基于固态与声学物理介质的推理加速及权重存储装置的制作方法

本发明涉及物理计算与信号处理硬件，具体涉及一种利用多种物理效应（包括声学传播效应或电子输运效应作为第一物理效应、以及相变效应作为第二物理效应）协同实现信号处理加速和数据物理存储的装置及方法，其国际专利分类号为g06n5/04（推理系统）、g06n3/04（神经网络架构）、g11c13/00（非易失存储器，涵盖相变存储器）、h01l45/00（固态存储器件，涵盖忆阻器阻变存储器）、h03h9/00（声表面波器件）、g06f13/00（多物理域数据交互总线，涵盖物理总线）。该装置尤其适用于人工智能推理任务中的高速信号预处理与参数存储场景。上位化概念说明：本发明中的"第一物理效应"和"第二物理效应"是上位概念。第一物理效应涵盖任何对输入信号进行被动调制的物理机制，包括但不限于声学传播效应（声表面波、体声波）、电子输运效应（忆阻器阻变、晶体管沟道调制）、磁振子传播效应（自旋波传播）、热传导效应（热流调制）。第二物理效应涵盖任何用于非易失信息存储的物理机制，包括但不限于相变效应、阻变效应、磁变效应、铁电效应。

背景技术：

1、can li等(2019)在 nature machine intelligence 报道了基于忆阻器交叉阵列的长短期记忆(lstm)网络实现[1],展示了模拟域忆阻器交叉阵列执行深度学习计算的可行性.本发明固态物理映射结构采用类似忆阻器交叉阵列架构,实现约束检查的模拟域并行计算.

2、can li等(2018)在 ieee international symposium on circuits and systems提出大规模忆阻器交叉阵列用于模拟域计算[2],展示了忆阻器作为模拟计算单元的扩展性.本发明固态物理映射结构的忆阻器实施例采用类似的大规模交叉阵列架构,实现约束条件的并行硬件级检查.

3、lingyun shi等(2020)在 nanoscale advances 综述了忆阻器交叉阵列中的潜行路径问题及解决方案(doi:10.1039/d0na00100g).本发明固态物理映射结构的忆阻器实施例在设计中考虑了潜行路径问题,通过选择合适的忆阻器材料(如pt/taox/ta)与读出电路配合,降低潜行电流对计算精度的影响.

4、现有信号处理与推理加速硬件主要依赖单一物理介质或第一物理效应：

5、（1）内容可寻址存储器（tcam）用于规则匹配（如 us 10,824,938 b2 公开的基于内容可寻址存储器的规则匹配引擎），匹配速度受限于搜索时钟周期，且功耗随阵列规模线性增长。

6、（2）现场可编程门阵列（fpga）用于可重构逻辑，但受限于数字域串行处理的时钟频率和功耗。

7、（3）忆阻器交叉阵列已被用于神经网络存内计算（如 cn 112668702 a 公开的忆阻器存内计算方案），但现有技术中忆阻器的阻值存储的是神经网络突触权重，功能集中于矩阵乘法。近年来，中国科学院微电子所刘明院士团队提出了基于忆阻器交叉阵列的神经-模糊硬件系统，将模糊逻辑和规则形式的符号知识直接用记忆交叉阵列的拓扑结构表示。

8、然而，该类方案仍局限于单一第一物理效应（电子输运效应）完成全部计算和存储功能。

9、（4）声表面波（saw）器件（如 h03h9/00 分类下的声表面波延迟线）已被用于射频信号处理和卷积运算，但现有方案中 saw 仅作为独立的时域信号处理介质，未与忆阻器或相变存储器等其他物理效应介质进行异构协同集成。

10、（5）相变存储器（pcm）已被用于非易失性存储和存内计算，但现有方案中 pcm 通常仅作为单一的权重存储介质，未与声学或电子输运等其他物理效应介质进行异构集成。

11、（6）现有方案均采用单一第一物理介质或单一第一物理效应，无法针对信号处理过程中不同操作类型（时域匹配、模拟域约束检查、非易失数据存储）选择最优的物理实现方式。将多种物理效应（声学传播效应或电子输运效应作为第一物理效应用于超快时域匹配或低功耗模拟域约束检查、以及相变效应作为第二物理效应用于非易失多值存储）进行异构协同集成——这一技术路径在现有技术中尚未见三种物理效应完整协同的公开实现。

