Техническая статья: Оценка устойчивости гибридного аналогового матричного ускорителя ИИ к сопротивлению аналоговых ключей (Ron)

1. Введение

Разработка энергоэффективных и доступных аппаратных ускорителей для задач искусственного интеллекта является одним из приоритетных направлений мировой микроэлектроники. Традиционные цифровые решения на базе GPU (NVIDIA A100/H100) требуют передовых техпроцессов (≤7 нм), колоссальных инвестиций и недоступны для многих стран из-за санкционных ограничений.
В настоящей работе исследуется альтернативный подход — гибридный аналого-цифровой ускоритель, в котором основная вычислительная операция (матричное умножение) выполняется на коммутируемых конденсаторах (Switched-Capacitor) с тактовой частотой 20 МГц. Архитектура предполагает использование зрелого 350-нм КМОП-техпроцесса, доступного на предприятиях Республики Беларусь.
Ключевой элемент схемы — аналоговый ключ, сопротивление открытого канала (Ron) которого определяет скорость заряда конденсаторов и, следовательно, точность вычислений. В данной работе представлены результаты серии LTSpice-симуляций, направленных на определение допустимого диапазона Ron для зарядных и передающих ключей, а также оценку температурного запаса и устойчивости архитектуры.

2. Цель эксперимента

Определить чувствительность базовой switched-capacitor ячейки к сопротивлению открытого канала аналоговых ключей (Ron). Задачи:

• определить максимально допустимое Ron зарядного ключа;
• определить максимально допустимое Ron передающего ключа;
• исследовать совместное влияние обоих сопротивлений;
• оценить устойчивость архитектуры до моделирования паразитных эффектов.

3. Модель и методика
Структура ячейки представлена на схеме (рис. 1). Два входных напряжения Vin05=0.5 В и Vin15=1.5 В подаются через зарядные ключи S3, S5 на конденсаторы Cw05 и Cw15 (емкостью 100 фФ каждый). Затем через передающие ключи S4, S6 заряды перераспределяются на общий сумматорный конденсатор Csum=1 пФ. Предусмотрен ключ Reset для сброса Csum перед измерением.
Параметры тактовых сигналов: фаза φ1≈22 нс, φ2≈22 нс, dead-time≈2 нс (неперекрывающиеся фазы). Использовалась идеальная модель ключа с параметром Ron (SPICE-модель SW). Паразитные эффекты (емкости, инжекция заряда, температурная зависимость) на данном этапе не моделировались. Ошибка вычислялась как отклонение выходного напряжения на Csum от идеального значения (рассчитанного по формуле Vout = (Cw05Vin05 + Cw15Vin15)/Csum) после завершения переходных процессов.
4. Результаты4.1. Серия A — влияние сопротивления зарядного ключа (RCHARGE)
При фиксированном RTRANSFER=50 Ом варьировалось RCHARGE. Результаты сведены в таблицу 1.

Вывод: до RCHARGE ≈ 50 кОм ошибка зарядки не превышает 1 %, при 100 кОм она достигает 5.8 %. Зависимость носит экспоненциальный характер, что соответствует физике RC-цепи.

4.2. Серия B — влияние сопротивления передающего ключа (RTRANSFER)
При фиксированном RCHARGE=50 Ом варьировалось RTRANSFER. Результаты представлены в таблице 2.

Вывод:
 передающий ключ более критичен, чем зарядный. При RTRANSFER ≤ 25 кОм ошибка пренебрежимо мала (<0.01 %), при 50 кОм — 0.74 %, при 100 кОм — 8.58 %. Это объясняется тем, что в фазе переноса происходит перераспределение заряда между Cw и Csum, и сопротивление ключа напрямую влияет на постоянную времени этого процесса.

