Mfumo-katika-chip (System-on-Chip, SoC) unaotegemea PicoRV32, ni mfumo wa kidijitali wa uchakataji wa biosignali unaounganisha kwenye chipu moja ya CMOS kiini cha kichakataji cha 32-bit RV32I RISC-V na kichapuzi maalumu cha maunzi kisichotumia vizidishi, kilichoundwa kutoa kilele cha R na viashiria vya hitilafu za kimofolojia katika ishara ya elektrokadiogramu (ECG). Kichapuzi katika utafiti kinatumia kiini thabiti cha Laplacian cha sampuli tatu K = [−1, 2, −1] na kilinganishi cha kizingiti kinachoweza kupangwa. Kwa sababu koefisienti za kiini ni −1 na 2 pekee, vizidishi vya maunzi vya matumizi ya jumla vimeondolewa; hesabu imebadilishwa kuwa kuchukua hasi katika two's complement, kusogeza biti moja kushoto na kujumlisha.

Mfumo haukuachwa katika kiwango cha RTL au uigaji pekee. Kwanza ulithibitishwa kwa rejea ya programu na prototipu ya FPGA, kisha ukasanifiwa kimwili na kufanyiwa tape-out katika mchakato wa kibiashara wa 180 nm CMOS, na kujaribiwa kwenye silicon halisi ndani ya kifurushi cha QFP-160 kwa PCB maalumu. Eneo hai la kiini cha chipu ni 0,936 mm², idadi ya standard-cell ni 9373 na msongamano wa uwekaji ni %75,2. Lengo lilikuwa 100 MHz; katika uchambuzi wa post-route RC timing closure ya 101 MHz ilipatikana na silicon halisi ikaendeshwa kwa 100 MHz.

Katika rekodi tano zilizochaguliwa kutoka MIT-BIH Arrhythmia Database jumla ya mipigo 10.393 ilitathminiwa. Chipu iliyotengenezwa iliainisha kwa usahihi 9965 kati yake na kupata usahihi wa %95,88 wa Normal/Abnormal. Kwenye data ileile, rejea ya programu ya floating-point ilitoa usahihi wa %95,94; tofauti kati ya silicon na programu ilikuwa mipigo sita tu, yaani pointi 0,06 za asilimia.

Hata hivyo, thamani hii ya %95,88 si usahihi wa kuvuka wagonjwa kwa idadi ya watu kwa ujumla au wagonjwa ambao hawajaonekana hapo awali. Kwa kila rekodi ya MIT-BIH, kizingiti kilirekebishwa kwa kutumia lebo za mgonjwa/rekodi hiyo hiyo. Zaidi ya hayo, chanzo kinadhania kuwa ishara ya ECG ya kuingiza imepitia uchakataji awali wa kawaida. Kwa hiyo, utafiti huu haupaswi kufasiriwa kama uthibitishaji wa kitabibu wa kifaa cha matibabu kinachovaliwa kilichokamilika ambacho hufanya utambuzi huru wa kitabibu kwenye ECG ghafi yenye kelele.

Katika usambazaji wa kiini wa 1,8 V na 100 MHz, nguvu hai iliyopimwa ni 25,2 mW. Katika hali ya usingizi mzito, mkondo wa uvujaji uliopimwa kwa 1,0 V ni 44 nA, na nguvu inayolingana ni 44 nW. Kwa kuzingatia pamoja muda wa 7,1 ms kutoka mwanzo hadi mwisho kwa dirisha la uchakataji la sampuli 400 na nguvu hai ya 25,2 mW, chanzo kinakokotoa takriban 178,9 µJ ya nishati hai ya uchakataji.

Tatizo kuu la utafiti ni nini?

Mifumo ya ECG inayovaliwa lazima ifuatilie mapigo ya moyo kwa muda mrefu. Katika mifumo hii, kompleksi ya QRS na hasa kilele cha R huonyesha mabadiliko ya muda yaliyo makali zaidi na yenye amplitudo kubwa kuliko vipengele vingine vya ECG, hivyo ni alama muhimu kwa kugawanya mipigo na kugundua hitilafu za kimofolojia.

Hata hivyo, CNN tata au injini za matumizi ya jumla za multiply-accumulate (MAC) zinazofanya kazi mfululizo katika kifaa kinachovaliwa hutumia eneo la silicon, nguvu badilifu, ufikiaji wa kumbukumbu na mizunguko ya kichakataji. Katika mikrokontroller ya matumizi ya jumla inayotumia programu pekee, shughuli zilezile za kuchuja zinazojirudia zinaweza kusababisha CPU kubaki hai kila wakati na kuongeza nishati ya instruction-fetch.

Mbinu ya utafiti ni kuacha usimamizi wa mfumo, mawasiliano na mtiririko wa programu kwa kiini kidogo cha RISC-V, huku utoaji wa vipengele vya ECG unaorudiwa mara kwa mara ukihamishwa kwenda kwenye kichapuzi kidogo sana cha maunzi chenye kazi thabiti.

Kwa nini kompleksi ya QRS na kilele cha R vilichaguliwa katika ECG?

Mzunguko wa kawaida wa ECG una wimbi la P, kompleksi ya QRS, wimbi la T na katika baadhi ya hali wimbi la U. Kompleksi ya QRS ina mabadiliko ya haraka yanayotokea wakati wa depolarization ya ventrikali. Hasa karibu na kilele cha R, mteremko wa ishara kati ya sampuli ni mkubwa.

