital-Wandler mit einer Wandlungsbandbreite verwendet, die sich am stärksten auftretenden Strom orientiert, muss dieser gleichzeitig eine hohe Auflösung, d.h. eine hohe Anzahl von Stufen, aufweisen, um auch schwächere Ströme auflösen zu können, d.h. nicht alle schwachen Ströme auf den gleichen digitalen Wert abzubilden. Solche Analog-Digital-Wandler sind entsprechend aufwändig gestaltet, so dass einen erheblicher Flächenbedarf auf dem Chip, auf dem der Vektor-Matrix-Multiplizierer realisiert wird, und ein erheblicher Energiebedarf beim Betrieb entsteht. Der mit dieser Form der Analog-Digital-Umsetzung verbundene Flächen- und Energiebedarf kann jeweils im Bereich von etwa 30 - 60 % des Gesamtflächenbedarfs bzw. des Gesamtenergiebedarfs der Schaltung liegen. Der Analog-Digital-Wandler der vorliegenden Erfindung löst insbesondere dieses Problem.
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2 stellt eine Matrixschaltungsanordnung, die einen Analog-Digital-Wandler umfasst, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dar. Der Analog-Digital-Wandler wird durch eine Referenzschaltung 22, eine Wandlereinheit 24 und, bevorzugt, eine Kodiereinheit 26 gebildet. Weiter ist eine Vektor-MatrixSchaltung 28 dargestellt, deren Ausgangsstrom gemessen werden soll, d.h. es soll ein digitales Signal oder ein binärer Wert erzeugt werden, der die Stärke des Ausgangsstroms anzeigt.
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Die Referenzschaltung 22 umfasst mehrere in Zeilen und einer Spalte angeordnete Referenzzellen 32 (von denen nur eine stellvertretend mit Bezugszeichen versehen ist), die dazu eingerichtet sind, einen elektrischen Referenzstrom in einer Referenzspaltenleitung 34, mit der sie verbunden sind, zu erzeugen. Jede Referenzzelle erzeugt dabei einen Zellenstrom in der Referenzspaltenleitung, der von der Spannung, die an einer Zeilenleitung 30, mit der die Referenzzelle verbunden ist, anliegt, abhängig ist. Weiterhin weisen die Referenzzellen einen programmierbaren Speicherzustand auf, von dem die Stärke des Zellenstroms ebenfalls abhängig ist.
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Der Zellenstrom (bzw. dessen Stärke) jeder Referenzzelle ist also von der an der entsprechenden Zeilenleitung anliegenden Spannung und dem Speicherzustand der Referenzzelle abhängig. Die Referenzzellen sind dabei alle in den gleichen Speicherzustand programmiert, d.h. bei gleicher an der Zeilenleitung anliegender Spannung ist die Stärke des jeweiligen Zellenstroms verschiedener Referenzzellen gleich. Die Referenzzellen befinden sich hier beispielsweise alle in dem Speicherzustand, der, für die jeweilige Spannung, zu einem maximalen Zellenstrom führt.
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In 2 umfassen die Referenzzellen Feldeffekttransistoren (FET) mit einstellbarer bzw. programmierbarer Schwellenspannung, insbesondere ferroelektrische Feldeffekttransistoren (FeFET) 36, wobei die Schwellenspannung dem Speicherzustand der Referenzzellen entspricht. Die Gateanschlüsse (Steueranschlüsse) der FeFET 36 sind mit der Zeilenleitung 30 verbunden, die der Zeile, in der sich der FeFET befindet, zugeordnet ist. Die Drainanschlüsse der FeFET sind mit der Referenzspaltenleitung 34 verbunden. Die Sourceanschlüsse der FeFET sind mit Sourceleitungen 38 verbunden, die hier, nicht weiter dargestellt, mit einem Bezugspotential (Masse) verbunden sind bzw. verbindbar sind, um die Funktion der Schaltung zu gewährleisten. Die FeFET 36 sind hier beispielhaft n-Kanal-Halbleiterschaltelemente vom Anreicherungstyp. Bei Ansteuerung der FeFETs mit einer Spannung über der eingestellten Schwellenspannung wird also ein Strom aus der Referenzspaltenleitung in die entsprechend Sourceleitung nach Masse abgeleitet. Der Referenzstrom fließt also in diesem Beispiel in die Referenzschaltung. Um für jede angelegte Spannung den maximalen Zellenstrom zu erhalten, müssen die FeFET in den Zustand, der der geringsten Schwellenspannung entspricht, programmiert sein.