12、值得说明的是，近年来已出现将声表面波与忆阻器协同集成的探索：zhang y.（香港大学，2025年博士学位论文《programmable piezoelectric surface acoustic wavedeep neural network with integrated memory function》）提出了可编程压电声表面波深度神经网络，通过声电效应实现可重构神经元，并将基于ag⁺的忆阻器与声表面波移相器集成，实现具有非易失偏置保持的二元相位调谐，用于二值化声表面波神经网络的向量分类（实验分类准确率达91.7%）。

13、与上述工作相比，本发明的区别在于：（1）本发明采用声表面波（声学传播效应）、忆阻器（电子输运效应）与相变存储器（相变效应）三种物理学原理互不相同的物理介质协同，而非两介质的二元相位调谐；（2）本发明权利要求明确限定第一物理效应与第二物理效应在物理学原理上不同，并通过现场可编程门阵列互连控制模块协调推理步骤间的数据传递；（3）本发明中第一物理介质在推理计算过程中处于被动状态、参数空间分布固化且不被电信号改写，该限定在上述现有声表面波计算方案中均未公开。

技术实现思路

1、发明目的

2、本发明要解决的技术问题是：现有信号处理与推理加速硬件均依赖单一物理介质或第一物理效应，无法利用不同物理效应的固有特性分别优化信号处理过程中的不同操作类型，且数据存储缺乏低功耗的非易失持久化方案。具体而言，声学传播效应具有传播延迟时间短（纳秒级）的固有优势，但难以实现多值非易失存储；电子输运效应（忆阻器）可实现低功耗模拟域计算，但同样缺乏非易失多值存储能力；

3、相变效应可实现多值非易失存储，但信号传播速度受限于电学读写路径。现有技术中尚不存在将上述三种物理效应的优势进行异构协同集成的方案。

4、技术方案

5、本发明提供一种基于多种物理效应协同的信号处理及数据存储装置及方法。

6、其核心发明构思为：将多种在微观机制上完全独立的物理效应协同使用——第一物理效应（声学传播效应或电子输运效应）执行信号变换或约束检查，第二物理效应（相变效应）实现数据的非易失多值存储——使不同物理效应各自承担信号处理过程中最适合其物理特性的操作类型，形成异构物理效应协同架构。

7、第一物理效应主要解决"信号传播与模拟域运算"，第二物理效应主要解决"多值材料状态固化"，二者在器件微纳结构、材料属性、信号激励方式及信号读取机制上均有独立的物理实现路径，通过物理总线实现跨物理域的数据交互。

8、进一步地，本发明与现有技术的区别技术特征在于：将微观机制上完全独立的第一物理效应与第二物理效应通过物理总线协同集成于同一装置，使第一物理效应执行信号传播与模拟域运算、第二物理效应执行多值非易失存储，二者在器件微纳结构、材料属性、信号激励方式及信号读取机制上均具有独立的物理实现路径。该区别特征并非本领域常规技术手段的组合：现有技术中，声表面波延迟线、忆阻器阵列、相变存储分别用于射频信号处理、电阻式存储和固态存储，本领域技术人员没有动机将三者通过物理总线异构协同集成以分别优化不同操作类型——现有技术未给出将微观机制完全独立的物理效应按操作类型分工并协同集成的技术启示，亦未公开采用物理总线实现跨物理域数据交互的方案。本发明的异构协同集成实现了信号处理延迟与存储非易失性的同时优化，取得了现有单一物理介质方案无法达到的技术效果，因此本发明的技术方案是非显而易见的。

