PicoRV32 əsaslı çip üzərində sistem (System-on-Chip, SoC), 32 bit RV32I RISC-V prosessor nüvəsi ilə elektrokardioqram (ECG) siqnalında R-zirvəsi və morfoloji anomaliya əlamətlərini çıxarmaq üçün hazırlanmış xüsusi, vurucusuz aparat sürətləndiricisini eyni CMOS çip üzərində birləşdirən rəqəmsal biosiqnal emalı sistemidir. Tədqiqatdakı sürətləndirici üç nümunəlik sabit K = [−1, 2, −1] diskret Laplasyen nüvəsindən və proqramlaşdırıla bilən hədd müqayisəçisindən istifadə edir. Nüvə əmsallarının yalnız −1 və 2 olması sayəsində ümumi təyinatlı aparat vurucuları aradan qaldırılmış; hesablama ikinin tamamlayıcısında mənfi alma, bir bit sola sürüşdürmə və toplama əməliyyatlarına çevrilmişdir.

Sistem yalnız RTL və ya simulyasiya səviyyəsində saxlanılmamışdır. Əvvəl proqram təminatı referansı və FPGA prototipi ilə doğrulanmış, daha sonra kommersiya 180 nm CMOS prosesində fiziki olaraq layihələndirilərək tape-out edilmiş, QFP-160 paketində real silisium üzərində xüsusi PCB ilə sınaqdan keçirilmişdir. Çipin aktiv nüvə sahəsi 0,936 mm², standard-cell sayı 9373 və yerləşdirmə sıxlığı %75,2-dir. Hədəf 100 MHz olduğu halda post-route RC analizində 101 MHz timing closure əldə edilmiş və real silisium 100 MHz-də işlədilmişdir.

MIT-BIH Arrhythmia Database-dən seçilmiş beş qeyddə ümumilikdə 10.393 döyüntü qiymətləndirilmişdir. İstehsal olunmuş çip bunların 9965-ini düzgün təsnif edərək %95,88 Normal/Abnormal dəqiqliyi əldə etmişdir. Eyni məlumat üzərində sürüşən nöqtəli proqram təminatı referansı %95,94 dəqiqlik vermiş; silisium ilə proqram təminatı arasında yalnız altı döyüntülük, yəni 0,06 faiz bəndi fərq müşahidə edilmişdir.

Lakin bu %95,88 dəyəri ümumi əhali və ya görünməmiş pasiyentlər üçün çarpaz-pasiyent dəqiqliyi deyil. Hər MIT-BIH qeydi üçün hədd həmin pasiyentin/qeydin öz etiketlərinə görə kalibrlənmişdir. Bundan əlavə, mənbə giriş ECG siqnalının standart ön emaldan keçdiyini fərz edir. Buna görə tədqiqat xam, səs-küylü ECG üzərində müstəqil klinik diaqnoz verən tamamlanmış daşına bilən tibbi cihazın klinik validasiyası kimi şərh edilməməlidir.

1,8 V nüvə qidalanması və 100 MHz-də ölçülmüş aktiv güc 25,2 mW-dır. Dərin yuxu vəziyyətində 1,0 V-da ölçülmüş sızma cərəyanı 44 nA, uyğun güc isə 44 nW-dır. 400 nümunəlik emal pəncərəsi üçün verilən 7,1 ms uçdan-uca müddət və 25,2 mW aktiv güc birlikdə qiymətləndirildikdə mənbə təxminən 178,9 µJ aktiv emal enerjisi hesablayır.

Tədqiqatın əsas problemi nədir?

Daşına bilən ECG sistemləri ürək ritmini uzun müddət izləməlidir. Bu sistemlərdə QRS kompleksi və xüsusilə R zirvəsi, digər ECG komponentlərinə nisbətən daha kəskin və yüksək amplitudalı zaman dəyişməsi göstərdiyi üçün döyüntünün seqmentləşdirilməsi və morfoloji anomaliya aşkarlanmasında mühüm işarə nöqtəsidir.

Bununla belə, daşına bilən cihazda fasiləsiz işləyən mürəkkəb CNN və ya ümumi təyinatlı multiply-accumulate (MAC) mühərrikləri silisium sahəsi, dinamik güc, yaddaş çıxışı və prosessor dövrü sərf edir. Yalnız proqram təminatından istifadə edən ümumi təyinatlı mikrokontrollerdə də eyni təkrarlanan filtrasiya əməliyyatları CPU-nun daim aktiv qalmasına və instruction-fetch enerjisinin artmasına səbəb ola bilər.

Tədqiqatın yanaşması sistem idarəetməsini, rabitəni və proqram axınını kiçik RISC-V nüvəsinə buraxıb daim təkrarlanan ECG xüsusiyyət çıxarılmasını sabit funksiyalı, çox kiçik aparat sürətləndiricisinə daşımaqdır.

ECG-də QRS kompleksi və R zirvəsi niyə seçilib?

Standart ECG dövrü P dalğası, QRS kompleksi, T dalğası və bəzi hallarda U dalğasından ibarətdir. QRS kompleksi mədəciklərin depolarizasiyası zamanı yaranan sürətli dəyişiklikləri ehtiva edir. Xüsusilə R zirvəsi ətrafında siqnalın nümunələr arasındakı meyli yüksəkdir.

Bu xüsusiyyət birinci və ya ikinci törəməyə bənzər yüksək-keçirən əməliyyatların QRS sahəsini aşağı tezlikli baza xətti sürüşməsinə və daha yavaş P/T komponentlərinə nisbətən daha güclü vurğulamasına imkan verir.

Sabit [−1, 2, −1] Laplasyen Nüvəsi R Zirvəsini Niyə Vurğulayır?

