计算乘积和值的装置的制作方法

本发明关于计算乘积和值的装置，特别涉及包含具有两并联的电阻的电阻单元的计算乘积和值的装置。

背景技术：

根据当前技术，若欲相加多个乘积以求总和，则须先将多对系数予以相乘，以求得多个乘积，再将所得的多个乘积予以相加。因此，为了求得乘积和，须使用大量的乘法器及加法器。

然而，乘法器的电路常须占据大量的电路面积，且功率不易缩减。以人工智能为例，加权和模型(weightedsummodel)常用以调整多个系数的每一者的重要性，以助人工智能机器做出决策，故于人工智能的相关电路中，常须执行大量的乘积和的计算，故该领域的电路常有面积及功率不易缩减的难题。当前尚缺适宜的解决方案，以计算乘积和，并兼及改善电路特性。

技术实现要素：

实施例提供一种计算乘积和值的装置，包含第一电阻单元、第二电阻单元、第一电流源、第二电流源及差分放大器。该第一电阻单元包含两并联的电阻。该第二电阻单元包含两并联的电阻。该第一电流源，耦接于该第一电阻单元，从而产生第一电压。该第二电流源耦接于该第二电阻单元，从而产生第二电压。该差分放大器接收该第一电压及该第二电压及据以产生差分信号，其中该差分信号对应于一乘积和值。

另一实施例提供一种计算乘积和的装置，包含一组操作单元及一放大器。该组操作单元的每一操作单元包含一第一电阻单元、一第二电阻单元、一第一电流源、一第二电流源及一差分放大器。该第一电阻单元包含两并联的电阻。该第二电阻单元包含两并联的电阻。该第一电流源耦接于该第一电阻单元，从而产生一第一电压。该第二电流源，耦接于该第二电阻单元，从而产生一第二电压。该差分放大器，接收该第一电压及该第二电压及据以产生一差分信号，其中该差分信号对应于一乘积和值。该放大器耦接于该组操作单元，接收该组操作单元产生的一组差分信号，以产生一结果信号，该结果信号对应于一组乘积和值之和。

另一实施例提供一种计算乘积和的装置，包含一组操作单元及一放大器。该组操作单元的每个操作单元包含一第一电阻单元、一第二电阻单元、一第一电流源、一第二电流源及一取样单元。该第一电阻单元包含两并联的电阻。该第二电阻单元包含两并联的电阻。该第一电流源耦接于该第一电阻单元，从而产生一第一电压。该第二电流源，耦接于该第二电阻单元，从而产生一第二电压。该取样单元，耦接于该第一电阻单元及该第二电阻单元，以取样该第一电压及该第二电压，其中该第一电压及该第二电压对应于一乘积和值。该放大器耦接于该多个操作单元，接收该组操作单元输出的一组第一电压及一组第二电压，以产生一结果信号，该结果信号对应于一组乘积和值之和。

附图说明

图1是实施例中，电阻单元的示意图。

图2是实施例中，计算乘积和值的装置的示意图。

图3是另一实施例中，计算乘积和值的装置的示意图。

图4为另一实施例中，计算乘积和值的装置的示意图。

图5为另一实施例中，计算乘积和值的装置的示意图。

图6为图5中，第y取样单元的电路示意图。

图7为图5及图6中，控制各取样单元的时序图。

附图标记说明：

200,300,400,500：装置

410：放大器

adc：模拟转数字转换器

ap1至apn：差分放大器

csy：电容

gnd：地端

i1至i2n：电流源

rfb：反馈电阻

ru至ru2n：电阻单元

s,s1,s2,node1至noden：节点

sd：数字信号

sdiff1至sdiffn：差分信号

sr：结果信号

su1至sun,suy：取样单元

syh,sy,s1h至snh,s1至sn：信号

t1至tn,ty：时段

v1至v2n：电压

cf：积分电容

510：差分转单端转换器

具体实施方式

为了求得乘积和值，并兼及缩减电路的面积与功率，实施例提供计算乘积和值的装置，如下所述。本文中，「*」及「·」符号皆为乘法符号。本文所述的乘积和值，可为单个乘积、或多个乘积相加的总和。

图1是实施例中，电阻单元ru的示意图。电阻单元ru包含两并联的电阻，其中一电阻的阻值表示为r*x，另一电阻的阻值表示为r*(1-x)，其中r为预定阻值，x为参数，且0<x<1。故，若由节点s看入，等效电阻rout可如算式(1)所示：

