[发明专利]一种用于概率计算的两段式集中序列生成器

说明书

一种用于概率计算的两段式集中序列生成器，属于集成电路领域，具体涉及一种开关电流型两段式概率计算集中序列生成器。解决了现有技术中无法给出生成两段式集中序列生成器的问题。本发明可以将模拟信号直接生成概率运算能够处理的两段式集中序列，两段式集中序列分别由高位段序列生成电路和低位段序列生成电路获得，中间没有使用二进制表示，能够增强序列生成过程对比特翻转的不敏感性；此外由该序列生成器生成的序列呈集中式分布，有利于提高概率计算中乘法运算的精度，且这种集中分布的序列增强了系统对于单比特反转的纠错能力。本发明主要应用于基于概率计算的高性能运算单元、数字信号处理单元，通信编解码单元等。

技术领域

本发明属于集成电路领域，具体涉及一种开关电流型两段式概率计算集中序列生成器。

背景技术

概率计算是一种无权重的数值计算系统，它使用二进制随机比特流中“1”所占的比例来表征数据的大小。例如下式中，对于十进制小数0.25，用二进制表示为0.01，在概率计算中，可以用0001、0100、00100100等等表示。

(0.25)₁₀＝(0×2⁰+0×2^-1+1×2^-2)₁₀＝(0.01)₂

＝(0001)_SC4＝(00100100)_SC8＝(11000000)_SC8 (公式一)；

概率计算的一个突出优点是，当数值按随机比特序列生成后，其原来复杂的算术运算可以由非常简单的硬件逻辑电路实现；例如，加法可以由一个数据选择器实现，乘法可以由一个与门实现，除法则可以由一个JK触发器实现等。

概率计算的另一个重要特征就是容错性，特别是针对由于外界辐射所带来的比特翻转错误。

在随机序列中，一个比特发生错误所带来的误差是十分微小的；以纯小数为例，比如序列00100100中，单比特翻转所带来的误差仅为1/8，但在传统二进制系统中，单比特翻转发生的错误幅度最高可达到0.5，这种特性得益于在概率计算中，其每个比特的权重都是同等的。

一个典型的概率计算系统，首先要包含序列生成器，序列生成器将信号转换为概率计算系统可以处理的随机比特序列。

传统的序列生成器构成如图1所示，利用数字比较器，待转换的数值(可预先归一化到0～1之间，且用二进制表示)与N个0～1之间随机数逐次比较，可以得到所需的随机序列D^N。N个随机数是由线性反馈移位寄存器(LFSR)得到的，而信号从输入到表示成二进制形式是由模数转换器(ADC)实现的。尽管概率计算本身具有较好的容错性能，但二进制系统对比特翻转非常敏感，标准CMOS工艺下存储单元(如寄存器等)在受到高能粒子的辐照下，可以导致所存数据的位翻转，即单粒子翻转(SEU)现象。

传统序列生成器中包含基于LFSR的随机数发生器和ADC，其一、如果LFSR受SEU影响发生为翻转，将极大的影响序列生成器性能；其二、ADC作为LFSR的随机数发生器前面的数字和模拟信号的接口，其中必然包含寄存器等数字存储单元，如果ADC长时间暴露在辐照环境下，也会给系统的可靠运行带来风险，ADC可以采用三模冗余结构对存储单元进行加固，但这只能使电路出现错误的概率降低，并不能从根本上消除比特翻转带来的影响。

因此，传统序列生成器中通过ADC对数据进行二进制表示过程中，对比特翻转非常敏感，且通由线性反馈移位寄存器(LFSR)将二进制数据与N个0～1之间随机数逐次比较从而生成随机序列D^N的过程中，也易发生单粒子翻转(SEU)现象，导致传统序列生成器生成的随机比特序列的错误率高，准确率低。