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Die Referenzzellen können zusätzlich oder alternativ weitere Elemente zur Beeinflussung des erzeugten Zellenstroms umfassen, insbesondere Memristoren. Etwa könnte die Referenzschaltung aufgebaut sein, wie die der in den 1A und 1B gezeigte Vektor-Matrix-Multiplizierer, d.h. die Referenzzellen könnten durch Memristoren gebildet sein. Der jeweilige elektrische Leitwert bzw. Widerstand der Memristoren entspricht dann dem Speicherzustand. Ein möglichst großer Leitwert führt zu einem maximalen Strom. Ebenso können Memristoren und FETs, insbesondere FETs mit einstellbarer Schwellenspannung, kombiniert werden.
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Die Referenzspaltenleitung 34 ist in der Ausführungsform der 2 mit der Wandlereinheit 24 verbunden, z.B. mit einem an der Wandlereinheit vorgesehenen Wandlungsbreiteneingang, so dass die Wandlereinheit den Referenzstrom erhält. Die Wandlereinheit 26 ist so eingerichtet, dass sie ihre Wandlungsbandbreite entsprechend dem Referenzstrom einstellt bzw. bestimmt, d.h. die Wandlungsbandbreite ist gleich dem Referenzstrom.
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Entsprechende Wandlereinheiten sind dem Fachmann an sich bekannt, z.B. Stufen-Digital-Analog-Wandler, etwa sogenannte Flash-Digital-Analog-Wandler bzw. Parallel-Umsetzer. Da solche bekannten Wandlereinheiten oftmals ihre Wandlungsbandbreite aus einer Referenzspannung bestimmen, kann zusätzlich eine Strom-Spannungs-Wandlung vorgesehen sein, mittels derer der Referenzstrom in eine entsprechende Referenzspannung umgewandelt wird. Beispielsweise mittels eines Transimpedanzverstärkers (vgl. 1B), oder als Spannungsabfall über einen Widerstand, wobei dann ein Stromspiegel vorgesehen sein kann, um den Referenzstrom nicht durch diesen Widerstand zu beeinflussen. Diese Strom-Spannungs-Wandlung kann beispielsweise in der Referenzeinheit 22 oder in der Wandlereinheit 24 erfolgen.
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Die weiterhin in 2 dargestellte Matrixschaltung 28 umfasst in Zeilen und Spalten angeordnete Speicherzellen 42 die eine Speicherfunktion, d.h. einen programmierbaren Zustand aufweisen. Es sind beispielsweise drei Spalten dargestellt, wobei auch eine andere Anzahl von Spalten denkbar ist. In der dargestellten Ausführung umfassen die Speicherzellen 42, wie die Referenzzellen, Feldeffekttransistoren (FET) mit einstellbarer bzw. programmierbarer Schwellenspannung, insbesondere ferroelektrische Feldeffekttransistoren (FeFET) 46, die dem Speicherzustand der Speicherzellen entspricht. Die FeFET 46 sind matrixförmig in Zeilen und Spalten angeordnet, wobei für jede Zeilenleitung 30 eine Zeile und für jede Spalte eine Spaltenleitung 44 vorgesehen ist. Die Gateanschlüsse der FeFET 46 sind mit den Zeilenleitungen 30 verbunden, die Drainanschlüsse der FeFET 46 sind mit den Spaltenleitungen 44 verbunden und die Sourceanschlüsse der FeFET 46 sind mit den Sourceleitungen 38 verbunden. Die FeFET 46 sind beispielhaft hier n-Kanal-Halbleiterschaltelemente vom Anreicherungstyp. Bevorzugt weisen die FeFET der Matrixschaltung und die FeFET der Referenzschaltung die gleichen Eigenschaften bzw. den gleichen Aufbau auf, ihre Abhängigkeit von der an der Zeilenleitung anliegenden Spannung und dem Speicherzustand ist also identisch. Dies ist allgemeiner für die Referenz- und die Speicherzellen der Fall.