若给定两参数a及b，其中0≤|a|≤1/4且0≤|b|≤1/4，设定变数x1如算式(2)所示：

将x1带入算式(1)的x，结果称为rout,1，其可如算式(3)所示：

又，若设定变数x2如算式(4)所示：

将x2带入算式(1)的x，结果称为rout,2，其可如算式(5)所示：

换言之，上述的rout,1及rout,1可为两种不同设定下的电阻单元ru等效电阻。若比较算式(3)及(5)，可解析得到算式(6)及(7)如下：

共同项(commonterm)：

差异项(differenceterm)：2·a·b(7)

亦即，上述的等效电阻rout,1与rout,2具有一相同的常数项(6)，及一极性相反的常数项(7)。若应用在模拟电路上，算式(6)及(7)可视为对应于共模信号(common-modesignal)及差分信号(differentialsignal)的概念。

上述原理可应用于下文所述的电路，以求得乘积和值。本文中，图2至图5提及的每个电阻单元，可相似于图1的电阻单元，包含两并联的电阻，其中一电阻的阻值表示为r*x，另一电阻的阻值表示为r*(1-x)，且r与x的值可随需要而调整。

图2是实施例中，计算乘积和值的装置200的示意图。装置200包含第一电阻单元ru1、第二电阻单元ru2、第一电流源i1、第二电流源i2及差分放大器ap1。第一电流源i1耦接于第1电阻单元ru1，从而产生第一电压v1。第二电流源i2耦接于第2电阻单元，从而产生第二电压v2。差分放大器ap1接收第一电压v2及第二电压v2，据以产生差分信号sdiff1。

图2中，第1电阻单元ru1由节点s1看入的等效电阻为算式(3)的rout,1，且第2电阻单元ru2由节点s2看入的等效电阻为算式(5)的rout,2，电压v1及v2由电流源i1及电流源i2流入电阻单元ru1及ru2而分别产生，因差分放大器ap1可将电压v1及v2的差异部分取出，故差分信号sdiff1对应于算式(7)的差异项，正比于参数a与b的乘积a*b；于此文中，可将a*b定义为一乘积和值，因此，差分信号sdiff1可对应于乘积和值。

如图2所示，装置200可另包含模拟数字转换器adc，用以接收差分信号sdiff1，以产生数字信号sd，其中数字信号sd对应于乘积和值a*b。如上所述，可解析数字信号sd，以得知参数a、b的乘积a*b。

举例而言，若欲计算8位元的两数的乘积，例如64*17，可将64设定为参数a，将17设定另一参数b，即可使用图2的架构，根据数字信号sd，得知参数a*b的乘积，再查表得知64*17的结果。因此，可避免使用乘法器，从而减少电路的面积与功耗。

图1及图2的架构可用以计算乘积和值。现以人工智能的应用为例，典型需求为多个乘积的相加，如算式(8)所示：

举例来说，ai可为变数，bi可为对应的权重，l为加权计算的结果。若欲执行例如算式(8)的计算，可根据图2的架构及原理，使用图3的装置。

图3是另一实施例中，计算乘积和值的装置300的示意图。装置300与装置200的相同处不重述，比起装置200，装置300另包含第一组电阻单元g1与第二组电阻单元g2。如图3所示，第一组电阻单元g1以串接方式耦接于第一电阻单元ru1，且第二组电阻单元g2以串接方式耦接于第二电阻单元ru2。

如图3所示，第一组电阻单元g1可包含第三电阻单元ru3、第五电阻单元ru5等序号为奇数的电阻单元；且第二组电阻单元g2可包含第四电阻单元ru4、第六电阻单元ru6等序号为偶数的电阻单元。图3的m为偶数。

图3中，差分放大器ap1的一输入端耦接至(例如，位于左侧的)第一电阻单元ru1与第一组电阻单元g1，其可用简单描述的；而差分放大器ap1的另一输入端耦接至(例如，位于右侧的)第二电阻单元ru2与第二组电阻单元g2，其可用简单描述的。因此，差分信号sdiff1对应的乘积累加值可正比于：∑α＝1(aα*bα)＝a1*b1+a2*b2+a3*b3+…，其中变数α为正整数。根据实施例，α与m的关系可为因此，图3的装置可用以得到多个乘积累加的乘积和值。

图3的电路虽可用以得到乘积和值，但因多个电阻单元串接，当电流流过后，可能导致第一电压v1及第二电压v2过高，而超过差分放大器ap1可接收的范围，因此，亦可使用图4的结构以求得乘积和值。