K = [−1, 2, −1] nüvəsi üç ardıcıl ECG nümunəsinin diskret ikinci fərqini hesablayır; yavaş dəyişən və ya sabit siqnallarda qonşu nümunələr bir-birinə yaxın olduğundan çıxış kiçilir, R zirvəsi kimi kəskin zaman dəyişikliklərində isə orta nümunənin qonşularına nisbətən fərqi böyüyür və filtr çıxışı artır. Mənbənin tezlik analizi də filtrin DC-də sıfır, yüksək tezlikdə isə daha böyük qiymət verən yüksək-keçirən davranışını göstərir.

Tənlik (1): Sabit filtr nüvəsi

Mənbədə xüsusi aparatın əsas nüvəsi:

\[ K=[-1,\;2,\;-1] \tag{1} \]

şəklində verilmişdir.

Bu üç əmsal trainable CNN çəki dəsti deyil. Mənbə tərəfindən birbaşa aparata sabitlənmiş üç tap-lı FIR/Laplasyen nüvəsidir.

−1 əmsalı aparat vurucusu tələb etmir; ikinin tamamlayıcısında mənfi alma əməliyyatı ilə tətbiq oluna bilər. 2 əmsalı da ümumi təyinatlı vurucu əvəzinə bir bit sola sürüşdürmə ilə tətbiq edilə bilər. Bu sadə əmsal seçimi bütün sürətləndiricinin arxitekturasını müəyyən edir.

Tənlik (2): Üç nümunəlik diskret Laplasyen

Sürətləndiricinin hər sürüşən pəncərədə hesabladığı qiymət:

\[ y[n]=-x[n-1]+2x[n]-x[n+1] \tag{2} \]

şəklindədir.

Burada:

• x[n−1]: əvvəlki ECG nümunəsi,
• x[n]: mərkəzi ECG nümunəsi,
• x[n+1]: sonrakı ECG nümunəsi,
• y[n]: Laplasyen xüsusiyyət çıxışıdır.

Sabit və ya çox yavaş dəyişən siqnalda üç qonşu qiymət bir-birinə yaxındırsa −x[n−1] + 2x[n] − x[n+1] təxminən sıfıra yaxınlaşır. Orta nümunə qonşularından aydın şəkildə fərqləndikdə isə nəticə böyüyür. Buna görə ifadə ECG-də yüksək əyrilik/kəskinlik sahələrinə həssasdır.

Tənlik (3): Proqramlaşdırıla bilən hədd qərarı

Laplasyen çıxışı daha sonra proqramlaşdırıla bilən T həddi ilə müqayisə olunur:

\[ result[n]= \begin{cases} 0, & y[n] < T \\ 1, & y[n] \geq T \end{cases} \tag{3} \]

Nəticə yalnız bir bitdir. 0 həddin aşılmadığını; 1 isə Laplasyen xüsusiyyətinin proqramlaşdırılmış həddə bərabər və ya ondan böyük olduğunu bildirir.

Burada mühüm bir məhdudiyyət var: alqoritm mürəkkəb çox-sinifli aritmiya təsnifatçısı deyil. Tək sabit yüksək-keçirən xüsusiyyəti bir hədd müqayisəsi ilə birləşdirən ikili qərar sistemidir.

Tənlik (4): Filtrin z-çevrilməsi

Mənbə üç tap-lı simmetrik FIR filtrinin z-çevrilməsini:

\[ H(z)=-z+2-z^{-1} = 2-(z+z^{-1}) \tag{4} \]

şəklində verir.

Bu təqdimat filtrin yalnız üç arifmetik əməliyyat kimi deyil, diskret zamanlı xətti sistem kimi də təhlil edilməsinə imkan verir.

Tənlik (5): Tezlik cavabı

Vahid çevrə üzərində \(z=e^{j\omega}\) yazıldıqda:

\[ H(e^{j\omega}) = 2-2\cos\omega = 4\sin^2(\omega/2) \tag{5} \]

alınır.

İfadə həqiqi və mənfi olmayan qiymətdir. \(\omega=0\) üçün:

\[ H(e^{j0})=0 \]

olur. Buna görə DC komponenti basdırılır.

Aşağı tezliklərdə \(\sin(\omega/2)\approx\omega/2\) olduğundan:

\[ H(e^{j\omega})\approx\omega^2 \]

yaxınlaşması alınır. Mənbə bunu baza xətti sürüşməsi kimi çox aşağı tezlikli komponentlərin hədəf QRS zolağına nisbətən güclü basdırılması ilə əlaqələndirir.

\(\omega\) sıfırdan Nyquist tezliyinə doğru artdıqca ifadə monoton yüksəlir və \(\omega=\pi\) nöqtəsində transfer böyüklüyü 4-ə çatır. Mənbə mətni bu nöqtəni “maximum power gain of 4” kimi adlandırır; Verianla bu ifadəni mənbədən kənar güc-kvadratı hesabına çevirməmiş və göstərilən Tənlik (5)-i olduğu kimi əsas götürmüşdür.

1 Hz ilə 10 Hz arasındakı təxminən 40 dB fərq haradan yaranır?

MIT-BIH qeydlərinin nümunələmə tezliyi 360 Hz-dir. Mənbə Tənlik (5)-dən istifadə edərək 1 Hz üçün:

\[ |H(e^{j\omega})|_{1Hz} \approx 3.05\times10^{-4} \]

və 10 Hz üçün:

\[ |H(e^{j\omega})|_{10Hz} \approx 3.04\times10^{-2} \]

qiymətlərini verir.

İki böyüklük arasındakı təxminən 100 qat nisbət amplituda nisbəti dB ilə qiymətləndirildikdə təxminən 40 dB fərq yaradır. Mənbə bunu QRS enerji zolağının 1 Hz ətrafındakı baza xətti komponentlərinə qarşı güclü vurğulanmasının riyazi göstəricisi kimi istifadə edir.