Sifa hii huruhusu operesheni za high-pass zinazofanana na derivative ya kwanza au ya pili kusisitiza eneo la QRS kwa nguvu zaidi kuliko mkengeuko wa baseline wa masafa ya chini na vipengele vya P/T vilivyo polepole zaidi.

Kwa Nini Kiini Thabiti cha Laplacian [−1, 2, −1] Kinasisitiza Kilele cha R?

Kiini K = [−1, 2, −1] hukokotoa tofauti ya pili ya kidijitali ya sampuli tatu mfululizo za ECG; katika ishara zinazobadilika polepole au za kudumu, sampuli jirani huwa karibu na hivyo pato huwa dogo, lakini katika mabadiliko makali ya muda kama kilele cha R, tofauti ya sampuli ya katikati dhidi ya jirani zake huongezeka na pato la kichujio huongezeka. Uchambuzi wa masafa wa chanzo pia unaonyesha tabia ya high-pass ya kichujio, yenye sifuri katika DC na ukubwa mkubwa zaidi katika masafa ya juu.

Mlinganyo (1): Kiini thabiti cha kichujio

Katika chanzo, kiini kikuu cha maunzi maalumu kimetolewa kama:

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

.

Koefisienti hizi tatu si mkusanyiko wa uzani za CNN zinazofundishika. Ni kiini cha FIR/Laplacian cha tap tatu kilichowekwa moja kwa moja kwenye maunzi na chanzo.

Koefisienti −1 haihitaji kizidishi cha maunzi; inaweza kutekelezwa kwa kuchukua hasi katika two's complement. Koefisienti 2 pia inaweza kutekelezwa kwa kusogeza biti moja kushoto badala ya kizidishi cha matumizi ya jumla. Uchaguzi huu rahisi wa koefisienti huamua usanifu wa kichapuzi chote.

Mlinganyo (2): Laplacian ya kidijitali ya sampuli tatu

Thamani inayokokotolewa na kichapuzi katika kila dirisha linaloteleza ni:

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

.

Hapa:

• x[n−1]: sampuli ya ECG iliyotangulia,
• x[n]: sampuli ya ECG ya katikati,
• x[n+1]: sampuli ya ECG inayofuata,
• y[n]: ni pato la kipengele cha Laplacian.

Katika ishara ya kudumu au inayobadilika polepole sana, ikiwa thamani tatu jirani ziko karibu, −x[n−1] + 2x[n] − x[n+1] hukaribia sifuri. Sampuli ya katikati inapokuwa tofauti wazi na jirani zake, matokeo huongezeka. Kwa hiyo, usemi huu ni nyeti kwa maeneo ya curvature/ukali mkubwa katika ECG.

Mlinganyo (3): Uamuzi wa kizingiti kinachoweza kupangwa

Pato la Laplacian kisha hulinganishwa na kizingiti T kinachoweza kupangwa:

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

Matokeo ni biti moja tu. 0 inaonyesha kuwa kizingiti hakijavukwa; 1 inaonyesha kuwa kipengele cha Laplacian ni sawa na au kikubwa kuliko kizingiti kilichopangwa.

Kuna mpaka muhimu hapa: algoriti si kiainishaji tata cha aritmia cha madarasa mengi. Ni mfumo wa uamuzi wa binary unaounganisha kipengele kimoja thabiti cha high-pass na ulinganisho mmoja wa kizingiti.

Mlinganyo (4): z-transform ya kichujio

Chanzo kinatoa z-transform ya kichujio cha FIR cha tap tatu kilicho simetriki kama:

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

.

Uwakilishi huu huruhusu kichujio kuchunguzwa si kama operesheni tatu za hesabu pekee, bali pia kama mfumo mstari wa muda wa kidijitali.

Mlinganyo (5): Mwitikio wa masafa

Kwenye duara la unit, tunapoandika \(z=e^{j\omega}\):

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

tunapata.

Usemi ni ukubwa halisi usio hasi. Kwa \(\omega=0\):

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

. Kwa hiyo sehemu ya DC hukandamizwa.

Katika masafa ya chini, kwa kuwa \(\sin(\omega/2)\approx\omega/2\):

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

makadirio haya hupatikana. Chanzo kinahusisha hili na ukandamizaji mkubwa wa vipengele vya masafa ya chini sana kama baseline drift ikilinganishwa na bendi lengwa ya QRS.

\(\omega\) inapoongezeka kutoka sifuri kuelekea masafa ya Nyquist, usemi huongezeka kwa mtindo wa monotonic na ukubwa wa uhamisho hufikia 4 katika \(\omega=\pi\). Maandishi ya chanzo yanaita hatua hii “maximum power gain of 4”; Verianla haijabadilisha usemi huu kuwa hesabu ya power-square isiyo katika chanzo na inategemea moja kwa moja Mlinganyo (5) ulioonyeshwa.

Tofauti ya takriban 40 dB kati ya 1 Hz na 10 Hz inatoka wapi?

Rekodi za MIT-BIH zina masafa ya sampuli ya 360 Hz. Chanzo kikitumia Mlinganyo (5), kwa 1 Hz kinatoa:

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

na kwa 10 Hz:

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

.

