億鑄存算一體AI大算力芯片：存算一體架構(gòu)

一文帶你快速了解：什么是存算一體？

它與近存計(jì)算、存內(nèi)計(jì)算等概念有何不同？

為何存算一體架構(gòu)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代的先進(jìn)生產(chǎn)力？

為什么我們需要存算一體？

在傳統(tǒng)的馮·諾依曼架構(gòu)中，處理與存儲(chǔ)單元是分離的。由于存算分離，AI計(jì)算的數(shù)據(jù)搬運(yùn)量非常大，會(huì)導(dǎo)致功耗大大增加，也就是存儲(chǔ)墻。

此外，不管是傳輸還是計(jì)算工藝本身的限制，能效比已經(jīng)接近極限。無(wú)論是20W, 75W, 150W的模組還是PCIe板卡，目前能支持的最高算力已經(jīng)達(dá)到了天花板。以75W為例，不管是7nm工藝或?qū)?lái)會(huì)有的更高工藝，150TOPS到200TOPS已經(jīng)基本封頂，這是存儲(chǔ)墻帶來(lái)的能耗墻導(dǎo)致的。

存儲(chǔ)墻還導(dǎo)致了另一個(gè)問(wèn)題——編譯墻（生態(tài)墻），也可以說(shuō)是可編程性。由于存算分離，數(shù)據(jù)搬運(yùn)容易發(fā)生擁塞，尤其是在動(dòng)態(tài)環(huán)境下，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)度和管理其實(shí)非常復(fù)雜，所以編譯器無(wú)法在靜態(tài)可預(yù)測(cè)的情況下對(duì)算子、函數(shù)、程序或者網(wǎng)絡(luò)做整體的優(yōu)化，只能手動(dòng)、一個(gè)個(gè)或者一層層對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化，包括層與層之間的適配等，耗費(fèi)了大量時(shí)間。

隨著人工智能相關(guān)的高度數(shù)據(jù)中心化應(yīng)用迎來(lái)爆發(fā)性增長(zhǎng)，由傳統(tǒng)的馮·諾依曼架構(gòu)帶來(lái)的這“三堵墻”弊端愈發(fā)凸顯。這就要求人們尋找非馮·諾依曼的計(jì)算方法，于是就提出了存算一體架構(gòu)。

存算一體賦能AI加速效率的理論基礎(chǔ)

硬件加速性能是由Amdahl Law（阿姆達(dá)爾定律）確定，如同力學(xué)中的牛頓三定律：Speedup (F, α)=1/(F+((1-F))/α)。F ~訪(fǎng)存/(訪(fǎng)存+計(jì)算操作)，α ~加速比取決于工作頻率和并行計(jì)算核數(shù)量等裸性能。

阿姆達(dá)爾定律取決于兩個(gè)因子：F和α。一個(gè)是裸算力，取決于先進(jìn)工藝和計(jì)算單元核；一個(gè)是數(shù)據(jù)搬運(yùn)效率或占用整體計(jì)算過(guò)程的時(shí)間和資源百分比，該因子決定了硬件性能提升的天花板。比如F=0.5，數(shù)據(jù)搬運(yùn)占用了50%時(shí)間和資源，性能提升的天花板是2倍，高等級(jí)工藝無(wú)濟(jì)于事，只能改進(jìn)架構(gòu)降低F因子。比如數(shù)據(jù)搬運(yùn)不占用任何時(shí)間和資源或忽略不計(jì)，或F接近于0，硬件性能的提升和裸算力是線(xiàn)性關(guān)系。

阿姆達(dá)爾定律揭示了摩爾定律的誤導(dǎo)，大算力芯片的真實(shí)性能不完全取決于先進(jìn)工藝，尤其是需要大量數(shù)據(jù)搬運(yùn)的AI芯片或類(lèi)似芯片。這也是馮?諾依曼存算分離的瓶頸，也是存算一體的核心優(yōu)勢(shì)。