Tənlik (6): N-bit girişdə ən pis halda bit böyüməsi

Hər ECG nümunəsinin ikinin tamamlayıcısında işarəli N-bit tam ədəd olduğu qəbul edilir:

\[ x[n]\in[-2^{N-1},\;2^{N-1}-1] \]

Nüvənin L1 normu:

\[ ||K||_1=|-1|+|2|+|-1|=4 \]

olduğuna görə mənbə çıxışın mütləq qiymətini:

\[ |y[n]| \leq ||K||_1\max_n|x[n]| \leq 4\times2^{N-1} = 2^{N+1} \tag{6} \]

ilə məhdudlaşdırır.

Bu hesab arifmetik verilənlər yolunun niyə giriş eni ilə eyni saxlanmadığını izah edir. Dizayn hər N-bit nümunəni emaldan əvvəl N+2 bitə işarə genişləndirir. Beləliklə, mənfi alma, bir bit sola sürüşdürmə və üç termini toplama zamanı daşma riski azalır və mənbə etibarlı giriş ardıcılları üçün bit-exact hesablamanın aparıldığını bildirir.

İkinin tamamlayıcısında mənfi alma necə tətbiq olunur?

İkinin tamamlayıcısında ədədin mənfisi bitlərin tərsinə çevrilib 1 əlavə edilməsi ilə əldə olunur:

\[ -x=\overline{x}+1 \]

Mənbə giriş N bit olduğu halda əvvəlcə N+2 bitə genişləndirildiyi üçün etibarlı giriş diapazonunda mənfi alma zamanı təmsil olunmayan minimum qiymətə çatılmadığını bildirir.

2 ilə vurma niyə real vurucu tələb etmir?

İkili tam ədəd təqdimatında 2 ilə vurma bir bitlik arifmetik sola sürüşdürmə ilə tətbiq oluna bilər:

\[ 2x[n]=x[n]\ll1 \]

Buna görə 2 əmsalı üçün multiplier hüceyrəsi istifadə edilmir; əməliyyat əsasən naqilləmə və bit mövqeləndirməsi ilə həyata keçirilir.

PicoRV32 niyə seçilib?

PicoRV32 kiçik silisium sahəsini hədəfləyən 32 bit RISC-V prosessor nüvəsidir. Mənbə orta CPI dəyərini təxminən 4 kimi göstərir. Arxitektura mürəkkəb bus protokolları əvəzinə sadə native memory interface istifadə edir.

Bu tədqiqatda prosessor yalnız əsas RV32I konfiqurasiyası ilə istifadə olunmuşdur. Aparat multiply/divide M-extension və Pico Co-Processor Interface (PCPI) söndürülmüşdür. Beləliklə, sistemin CPU tərəfində də böyük çoxbitli aparat vurucularından istifadə edilməmişdir.

MMIO məlumat yolu necə işləyir?

PicoRV32-nin native yaddaş interfeysində altı əsas siqnal istifadə olunur:

• mem_valid,
• mem_ready,
• mem_addr,
• mem_wdata,
• mem_wstrb,
• mem_rdata.

Prosessor oxuma və ya yazma başladarkən mem_valid siqnalını və hədəf ünvanı yaradır. Müvafiq periferiya əməliyyat başa çatdıqda mem_ready siqnalını yüksəldir.

Bu dizaynın mühüm xüsusiyyəti sürətləndirici üçün xüsusi yeni RISC-V əmri əlavə edilməməsidir. Sürətləndirici standart LW və SW yükləmə/saxlama əmrləri ilə normal yaddaş-xəritəli periferiya kimi idarə olunur.

Mənbənin yaddaş xəritəsində sürətləndirici blokun adı ECG_CNN_ACC kimi göstərilir. Buna baxmayaraq bu məqalədəki riyazi funksiya öyrədilə bilən CNN deyil; mənbə sürətləndiricini sabit üç tap-lı FIR/Laplasyen filtr kimi təsvir edir.

Sürətləndiricinin öz registrləri

Firmware əvvəlcə T həddini proqramlaşdırır, sonra sürüşən pəncərədəki üç nümunəni registrlərə yazır və RESULT registrini oxuyur.

Tək dövrlü sürətləndirici ilə iki dövrlü MMIO əməliyyatı arasındakı fərq

Mənbədə sürətləndiricinin arifmetik məlumat yolu kombinasiya üsulu ilə bir saat dövrü ərzində nəticə verəcək şəkildə dizayn edilmişdir. Lakin MMIO interfeysi timing closure-u təmin etmək üçün bir wait-state əlavə edir.

Daxili pending registri acc_ready/mem_ready siqnalını mem_valid yüksəldikdən tam bir dövr sonra yaradır. Buna görə sample yazma və ya feature oxuma MMIO əməliyyatı iki saat dövrü çəkir.

Beləliklə, “single-cycle arithmetic” ilə “two-cycle memory transaction” müxtəlif səviyyələrdəki gecikmələrdir və bir-biri ilə ziddiyyət təşkil etmir.

Vurucusuz Sürətləndirici Aparat Mürəkkəbliyini Necə O(N)-ə Endirir?

Ümumi üç tap-lı MAC filtri proqramlaşdırıla bilən əmsallar üçün N×N bit vurucular tələb etdiyinə görə hər vurucu üçün təxminən O(N²) qapı mürəkkəbliyinə malik olduğu halda, bu tədqiqatdakı sabit −1 və 2 əmsalları yalnız mənfi alma və naqilli bit sürüşdürmə ilə tətbiq edilir; geriyə N ilə xətti böyüyən toplayıcı və mənfi alma məntiqi qaldığından mənbə təklif olunan filtr yolunu təxminən O(4N) FAE ilə ifadə edir.

