[发明专利]基于斯格明子的随机数据流计算系统和计算控制方法

说明书

本发明提供一种基于斯格明子的随机数据流计算系统和计算控制方法，该系统包括：依次连接的随机数产生模块、数据存储模块以及随机运算模块；该随机数产生模块根据输入数据产生真随机数据流；该数据存储模块用于存储该真随机数据流，和/或存储由该随机运算模块输出的运算结果；该随机运算模块对该数据存储模块中的数据进行逻辑运算，并将运算结果发送至该数据存储模块和/或将该运算结果输出；其中，该随机数产生模块、该数据存储模块以及该随机运算模块中至少一个包含斯格明子，使得基于斯格明子的随机数据流计算系统的尺寸更小，降低了系统功耗及面积。

技术领域

本发明涉及自旋电子技术领域，尤其涉及一种基于斯格明子的随机数据流计算系统和计算控制方法。

背景技术

目前，物联网和人工智能等大数据应用兴起，端侧智能场景对于硬件的计算性能要求越来越高，尤其是在面对大量的矩阵运算时。为了完成矩阵乘加运算，传统的解决方式是利用包含乘法器和加法器等逻辑运算单元的ALU(arithmetic and logic unit)。但是，随着数据量的增大和网络规模的扩张，需要用到的ALU数量也越来越多，使得数据处理模块在芯片中占用的面积过大，无法在计算资源有限的面向智能物联网(AIoT)的端侧硬件上得到有效配置。研究发现，随机计算可以将加法、比较复杂的数学运算转换为与、或、异或等简单的逻辑运算，使运算复杂度大幅下降，同时也使得硬件设计复杂度明显降低。

随机计算是指在传统的精确计算的基础上加入了随机因素，即通过随机数选择算法的下一步操作。随机计算的一个基本特征是数字可以由非常简单的电路处理的比特流表示，而数字本身被解释为概率，即这串比特流中每一个比特为1的概率，如传统的浮点数7/10，就可以用10101111011这一串二进制数来进行表示。根据伯努利大数定律，概率可以用频率来估计，即每一位比特为1的概率可以用这串比特流中的1的个数在比特流中的占比来表示。随机计算在概率域对信息进行重新编码，将信息转化为一串“01”序列，该序列中“1”的个数在整个序列中的占比就代表着信道信息的概率。

目前，在集成电路领域的随机计算硬件，其原理多为基于CMOS的制程中出现的工艺偏差或者热扰动。随着工艺尺寸的进一步微缩，基于CMOS的随机计算硬件，系统功耗及面积比例增加，而面积无法进一步减小。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供一种基于斯格明子的随机数据流计算系统和计算控制方法，能够至少部分地解决现有技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，提供一种基于斯格明子的随机数据流计算系统，包括：依次连接的随机数产生模块、数据存储模块以及随机运算模块；该随机数产生模块根据输入数据产生真随机数据流；该数据存储模块用于存储该真随机数据流，和/或存储由该随机运算模块输出的运算结果；该随机运算模块对该数据存储模块中的数据进行逻辑运算，并将运算结果发送至该数据存储模块和/或将该运算结果输出；

其中，该随机数产生模块、该数据存储模块以及该随机运算模块中至少一个包含斯格明子。

进一步地，该随机数产生模块包括：斯格明子随机数发生器、比较器以及输入缓存单元；

该输入缓存单元用于缓存该输入数据，该斯格明子随机数发生器用于产生随机数，该比较器比较该输入数据与该随机数产生该真随机数据流。

进一步地，该斯格明子随机数发生器包括：从下到上依此设置的重金属层、铁磁自由层、隧穿层以及铁磁固定层，该隧穿层以及该铁磁固定层包括大小相同的两部分，形成两个磁隧道结，用于感知铁磁自由层中的磁阻变化。

进一步地，该数据存储模块包括：斯格明子赛道存储器。

进一步地，该斯格明子赛道存储器包括：多条赛道，每条赛道均包括：斯格明子写入端、斯格明子读取端、纳米轨道、数据输入端以及数据输出端；