邊緣計算性能的提升給存儲器的設(shè)計,類型的選擇和配置都帶來挑戰(zhàn),這也導(dǎo)致在不同的應(yīng)用市場中需要進行更復(fù)雜的權(quán)衡。芯片架構(gòu)正在與新市場一起發(fā)展,但數(shù)據(jù)在芯片、設(shè)備之間以及系統(tǒng)之間如何移動并不總是很清楚。汽車和AI應(yīng)用的數(shù)據(jù)正變得越來越多和復(fù)雜,但芯片架構(gòu)在處理時有時不清楚如何優(yōu)先處理數(shù)據(jù)。
這讓芯片設(shè)計人員面臨抉擇,是選擇共用內(nèi)存降低成本,還是增加不同類型內(nèi)存提高性能和降低功耗。
所有這些都是以安全為前提,并且不同的市場設(shè)計的要求也不一樣。比如,汽車中的各種類型的圖像傳感器(如激光雷達和攝像頭)的大量數(shù)據(jù)需要在本地處理。AI芯片則希望性能能夠提升100倍。
解決內(nèi)存問題有一些方法,其中一種是片上存儲器,也就是將存儲器分散地集成在運算單元旁,最大程度減少數(shù)據(jù)搬移,這種方法的目標是通過減少負載和存儲的數(shù)量來突破內(nèi)存瓶頸,也能降低功耗。
“存算一體(In-memory computing)可能是模擬的、數(shù)字的,或兩者都有。” Cadence Digital&Signoff Group的高級首席產(chǎn)品經(jīng)理Dave Pursley說,“雖然在內(nèi)存中進行計算的想法可能是日益增長的趨勢,但在這種計算中實際發(fā)生的情況似乎大不相同。”
盡管市場出現(xiàn)了新的變化,但片上SRAM和片外DRAM仍是主流。已經(jīng)有專家預(yù)測DRAM多年后將“死亡”,但它仍然是最經(jīng)濟和可靠的選擇。DRAM具有高密度、架構(gòu)簡單、低延遲和高性能的特性,兼具耐用和低功耗的特性。
DRAM密度的增速正在放緩,但HBM2等新架構(gòu)允許通過堆疊模塊的方式而不是使用DIMM來垂直增加密度,這種方法還讓DRAM更靠近處理單元。
另外,SRAM價格昂貴且密度有限,但其高速性能多年來已被驗證。片上存儲器的挑戰(zhàn)是采用分布還是共用的方式,在某些情況下,為保證安全性需要增加冗余。
“所有這些要求都會影響存儲器的類型和數(shù)量的選擇,還涉及片上和片外存儲器之間的權(quán)衡,以及訪問每個存儲器互連的復(fù)雜性?!?a target="_blank">Arm高級物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)師Ryan Lim表示。
低功耗存儲器是關(guān)鍵
存儲器的一個關(guān)鍵問題是功耗,其中存儲器類型和配置等多種因素都會影響功耗。例如,在7nm的存儲器中進行數(shù)據(jù)的存取可能消耗更多功耗,這是因為線路中的RC延遲。當(dāng)然,這也會產(chǎn)生熱量,有可能會破壞輸入輸出存儲器的信號的完整性。
不過,較慢的片外數(shù)據(jù)使用高帶寬內(nèi)存可以節(jié)省功耗,并且可以與高速GDDR6一樣快。如何做出這些決定取決有多種因素,包括設(shè)備的平均售價和選擇的存儲器類型。
還有針對手持移動設(shè)備的極低功耗的存儲器,包括越來越多使用電池的邊緣設(shè)備。
“這些存儲器具有極高的效能,可在一定程度上提升電池供電設(shè)備的功耗和數(shù)據(jù)速率?!?Rambus杰出的院士Steven Woo說?!八鼈円部梢栽诙喾N模式下工作,當(dāng)處于待機狀態(tài)時,可以消耗很少的能量滿足手機和平板電腦等產(chǎn)品的需求,并在需要進行處理時快速切換到更高性能/更高功率的模式。 ”
低功耗存儲器還支持多種封裝方式,允許它們與手機處理器堆疊在一起,滿足智能手機的輕薄需求,也能集成在PCB上支持平板電腦和其他消費類設(shè)備高容量內(nèi)存配置的需求。
毫無疑問,開發(fā)低功耗存儲器是一項挑戰(zhàn)?!爱?dāng)設(shè)計低功耗存儲器時,它們支持的速率范圍很廣,相對低功耗存儲器而言,這些數(shù)據(jù)速率往往是相當(dāng)高的?!盬oo說?!斑@通常是由一兩個主要應(yīng)用市場驅(qū)動,所以它必須面向一個市場很大的行業(yè),擁有足夠大市場的行業(yè)才能催生新的存儲器。從歷史上看,手機市場是成功的例子。如果與不同的手機制造商交談,他們都希望獲得性能和電源效率更高的存儲器,因為他們希望能夠延長電池壽命。對于其他想要使用低功耗存儲器的公司,他們會很慶幸其他人正在幫他們實現(xiàn)?!?/p>
通常,這些合格的存儲器可能在幾種不同的數(shù)據(jù)速率下運行,但速率很接近?!斑@些存儲器可能有一個是每秒4.2千兆比特的速率,另一個是3.2千兆比特?!彼忉尩?,“這可以讓內(nèi)存制造商在生產(chǎn)所有這些存儲器時,進行所謂的分級。當(dāng)某些部件沒有全速運行時會發(fā)生這種情況,但制造商依舊會出售這些內(nèi)存,因為有些客戶需要以更便宜的價格購買性能較低的存儲器。Binning(數(shù)據(jù)合并)允許這種情況。這些產(chǎn)品的性能在一定的范圍內(nèi),都屬于合格品?!?/p>
存儲器如何影響人工智能發(fā)展?
