或讓功耗降低1000倍，存算一體芯片正在突破

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李彎彎）為什么存算一體化越來越受到關(guān)注？今年1月，在阿里達(dá)摩院發(fā)布的2020十大科技趨勢(shì)中，其中一個(gè)是，計(jì)算存儲(chǔ)一體化突破AI算力瓶頸。

根據(jù)該趨勢(shì)預(yù)判，馮諾伊曼架構(gòu)的存儲(chǔ)和計(jì)算分離，已經(jīng)不適合數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的人工智能應(yīng)用需求，頻繁的數(shù)據(jù)搬運(yùn)導(dǎo)致的算力瓶頸以及功耗瓶頸已經(jīng)成為對(duì)更先進(jìn)算法探索的限制因素。

類似于腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)的存內(nèi)計(jì)算架構(gòu)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和計(jì)算單元融合為一體，能顯著減少數(shù)據(jù)搬運(yùn)，極大提高計(jì)算并行度和能效。計(jì)算存儲(chǔ)一體化在硬件架構(gòu)方面的革新，將突破AI算力瓶頸。

當(dāng)前，有不少科研團(tuán)隊(duì)和芯片企業(yè)投入到存儲(chǔ)一體芯片的研發(fā)中，并且時(shí)常傳出新進(jìn)展，比如，上個(gè)月，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院設(shè)計(jì)出了一種兼具邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能的計(jì)算機(jī)芯片，近日有消息顯示，知存科技已經(jīng)研發(fā)了三款存算一體芯片，并且其中一款已小批量生產(chǎn)。

存算一體可極大降低功耗，提升運(yùn)算效率

存算一體，即在存儲(chǔ)器顆粒本身進(jìn)行算法嵌入，在存儲(chǔ)顆粒內(nèi)實(shí)現(xiàn)計(jì)算。眾所周知，我們當(dāng)前的計(jì)算機(jī)采用馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)，計(jì)算和存儲(chǔ)功能是分離的，分別由中央處理器CPU和存儲(chǔ)器完成。

CPU和存儲(chǔ)器通過總線互連通信，CPU從存儲(chǔ)器讀出數(shù)據(jù)，完成計(jì)算，然后將結(jié)果寫回存儲(chǔ)器。馮諾依曼架構(gòu)以CPU為核心，其他部件都是為CPU服務(wù)。

馮諾依曼架構(gòu)圖

但是，因?yàn)樘幚砥骱痛鎯?chǔ)器工藝、封裝各不相同，兩者的性能差距隨著時(shí)間不斷拉大，存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)訪問速度跟不上CPU的數(shù)據(jù)處理速度，導(dǎo)致了“存儲(chǔ)墻”問題越來越嚴(yán)重。

數(shù)據(jù)顯示，從 1980年到 2000年，處理器和存儲(chǔ)器的速度失配以每年50%的速率增加。通過不斷的探索，業(yè)界認(rèn)為，存算一體技術(shù)可以達(dá)到弱化或消除“存儲(chǔ)墻”問題。

關(guān)于存儲(chǔ)墻的問題，知存科技創(chuàng)始人兼CEO王紹迪近日在某活動(dòng)上的講述更為形象，他說：計(jì)算本身消耗的功耗并不多，但數(shù)據(jù)從內(nèi)存搬到計(jì)算單元會(huì)消耗將近1000倍的計(jì)算功耗。

可見，存算一體可以完美的避開搬運(yùn)產(chǎn)生的極大功耗，事實(shí)上，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，存算一體還有運(yùn)算效率高、速度快和成本低的特點(diǎn)，非常受市場(chǎng)需求端看好。

存算一體芯片雖研發(fā)困難，但仍有進(jìn)展

雖然從應(yīng)用端來看，存算一體芯片會(huì)給很多行業(yè)、設(shè)備帶來更高效的運(yùn)算和更低的功耗，但是其技術(shù)的實(shí)現(xiàn)卻沒有那么容易，事實(shí)上，很多團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在這個(gè)領(lǐng)域鉆研很多年，才最終取得一些進(jìn)展。