Full-Adder Equivalent nə deməkdir?

Mənbə aparat mürəkkəbliyini prosesdən asılı olmayaraq müqayisə etmək üçün Full-Adder Equivalent (FAE) anlayışından istifadə edir. Burada məqsəd real tranzistor sayını bir-bir hesablamaq deyil, fərqli arifmetik strukturların tələb etdiyi əsas kombinasiya hüceyrələrinin sayının N ilə necə miqyaslandığını müqayisə etməkdir.

Standart N×N signed array multiplier üçün təxminən O(N²) FAE tələb olunur. Üç tap-lı ənənəvi MAC quruluşunda üç vurucu və iki toplayıcı olduğundan mənbə təxminən:

\[ O(3N^2+2N) \]

mürəkkəbliyindən istifadə edir.

Təklif olunan sabit nüvədə isə:

• 3 ədəd N×N vurucu → 0,
• 1 ədəd bit sürüşdürmə → naqilləmə, O(1),
• 2 mənfi alma → O(N),
• 2 N-bit toplayıcı → O(N)

olduğuna görə təxminən:

\[ O(4N) \]

mürəkkəblik əldə edilir.

N = 12–16 bit biotibbi ADC enləri üçün mənbə tək bir signed array multiplier-in təxminən 144–256 FAE, bütün təklif olunan xüsusiyyət çıxarımı məlumat yolunun isə təxminən 48–64 FAE tələb etdiyini bildirir.

Buna əsasən filtrasiya mərhələsində təxmini kombinasiya qapı sahəsinin azalması təxminən 3×–4× kimi verilir. Bu rəqəm birbaşa ayrılmış fiziki multiplier sahəsinin silisium mikroqrafından ölçülmüş nisbət deyil; FAE əsaslı arxitektura mürəkkəbliyi təxminidir.

Proqram təminatı–aparat iş bölgüsü

RISC-V nüvəsi sistem idarəetməsini, UART rabitəsini, yaddaşa çıxışı, hədd proqramlaşdırmasını və nəticələrin host-a göndərilməsini idarə edir. Sürətləndirici isə üç nümunəlik filtri və hədd qərarını yerinə yetirir.

Bu bölgü yalnız CPU üzərində fasiləsiz filtr hesablamaqla tam sabit funksiyalı ASIC hazırlamaq arasında orta nöqtədir: proqram axını proqram təminatı ilə dəyişdirilə bildiyi halda, təkrarlanan arifmetika xüsusi aparata daşınmışdır.

Boot prosesi

Resetdən sonra PicoRV32, 512 baytlıq bootloader ROM-dan işləməyə başlayır. Bootloader UART baud-rate generatorunu nominal 100 MHz sistem saatında 115.200 baud üçün konfiqurasiya edir və host sinxronizasiyasını gözləyir.

Host-dan tətbiq binary-si gəldikdə kod 4 kB SRAM-a yazılır, checksum yoxlaması aparılır və icra SRAM baza ünvanına ötürülür.

Post-silicon test zamanı istifadə edilən bare-metal firmware təsviri 460 bayt, yəni 115 ədəd 32 bit word ölçüsündədir.

MIT-BIH məlumat dəsti necə istifadə edildi?

MIT-BIH Arrhythmia Database ümumilikdə 48 ədəd yarım saatlıq ambulator ECG qeydi ehtiva edir və 360 Hz-də nümunələnmişdir. Lakin bu tədqiqat bütün 48 qeyddən istifadə etməmişdir.

Qiymətləndirmə üçün beş qeyd seçilmişdir:

Normal və Anormal siniflər necə yaradıldı?

Mənbə AAMI EC57 yanaşmasına əsasən MIT-BIH beat annotation simvollarını ikili siniflərə uyğunlaşdırmışdır.

Digər beat növləri qiymətləndirmədən kənarda saxlanılmışdır.

Hər döyüntü üçün istifadə olunan pəncərə

Hər etibarlı beat kardioloq tərəfindən işarələnmiş R zirvəsinə görə 144 nümunəlik pəncərəyə ayrılmışdır. Pəncərə:

• R zirvəsindən əvvəl 250 ms,
• R zirvəsindən sonra 150 ms

olmaqla ümumilikdə 400 ms-lik sahəni əhatə edir. 360 Hz nümunələmə tezliyində bu müddət 144 nümunəyə uyğun gəlir.

Proqram təminatı referansının təsnifat performansı

Precision, bir sinif kimi işarələnmiş nümunələrin nə qədərinin həqiqətən həmin sinfə aid olduğunu; recall, həqiqi sinif nümunələrinin nə qədərinin tutulduğunu; F1-score isə precision və recall arasındakı tarazlığı ifadə edir.

Mənbə bu metriklərin riyazi düsturlarını ayrıca vermədiyinə görə Verianla burada mənbədən kənar nömrələnmiş tənlik əlavə etməmişdir.

Proqram təminatı referansının səhv matrisi

Ən dominant səhv rejimi anormal beat-in Normal kimi qaçırılmasıdır. Anormal beat-lərin %6,3-ü qaçırılarkən, Normal beat-lərin %2,5-i səhvən anomaliya kimi işarələnmişdir.

Mənbə bunu bir sabit yüksək-keçirən xüsusiyyət + bir hədd qərarının məhdud ayırdetmə qabiliyyəti ilə əlaqələndirir.

%95,88 Silisium Dəqiqliyi Niyə Çarpaz-Pasiyent Ümumiləşdirməsi Deyil?