Uwiano wa takriban mara 100 kati ya ukubwa hizi mbili, unapopimwa kama uwiano wa amplitudo katika dB, hutoa tofauti ya takriban 40 dB. Chanzo hutumia hili kama kiashiria cha kihisabati cha kusisitizwa kwa nguvu kwa bendi ya nishati ya QRS dhidi ya vipengele vya baseline karibu na 1 Hz.

Mlinganyo (6): Ukuaji wa biti katika hali mbaya zaidi kwa ingizo la N-bit

Inakubaliwa kuwa kila sampuli ya ECG ni integer yenye ishara ya N-bit katika two's complement:

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

Norm ya L1 ya kiini ni:

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

kwa hiyo chanzo kinaweka kikomo cha thamani kamili ya pato kwa:

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

.

Hesabu hii inaeleza kwa nini njia ya data ya hesabu haijawekwa kuwa na upana sawa na ingizo. Muundo hupanua ishara ya kila sampuli ya N-bit hadi N+2 bit kabla ya uchakataji. Hivyo hatari ya overflow wakati wa kuchukua hasi, kusogeza biti moja kushoto na kujumlisha vipengele vitatu hupungua, na chanzo kinaeleza kuwa hesabu ya bit-exact hufanywa kwa mfululizo halali wa ingizo.

Negation katika two's complement inatekelezwaje?

Katika two's complement, hasi ya namba hupatikana kwa kugeuza biti na kuongeza 1:

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

Chanzo kinaeleza kuwa kwa sababu ingizo la N-bit hupanuliwa kwanza hadi N+2 bit, thamani ya chini isiyoweza kuwakilishwa haifikiwi wakati wa negation ndani ya safu halali ya ingizo.

Kwa nini kuzidisha kwa 2 hakuhitaji kizidishi halisi?

Katika uwakilishi wa integer wa binary, kuzidisha kwa 2 kunaweza kutekelezwa kwa arithmetic left shift ya biti moja:

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

Kwa hiyo seli ya multiplier haitumiki kwa koefisienti 2; operesheni hufanywa hasa kwa wiring na upangaji wa biti.

Kwa nini PicoRV32 ilichaguliwa?

PicoRV32 ni kiini cha kichakataji cha 32 bit RISC-V kinacholenga eneo dogo la silicon. Chanzo kinataja thamani ya wastani ya CPI kuwa takriban 4. Usanifu hutumia native memory interface rahisi badala ya itifaki tata za bus.

Katika utafiti huu kichakataji kilitumika katika usanidi wa msingi wa RV32I pekee. Hardware multiply/divide M-extension na Pico Co-Processor Interface (PCPI) zilizimwa. Kwa hiyo hata upande wa CPU wa mfumo haukutumia vizidishi vikubwa vya maunzi vya biti nyingi.

Njia ya data ya MMIO inafanyaje kazi?

Katika native memory interface ya PicoRV32, ishara sita kuu hutumiwa:

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

Kichakataji kinapoanzisha kusoma au kuandika, huzalisha ishara ya mem_valid na anwani lengwa. Kifaa cha pembeni husika huinua ishara ya mem_ready baada ya operesheni kukamilika.

Sifa muhimu ya muundo huu ni kwamba hakuna amri mpya maalumu ya RISC-V iliyoongezwa kwa kichapuzi. Kichapuzi hudhibitiwa kama peripheral ya kawaida iliyopangwa kwa kumbukumbu kwa kutumia amri za kawaida za LW na SW za kupakia/kuhifadhi.

Katika ramani ya kumbukumbu ya chanzo, jina la kitalu cha kichapuzi ni ECG_CNN_ACC. Hata hivyo, kazi ya kihisabati katika makala hii si CNN inayofundishika; chanzo kinafafanua kichapuzi kama kichujio thabiti cha FIR/Laplacian cha tap tatu.

Rejista za kichapuzi chenyewe

Firmware kwanza hupanga kizingiti T, kisha huandika sampuli tatu za dirisha linaloteleza kwenye rejista na kusoma rejista ya RESULT.

Tofauti kati ya kichapuzi cha mzunguko mmoja na operesheni ya MMIO ya mizunguko miwili

Katika chanzo, njia ya data ya hesabu ya kichapuzi imeundwa kimchanganyiko kutoa matokeo ndani ya mzunguko mmoja wa saa. Hata hivyo, kiolesura cha MMIO huongeza wait-state moja ili kuhakikisha timing closure.

Rejista ya ndani pending huzalisha ishara ya acc_ready/mem_ready mzunguko mmoja kamili baada ya mem_valid kuinuka. Kwa hiyo operesheni ya MMIO ya kuandika sample au kusoma feature huchukua mizunguko miwili ya saa.

Kwa hiyo “single-cycle arithmetic” na “two-cycle memory transaction” ni ucheleweshaji wa tabaka tofauti na hazipingani.

Kichapuzi Kisicho na Kizidishi Kinapunguzaje Utata wa Maunzi hadi O(N)?

Kichujio cha kawaida cha MAC cha tap tatu kinahitaji vizidishi vya N×N bit kwa koefisienti zinazoweza kupangwa na hivyo kila kizidishi kina takriban utata wa milango O(N²); katika utafiti huu koefisienti thabiti −1 na 2 zinatekelezwa tu kwa negation na wired bit shift. Kinachobaki ni mantiki ya jumlisho na negation inayokua kwa mstari na N, kwa hiyo chanzo kinaeleza njia ya kichujio iliyopendekezwa kuwa takriban O(4N) FAE.