什么是存算一體？

存算一體目前在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界有不少相似的概念，例如Computing-in-Memory, In-Memory-Computing, Logic-in-Memory等，不同研究領(lǐng)域的稱(chēng)呼不統(tǒng)一，相應(yīng)的中文翻譯也不盡相同，如：內(nèi)存處理(In-Memory-Processing)、存內(nèi)處理(Processing-in-Memory)、存內(nèi)計(jì)算(Computing-in-Memory)、存算一體(In-Memory-Computing)等。

為清晰區(qū)分多種存算一體技術(shù)，可按照計(jì)算單元與存儲(chǔ)單元在系統(tǒng)中的距離來(lái)進(jìn)行分類(lèi)。如圖所示，越往金字塔頂端，計(jì)算與存儲(chǔ)距離越近。同時(shí)，這一距離也改變了軟硬件抽象分層。金字塔左側(cè)的計(jì)算源語(yǔ)（源語(yǔ)：在百度詞條中定義為具有原子操作性的若干指令組成的程序片段），指的是卸載到硬件單元進(jìn)行原子操作的粒度，硬件通過(guò)在該粒度的高并發(fā)操作來(lái)獲得性能提升。金字塔右側(cè)代表存儲(chǔ)與計(jì)算在哪個(gè)設(shè)計(jì)抽象層次進(jìn)行融合。

存算一體分類(lèi)

最底層為存算分離的馮·諾依曼架構(gòu)。

往上一層，計(jì)算由位于存儲(chǔ)芯片內(nèi)部的計(jì)算單元完成。計(jì)算單元與存儲(chǔ)單元在系統(tǒng)層集成，但兩者依然相互獨(dú)立操作。計(jì)算與存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)交換發(fā)生在存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)部，不會(huì)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)總線(xiàn)，因此帶來(lái)帶寬上極大提升。這一層的存算一體架構(gòu)往往被稱(chēng)為Process-in-Memory，或Near Memory Computing。存儲(chǔ)單元往往以大容量的DRAM為主，計(jì)算單元可以是處理器（如RISC-V），可編程加速器或硬加速器等。計(jì)算源語(yǔ)往往是一些較為復(fù)雜的運(yùn)算，如（張量/向量/標(biāo)量）乘法/除法，匹配查找等。硬件的峰值性能由計(jì)算單元數(shù)量，計(jì)算與存儲(chǔ)的片內(nèi)傳輸帶寬決定。

再往上一層，計(jì)算單元與存儲(chǔ)陣列（如SRAM陣列，ReRAM陣列）在邏輯層集成，融為一體，共同完成一個(gè)完整的計(jì)算源語(yǔ)的操作。并發(fā)執(zhí)行的計(jì)算源語(yǔ)為更細(xì)的邏輯算數(shù)運(yùn)算（如與非，加法等），數(shù)據(jù)并行的潛能進(jìn)一步提升。存儲(chǔ)陣列的字線(xiàn)與位線(xiàn)直接與存儲(chǔ)陣列周邊電路中的邏輯運(yùn)算單元直連，存儲(chǔ)與計(jì)算之間的數(shù)據(jù)傳輸距離進(jìn)一步縮短。根據(jù)不同的存儲(chǔ)Macro架構(gòu)設(shè)計(jì)，計(jì)算的并發(fā)度也會(huì)不同。如常見(jiàn)的比特順序流（bit-serial）模式，比特并行方式（bit-parallel）等。

最頂層是計(jì)算與存儲(chǔ)完全的融合。部分計(jì)算發(fā)生在存儲(chǔ)陣列的字線(xiàn)、位線(xiàn)甚至存儲(chǔ)器件的I/O上。以數(shù)字計(jì)算方式實(shí)現(xiàn)時(shí)，存儲(chǔ)陣列內(nèi)的計(jì)算源語(yǔ)通常為Bit位邏輯運(yùn)算（如抑或、與操作等），需要配合周邊電路上的其他邏輯操作才能組成更為復(fù)雜的運(yùn)算。以模擬計(jì)算實(shí)現(xiàn)時(shí)，存儲(chǔ)陣列可以基于電阻定律在每個(gè)存儲(chǔ)單元內(nèi)實(shí)現(xiàn)乘法操作，然后基于電流定律實(shí)現(xiàn)位線(xiàn)上的加法操作。模擬計(jì)算具有極大的性能和能效優(yōu)勢(shì)，缺點(diǎn)是需要ADC等功耗較大的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，計(jì)算精度還可能受到一些器件工藝偏差等影響。

