Ontwerp van energiezuinige en hoge‑snelheid benaderde vermenigvuldigers met gebruik van current‑mode 4‑naar‑2 compressoren gebaseerd op CNTFET‑technologie

Scherpere beelden met minder energie

Telkens wanneer uw telefoon een foto maakt, een video streamt of een AI‑filter draait, voert hij miljoenen kleine vermenigvuldigingen uit. Al die rekenwerkjes exact doen kost energie en vertraagt de verwerking, terwijl het menselijk oog vaak kleine numerieke fouten niet kan waarnemen. Dit artikel laat zien hoe je een deel van die berekeningen doelbewust kunt versoepelen met een nieuw soort schakeling, waardoor vermogen en vertraging afnemen terwijl beelden visueel ononderscheidbaar blijven van exacte resultaten.

Waarom onvolmaakte rekensommen toch perfect kunnen lijken

Veel moderne toepassingen—zoals beeldverwerking, video en machine learning—tolereren van nature kleine fouten. Een lichte wijziging in de helderheid van één pixel of een kleine verschuiving in een filterrespons is doorgaans onzichtbaar voor ons. De auteurs maken hier gebruik van door benaderde vermenigvuldigers toe te passen: schakelingen die een beetje reken­nauwkeurigheid inruilen voor grote besparingen in energie, chipoppervlak en snelheid. Ze concentreren zich op 8×8‑vermenigvuldigers, een veelgebruikt bouwblok in digitale signaalverwerking, en beoordelen niet alleen numerieke fout, maar ook hoe deze benaderingen de uiteindelijke beeldkwaliteit beïnvloeden met standaardmaatstaven zoals peak signal‑to‑noise ratio (PSNR) en structurele gelijkenis (MSSIM).

Een nieuw soort bouwsteen voor snelle vermenigvuldigers

In het hart van het ontwerp ligt een component genaamd een 4:2‑compressor, die vier ingangsbits en een carry‑ingang reduceert tot twee uitgangen, "sum" en "carry." Traditionele compressoren gebruiken voltage‑mode CMOS of FinFET‑transistoren, die moeilijker schaalbaar worden bij zeer kleine technologieën. Dit werk combineert in plaats daarvan current‑mode logica met 7‑nanometer carbon‑nanotube field‑effect transistoren (CNTFETs). Door informatie als stromen in plaats van alleen spanningen te zien, kunnen de schakelingen stromen direct optellen zonder zware drempeldetectie. CNTFETs, waarvan de drempelspanning kan worden afgestemd door de nanotube‑diameter te variëren, stellen de ontwerpers in staat om majority-, XOR‑ en andere basispoorten met zeer weinig transistors, hoge ruismarges en een laag energieverbruik per bewerking te bouwen.

Zes varianten van "goed genoeg" compressoren

De auteurs stellen zes nieuwe 4:2‑compressorontwerpen voor. Vier zijn eendelige benaderde compressoren, elk verkennend een andere manier om de interne logica te vereenvoudigen en vermogen, vertraging of fout te reduceren. Twee andere zijn dubbel‑functionele compressoren die kunnen schakelen tussen exacte en benaderde werking via power‑gating, zodat slechts één deel van de schakeling tegelijk actief is. Over deze opties meten ze zorgvuldig foutafstand (hoe ver een uitgang van perfect kan afwijken), hoe vaak uitgangen nog steeds exact zijn, en hoe robuust de schakelingen zijn voor variaties in proces, spanning en temperatuur. Dankzij de CNTFET current‑mode aanpak zijn de nieuwe compressoren 30–50% minder gevoelig voor dergelijke variaties dan vergelijkbare CMOS‑ of FinFET‑ontwerpen, terwijl ze slechts ongeveer 12–25 microwatt verbruiken met sub‑nanoseconde interne vertragingen.

Twee vermenigvuldigerontwerpen voor beeld en AI

Met deze compressoren bouwt het team twee 8×8 Dadda‑vermenigvuldigers. Het eerste type gebruikt benaderde compressoren in elke kolom en maximaliseert zo energiebesparing. Het tweede type hanteert een meer selectieve aanpak: het valt de vier minst significante uitvoerkolommen volledig weg (truncatie), gebruikt benaderde compressoren in de middencolommen en handhaaft exacte compressoren in de meest significante kolommen waar fouten visueel duidelijk zouden zijn. Simulaties in HSPICE en MATLAB tonen aan dat voor de beste configuratie het vermogen daalt tot ongeveer 0,52 mW, de latentie tot 1,88 ns, en het power‑delay product tot 0,97 pJ—grote verbeteringen ten opzichte van eerdere benaderde vermenigvuldigers.

Wat dit betekent voor echte beelden

Om te testen of deze besparingen in de praktijk van belang zijn, voeren de auteurs standaard beeldtaken uit, zoals het vermenigvuldigen van twee benchmarkbeelden (de klassieke "cameraman" en "moon") en verscherping. Ze vergelijken beelden geproduceerd door exacte vermenigvuldigers en hun benaderde ontwerpen. Ondanks interne rekenfouten tot ±2 in sommige gevallen, verbetert de beste voorgestelde vermenigvuldiger de structurele gelijkenis (MSSIM) van ongeveer 60% in eerdere benaderde ontwerpen naar ruwweg 97%, en verhoogt PSNR met 15–20%. Visueel blijven de beelden scherp en gedetailleerd, terwijl de onderliggende hardware veel minder energie verbruikt en sneller werkt, waardoor deze aanpak aantrekkelijk is voor energiezuinige camera's, draagbare visionsystemen en edge‑AI‑apparaten waar batterijduur en snelheid belangrijker zijn dan perfecte rekenkundige nauwkeurigheid.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: benaderde vermenigvuldigers, CNTFET, beeldverwerking, lage‑vermogen schakelingen, current‑mode logica