Full-Adder Equivalent inamaanisha nini?

Chanzo hutumia dhana ya Full-Adder Equivalent (FAE) kulinganisha utata wa maunzi bila kutegemea mchakato. Lengo si kuhesabu idadi halisi ya transistor moja baada ya nyingine, bali kulinganisha jinsi idadi ya seli za msingi za combinational zinazohitajika na miundo tofauti ya hesabu inavyokua na N.

Kwa standard N×N signed array multiplier, takriban O(N²) FAE inahitajika. Katika muundo wa kawaida wa MAC wa tap tatu kuna vizidishi vitatu na vijumlishi viwili, kwa hiyo chanzo hutumia takriban:

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

ya utata.

Katika kiini thabiti kilichopendekezwa:

• vizidishi 3 vya N×N → 0,
• bit shift 1 → wiring, O(1),
• negation 2 → O(N),
• vijumlishi 2 vya N-bit → O(N)

kwa hiyo takriban:

\[ O(4N) \]

ya utata hupatikana.

Kwa upana wa ADC wa kibaolojia wa N = 12–16 bit, chanzo kinaeleza kuwa signed array multiplier moja inahitaji takriban 144–256 FAE, huku njia nzima ya data ya utoaji vipengele iliyopendekezwa ikihitaji takriban 48–64 FAE.

Kutokana na hili, upunguzaji wa takriban wa eneo la milango ya combinational katika hatua ya kuchuja unatolewa kuwa karibu 3×–4×. Namba hii si uwiano uliopimwa moja kwa moja kutoka kwenye micrograph ya silicon ya eneo la multiplier lililotengwa kimwili; ni makadirio ya utata wa usanifu kwa msingi wa FAE.

Mgawanyo wa kazi kati ya programu na maunzi

Kiini cha RISC-V husimamia mfumo, mawasiliano ya UART, ufikiaji wa kumbukumbu, upangaji wa kizingiti na kutuma matokeo kwa host. Kichapuzi hufanya kichujio cha sampuli tatu na uamuzi wa kizingiti.

Mgawanyo huu ni sehemu ya kati kati ya kukokotoa kichujio mfululizo kwenye CPU pekee na kutengeneza ASIC yenye kazi thabiti kabisa: mtiririko wa programu unaweza kubadilishwa kwa programu, huku hesabu zinazojirudia zikihamishiwa kwenye maunzi maalumu.

Mchakato wa Boot

Baada ya Reset, PicoRV32 huanza kufanya kazi kutoka bootloader ROM ya 512 byte. Bootloader husanidi jenereta ya UART baud-rate kwa 115.200 baud katika saa ya mfumo ya nominal 100 MHz na kusubiri ulandanishi wa host.

Application binary inapowasili kutoka host, msimbo huandikwa kwenye 4 kB SRAM, checksum huthibitishwa na utekelezaji huhamishiwa kwenye anwani ya msingi ya SRAM.

Picha ya bare-metal firmware iliyotumika wakati wa post-silicon test ina ukubwa wa 460 byte, yaani word 115 za 32 bit.

Seti ya data ya MIT-BIH ilitumikaje?

MIT-BIH Arrhythmia Database ina jumla ya rekodi 48 za ECG za ambulatory za nusu saa na zimesampuliwa kwa 360 Hz. Hata hivyo, utafiti huu haukutumia rekodi zote 48.

Rekodi tano zilichaguliwa kwa tathmini:

Madarasa ya Normal na Abnormal yaliundwaje?

Chanzo kilipangilia alama za MIT-BIH beat annotation kwenye madarasa mawili kwa mujibu wa mbinu ya AAMI EC57.

Aina nyingine za beat ziliachwa nje ya tathmini.

Dirisha lililotumika kwa kila mpigo

Kila beat halali iligawanywa kwa kuzingatia kilele cha R kilichowekwa alama na daktari wa moyo kuwa dirisha la sampuli 144. Dirisha:

• 250 ms kabla ya kilele cha R,
• 150 ms baada ya kilele cha R

na hivyo hufunika jumla ya eneo la 400 ms. Kwa masafa ya sampuli ya 360 Hz, muda huu unalingana na sampuli 144.

Utendaji wa uainishaji wa rejea ya programu

Precision, inaonyesha ni sehemu gani ya sampuli zilizoainishwa kuwa darasa fulani kweli ni za darasa hilo; recall, inaonyesha ni sehemu gani ya sampuli halisi za darasa zimegunduliwa; F1-score inaonyesha usawaziko kati ya precision na recall.

Kwa sababu chanzo hakikutoa fomula za kihisabati za vipimo hivi kando, Verianla haijaongeza hapa mlinganyo uliopewa namba kutoka nje ya chanzo.

Matriksi ya makosa ya rejea ya programu

Aina kuu ya kosa ni kupitisha beat ya Abnormal kama Normal. %6,3 ya beat za Abnormal zilikosekana, huku %2,5 ya beat za Normal zikiwekwa kimakosa kama anomali.

Chanzo kinahusisha hali hii na uwezo mdogo wa kutenganisha wa kipengele kimoja thabiti cha high-pass + uamuzi mmoja wa kizingiti.

Kwa Nini Usahihi wa Silicon wa %95,88 Si Ujumlishaji wa Kuvuka Wagonjwa?