9、进一步地，本发明与声表面波卷积器及异构集成方案相区别：声表面波（saw）卷积器虽已用于射频信号处理中的卷积运算，但其为独立的时域信号处理器件，仅实现单个卷积运算，不与忆阻器约束检查或相变存储协同；can li等（2019）的忆阻器lstm网络以及异构集成综述中的忆阻/rram三维交叉阵列，均属于单一物理效应（电子输运）体系内的集成，未将声学传播效应、电子输运效应与相变效应按信号处理中不同操作类型（时域匹配、模拟域约束检查、非易失多值存储）进行分工协同。本发明通过物理总线将微观机制上完全独立的第一物理效应与第二物理效应集成于同一装置，使不同物理效应各自承担最适合其物理特性的操作类型，属于异构多物理效应协同架构，在现有技术中未公开且无组合启示。

10、基于上述区别技术特征，本发明实际解决的技术问题是：如何使不同物理效应各自承担信号处理中最适合其物理特性的操作类型并协同工作，避免单一物理介质无法同时满足信号处理实时性与数据持久性的缺陷。通过以物理总线将第一物理效应（声学传播或电子输运）与第二物理效应（相变）异构集成并按操作类型分工，本发明实现了实时性、功耗与可靠性的最优平衡。

11、该装置包括：

12、输入编码模块：将待处理的输入数据转换为电信号或声信号，所述电信号或声信号的至少一个物理属性（如频率、相位、幅度、时序）编码了输入数据的取值信息。

13、物理映射结构：利用第一物理效应对输入信号进行直接调制，根据信号处理任务类型选择声学传播效应（声表面波延迟线阵列）或电子输运效应（忆阻器交叉阵列）实现。该物理映射结构具有依据预定的信号变换规则固化形成的非均匀参数空间分布——在声学方案中为反射栅的位置、宽度和间距分布；在电子输运方案中为忆阻器单元的阻值分布。

14、输出解码模块：感测输出信号的可测物理特征（如脉冲到达时间、电流幅值）并映射为输出结果。

15、非易失数据存储单元：利用第二物理效应（相变效应）实现数据的非易失多值持久化存储，通过物理总线（模拟信号总线）与物理映射结构连接。

16、有益效果

17、（1）信号处理延迟极低：利用声学传播效应时，声表面波（saw, surface acousticwave）在压电衬底上的传播速度为约3960m/s（128°y-x 切 linbo3 标准值；参 d. p.morgan "surface acoustic waves and signal processing" elsevier 2007 table3.4；

18、c. c. w. ruppel & t. fjeldy eds. "advances in saw technology, systemsand applications" world scientific 2000），反射栅之间的传播延迟为纳秒级（v=3960m/s → 100μm 距离需 25.2ns 往返；

19、验证实施例一 80ns 总 saw 传播时间对应约 0.32mm 衬底传播距离，物理可达），信号处理速度与规则数量无关（需满足反射栅密度低于声表面波脉冲的时间分辨率条件；f=200mhz 时 τ=1/f=5ns，对应空间 v·τ/2 = 9.9μm 极限）。

20、（2）约束检查功耗极低：利用电子输运效应（忆阻器交叉阵列）时，约束检查通过无源器件的欧姆定律（i = v/r）完成，无需有源放大电路，单次约束检查功耗可低至微瓦级。

21、（3）数据存储非易失且支持多值：利用相变效应时，gst材料的晶态/非晶态电阻状态在断电后持续保持，存储保持时间超过10年（@85°c；商业级 pcm 典型保持时间 10 年 @85°c，参 micron 3d xpoint 数据手册 2017；ibm 商用 pcm 论文 mantey 2015 印证 10年保持；

22、h.-s. p. wong 2010 proc. ieee 印证），无需刷新功耗——与dram（需周期性刷新以保持数据，典型刷新功耗约10mw/gb；jedec ddr4 标准 jesd79-4 印证；hennessy &patterson "computer architecture" 6th ed. 2017 ch.2 印证）相比，pcm的非易失特性使数据保持功耗为零，无需刷新操作。

23、同时，通过控制set脉冲宽度可实现至少8个可区分的电阻状态，支持多值数据存储。

24、（4）异构协同优化：通过将不同物理效应分别用于最适合的操作类型（声学用于超快时域匹配、电子用于低功耗模拟域约束检查、相变用于非易失多值存储），实现了整体性能、功耗和可靠性的最优平衡，填补了现有技术中多种物理效应异构协同集成的空白。