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关键词： 差分吸收光谱仪   CCD成像电路   高动态范围   卫星载荷  

摘要： 星载差分吸收成像光谱仪通常运行于太阳同步轨道，探测地表反射光的光谱并根据特征气体的谱线吸收强度测量区域内某些痕量气体浓度。第一代星载差分吸收光谱仪受限于探测器性能等原因，探测的动态范围不大，造成暗背景下数据信噪比低，亮背景下像元饱和。随着更大阱深，更高速度的探测器出现，第二代高动态范围的差分吸收成像光谱仪得以实现。本文介绍了高动态范围的差分吸收光谱仪成像电路的研制过程，包括器件选型，电路方案及电路测试，并对测试结果进行了分析。重点讨论了高动态范围的实现，给出了单点测量值的概念，提出了最大单点测量值的计算公式，解释了最大单点测量值与动态范围的关系，并评估了探测器件的单点探测能力，同时规划了未来进一步提高动态范围的方法，从而为同类设备的研制提供参考。

关键词： 注意力模型   机器视觉   FPGA   异构计算   图像分类  

摘要： 随着深度学习的发展,基于Transformer的神经网络模型在语言和视觉领域均取得了显著的成果。然而,此类模型的计算复杂度较高,特别是多头注意力机制模块,需要进行大量乘累加类型的矩阵乘和仿射变换计算,对计算资源提出了很高要求。本文聚焦于设计基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的硬件加速器来加速Transformer中的多头注意力机制模块。该模块普遍存在于基于Transformer的模型中。通过使用模型量化压缩和硬件并行加速方法将一个典型Transformer视觉模型——DeiT(Data-efficient image Transformers,DeiT)部署到FPGA上,从而实现模型的实时推理。本文主要研究工作和创新成果如下。 首先,本文设计了一个适用于基于Transformer的模型的量化算法,可实现模型中多头注意力机制模块的8比特定点格式量化,应用于DeiT模型量化,保证了模型精度损失在2%以内。本文针对LayerNorm模块提出了一种新型的量化方法,通过尺度不变性实现了LayerNorm模块的纯整数计算。在此基础上,本文还引入了MinMax量化方法,对基于Transformer的DeiT模型的其他模块进行了8比特均匀对称量化,将模型存储量降低到了全精度模型的四分之一,减少了存储和传输开销,并减轻了计算压力。 其次,本文设计实现了一个基于FPGA的多头注意力机制硬件加速器,实现了多头注意力模块中矩阵乘和仿射变换算子的并行加速。研究表明,多头注意力模块中的主要计算为矩阵乘和仿射变换。针对这两种运算的计算特点,本文设计了一种基于并行乘累加处理单元阵列的计算加速电路,利用多维度并行计算来高效加速多头注意力机制模块中的计算密集型算子。同时,多头注意力机制模块中还包含LayerNorm算子和Softmax算子,这类算子中含有大量非线性函数计算,需要消耗大量的浮点计算资源。针对这两种算子,本文分别设计了一种新型的硬件近似计算电路,以合理的计算精度和硬件资源消耗对其进行了计算加速。上述各硬件加速电路可通过参数配置适用于不同的基于Transformer的模型,本文集成上述电路实现了一个完整的DeiT模型的硬件加速器,与Intel Xeon 5218R型号的CPU处理器相比,可实现2.1倍的推理加速。 最后,本文在ImageNet-1k数据集上进行了图片分类实验,实验结果显示量化后的DeiT-Tiny模型实现了70.4%的图像分类精度,精度损失小于2%。硬件部署后的DeiT-Tiny模型可实现最高55FPS的推理速度,功耗小于20W,该加速器以12.696 GOPs/W的计算效率,每瓦推理性能明显高于最新的CPU和GPU处理器。