Kwa sababu katika tathmini, kizingiti cha uamuzi kwa kila rekodi ya MIT-BIH kilirekebishwa kando kwa kutumia lebo za mgonjwa huyo huyo; hivyo matokeo hayapimi utendaji uliotumika moja kwa moja kwa mgonjwa mpya asiyejulikana kwa kizingiti thabiti, bali utendaji wa binary wa Normal/Abnormal baada ya kalibresheni maalumu ya mgonjwa/rekodi.

Chanzo kinaeleza wazi kuwa kalibresheni ya kizingiti maalumu kwa mgonjwa ilitumika, lakini ndani ya PDF hii hakitoi kwa undani thamani kamili za namba za kizingiti T au kanuni ya uboreshaji iliyotumiwa kuchagua kizingiti kwa kila rekodi. Taarifa hii haijakisiwa na Verianla.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Mlolongo wa uthibitishaji wa hatua nne

Utafiti hautegemei matokeo moja ya uigaji. Uthibitishaji una hatua nne:

1. uthibitishaji wa uainishaji wa software golden-model kwenye MIT-BIH,
2. prototyping ya Artix-7 FPGA na uthibitishaji wa ushirikiano wa hardware/software,
3. utekelezaji wa kimwili wa 180 nm CMOS RTL→GDSII na tape-out,
4. vipimo vya PCB, UART, nguvu ya umeme na usahihi wa ECG kwenye silicon iliyofungwa.

Prototipu ya FPGA

Kabla ya ASIC tape-out, SoC nzima ilifanyiwa prototyping kwenye jukwaa la Xilinx Artix-7 Arty A7-35T. Masafa lengwa ya saa ni 100 MHz.

Madirisha ya MIT-BIH ECG yalihamishwa kupitia UART kwenda kwenye prototipu ya FPGA na kichapuzi cha maunzi kikaonyesha usawa wa bit-exact na software golden model kwenye rekodi za majaribio.

Kwa nini ulinganisho wa fasihi ya FPGA unapaswa kusomwa kwa tahadhari?

Ucheleweshaji wa FPGA wa 15,9 ms wa mfumo uliopendekezwa si ucheleweshaji wa njia ya data ya kichujio pekee. Chanzo kinaeleza wazi kuwa huu ni muda wa mfumo kutoka mwanzo hadi mwisho unaojumuisha uhamishaji wa sampuli kwa host UART, ulandanishi wa MMIO, utekelezaji wa amri za firmware na usomaji wa uainishaji.

Kwa kuwa tafiti nyingine hutumia kazi, algoriti na ufafanuzi tofauti wa ucheleweshaji, nyakati katika jedwali hili hazipaswi kusomwa moja kwa moja kama orodha ya “algoriti ya kasi zaidi”.

Mtiririko wa usanifu wa kimwili wa ASIC

Baada ya uthibitishaji wa FPGA, usanifu uleule wa RTL ulihamishwa kwenye mtiririko kamili wa kimwili wa ASIC katika mchakato wa kibiashara wa 180 nm CMOS.

Zana za EDA zilizotumika

Matokeo ya chipu ya kimwili

29,89 mW iliyokadiriwa baada ya post-layout na 25,2 mW iliyopimwa kwenye silicon halisi lazima zitofautishwe. Ya kwanza ni uigaji baada ya usanifu wa kimwili, ya pili ni kipimo kwenye chipu iliyotengenezwa.

Mfumo wa majaribio ya post-silicon

Die iliyotengenezwa ilifungwa katika QFP-160 na kuwekwa kwenye PCB maalumu. PCB hutoa nje reli za nguvu, clock/reset, UART na viunganishi vya GPIO/debug LED.

Programu maalumu ya majaribio ya Python 3.10.12 inayofanya kazi kwenye host computer iliwasiliana na chipu kupitia 115.200 baud UART.

Programu ya majaribio katika chanzo ina hali nne za kufanya kazi:

• firmware programming + live ECG streaming,
• GPIO/LED toggle test,
• UART logging,
• diagnostic reset.

Jaribio la kimwili la utendaji la sampuli 400

Katika jaribio la kwanza la utendaji wa silicon, dirisha la utambuzi wa ECG la sampuli 400 lilitumwa kwenye chipu. Sampuli 200 za kwanza ni eneo la normal beat na sampuli 200 za pili ni eneo la abnormal beat.

Chanzo kilipima kuwa hakukuwa na false positive katika eneo la kwanza la normal, na kwamba kichapuzi kilitoa flag mbili chanya mfululizo wakati sliding-window ilipovuka kilele cha R kilicho mkali katika eneo la abnormal.

Uchunguzi huu unatokana na waveform halisi ya ECG iliyopimwa. Kwa kuwa thamani ghafi za sampuli za grafu ya raster ya chanzo hazijawekwa katika jedwali, Verianla haitengenezi upya waveform hiyo kwa usahihi wa kubuniwa.

Usahihi wa silicon halisi na programu

Tofauti ya jumla kati ya silicon na rejea ya programu ya floating-point ni beat sita tu. Chanzo kinaeleza kuwa tofauti hii haitokani na rounding katika hesabu ya kichapuzi; kwa kuwa njia ya data imepanuliwa hadi N+2 bit, hakuna upotevu wa bit katika hesabu ya ndani ya kichujio.

Sababu ya tofauti ni kwamba programu hufanya kazi na sampuli za floating-point, huku chipu ikifanya kazi na ingizo za fixed-point zilizokwantishwa na kizingiti kilichokwantishwa. Katika beat zilizo karibu sana na mpaka wa kizingiti, tofauti hii ndogo ya uwakilishi inaweza kubadilisha uamuzi wa binary.

