应用于边缘端视觉感知系统的低功耗片上缓冲存储器

来源：电子与信息学报杂志2025年第9期北京时间：

作者：陈漠, 张静, 王艳蓉, 麦麦提·那扎买提, 乔飞

单位：1.北方工业大学集成电路学院 北京 1001442.清华大学电子工程系 北京 100084

摘要：视觉感知系统通过算法提取信息，但其能效受限于感知过程中数据转换与搬移的功耗开销。采用片上缓存实现边缘端系统中数据的存储与交互，通过减少对冗余信息的传输与搬运过程中的功耗，可有效降低系统的整体功耗。该研究提出了一种面向边缘计算的低功耗片上缓冲存储器(Cache)设计方案。该方案基于静态随机存取存储器(SRAM)单元，根据系统中二值神经网络层间数据量峰值，将缓存容量定制为40.5 kbit，集成在芯片内，专用于存储视觉感知系统的神经网络层间数据。针对传统单体式片上缓存功耗过高的问题，该方案采用分块式存储架构，依据二值神经网络最大池化层输出特征，将缓存阵列划分为8个独立可关断的72×72位子阵列。通过分块存储机制，数据存取过程中的动态功耗得到了有效降低。同时，该文进一步提出动态存储控制策略，利用卷积运算时层间数据量逐层递减的特性，在存取第2层卷积数据时，仅激活必要子阵列，由存储控制模块动态关闭未使用区块，实现功耗深度优化。在TSMC 180 nm CMOS工艺下仿真，结果表明时钟频率在10 MHz时，相较于单一式架构，分块式缓存在存储第1层卷积数据时，读写动态功耗降低64.97%；结合动态存储控制策略后，存储第2层卷积数据时的读写动态功耗进一步降低52.9%。该设计为边缘端视觉感知系统提供了高能效的片上存储解决方案。

关键词：片上缓冲存储器, 低功耗设计, 静态随机存取存储器

基金资助：北京市自然科学基金(L253009)，新疆维吾尔自治区重点研发计划(2022B01008-3)，国家自然科学基金(92164203, 62334006)