关键词： 超导电路系统   Autler-Townes分裂   非线性频率转换   电磁感应透明  

摘要： 长久以来,探索对多能级量子系统、电磁场及其相互作用的调控一直是量子物理学家孜孜不倦的追求。特别地,作为人工设计的新型可调控的量子力学平台,固态超导电路体系展示了良好的宏观量子相干性,是当前量子光学与量子信息领域的研究前沿之一。超导量子比特是超导电路体系的核心元器件,其能级结构和特征频率可以通过电路设计来进行裁剪和控制。例如,相比于自然存在的原子,超导磁通比特可以突破选择定则的束缚,展示新颖的Δ-型能级结构。在充分发扬超导电路体系可调控性的基础上,结合量子光学和原子物理的理论研究方法,所有这些为探索新奇的量子物理现象提供了极大可能性。 非线性频率转换技术是产生和调制光波的重要方法之一。但是在自然原子系统中,由于选择定则的存在,二阶非线性三波混频的研究受到了极大束缚。本文研究了三能级超导磁通比特电路中的多波混频效应,具体的研究工作如下: 第一,在一个Δ-型的三能级超导电路中,研究了高效的二阶非线性差频的产生。首先,根据系统能级图写出哈密顿量,然后利用主方程以及微扰求解法,得到研究所需的矩阵元表达,并进一步分析了在不同的控制场强度下,探测场与差频场的吸收情况。在这个方案中,通过设置合适的参数在吸收曲线中创建了两个Autler-Townes分裂透明窗口,触发了双ATS机制。这种机制导致了高效的差频产生。结果表明,在此方案中得到的非线性混频效率要比电磁感应透明方案大四个数量级。 第二,在一个Δ-型的三能级超导系统中,研究了两个共存的三波混频与四波混频过程之间的新型相互作用。具体而言,在弱控制场条件下,两个混频信号之间的竞争导致两者呈现出一种在原子系统的混频过程中并不存在的交替振荡的形式,而这也是它们之间进行能量交换的特征;相反,在控制场为强场时,这两个非线性混频过程呈现出近似一致的振荡,即两者几乎同时到达其峰值或谷值,此外,它们的效率分别高达40%与45%。研究表明,两个混频过程之间的竞争行为可以通过调节控制场的强度来操纵。

关键词： 忆阻器   二值SR忆阻触发器   二值/三值D忆阻触发器   三值JKL忆阻触发器   多值逻辑  

摘要： 随着全球电子产品的普及以及智能化水平的飞速提高,半导体领域的需求持续旺盛。在这一背景下,数字集成电路作为集成电路领域的三大分支之一,在当前的信息化时代扮演了举足轻重的角色,其应用广泛涵盖计算机、通信、消费电子等多个领域。然而,随着数字集成电路的基石—CMOS晶体管的尺寸逐渐逼近物理极限,传统“摩尔定律”正面临挑战,为数字集成电路的发展带来了新的难题。 忆阻器作为一种新型存算一体器件,以其功耗、器件尺寸等方面的独特优势,成为当下研究的热点,忆阻器还与CMOS技术具有良好的兼容。通过将忆阻器应用于数字集成电路,有望为数字电路的发展打开新的突破口。 触发器作为数字电路中的关键功能单元,其发展亦受到“摩尔定律”的制约。忆阻器以其独特的存算一体特性,有望为触发器电路带来全新的发展路径。如果再结合多值逻辑技术,可以进一步提高信息存储、传输的效率。本文主要工作如下: (1)对Biolek忆阻器模型以及其仿真器电路进行了分析验证,为后续电路设计以及硬件电路的实现奠定基础。 (2)设计了基于Biolek忆阻器的二值电平型和边沿触发型SR触发器,其具备掉电存储功能且器件数量精简的优点,软件仿真实验和硬件电路结果均验证了所设计电路的性能和可靠性。同时,将所设计的忆阻SR触发器应用于555定时器、忆阻施密特触发器、忆阻单稳态触发器以及忆阻多谐波振荡电路。 (3)设计了二值电平型和边沿触发型忆阻D触发器。基于该二值忆阻D触发器,实现了忆阻四分频器。此外,还对不同的二值触发器的特征方程进行了分析,研究了二值忆阻D触发器与二值忆阻JK触发器和二值忆阻T触发器的转换关系。 (4)设计了三值文字运算单元以及三值模加运算单元,作为三值代数系统中重要的运算单元,为后续三值触发器电路提供设计基础。 (5)基于三值文字运算单元设计了一种三值忆阻D触发器电路,又设计了一种具有异步置位复位的预置功能的三值忆阻D触发器,其可以实现输出预置。 (6)介绍了一种三值忆阻JKL触发器的新思路,该电路以三值文字运算单元以及三值模加运算单元为核心。对比分析说明了其优势所在,同时分析了三值忆阻JKL触发器、三值忆阻T触发器和三值忆阻D触发器之间的逻辑关系,该三值忆阻JKL触发器可以实现灵活转换。