人工智能在幾乎所有新技術(shù)中都扮演著重要角色,而存儲器又在人工智能中起著重要作用。極高的速度和極低的功率是芯片一直以來追求的,不過這并不總是有效,因為空間有限。但它能解釋為什么數(shù)據(jù)中心和用于訓(xùn)練的AI芯片比應(yīng)用于終端推理設(shè)備的芯片更大。另一種方法是減少一些片外存儲芯片,以提高數(shù)據(jù)吞吐量并通過設(shè)計減少到內(nèi)存的距離,或者限制片外數(shù)據(jù)流。
在任何一種情況下,片外存儲器的競爭很大程度上歸結(jié)為DRAM-GDDR和HBM。
“從工程和生產(chǎn)的角度來看,GDDR看起來很像其他類型的DRAMs,如DDR和LPDDR,”Woo說。“你可以將它集成到標準PCB板上,還能用類似的制造工藝。HBM是新一些的技術(shù),它涉及堆疊和內(nèi)插器(interposers),因為HBM有許多連接速度較慢。每個HBM堆棧將具有一千個連接,因此需要高密度的互連,這遠遠超過PCB的處理能力。這就是為什么有些公司正在使用內(nèi)插器,因為可以將這些導(dǎo)線蝕刻得非常接近,很像片上連接,可以獲得更多的連接。“
HBM追求最高性能和最佳功效,但成本更高,需要更多的工程時間和技術(shù)。使用GDDR,DRAM和處理器之間的互連就沒那么多,但它們的運行速度要快得多,這會影響信號完整性。
圖1:各種類型DRAM的特點。圖片來源:Rambus
PPA
功率,性能和面積(Power、Performance、Area)仍然是關(guān)鍵驅(qū)動因素,盡管有架構(gòu)和變革和新技術(shù)。
“這三個都非常重要,但很大程度上取決于應(yīng)用?!?a href="http://www.ttokpm.com/tags/西門子/" target="_blank">西門子Mentor知識產(chǎn)權(quán)部門總經(jīng)理Farzad Zarrinfar表示?!袄纾绻且粋€便攜應(yīng)用,功耗非常重要。電源本身也分動態(tài)和靜態(tài)。一部分是動態(tài)功率,一部是靜態(tài)功率。如果應(yīng)用于無線通信,如果有大量計算,動態(tài)功率非常重要。但是,如果是可穿戴式應(yīng)用,使用者會處于睡覺、醒來運動,然后又回到睡眠的不同狀態(tài),靜態(tài)/泄漏功率非常重要。“
淺睡眠等功能使設(shè)計人員能夠大幅減少泄漏,這時,不工作的存儲器進入源偏置模式以減少泄漏,而其他被直接訪問的存儲組是工作的。在設(shè)計的深度睡眠時,可以通過電源管理,管理Vdd和最小化泄漏的技術(shù)來保留數(shù)據(jù)。如果不需要保留數(shù)據(jù),則用關(guān)閉模式能進一步減少泄漏。
與電源效率相關(guān)的一切在汽車中也是至關(guān)重要的。“在電動汽車中,電池的壽命非常重要,因此耗電量至關(guān)重要,”Zarrinfar說。“人們希望從-40°C一直到125°C都具有線性的特性,甚至在更高的150°C情況下。他們不希望在高溫下泄漏陡然增長,并且他們希望盡可能地將其保持在線性范圍內(nèi)。同樣,我們必須在整個溫度范圍內(nèi)注意功耗和泄漏,這非常重要?!?/p>
無論應(yīng)用領(lǐng)域如何,功率仍然是首要考慮因素。“我們看到隨著SoC設(shè)計向更小化發(fā)展?!彼f。“存儲器的消耗正在增加,嵌入式存儲器的容量也在增加?,F(xiàn)在,我們看到超過50%的裸片是存儲器。所以人們必須注意存儲器的耗電量?!?/p>
結(jié)論
盡管有大量革命性技術(shù)和創(chuàng)新架構(gòu),但內(nèi)存仍然是設(shè)計的核心。雖然即將出現(xiàn)新的存儲器類型,例如相變和自旋扭矩,但大部分仍然應(yīng)用于各種條件的市場。最大的變化在于如何對現(xiàn)有存儲器進行優(yōu)先級劃分、共用、在設(shè)計中選擇,以及最終如何使用它們。雖然這聽起來像是一個簡單的問題,但事實并非如此。
“選擇正確的內(nèi)存解決方案通常是獲得最佳系統(tǒng)性能的最關(guān)鍵。” Synopsys高級技術(shù)營銷經(jīng)理Vadhiraj Sankaranarayanan 在最近發(fā)表的一份白皮書中指出,這說起來容易做起來難。
責(zé)任編輯:ct
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