Kwa nini Rekodi 217 ilitoa usahihi wa chini zaidi?

Katika Rekodi 217, usahihi wa silicon ulipungua hadi %87,89. Rekodi hii peke yake inachangia 236, takriban %55 ya makosa yote 428 ya silicon.

Chanzo kinahusisha hali hii na mchanganyiko wa beat katika rekodi na kutoweza kwa kizingiti kimoja kwenye kipengele kimoja cha high-pass kutenganisha kwa kuaminika baadhi ya morfolojia kutoka darasa la Normal.

Ugunduzi huu pia unaonyesha mpaka wa kazi ambayo kichapuzi thabiti cha Laplacian kina nguvu: mfumo hunasa gradient kubwa za muda karibu na QRS/R-kilele kwa utata mdogo sana wa maunzi; lakini hautumii idadi kubwa ya vipengele vilivyojifunzwa kama CNN.

Vipimo vya nguvu

Nguvu ilipimwa kwenye silicon ya kimwili kwa 100 MHz katika safu ya VDD = 1,0–2,0 V kwa hali za active, idle na sleep.

Baadhi ya pointi za kipimo ambazo chanzo kinatoa wazi katika maandishi:

Chanzo kinaeleza kuwa nguvu za active na idle kwa ujumla huongezeka kadiri voltage inavyoongezeka, hufikia kilele karibu na 1,9 V na kisha hupungua kidogo katika 2,0 V.

Kwa kuwa pointi zote za namba za curve kamili ya nguvu hazijatolewa katika jedwali na chanzo, Verianla haijasoma pointi za kati kutoka kwenye grafu na kuzalisha upya kama data sahihi.

Nishati hai ya 178,9 µJ inapatikanaje?

Chanzo kinatoa muda wa uchakataji wa silicon kutoka mwanzo hadi mwisho kwa dirisha la sampuli 400 kuwa 7,1 ms. Kwa nguvu hai iliyopimwa ya 25,2 mW, nishati:

\[ E=P\times t \]

ikizingatiwa kwa uhusiano wa msingi:

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

.

Usemi huu wa \(E=P\times t\) si mlinganyo uliopewa namba kando katika chanzo; hapa unatumiwa kama uhusiano wa msingi wa nishati kueleza maana ya kimwili ya thamani ya 178,9 µJ iliyoripotiwa na chanzo.

Je, kufanya kazi kwa siku 25 na CR2032 ni jaribio halisi la betri?

Hapana. Chanzo kinawasilisha hili kama hali ya matumizi ya duty-cycled ya kudhaniwa.

Katika hali hii, inadhaniwa kuwa SoC hubaki muda mwingi katika usingizi mzito wa 44 nA, huamka tu mara kwa mara kuchakata madirisha ya ECG yaliyobuferiwa na nguvu ya wastani hushuka hadi karibu 1 mW.

Kwa seli ya kawaida ya CR2032 yenye 220 mAh, 3,0 V na takriban 2376 J ya nishati, chanzo kinatabiri kwa dhana hii zaidi ya saa 600, takriban siku 25 za ufuatiliaji.

Namba hii si jaribio la muda mrefu la kutoa chaji kwa CR2032 halisi.

Ulinganisho wa fasihi ya 180 nm ASIC

Ulinganisho huu haupaswi kusomwa kama “utafiti huu ni bora kuliko mingine yote”. Chanzo kinaeleza hasa kuwa algoriti na wigo wa kazi ni tofauti.

Chipu ya 1D-CNN ya Lee na wenzake hutumia nguvu hai ya chini zaidi, 0,102 mW, huku SoC ya 25,2 mW ya utafiti huu ikielekezwa kwenye masafa ya saa ya juu zaidi na ucheleweshaji mfupi wa mfumo kwa thamani kamili.

Ucheleweshaji mfupi zaidi wa Hoyer na wenzake si kipimo cha silicon halisi, bali umetokana na simulated cycle counts.

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

• Kiini thabiti cha Laplacian K = [−1, 2, −1] kinaweza kusisitiza mabadiliko ya haraka ya muda karibu na QRS/R-kilele cha ECG ikilinganishwa na vipengele vya baseline vya masafa ya chini.
• Kwa sababu ya koefisienti thabiti, hardware multipliers zinaweza kuondolewa na njia ya data ya kichujio kupunguzwa hadi takriban utata wa combinational wa O(N).
• PicoRV32 na kichapuzi maalumu vinaweza kuunganishwa ndani ya SoC ileile kupitia MMIO ya kawaida.
• Prototipu ya FPGA ilionyesha utoaji wa vipengele wa bit-exact na software golden model.
• Katika 180 nm CMOS, utengenezaji wa chipu ya kimwili, DRC/LVS, logic equivalence na post-layout timing closure vilikamilishwa.
• Silicon iliyotengenezwa iliendeshwa kwenye rekodi halisi za MIT-BIH ECG kupitia UART.
• Kwa kalibresheni ya kizingiti maalumu ya mgonjwa/rekodi, usahihi wa silicon wa %95,88 ulipatikana kwenye beat 10.393 katika rekodi tano.
• Kuna tofauti ya beat sita tu kati ya programu na silicon.
• Kwa 1,8 V na 100 MHz, nguvu hai ya 25,2 mW ilipimwa, na katika usingizi mzito wa 1,0 V uvujaji wa 44 nW ulipimwa.