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Wie bereits im Zusammenhang mit den Referenzzellen beschrieben, hängt, wenn Eingangsspannungen an die Zeilenleitungen 30 angelegt werden, etwa durch entsprechende Spannungserzeugungselemente, die Stärke der Ströme, die durch die FeFET 46 von den Spaltenleitungen 44 zu den Sourceleitungen 38 geleitet werden, von den programmierten Speicherzuständen (Schwellenspannungen) und von den an den Zeilenleitungen anliegen Eingangsspannungen ab. Die FeFET 46 wirken als Stromsenken, im Unterschied zur Matrixschaltung der 1A und 1B, in der die Speicherzellen (Memristoren) als Stromquellen wirken. Die Gesamtstromstärken der in jeder Spaltenleitung in die FeFET 46 geleiteten Ströme repräsentieren die Ergebnisse der von der Matrixschaltung durchgeführten Vektor-Matrix-Operation.
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Ein Vorteil der Matrixschaltung der 4 gegenüber dem Vektor-Matrix-Multiplizierer der 1A und 1B ist, dass durch die Zeilenleitungen kein Strom fließt, da diese mit den Gates der FeFET 46 verbunden sind. Es kommt also nicht zu einem Spannungsabfall entlang der Zeilenleitungen 30, der zu Ungenauigkeiten im Ergebnis der durchgeführten Multiplikationen führt. Ebenso sind die Sourceanschlüsse der FeFET 46 mit dem Bezugspotential verbunden, so dass die Stromstärke des Storms durch die FeFET 46 (und damit das Ergebnis der durchgeführten Vektor-Matrix-Operation) unabhängig von einem etwaigen Spannungsabfall entlang der Spaltenleitungen 44 ist.
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Jede der Spaltenleitungen 44 ist über ein Halbleiterschaltelement 48 mit der Wandlereinheit 24 verbunden, so dass die Verbindung zwischen jeder der Spaltenleitungen und der Wandlereinheit zwischen einem leitenden Zustand und einem nichtleitenden Zustand hin und her geschaltet werden kann; es kann also z.B. gezielt genau eine der Spaltenleitungen 44 mit der Wandlereinheit 24 verbunden werden, so dass die Stromstärke des in dieser fließenden Stroms (Messstrom) durch die Wandlereinheit in Form eines digitalen Messsignals bestimmt werden kann. Wenn nur eine Spalte in der Matrixschaltung und entsprechend nur eine Spaltenleitung vorgesehen ist, kann auf ein Halbleiterschaltelement 48 in der Verbindung zwischen Spaltenleitung und Wandlereinheit verzichtet werden.
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Je nachdem, ob die Wandlereinheit 24 einen zu messenden Strom oder eine zu messende Spannung entgegennimmt, ist eventuell wieder eine Strom-Spannungs-Wandlung vorzusehen, ähnlich wie im Falle des Referenzstroms, beispielsweise mittels eines Transimpedanzverstärkers (vgl. 1B), oder als Spannungsabfall über einem Widerstand, wobei dann ein Stromspiegel vorgesehen sein kann, um den Referenzstrom nicht durch diesen Widerstand zu beeinflussen. Diese Strom-Spannungs-Wandlung kann beispielsweise in der Matrixschaltung 28 oder in der Wandlereinheit 24 erfolgen.
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Das von der Wandlereinheit 24 bestimmte digitale Messsignal wird ebenso wie eine Referenzinformation, die die Stärke des Referenzstroms anzeigt und die von der Referenzschaltung erzeugt wird, an die Kodiereinheit 26 übermittelt. Aus dem digitalen Messsignal, das bevorzugt als Binärwert gegeben ist, und der Referenzinformation, die bevorzugt ebenso als Binärwert gegeben ist, wird durch die Kodiereinheit 26 ein digitaler Messwert bestimmt, welcher der Stärke des Messstroms entspricht, im Prinzip durch Multiplikation des digitalen Messsignals bzw. des entsprechenden Binärwerts mit der Referenzinformation bzw. dem entsprechendem Binärwert. Der digitale Messwert wird bevorzugt als binärer Messwert bestimmt. Um Binärwerte zu erzeugen, etwa wenn das entsprechende digitale Signal bzw. der entsprechende digitale Wert in Form eines sogenannten BCD-Zählcodes (engl. ‚unary coding‘ oder ‚thermometer code‘) vorliegt, können entsprechende Binärwandler vorgesehen sein (in der Referenzschaltung, der Wandlereinheit und/oder der Kodiereinheit), die entsprechend eingerichtet sind.