Çünki qiymətləndirmədə hər MIT-BIH qeydi üçün qərar həddi həmin pasiyentin öz etiketlərindən istifadə etməklə ayrıca kalibrlənmişdir; buna görə nəticələr naməlum yeni pasiyentə sabit hədlə birbaşa ümumiləşdirilmiş performansı deyil, pasiyent/qeyd-özəl kalibrləmədən sonrakı ikili Normal/Abnormal performansını ölçür.

Mənbə pasiyent-özəl hədd kalibrlənməsinin istifadə olunduğunu açıq şəkildə bildirir, lakin bu PDF daxilində T həddinin dəqiq sayısal qiymətlərini və ya hər qeyd üçün hansı optimallaşdırma qaydası ilə seçildiyini ətraflı təqdim etmir. Bu məlumat Verianla tərəfindən təxmin edilməmişdir.

Tədqiqatın Metodu və Nəticələri

Dörd mərhələli doğrulama zənciri

Tədqiqat tək bir simulyasiya nəticəsinə əsaslanmır. Doğrulama dörd mərhələlidir:

1. MIT-BIH üzərində proqram təminatı golden-model təsnifat doğrulaması,
2. Artix-7 FPGA prototipləmə və hardware/software birgə iş doğrulaması,
3. 180 nm CMOS RTL→GDSII fiziki tətbiq və tape-out,
4. paketlənmiş silisium üzərində PCB, UART, elektrik gücü və ECG dəqiqlik ölçmələri.

FPGA prototipi

ASIC tape-out-dan əvvəl bütün SoC, Xilinx Artix-7 Arty A7-35T platformasında prototiplənmişdir. Hədəf saat tezliyi 100 MHz-dir.

MIT-BIH ECG pəncərələri UART vasitəsilə FPGA prototipinə ötürülmüş və aparat sürətləndiricisi test qeydlərində proqram təminatı golden model ilə bit-exact ekvivalentlik göstərmişdir.

FPGA ədəbiyyat müqayisəsi niyə diqqətlə oxunmalıdır?

Təklif olunan sistemin 15,9 ms FPGA gecikməsi yalnız filtr məlumat yolunun gecikməsi deyil. Mənbə bunun host UART nümunə ötürülməsini, MMIO sinxronizasiyasını, firmware əmr icrasını və təsnifat oxunmasını əhatə edən uçdan-uca sistem müddəti olduğunu açıq şəkildə bildirir.

Digər tədqiqatlar fərqli tapşırıqlar, alqoritmlər və gecikmə tərifləri istifadə etdiyindən bu cədvəldəki müddətlər birbaşa “ən sürətli alqoritm” sıralaması kimi oxunmamalıdır.

ASIC fiziki dizayn axını

FPGA doğrulamasından sonra eyni RTL arxitekturası kommersiya 180 nm CMOS prosesində tam fiziki ASIC axınına keçirilmişdir.

İstifadə olunan EDA alətləri

Fiziki çip nəticələri

Post-layout üçün proqnozlaşdırılan 29,89 mW ilə real silisium üzərində ölçülmüş 25,2 mW bir-birindən fərqləndirilməlidir. Birincisi fiziki dizayndan sonrakı simulyasiya, ikincisi isə istehsal olunmuş çipdəki ölçüdür.

Post-silicon test sistemi

İstehsal olunmuş die QFP-160 paketlənmiş və xüsusi PCB üzərinə yerləşdirilmişdir. PCB güc xətlərini, clock/reset, UART və GPIO/debug LED bağlantılarını xaricə çıxarır.

Host kompüterdə işləyən xüsusi Python 3.10.12 test proqramı çiplə 115.200 baud UART vasitəsilə əlaqə saxlamışdır.

Test proqramı mənbədə dörd iş rejimi ehtiva edir:

• firmware proqramlaşdırma + canlı ECG streaming,
• GPIO/LED toggle testi,
• UART logging,
• diagnostic reset.

400 nümunəlik fiziki funksiya testi

İlk silisium funksiya testində çipə 400 nümunəlik ECG diaqnostik pəncərəsi göndərilmişdir. İlk 200 nümunə normal beat, ikinci 200 nümunə isə anormal beat sahəsidir.

Mənbədə ilk normal sahədə yanlış pozitiv yaranmadığı, anormal sahədəki kəskin R zirvəsindən sliding-window keçərkən isə sürətləndiricinin ardıcıl iki pozitiv flag yaratdığı ölçülmüşdür.

Bu müşahidə real ölçülmüş ECG dalğa formasına əsaslanır. Verianla mənbə raster qrafikinin xam nümunə dəyərləri cədvəlləşdirilmədiyinə görə eyni dalğa formasını süni dəqiqliklə yenidən yaratmır.

Real silisium ilə proqram təminatı dəqiqliyi

Silisium ilə sürüşən nöqtəli proqram təminatı referansı arasındakı ümumi fərq yalnız altı beat-dir. Mənbə bu fərqin sürətləndirici arifmetikasındakı yuvarlaqlaşdırmadan qaynaqlanmadığını bildirir; məlumat yolu N+2 bitə genişləndirildiyi üçün daxili filtr arifmetikasında bit itkisi yoxdur.

Fərqin səbəbi proqram təminatının floating-point nümunələrlə, çipin isə sabit nöqtəli kvantlaşdırılmış girişlər və kvantlaşdırılmış həddlə işləməsidir. Hədd sərhədinə çox yaxın beat-lərdə bu kiçik təqdimat fərqi ikili qərarı dəyişə bilər.

Qeyd 217 niyə daha aşağı dəqiqlik verdi?

Qeyd 217-də silisium dəqiqliyi %87,89-a düşmüşdür. Bu qeyd təkbaşına ümumi 428 silisium səhvinin 236-sını, təxminən %55-ini təşkil edir.