关键词： 直流变换器   双主动全桥   阻抗建模   基于功率的平均模型   全面状态空间平均模型  

摘要： 具有单级SST(Solid-State Transformer,SST)技术拓扑的双主动全桥(Dual Active Bridge,DAB)电路,能在隔离高压侧和低压侧的情况下实现功率的双向流动,在新能源储能系统有着广泛的应用。在以DAB为主的新能源储能系统中,DAB的输入端通常和LC滤波器、多个DAB、逆变器连接成级联系统,级联系统的阻抗不匹配会令系统电压振荡,损坏系统电路。因此研究DAB的输入阻抗模型,进而研究级联系统的稳定性,具有十分重要的意义。本文以DAB的输入阻抗模型为研究对象,通过推导计算、理论分析、实验验证,获得了以下一些研究成果: 1、对DAB在连续域下的进行输入阻抗建模。通过对DAB运用PBM(Power Based Model)和全阶模型GSSAM(Generalized State Space Average Model)的建模方法,得到在SPS(Single Phase Shift,SPS)调制下DAB输入阻抗的表达式,其中PBM推导得到的输入阻抗模型是一个1阶模型,GSSAM推导得到入端阻抗模型是一个3阶模型。 2、对比分析得到PBM和GSSAM阻抗建模在各频域上的准确性。对PBM和GSSAM的误差进行推导分析,分别得到两种建模方法输入阻抗模型误差的来源。为了分析了GSSAM中的状态变量对于DAB的输入阻抗曲线的影响,对DAB输入阻抗模型进行参与因子和留数的计算,结果显示输出电压主要影响低频域的输入阻抗,电感电流主要影响中高频域的输入阻抗。在此基础上,进行了电感参数敏感性分析和仿真模型输入阻抗扫频实验,验证了上述结论。 3、设计和实现了一个低功率的DAB,完成了实物的DAB输入阻抗扫频实验验证。设计了一个小功率的DAB,进行开环和闭环实验进行测试,测试结果证明了所设计的DAB可运行在设计的工况。为减少电流纹波,选择合适的电感和电容组成了LC滤波器进行了相关实验,实验结果证明了所设计的LC滤波器可以有效减少输入电流纹波。在此基础上,利用该DAB进行DAB输入阻抗扫频实验,实验结果与PBM和GSSAM建模结果作分析比较,证明了PBM建模的输入阻抗在低频域更准确,而GSSAM建模的输入阻抗在中高频域更准确。

关键词： 量子机器学习   量子电路结构搜索   变分量子算法   图自监督学习  

摘要： 在嘈杂中型量子(Noisy Intermediate Scale Quantum,NISQ)时代,变分量子算法(Variational Quantum Algorithm,VQA)得到了广泛的研究与应用。VQA的性能取决于所使用的量子电路结构。量子电路结构搜索(Quantum Architecture Search,QAS)是一种专门用于为变分量子算法设计量子电路的方法。然而,现有的QAS算法在搜索过程中需要计算大量量子电路的真实性能,计算复杂度高且难以应用于较大规模的量子电路。为降低计算复杂度,基于预测器的QAS通过训练性能预测器,直接基于电路结构评估其性能。然而,该方法需要足够的电路结构-性能数据来训练高精度的预测器。使用过多的训练数据又会导致计算成本的急剧上升,因为通过训练量子电路来获取其真实性能的计算成本很大。为降低所需的电路训练,提升基于性能预测器的QAS的效率,本文主要完成了以下工作: 1.基于图自监督策略从大量未知性能的量子电路结构对图编码器进行预训练,学习有意义的量子电路表示,一旦编码器经过预训练,它就可以适用于各种下游任务。变分量子特征求解和量子态分类的应用结果表明,与最先进的基于预测器的QAS相比,该方法在预测精度和效率上都有着显著的优势。 2.设计了一种图编码方式表示量子电路结构算法,这对于图自监督学习尤为适用。该编码方式中,量子门节点向量包括类型向量和位置向量,它有效编码了门的类型信息和空间信息,同时避免了在编码大规模量子电路时出现特征向量维度过大的问题。 3.提出了基于主动学习的渐进式QAS,逐步为高性能电路所在的子空间训练更精确的预测器。在早期的迭代中,训练预测器来识别相对较好的子空间。随着算法的迭代,越来越多的高性能电路被添加到训练集中,从而使预测器识别高性能电路的能力不断增强。此外,对多个预测器的迭代训练中也可以利用新获得的量子电路及其相应的真实性能,显著提高了采样效率。对海森堡模型的变分量子本征求解器(VQE)任务的应用结果表明,该QAS算法优于已有的基于预测器的量子电路结构搜索算法。 4.设计两个无需训练的性能指标对量子电路进行排序,取代了传统QAS中使用的昂贵的电路训练,实现了一个两阶段的渐进式无训练QAS(TF-QAS)。首先,通过基于路径数的无训练指标来过滤掉大量性能较差的电路。随后,使用基于表达能力的无训练指标从剩余的候选电路中识别高性能电路。这些指标在不进行电路训练的情况下评估电路性能,与当前基于训练的QAS方法相比,显著降低了计算成本。在三个VQE任务上的应用表明,与最先进的QAS相比,TFQAS在样本效率上实现了5到57倍的提升,在计算时间上获得了6到17倍的提升。