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Insgesamt ergibt sich folgende Funktion: Spannungen, die zu den Einträgen eines Eingangsvektors 50, der etwa in Form binärer Zahlen vorliegt, proportional sind, werden an die Zeilenleitungen 30 angelegt, etwa mittels einer Spannungserzeugungsschaltung 54 (vergleichbar mit den Digital-Analog-Wandlern 14 der 1A).
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In der Referenzschaltung 22 wird ein entsprechender Referenzstrom erzeugt, der die Wandlungsbandbreite der Wandlereinheit 24 vorgibt.
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In der Matrixschaltung 26 wird ein Messstrom erzeugt, der von der Wandlereinheit entsprechend der Wandlungsbandbreite gemessen wird, d.h. eine entsprechende Stufe wird als digitales Messsignal erzeugt, wobei die Wandlungsbandbreite der höchsten Stufe einer Anzahl von Stufen der Wandlereinheit entspricht.
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In der Kodiereinheit 26 wird dann aus dem digitalen Messsignal und der ebenfalls empfangenen Referenzinformation ein Ausgangswert 56 gebildet, der das Skalarprodukt des Eingangsvektors mit Gewichten ist, die den Speicherzuständen der Speicherzelle einer Spalte entsprechen, die über ein Halbleiterschaltelement 48 mit der Wandlereinheit 24 verbunden ist.
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Statt der in 2 dargestellten Matrixschaltung kann ebenso der Vektor-Matrix-Multiplizierer der 1A und 1B verwendet werden. In diesem Fall sollte die Referenzschaltung ebenso mit Memristoren ausgeführt werden. Die Speicher- bzw. Referenzzellen wirken dann als Stromquellen.
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In 2 ist lediglich eine einzelne Matrixschaltung mit einem einzigen mit der Wandlereinheit verbundenen Ausgang dargestellt. Es ist auch möglich, mehrere Matrixschaltungen und/oder Matrixschaltungen mit mehreren Ausgängen (beispielsweise könnte für jede Spaltenleitung ein Ausgang vorgesehen sein) zu verwenden. Es können dann mehrere Wandlereinheiten vorgesehen sein, die mit den dann mehreren Ausgängen verbunden sind. Im Prinzip kann jede dieser Wandlereinheiten mit der Referenzspaltenleitung 34 verbunden sein, eventuell über Stromspiegel. Entsprechend ist die Kodiereinheit in der Lage, die Messsignale von mehreren Wandlereinheiten zu verarbeiten und/oder es sind mehrere Kodiereinheiten vorgesehen.
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Beispielhaft ist in der Figur lediglich eine Referenzspaltenleitung in der Referenzschaltung umfasst, in der ein einziger Referenzstrom erzeugt wird. Allgemeiner kann die Referenzschaltung auch mehrere Referenzspaltenleitungen umfassen, in denen mehrere Referenzströme erzeugt werden. Entsprechend sind dann auch mehrere Spalten mit Referenzzellen vorgesehen, d.h. für jede Referenzspaltenleitung eine entsprechende Spalte mit Referenzzellen, die mit der Referenzspaltenleitung verbunden sind.
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Verschiedene Referenzspaltenleitungen können mit verschiedenen Wandlereinheiten verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich ist gemäß einer bevorzugten Ausführung vorgesehen, die Referenzzellen, die mit verschiedenen Referenzspaltenleitungen verbunden sind, in verschiedene Speicherzustände zu programmieren, so dass verschiedene Referenzströme mit verschiedenen Stromstärken erzeugt werden. Dies können z.B. Stromstärken sein, die verschiedene Stufen einer Wandlereinheit, die entsprechend über Stufeneingänge einstellbare Stufen aufweist, bestimmen. Etwa könnten die Referenzzellen einer Maximal-Referenzspaltenleitung so programmiert sein, dass (für jede Spannung) der stärkste Zellenstrom erzeugt wird, und Referenzzellen weiterer Stufen-Referenzspaltenleitungen so programmiert sein, dass Zellenströme erzeugt werden, die Bruchteilen des stärksten Zellenstroms entsprechen. Entsprechende (Stufen-)Referenzströme sind dann entsprechend den Bruchteilen relativ zum (Maximal-)Referenzstrom der Maximal-Referenzspaltenleitung abgestuft.