Mənbə bunu qeydin qarışıq beat kompozisiyası və tək yüksək-keçirən xüsusiyyət üzərindəki tək həddin bəzi morfologiyaları Normal sinifdən etibarlı şəkildə ayıra bilməməsi ilə əlaqələndirir.

Bu nəticə sabit Laplasyen sürətləndiricisinin güclü olduğu tapşırığın sərhədini də göstərir: sistem QRS/R-zirvəsi ətrafındakı yüksək zaman qradientlərini çox aşağı aparat mürəkkəbliyi ilə tutur; lakin CNN kimi çoxsaylı öyrənilmiş xüsusiyyətlərdən istifadə etmir.

Güc ölçmələri

Güc 100 MHz-də VDD = 1,0–2,0 V diapazonunda aktiv, idle və sleep vəziyyətləri üçün fiziki silisium üzərində ölçülmüşdür.

Mənbənin mətn daxilində açıq şəkildə verdiyi bəzi ölçmə nöqtələri:

Mənbə aktiv və idle gücün gərginlik artdıqca ümumilikdə yüksəldiyini, 1,9 V ətrafında pikə çatdıqdan sonra 2,0 V nöqtəsində cüzi azalma göstərdiyini bildirir.

Mənbənin tam güc əyrisinin bütün sayısal nöqtələri cədvəl şəklində verilmədiyinə görə Verianla qrafikin aralıq nöqtələrini vizualdan oxuyub dəqiq məlumat kimi yenidən yaratmamışdır.

178,9 µJ aktiv enerji necə əldə olunur?

Mənbə 400 nümunəlik pəncərə üçün uçdan-uca silisium emal müddətini 7,1 ms kimi verir. Ölçülmüş aktiv güc 25,2 mW olduğuna görə enerji:

\[ E=P\times t \]

əsas əlaqəsi ilə düşünüldükdə:

\[ 25.2\;mW\times7.1\;ms \approx178.9\;\mu J \]

olur.

Bu \(E=P\times t\) ifadəsi mənbədə ayrıca nömrələnmiş tənlik deyil; burada mənbənin bildirdiyi 178,9 µJ dəyərinin fiziki mənasını izah etmək üçün istifadə edilən əsas enerji əlaqəsidir.

CR2032 ilə 25 günlük işləmə real batareya sınağıdırmı?

Xeyr. Mənbə bunu fərziyyəvi duty-cycled istifadə ssenarisi kimi təqdim edir.

Ssenaridə SoC-nin çox vaxt 44 nA-lıq dərin yuxuda qaldığı, yalnız periodik olaraq buferlənmiş ECG pəncərələrini emal etmək üçün oyandığı və orta gücün təxminən 1 mW səviyyəsinə düşdüyü fərz edilir.

220 mAh, 3,0 V və təxminən 2376 J enerjiyə malik standart CR2032 elementi üçün mənbə bu fərziyyə ilə 600 saatdan çox, təxminən 25 günlük monitorinq müddəti proqnozlaşdırır.

Bu rəqəm fiziki CR2032 ilə aparılmış uzunmüddətli batareya boşalma sınağı deyil.

180 nm ASIC ədəbiyyat müqayisəsi

Bu müqayisə “bu tədqiqat digərlərinin hamısından daha yaxşıdır” kimi oxunmamalıdır. Mənbə xüsusilə alqoritmlərin və tapşırıq əhatələrinin fərqli olduğunu bildirir.

Lee və həmkarlarının 1D-CNN çipi 0,102 mW ilə xeyli aşağı aktiv güc sərf etdiyi halda, bu tədqiqatın 25,2 mW-lıq SoC-si daha yüksək saat tezliyi və daha qısa mütləq sistem gecikməsinə yönəlmişdir.

Hoyer və həmkarlarının daha qısa gecikməsi isə real silisium ölçümü deyil, simulyasiya olunmuş cycle count-lar əsasında törədilmişdir.

Tədqiqatın dəstəklədiyi nəticələr

• K = [−1, 2, −1] sabit Laplasyen nüvəsi ECG QRS/R-zirvəsi ətrafındakı sürətli zaman dəyişikliklərini aşağı tezlikli baza xətti komponentlərinə nisbətən vurğulaya bilir.
• Sabit əmsallar sayəsində aparat multiplier-ları aradan qaldırıla və filtr məlumat yolu təxminən O(N) kombinasiya mürəkkəbliyinə endirilə bilər.
• PicoRV32 ilə xüsusi sürətləndirici standart MMIO vasitəsilə eyni SoC daxilində birləşdirilə bilir.
• FPGA prototipi proqram təminatı golden model-i ilə bit-exact xüsusiyyət çıxarımı göstərmişdir.
• 180 nm CMOS-da fiziki çip istehsalı, DRC/LVS, logic equivalence və post-layout timing closure tamamlanmışdır.
• İstehsal olunmuş silisium real MIT-BIH ECG qeydlərində UART vasitəsilə işlədilmişdir.
• Pasiyent/qeyd-özəl hədd kalibrlənməsi ilə beş qeyddə 10.393 beat üzərində %95,88 silisium dəqiqliyi əldə edilmişdir.
• Proqram təminatı ilə silisium arasında yalnız altı beat fərqi var.
• 1,8 V və 100 MHz-də 25,2 mW aktiv güc, 1,0 V dərin yuxuda isə 44 nW sızma ölçülmüşdür.

Tədqiqatın dəstəkləmədiyi nəticələr

Bu tədqiqat %95,88 dəqiqliyin görünməmiş pasiyentlərdə eyni şəkildə əldə olunacağını sübut etmir. Hər qeydin qərar həddi öz etiketlərinə görə kalibrlənmişdir.