图4为另一实施例中，计算乘积和值的装置400的示意图。如图4所示，装置400可包含一组操作单元pu1至pun，及放大器410。图4的每一操作单元可包含相似的结构。以操作单元pu1为例，操作单元pu1可包含第一电阻单元ru1、第二电阻单元ru2、第一电流源i1、第二电流源i2及差分放大器ap1，其耦接方式、电阻的阻值配置、及相关操作原理，相似于图2，故不重述。

操作单元pu1至pun分别产生差分信号sdiff1至sdiffn。差分信号sdiff1对应于乘积和值a1*b1，差分信号sdiff2对应于乘积和值a2*b2，以此类推，差分信号sdiffn对应于乘积和值an*bn。放大器410接收差分信号sdiff1至sdiffn，以产生结果信号sr，其中结果信号sr对应于乘积和值a1*b1至乘积和值an*bn之和，亦即a1*b1+a2*b2+…+an*bn。

图4中，节点node1至noden的电压，可根据重叠原理(superposition)叠加于放大器410的输入端，各电压扣除参考电压vref后，除以阻抗产生电流，电流的总和流过反馈电阻rfb，于放大器410的输出端产生电压，亦即结果信号sr。相似于图2及图3，图4的模拟数字转换器adc可根据结果信号sr，产生数字信号sd，数字信号sd可对应于所求的乘积和值。

图5为另一实施例中，计算乘积和值的装置500的示意图。装置500中，使用的放大器数量更少，故可进一步减少消耗功率。装置500包含操作单元pu1至pun及放大器ap。图5的操作单元相异于图4的操作单元。图5的每个操作单元可具有相似结构，以操作单元pu1为例，操作单元pu1包含电阻单元ru1与ru2、电流源i1与i2，及取样单元su1。电阻单元ru1与ru2与电流源i1与i2的耦接与操作可相似于上述，故不重述。取样单元su1可取样电阻单元ru1与电阻单元ru2产生的第一电压v1与第二电压v2，且将取样结果输出到放大器ap。

操作单元pu1至pun的输出，可分别对应于乘积和值a1*b1至an*bn。图5中，放大器ap接收操作单元pu1至pun的输出，以产生结果信号sr。结果信号sr对应于乘积和值a1*b1至an*bn的总和。

如图5所示，装置500可另包含一组积分电容cf，耦接于放大器ap，以累加对应于操作单元pu1至pun输出的一组第一电压(例如，电压v1、v3…至v(2n-1))与一组第二电压(例如，电压v2、v4…至v2n)的电荷。装置500可另包含差分转单端转换器510及模拟转数字转换器adc，差分转单端转换器510将放大器ap输出的一对差分信号转为单端信号，模拟转数字放大器adc再将单端信号转为数字信号sd，数字信号sd可被解析以得到乘积和值。根据实施例，差分转单端转换器510可为选择性使用，若放大器ap为单端输出，则不须使用差分转单端转换器510。

图6为图5中，第y取样单元suy的电路示意图。y为整数且1≤y≤n。第y取样单元suy可包含开关及电容csy，且开关由信号sy及syh控制。举例来说，当信号sy为高态，则信号sy控制的开关导通，而当信号sy为低态，则信号sy控制的开关截止。当信号syh为高态，则信号syh控制的开关导通，而当信号syh为低态，则信号syh控制的开关截止。在此，控制信号为高态可导通开关仅为举例，随开关种类不同，亦可能用低态的控制信号导通开关。图6中，开关可耦接于地端gnd。

换言之，当信号sy为高态时，取样单元suy的电容csy可取样电压v(2y-1)及v2y；而当信号syh为高态时，取样单元suy可输出已取样的电压v(2y-1)及v2y。

图5中，操作单元su1至suz按序输出第一电压及第二电压；换句话说，第y取样单元suy于第y时段ty输出第一电压v(2y-1)及第二电压v2y至放大器ap，如图7所示。

图7为图5及图6中，控制各取样单元的时序图。如图7所示，时段t1之前及之后，取样单元su1可取样电压v1及v2；而时段t1中，取样单元su1输出已取样的电压v1及v2至放大器ap。同理，时段t2中，取样单元su2输出已取样的电压v3及v4至放大器ap。依此类推，时段tn中，取样单元sun可输出已取样的电压v(2n-1)及v2n至放大器ap。

换言之，可先得到单个乘积和值，先将各自得到的结果存在图6的电容csy里面，之后依时序分别把存储的电荷逐一转移到图5的积分电容cf中，等依次把cs1到csn的值取出后，再转为数字信号sd，以求得乘积和值。

总上，实施例提供的装置可使用模拟运算阵列，执行乘法与加法的运算，以计算乘积和值，从而避免使用大量乘法器及加法器，以缩减电路的面积与能耗，故实有助于处理本领域的难题。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。