Diseño de multiplicadores aproximados de bajo consumo y alta velocidad utilizando compresores 4 a 2 en modo corriente basados en tecnología CNTFET

Imágenes más nítidas con menos energía

Cada vez que tu teléfono toma una foto, reproduce un vídeo o aplica un filtro de IA, realiza millones de pequeñas multiplicaciones. Hacer todos esos cálculos exactamente consume energía y ralentiza el sistema, aunque el ojo humano a menudo no percibe pequeños errores numéricos. Este artículo muestra cómo «relajar» deliberadamente parte de ese cálculo mediante un nuevo tipo de circuitería, reduciendo el consumo de energía y la latencia mientras se mantienen las imágenes visualmente indistinguibles de los resultados exactos.

Por qué las matemáticas imperfectas pueden parecer perfectas

Muchas aplicaciones modernas —como el procesamiento de imágenes, vídeo y aprendizaje automático— son, por naturaleza, tolerantes a pequeños errores. Un ligero cambio en el brillo de un píxel o un pequeño desplazamiento en la respuesta de un filtro suele ser imperceptible. Los autores explotan esto usando multiplicadores aproximados: circuitos que sacrifican algo de precisión aritmética a cambio de grandes ahorros en energía, área de chip y velocidad. Se centran en multiplicadores 8×8, un bloque común en procesamiento digital de señales, y evalúan no solo el error numérico, sino cómo estas aproximaciones afectan la calidad final de la imagen usando métricas estándar como la relación señal‑ruido pico (PSNR) y la similitud estructural (MSSIM).

Un nuevo tipo de bloque para multiplicadores rápidos

En el núcleo del diseño está un componente llamado compresor 4:2, que reduce cuatro bits de entrada y una entrada de acarreo en dos salidas, «suma» y «acarreo». Los compresores tradicionales usan transistores CMOS o FinFET en modo voltaje, que son más difíciles de escalar a tamaños muy pequeños. Este trabajo combina, en cambio, lógica en modo corriente con transistores de efecto de campo de nanotubos de carbono (CNTFET) de 7 nanómetros. Al interpretar la información como corrientes en lugar de solo voltajes, los circuitos pueden sumar corrientes directamente sin una gran electrónica de detección de umbral. Los CNTFET, cuyo voltaje de umbral puede ajustarse cambiando el diámetro del nanotubo, permiten a los diseñadores construir puertas básicas como mayoría y XOR con muy pocos transistores, altos márgenes de ruido y baja energía por operación.

Seis variantes de compresores «suficientemente buenos»

Los autores proponen seis nuevos diseños de compresor 4:2. Cuatro son compresores aproximados de modo único, cada uno explorando una forma distinta de simplificar la lógica interna para reducir consumo, retardo o error. Otros dos son compresores de doble función que pueden cambiar entre comportamiento exacto y aproximado mediante corte de alimentación, de modo que solo una parte del circuito está activa a la vez. Entre estas opciones miden cuidadosamente la distancia de error (cuánto puede desviarse una salida de la perfección), con qué frecuencia las salidas siguen siendo exactas y cuán robustos son los circuitos frente a variaciones de proceso, voltaje y temperatura. Gracias al enfoque en modo corriente con CNTFET, los nuevos compresores son un 30–50 % menos sensibles a tales variaciones que diseños CMOS o FinFET comparables, consumiendo además solo alrededor de 12–25 microwatios con retardos internos subnanosegundo.

Dos diseños de multiplicadores para imágenes y IA

Usando estos compresores, el equipo construye dos multiplicadores Dadda 8×8. El primer tipo emplea compresores aproximados en cada columna, maximizando el ahorro energético. El segundo tipo adopta un enfoque más selectivo: elimina por completo las cuatro columnas de salida menos significativas (truncamiento), usa compresores aproximados en las columnas intermedias y mantiene compresores exactos en las columnas más significativas donde los errores serían visualmente evidentes. Simulaciones en HSPICE y MATLAB muestran que, para la mejor configuración, la potencia baja hasta unos 0,52 mW, la latencia a 1,88 ns y el producto potencia‑retardo a 0,97 pJ —mejoras importantes respecto a multiplicadores aproximados previos.

Qué significa esto para imágenes reales

Para comprobar si estos ahorros importan en la práctica, los autores ejecutan tareas de imagen estándar como multiplicar dos imágenes de referencia (las clásicas «cameraman» y «moon») y aplicar afilado. Comparan las imágenes producidas por multiplicadores exactos y sus diseños aproximados. A pesar de errores aritméticos internos de hasta ±2 en algunos casos, el mejor multiplicador propuesto mejora la similitud estructural (MSSIM) desde alrededor del 60 % en diseños aproximados anteriores hasta aproximadamente el 97 %, y aumenta la PSNR en un 15–20 %. Visualmente, las imágenes se mantienen nítidas y con detalle, mientras que el hardware subyacente consume mucho menos energía y funciona más rápido, lo que hace este enfoque atractivo para cámaras de bajo consumo, sistemas de visión portátiles y dispositivos de IA en el borde donde la duración de la batería y la velocidad importan más que la aritmética perfecta.

Cita: Foroutan, P., Navi, K. Design of low power and high speed approximate multipliers utilizing current mode 4 to 2 compressors based on CNTFET technology. Sci Rep 16, 4834 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35104-5

Palabras clave: multiplicadores aproximados, CNTFET, procesamiento de imágenes, circuitos de bajo consumo, lógica en modo corriente