Tədqiqat bütün aritmiya növlərini təsnif edən çox-sinifli diaqnostika sistemi deyil. İstifadə edilən etiketləmə Normal və müəyyən Anormal beat qrupları şəklində ikilidir; digər beat növləri qiymətləndirmədən kənardadır.

Tədqiqat xam ECG-dəki bütün səs-küy və hərəkət artefaktlarını həll etmir. Mənbə giriş siqnalının standart ön emaldan keçdiyini fərz edir.

Tədqiqat perspektiv klinik pasiyent işi deyil. MIT-BIH verilənlər bazası qeydləri çip üzərində yenidən səsləndirilərək laboratoriya şəraitində sınaqdan keçirilmişdir.

Tədqiqat ümumi təyinatlı CNN-in bütün tapşırıqlarda lazımsız olduğunu göstərmir. Mənbə sabit Laplasyen quruluşunun müəyyən və yaxşı müəyyənləşdirilmiş QRS/R-zirvəsi morfologiyası tapşırığı üçün uyğun olduğunu, trainable CNN qədər ümumi olmadığını vurğulayır.

Əsas məhdudiyyətlər

• Yalnız beş MIT-BIH qeydi və 10.393 beat qiymətləndirilmişdir.
• Hədd hər qeyd üçün öz etiketləri ilə kalibrlənmişdir.
• Hədd seçimi prosedurunun ətraflı optimallaşdırma alqoritmi və hər qeyd üzrə T dəyərləri PDF-də hesabatlandırılmayıb.
• Digər MIT-BIH beat növləri ikili qiymətləndirməyə daxil edilməyib.
• Sabit K = [−1, 2, −1] nüvəsi aparat dəyişdirilmədən fərqli qeyri-morfoloji aritmiya siniflərinə uyğunlaşdırıla bilməz.
• Tək hədd xüsusilə Qeyd 217 kimi qarışıq morfologiya ehtiva edən qeydlərdə məhdud ayırdetmə göstərmişdir.
• Xam yüksək tezlikli EMG səs-küyü və hərəkət artefaktları üçün standart ön emal fərz edilmişdir.
• Aktiv 25,2 mW güc yalnız sürətləndiriciyə deyil, CPU, SRAM və UART daxil olmaqla bütün SoC-yə aiddir.
• CR2032 istifadə müddəti real uzunmüddətli batareya sınağı deyil, duty-cycled güc fərziyyəsinə əsaslanan ssenaridir.

Gələcək iş planları

Mənbədə gələcəkdə sistemə aşağı güclü rəqəmsal ön filtrasiya və adaptiv hədd mexanizmlərinin əlavə edilməsi planlaşdırılır. Məqsəd xam və səs-küylü klinik mühitlərə daha birbaşa yaxınlaşmaqdır.

Həmçinin Dynamic Frequency Scaling (DFS) üçün yaddaş-xəritəli proqramlaşdırıla bilən clock divider və çip üzərində aşağı düşümlü tənzimləyici (LDO) əlavə edilməsi təklif olunur.

Digər hədəf sabit üç tap quruluşunu yerli shift-and-add emal elementlərindən istifadə edən konfiqurasiya olunan N-tap sürətləndiricisinə genişləndirmək və vurucusuz dizayn fəlsəfəsini qoruyarkən daha geniş anomaliya siniflərinə yaxınlaşmaqdır.

Bu xüsusiyyətlər mövcud çipdə həyata keçirilmiş nəticələr deyil, məqalənin gələcək iş təklifləridir.

Nəticənin düzgün mühəndislik mənası

Bu tədqiqatın əsas uğuru ECG təsnifatında ən mürəkkəb alqoritmdən istifadə etmək deyil, müəyyən morfoloji xüsusiyyətin riyazi quruluşundan yararlanaraq xüsusi aparatı son dərəcə sadələşdirməkdir.

QRS/R-zirvəsi ətrafındakı kəskin ikinci fərqin sabit Laplasyen filtri ilə çıxarıla bilməsi ümumi təyinatlı vurucuların və böyük MAC massivlərinin aradan qaldırılmasına imkan verir. PicoRV32 isə bu xüsusi məlumat yolunun ətrafında proqramlaşdırıla bilən sistem idarəetməsi təmin edir.

Nəticədə tədqiqat RISC-V proqramlaşdırıla bilməsi ilə çox sadə domain-specific sürətləndirmənin eyni SoC daxilində birləşdirilməsinin real silisium üzərində tətbiq oluna bildiyini göstərir.

Əvəzində sistemin alqoritmik ümumiliyi məhduddur. Bu arxitektura müəyyən biosiqnal xüsusiyyəti üçün aşağı sahəni və deterministik emal yolunu üstün tutur; çoxqatlı öyrənilə bilən şəbəkələrin təqdim etdiyi geniş təsnifat elastikliyini təmin etmir.

Mənbə və Metod Qeydi

Orijinal başlıq: A Low-Power PicoRV32-Based SoC with an Integrated Hardware Accelerator for Real-Time ECG R-Peak Anomaly Detection in 180-nm CMOS

Müəlliflər: Phu-Cuong Le; Duc-Hung Le; Cong-Kha Pham.

Müəllif sırası: Mənbədəki sıra olduğu kimi qorunmuşdur.

Bərabər töhfə: Mənbədə bərabər birinci müəlliflik və ya bərabər töhfə bildirişi yoxdur.

Məsul müəlliflər: Phu-Cuong Le və Cong-Kha Pham.

Qurum 1: Department of Computer and Network Engineering, The University of Electro-Communications (UEC), Tokyo, Japan.

Qurum 2: Institute of System Integration, Le Quy Don Technical University (LQDTU), Hanoi, Vietnam.

Qurum 3: Faculty of Electronics and Telecommunications, The University of Science, Vietnam National University Ho Chi Minh City, Ho Chi Minh City, Vietnam.