关键词： 无片外电容   LDO   电源抑制比   低噪声   基准电路  

摘要： 现代电子设备离不开电源电路,随着集成度的提高,电源管理也朝着高集成度、高效率、微型化的方向发展。低压差线性稳压器（LDO,Low Dropout Regulator）具有体积小、噪声低的优点,在噪声敏感电路中被广泛使用。无片外电容型LDO输出端不再使用大电容,极大地减小了电路板的面积,提高了应用便捷性。然而缺少了片外电容,也带来了电源抑制比（PSRR,Power Supply Rejection Ratio）较差等问题,增加了无电容型LDO在低噪声设备中的使用难度,也给组件的微型化带来了挑战。 本文围绕LDO的设计指标、带隙基准电压、电源抑制比和噪声进行展开,采用了具有高阶温度补偿的带隙基准电路,为LDO提供低温度系数的基准电压,降低了温度对输出电压的影响。为了实现优化无电容型LDO电源抑制比的,本设计在LDO功率管栅极增加一条自适应的前馈路径,提供自适应的前馈增益,可以实现在不同负载下自适应优化电源抑制比的目的。降低了传统结构中,对误差放大器高增益的需求,使得误差放大器结构简单,稳定性高。本设计中LDO主环路为单位增益缓冲器的形式,减小了反馈电阻引起的噪声放大作用,降低了输出端的噪声。 本文基于55 nm CMOS工艺,设计了一种无片外电容的低噪声LDO电路,使用cadence平台Virtuoso、Calibre软件进行电路仿真与版图设计。该LDO电路输入1.2V电压,输出1V的电压,最大输出负载100m A。负载调整率典型值为1.83m V/A,线性调整率典型值为0.095 m V/V。负载电流在1μs内,在0.1m A～100m A之间切换,输出电压的过冲和下冲小于100 m V,最大恢复时间小于2μs。在负载电流为100μA～100m A范围内,LDO均具有较高的电源抑制比,典型值为:负载为100m A时,PSRR在10k Hz处,大于90d B;在100k Hz处,PSRR大于70d B;在1MHz处,仍具有50d B的电源抑制比。在10Hz～100 k Hz内的输出总积分噪声为9μVRMS。

关键词： 总剂量效应   总剂量SPICE建模   总剂量加固   单粒子闩锁效应  

摘要： 空间探索离不开高可靠性的航天设备,它们的体积变得越来越小但功能却更强大,这和大量使用轻量化、高集成度、高性能的芯片是不可分割的。然而集成电路器件对空间辐射较为敏感,容易失效,因此提高它们的可靠性成为航空航天事业发展的必然要求,本文基于该目的对半导体辐射效应、建模与加固进行了深入研究。 首先,本文对空间辐射环境做了简要介绍,重点阐述了在辐射环境下半导体器件氧化物及界面产生陷阱电荷的物理过程,并详细说明了两种陷阱电荷对不同器件基本电学特性的影响,还对单粒子轰击CMOS引发闩锁效应的原理进行说明。 其次,本研究利用仿真软件模拟BCD工艺下三类基本器件的总剂量效应,建立常规NMOS总剂量效应SPICE兼容模型。对常规NPN总剂量效应的仿真显示,辐射剂量为600krad时,电流放大系数退化为原来的50%左右;为此本文提出新型抗辐照结构DENPN,仿真结果显示在1200krad时仍未出现明显退化现象。通过复现并分析了PES-NMOS结构在较高剂量条件下源区边缘加固措施的削弱现象,提出与ELT晶体管相同加固逻辑的PAS-NMOS结构,通过仿真验证了新结构在1200krad的总剂量下仍表现良好。用与NMOS相同的加固措施对低压LDNMOS进行加固,仿真结果表明加固效果良好。为了能在常用的标准仿真器中模拟总剂量效应,提出BSIM与Verilog-A结合的模式模拟辐照后的NMOS晶体管,在剂量为100krad和200krad时电路仿真与器件仿真的曲线拟合效果较好。利用辐照后的NMOS模型搭建反相器和环形振荡器,观察了总剂量效应电路级的响应,主要表现为反相器关键参数的漂移,环形振荡器的振荡频率、功耗都略有增加。 最后,从多个方面入手研究了常规CMOS和采用BCD工艺中深阱与埋层隔离的CMOS单粒子闩锁效应。在重离子的轰击下,CMOS的结构参数、重离子的入射角度、位置和CMOS的状态均会导致反相器有不同的表现,深阱与埋层隔离的CMOS具有很高的抗单粒子闩锁能力。