總之，計(jì)算與存儲(chǔ)距離越近，數(shù)據(jù)移動(dòng)代價(jià)（延遲，帶寬）呈數(shù)量級(jí)下降，因此，計(jì)算源語(yǔ)的并發(fā)執(zhí)行/并行計(jì)算的潛力越大；但計(jì)算與存儲(chǔ)融合的越緊密，可編程性越差，越需要軟件提供大并行度，大顆粒的并發(fā)算子才能發(fā)揮存算一體的優(yōu)勢(shì)。這也是當(dāng)前主要將存算一體芯片用于加速深度學(xué)習(xí)的張量運(yùn)算的主要原因。

根據(jù)存儲(chǔ)器介質(zhì)的不同，目前存算一體芯片的主流研發(fā)集中在傳統(tǒng)易失性存儲(chǔ)器，如SRAM, DRAM, 以及新型非易失性存儲(chǔ)器，如RRAM(ReRAM), PCM, MRAM與閃存等。

實(shí)現(xiàn)存算一體的存儲(chǔ)介質(zhì)有哪些？

應(yīng)用于存算一體，對(duì)于不同應(yīng)用場(chǎng)景，F(xiàn)lash, SRAM和以ReRAM為代表的新型存儲(chǔ)介質(zhì)各有特長(zhǎng)。

Flash是最早被采用的介質(zhì)，技術(shù)和工藝等各方面最成熟，比較適合中小算力存算一體設(shè)計(jì)。但相比其它介質(zhì)，性能有數(shù)量級(jí)的差距，而且工藝上難以突破40nm，用于大算力芯片會(huì)面臨許多挑戰(zhàn)。

SRAM的性能優(yōu)異，而且容易實(shí)現(xiàn)DIY自主設(shè)計(jì)，常被學(xué)者采用。但密度較低、功耗較高，特別是工程實(shí)現(xiàn)難，尤其可靠性存在挑戰(zhàn)，較適合中小算力存算一體芯片設(shè)計(jì)。

ReRAM新型存儲(chǔ)介質(zhì)在密度、性能、功耗和工程實(shí)現(xiàn)等方面，綜合來(lái)說(shuō)比較平衡，沒(méi)有短板，比較適合大、中、小各類(lèi)存算一體芯片，尤其是大算力芯片。

相比MRAM和PCRAM等其它新型存儲(chǔ)介質(zhì)，ReRAM在密度和可靠性等方面更有優(yōu)勢(shì)。比如密度高到一定程度之后，MRAM和PCRAM都會(huì)存在相鄰單元被“磁”或“熱”干擾的微縮性天花板問(wèn)題。ReRAM不存在這類(lèi)問(wèn)題，可以完全兼容先進(jìn)CMOS工藝。

為什么ReRAM是最適合實(shí)現(xiàn)

存算一體AI大算力的存儲(chǔ)介質(zhì)？

從非易失性、存儲(chǔ)密度、讀寫(xiě)次數(shù)、讀寫(xiě)速度、讀寫(xiě)功耗、未來(lái)發(fā)展?jié)摿σ约肮に嚦墒於鹊冉嵌染C合來(lái)看，ReRAM是業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為最適合做存算一體大算力的存儲(chǔ)介質(zhì)，它在算力潛能、算力精度和算力效率等主要指標(biāo)上都擁有數(shù)量級(jí)的優(yōu)勢(shì)。

審核編輯：湯梓紅