Matokeo yasiyoungwa mkono na utafiti

Utafiti huu hauthibitishi kuwa usahihi wa %95,88 utapatikana kwa njia ileile kwa wagonjwa ambao hawajaonekana hapo awali. Kizingiti cha uamuzi cha kila rekodi kilirekebishwa kwa lebo zake yenyewe.

Utafiti si mfumo wa utambuzi wa madarasa mengi unaoainisha aina zote za aritmia. Lebo zilizotumiwa ni za binary, Normal na vikundi fulani vya Abnormal beat; aina nyingine za beat zimeachwa nje ya tathmini.

Utafiti haujatatua kelele zote na artefakti za harakati katika ECG ghafi. Chanzo kinadhania kuwa ishara ya kuingiza imepitia uchakataji awali wa kawaida.

Utafiti si utafiti wa kitabibu wa wagonjwa wa mbele. Rekodi za MIT-BIH zilichezwa tena kwenye chipu na kujaribiwa katika mazingira ya maabara.

Utafiti hauonyeshi kuwa CNN ya matumizi ya jumla haina ulazima kwa kazi zote. Chanzo kinasisitiza kuwa muundo thabiti wa Laplacian unafaa kwa kazi mahususi na iliyofafanuliwa vizuri ya morfolojia ya QRS/R-kilele, lakini si wa jumla kama trainable CNN.

Vikwazo vikuu

• Rekodi tano tu za MIT-BIH na beat 10.393 zilitathminiwa.
• Kizingiti cha kila rekodi kilirekebishwa kwa lebo zake yenyewe.
• Algoriti ya kina ya uboreshaji wa utaratibu wa kuchagua kizingiti na thamani za T kwa kila rekodi hazijaripotiwa katika PDF.
• Aina nyingine za MIT-BIH beat hazikujumuishwa katika tathmini ya binary.
• Kiini thabiti K = [−1, 2, −1] hakiwezi kubadilishwa kwa madarasa mengine ya aritmia yasiyo ya kimofolojia bila kubadilisha maunzi.
• Kizingiti kimoja kilionyesha uwezo mdogo wa kutenganisha hasa katika rekodi zenye morfolojia mchanganyiko kama Rekodi 217.
• Uchakataji awali wa kawaida ulidhaniwa kwa kelele ghafi ya EMG ya masafa ya juu na artefakti za harakati.
• Nguvu hai ya 25,2 mW ni ya SoC nzima, ikijumuisha CPU, SRAM na UART, si ya kichapuzi pekee.
• Muda wa kutumia CR2032 si jaribio halisi la betri la muda mrefu, bali ni hali inayotegemea dhana ya nguvu ya duty-cycled.

Mipango ya kazi ya baadaye

Chanzo kinapanga kuongeza uchujaji awali wa kidijitali wa nguvu ndogo na mifumo ya kizingiti kinachobadilika katika siku zijazo. Lengo ni kukaribia moja kwa moja zaidi mazingira ya kitabibu yenye data ghafi na kelele.

Pia inapendekezwa kuongeza memory-mapped programmable clock divider kwa Dynamic Frequency Scaling (DFS) na low-dropout regulator (LDO) kwenye chipu.

Lengo jingine ni kupanua muundo thabiti wa tap tatu kuwa kichapuzi kinachoweza kusanidiwa cha N-tap kinachotumia vipengele vya ndani vya shift-and-add, huku falsafa ya muundo usio na kizidishi ikihifadhiwa ili kukaribia madarasa mapana zaidi ya anomali.

Vipengele hivi si matokeo yaliyotekelezwa kwenye chipu ya sasa, bali ni mapendekezo ya kazi ya baadaye ya makala.

Maana sahihi ya kihandisi ya matokeo

Mafanikio makuu ya utafiti huu si kutumia algoriti tata zaidi katika uainishaji wa ECG, bali kutumia muundo wa kihisabati wa kipengele maalumu cha kimofolojia kurahisisha sana maunzi maalumu.

Uwezo wa kutoa tofauti kali ya pili karibu na QRS/R-kilele kwa kichujio thabiti cha Laplacian huruhusu kuondolewa kwa vizidishi vya matumizi ya jumla na safu kubwa za MAC. PicoRV32 hutoa udhibiti wa mfumo unaoweza kupangwa kuzunguka njia hii maalumu ya data.

Hatimaye, utafiti unaonyesha kuwa kuunganisha uwezo wa kupangwa wa RISC-V na uharakishaji rahisi sana wa domain-specific ndani ya SoC ileile kunaweza kutekelezwa kwenye silicon halisi.

Kwa upande mwingine, ujumla wa algoriti wa mfumo ni mdogo. Usanifu huu unapendelea eneo dogo na njia ya uchakataji yenye tabia bainifu kwa kipengele maalumu cha biosignal; hautoi unyumbufu mpana wa uainishaji unaotolewa na mitandao ya tabaka nyingi inayoweza kujifunza.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

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

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

Mpangilio wa waandishi: Mpangilio katika chanzo umehifadhiwa kama ulivyo.

Mchango sawa: Chanzo hakina taarifa ya uandishi wa kwanza sawa au mchango sawa.

Waandishi wa mawasiliano: Phu-Cuong Le na Cong-Kha Pham.