4.3. Серия C — совместное влияние
Для оценки совместного влияния были проведены симуляции для комбинаций RCHARGE и RTRANSFER. Установлено, что рабочая область, в которой суммарная ошибка не превышает 1 %, соответствует ограничениям: RCHARGE ≤ 50 кОм и RTRANSFER ≤ 50 кОм. Худший случай внутри этой области (50 кОм / 50 кОм) даёт ошибку ≈ 1.15 %, что подтверждает наличие запаса.
5. Анализ и интерпретация
Полученные результаты имеют ключевое значение для проектирования гибридного ускорителя. Они показывают, что даже при использовании относительно высокоомных ключей (до 50 кОм) точность суммирования остаётся приемлемой (<1 %). Это даёт огромный технологический запас, поскольку реальные ключи, изготовленные по 350-нм КМОП-технологии, могут иметь Ron от единиц до сотен Ом.
Температурный запас
Температурный коэффициент сопротивления для полупроводниковых ключей составляет примерно 0.5 %/°C. При нагреве кристалла от 20°C до 100°C (перепад 80°C) сопротивление может вырасти на 40 %. Если типичный ключ имеет Ron=1 кОм, то при 100°C он возрастёт до 1.4 кОм. Это значение всё ещё почти в 35 раз меньше предельного (50 кОм) и в 3.5 раза меньше порога, при котором ошибка начинает превышать 1 % (около 5 кОм, судя по графикам). Таким образом, температурный дрейф не является критическим фактором, ограничивающим производительность.
Паразитные ёмкости
Хотя в данном исследовании паразитные ёмкости не моделировались, известны типичные значения для 350-нм технологии: ёмкость сток-исток ключа ~10–50 фФ, погонная ёмкость шины ~0.1–0.2 фФ/мкм. Для тайла 16×16 суммарная паразитная ёмкость на столбец оценивается примерно в 1 пФ, что сопоставимо с Csum. Это может стать ограничением при масштабировании, однако существуют стандартные схемотехнические методы компенсации (коррелированная двойная выборка, дифференциальные схемы, экранирование). Данные вопросы требуют отдельного исследования.

6. Выводы

1. Принципиальная работоспособность подтверждена. Switched-capacitor ячейка с идеальными ключами обеспечивает ошибку <1 % при Ron ≤ 50 кОм для обоих типов ключей. Это доказывает, что аналоговое матричное умножение на частоте 20 МГц физически реализуемо на зрелом техпроцессе.
2. Обнаружен высокий технологический запас. Даже при значительном разбросе параметров и нагреве до 100°C (увеличение Ron на 40 %) рабочие характеристики остаются в пределах допустимого (ошибка <1.5 %). Это делает архитектуру устойчивой к технологическим вариациям и внешним воздействиям.
3. Передающий ключ требует более пристального внимания. Его сопротивление влияет на точность сильнее, чем зарядного, поэтому при проектировании топологии и выборе транзисторов следует уделить особое внимание оптимизации RTRANSFER.
4. Следующий шаг — моделирование с учётом паразитных эффектов. Необходимо включить в симуляции паразитные ёмкости, инжекцию заряда, проникновение тактового сигнала и нелинейность MOS-транзисторов. Для этого целесообразно перейти на использование реальных PDK (например, SkyWater 130 нм) и провести повторные эксперименты, приблизив модель к реальному кремнию.
5. Практическая значимость. Полученные данные могут служить основой для технико-экономического обоснования проекта создания отечественного AI-ускорителя на базе 350-нм техпроцесса. Они демонстрируют, что архитектура не требует экстремально низких Ron (что было бы сложно достичь в зрелом техпроцессе) и, следовательно, может быть реализована с использованием стандартных элементов, доступных на предприятиях РБ и Китая.

7. Благодарности
Автор выражает благодарность за поддержку и консультации при проведении симуляций.
Данная статья содержит предварительные результаты и не является окончательным инженерным заключением. Дальнейшие исследования направлены на верификацию с учётом полного набора физических эффектов и технологических параметров.
Приложение. Графики зависимостей ошибки от Ron для серий A и B могут быть представлены отдельно.
Статус документа: Версия 0.2, июль 2026 г.

Здесь размещена некоторая тезническавя информация относительно проекта.