Jurnal: Chips.

Nəşriyyat: MDPI, Basel, Switzerland.

Cild / say / məqalə nömrəsi: 5 / 4 / 34.

DOI: 10.3390/chips5040034.

Qəbul tarixi: 31 avqust 2026.

Reviziya tarixi: 28 sentyabr 2026.

Qəbul olunma tarixi: 30 sentyabr 2026.

Nəşr tarixi: 5 oktyabr 2026.

Mənbə növü: Orijinal tədqiqat məqaləsi; alqoritm analizi, FPGA prototipi, fiziki ASIC tətbiqi və post-silicon laboratoriya doğrulaması ehtiva edir.

Resenziya statusu: Chips beynəlxalq resenziyalı və açıq girişli elmi jurnaldır.

Rəsmi nəşr: MDPI, Chips; DOI 10.3390/chips5040034.

Versiya qeydi: Yüklənmiş mənbə 20 səhifəlik dərc olunmuş məqalə PDF-sidir. MDPI veb qeydi mövcud yoxlamada əlavə olaraq “early access version” xəbərdarlığı göstərir; biblioqrafik identifikasiya məlumatları PDF ilə uyğun gəlir.

Lisenziya: Creative Commons Attribution — CC BY.

Əsas metod: Sabit K = [−1, 2, −1] diskret Laplasyen/FIR xüsusiyyət çıxarımı; proqramlaşdırıla bilən hədd; PicoRV32 RV32I MMIO idarəetməsi; FPGA prototipi; 180 nm CMOS fiziki dizayn; post-silicon ECG və güc ölçmələri.

Məlumat dəsti: MIT-BIH Arrhythmia Database; qiymətləndirmədə 100, 103, 107, 119 və 217 qeydlərindən istifadə olunmuşdur.

Nümunə sayı: 10.393 beat; 6107 Normal və 4286 Anormal.

Nümunələmə tezliyi: 360 Hz.

Beat pəncərəsi: 144 nümunə; R zirvəsindən 250 ms əvvəl və 150 ms sonra.

Sinif uyğunlaşdırması: Normal = N, L, R, e, j; Anormal = V, E, /. Digər beat növləri çıxarılmışdır.

Hədd kalibrlənməsi: Pasiyent/qeyd əsasında aparılmışdır. Mənbə dəqiq hədd qiymətlərini və ya ətraflı optimallaşdırma prosedurunu bildirmir.

FPGA: Xilinx Artix-7, Arty A7-35T; hədəf 100 MHz.

ASIC prosesi: Kommersiya 180 nm CMOS.

Aktiv nüvə sahəsi: 0,936 mm².

Standard-cell sayı: 9373.

Yerləşdirmə sıxlığı: %75,2.

Core supply: nominal 1,8 V.

I/O supply: 3,3 V.

Paket: QFP-160.

Ölçülmüş aktiv güc: 25,2 mW @ 1,8 V, 100 MHz.

Ölçülmüş yuxu sızması: 44 nA / 44 nW @ 1,0 V.

Ölçülmüş silisium dəqiqliyi: %95,88 — 9965 / 10.393 beat.

Proqram təminatı referansı: %95,94 — 9971 / 10.393 beat.

Proqram təminatı–silisium fərqi: 6 beat, 0,06 faiz bəndi.

Uçdan-uca silisium pəncərə müddəti: 7,1 ms / 400 nümunəlik pəncərə.

Aktiv pəncərə enerjisi: təxminən 178,9 µJ.

Maliyyələşdirmə: Japan Science and Technology Agency (JST), Networked Exchange, United Strength for Stronger Partnerships between Japan and ASEAN (NEXUS), Grant JPMJNX25D4.

Acknowledgments daxilində əlavə dəstək: Mənbə həmçinin National Foundation for Science and Technology Development (NAFOSTED), Vietnam, Grant NĐT/JP/26/01 dəstəyini təşəkkür bölməsində qeyd edir.

Məlumatların əlçatanlığı: Bildirilmiş nəticələri dəstəkləyən məlumatların əsaslandırılmış sorğu əsasında məsul müəllifdən əldə oluna biləcəyi bildirilmişdir.

İnstitusional etika komitəsi: Tətbiq edilmir.

Məlumatlandırılmış razılıq: Tətbiq edilmir.

Maraqların toqquşması: Müəlliflər maraqların toqquşması olmadığını bəyan etmişlər.

Müəllif töhfələri: Konseptuallaşdırma: Phu-Cuong Le və Cong-Kha Pham. Metod: Phu-Cuong Le. Proqram təminatı: Phu-Cuong Le. Doğrulama: Phu-Cuong Le, Duc-Hung Le və Cong-Kha Pham. Formal analiz: Phu-Cuong Le. Tədqiqat: Phu-Cuong Le və Duc-Hung Le. Resurslar: Cong-Kha Pham. Məlumatların işlənməsi: Phu-Cuong Le. İlkin layihə: Phu-Cuong Le. Nəzərdən keçirmə və redaktə: Phu-Cuong Le, Duc-Hung Le və Cong-Kha Pham. Vizualizasiya: Phu-Cuong Le. Superviziya və layihə idarəetməsi: Cong-Kha Pham. Maliyyələşdirmənin əldə edilməsi: Cong-Kha Pham.

Əsas şərh sərhədi: %95,88 dəqiqlik pasiyent/qeyd-özəl kalibrləmə ilə əldə edilmişdir və çarpaz-pasiyent klinik ümumiləşdirmə nəticəsi deyil. Sistem standart ön emaldan keçmiş ECG girişini fərz edir və sabit Laplasyen + tək hədd quruluşu bütün aritmiya növlərini əhatə etmir.