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

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

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

Jarida: Chips.

Mchapishaji: MDPI, Basel, Switzerland.

Juzuu / toleo / namba ya makala: 5 / 4 / 34.

DOI: 10.3390/chips5040034.

Tarehe ya kupokelewa: 31 Agosti 2026.

Tarehe ya marekebisho: 28 Septemba 2026.

Tarehe ya kukubaliwa: 30 Septemba 2026.

Tarehe ya kuchapishwa: 5 Oktoba 2026.

Aina ya chanzo: Makala asili ya utafiti; inajumuisha uchambuzi wa algoriti, prototipu ya FPGA, utekelezaji wa kimwili wa ASIC na uthibitishaji wa maabara wa post-silicon.

Hali ya uhakiki: Chips ni jarida la kisayansi la kimataifa lenye uhakiki wa wenzao na ufikiaji wazi.

Chapisho rasmi: MDPI, Chips; DOI 10.3390/chips5040034.

Maelezo ya toleo: Chanzo kilichopakiwa ni PDF ya makala iliyochapishwa yenye kurasa 20. Rekodi ya wavuti ya MDPI katika ukaguzi wa sasa pia inaonyesha onyo la “early access version”; taarifa za bibliografia zinalingana na PDF.

Leseni: Creative Commons Attribution — CC BY.

Mbinu kuu: Utoaji wa kipengele cha Laplacian/FIR ya kidijitali kwa K = [−1, 2, −1] thabiti; kizingiti kinachoweza kupangwa; udhibiti wa PicoRV32 RV32I MMIO; prototipu ya FPGA; usanifu wa kimwili wa 180 nm CMOS; vipimo vya post-silicon ECG na nguvu.

Seti ya data: MIT-BIH Arrhythmia Database; rekodi 100, 103, 107, 119 na 217 zilitumika katika tathmini.

Idadi ya sampuli: 10.393 beat; 6107 Normal na 4286 Abnormal.

Masafa ya sampuli: 360 Hz.

Dirisha la beat: Sampuli 144; 250 ms kabla na 150 ms baada ya kilele cha R.

Ulinganishaji wa darasa: Normal = N, L, R, e, j; Abnormal = V, E, /. Aina nyingine za beat zimeondolewa.

Kalibresheni ya kizingiti: Ilifanywa kwa msingi wa mgonjwa/rekodi. Chanzo hakiripoti thamani kamili za kizingiti wala utaratibu wa kina wa uboreshaji.

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

Mchakato wa ASIC: 180 nm CMOS wa kibiashara.

Eneo hai la kiini: 0,936 mm².

Idadi ya standard-cell: 9373.

Msongamano wa uwekaji: %75,2.

Core supply: nominal 1,8 V.

I/O supply: 3,3 V.

Kifurushi: QFP-160.

Nguvu hai iliyopimwa: 25,2 mW @ 1,8 V, 100 MHz.

Uvujaji wa usingizi uliopimwa: 44 nA / 44 nW @ 1,0 V.

Usahihi wa silicon uliopimwa: %95,88 — 9965 / 10.393 beat.

Rejea ya programu: %95,94 — 9971 / 10.393 beat.

Tofauti ya programu–silicon: 6 beat, pointi 0,06 za asilimia.

Muda wa dirisha la silicon kutoka mwanzo hadi mwisho: 7,1 ms / dirisha la sampuli 400.

Nishati hai ya dirisha: takriban 178,9 µJ.

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

Msaada wa ziada katika Acknowledgments: Chanzo pia kinataja msaada wa National Foundation for Science and Technology Development (NAFOSTED), Vietnam, Grant NĐT/JP/26/01 katika sehemu ya shukrani.

Upatikanaji wa data: Imeelezwa kuwa data inayounga mkono matokeo yaliyoripotiwa inaweza kupatikana kutoka kwa mwandishi wa mawasiliano kwa ombi linalofaa.

Kamati ya maadili ya taasisi: Haitumiki.

Ridhaa yenye taarifa: Haitumiki.

Mgongano wa maslahi: Waandishi wametangaza kuwa hakuna mgongano wa maslahi.

Michango ya waandishi: Uundaji wa dhana: Phu-Cuong Le na Cong-Kha Pham. Mbinu: Phu-Cuong Le. Programu: Phu-Cuong Le. Uthibitishaji: Phu-Cuong Le, Duc-Hung Le na Cong-Kha Pham. Uchambuzi rasmi: Phu-Cuong Le. Utafiti: Phu-Cuong Le na Duc-Hung Le. Rasilimali: Cong-Kha Pham. Usimamizi wa data: Phu-Cuong Le. Rasimu ya kwanza: Phu-Cuong Le. Mapitio na uhariri: Phu-Cuong Le, Duc-Hung Le na Cong-Kha Pham. Uoneshaji: Phu-Cuong Le. Usimamizi na usimamizi wa mradi: Cong-Kha Pham. Upatikanaji wa ufadhili: Cong-Kha Pham.

Mpaka mkuu wa tafsiri: Usahihi wa %95,88 ulipatikana kwa kalibresheni maalumu ya mgonjwa/rekodi na si matokeo ya ujumlishaji wa kliniki wa kuvuka wagonjwa. Mfumo unadhania ingizo la ECG lililopitia uchakataji awali wa kawaida na muundo wa Laplacian thabiti + kizingiti kimoja haujumuishi aina zote za aritmia.