知存科技創(chuàng)始人兼CEO王紹迪就透露，該公司的創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)研發(fā)存算一體八年，流片次數(shù)接近20次。雖然當(dāng)前知存科技已經(jīng)有芯片進(jìn)行小批量生產(chǎn)，但是從開發(fā)的時(shí)間來看，投入是相當(dāng)大的，可見技術(shù)實(shí)現(xiàn)的不容易。

不過雖然困難，是所謂，市場(chǎng)需求推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，在科學(xué)界和企業(yè)界不斷努力研發(fā)下，未來發(fā)展還是值得期待。事實(shí)上，當(dāng)前已經(jīng)不少技術(shù)和產(chǎn)品初見成效。

新一代計(jì)算機(jī)芯片實(shí)現(xiàn)存算一體

就在上個(gè)月，有報(bào)道稱，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的工程師設(shè)計(jì)了一種兼具邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能的計(jì)算機(jī)芯片。

就如上文所言，現(xiàn)在的主流計(jì)算機(jī)，處理器和存儲(chǔ)芯片都是分離的，一直沿用馮諾依曼五十多年前確立的架構(gòu)，在工作的時(shí)候，兩個(gè)單元之間需要頻繁地交換數(shù)據(jù)，消耗很大一部分時(shí)間和能量。

根據(jù)報(bào)道，這個(gè)研究組首次使用一種只有3個(gè)原子厚的平面材料——二硫化鉬(MoS2)，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，集邏輯運(yùn)算和存儲(chǔ)功能為一體，大幅減少傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)交換的損耗。

該團(tuán)隊(duì)主要研究員Andras Kis說：“該款芯片可以減少存儲(chǔ)單元和處理單元之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯?，縮短了運(yùn)算時(shí)間，縮小芯片占用的空間。”

可以預(yù)見，這款芯片如果最后能夠?qū)崿F(xiàn)商用，將會(huì)為制造體積更小、更節(jié)能、處理速度更快的電腦，以及人工智能的發(fā)展鋪平道路。

科學(xué)家成功研制存算一體通用AI芯片

另外，密歇根大學(xué)盧偉教授及其團(tuán)隊(duì)在去年也成功研發(fā)出過一款基于憶阻器陣列的通用 AI 芯片，憶阻器即同時(shí)兼?zhèn)溆洃浐?a target="_blank">電阻的功能，是神經(jīng)形態(tài)計(jì)算實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

根據(jù)報(bào)道，這款新型 AI 芯片將所有存儲(chǔ)計(jì)算功能集成在同一芯片上，真正實(shí)現(xiàn)了存算一體化，而且可以通過編程應(yīng)用于多種人工智能算法，進(jìn)一步提高計(jì)算速度，并減少能量損耗。

盧偉教授當(dāng)時(shí)在接受媒體采訪的時(shí)候表示，這種新型 AI 芯片很適合切入的一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景是基于推理的邊緣計(jì)算場(chǎng)景。

知存科技存算一體AI芯片已經(jīng)小批量試產(chǎn)

知存科技成立于2017年10月，專注研發(fā)基于存算一體先進(jìn)技術(shù)的人工智能芯片。根據(jù)官網(wǎng)介紹，該公司的創(chuàng)始成員來自國(guó)際上最早研發(fā)存算一體技術(shù)的專家團(tuán)隊(duì)，并在2016年實(shí)現(xiàn)了全球第一款存算一體AI芯片。

當(dāng)前，知存科技已經(jīng)完成研發(fā)了兩款智能語音芯片：WTM1001和WTM2101，其中WTM1001是全球第一個(gè)存算一體芯片產(chǎn)品，并且已經(jīng)進(jìn)入小批量生產(chǎn)階段。WTM2101預(yù)計(jì)明年Q1進(jìn)行正式的小批量試產(chǎn)。另外該公司還有一款面向視覺應(yīng)用的芯片WTM3213，正在研發(fā)。

在存算一體技術(shù)的推進(jìn)過程中，知存科技可謂是走在前列，憑借優(yōu)秀的技術(shù)實(shí)力，成立三年時(shí)間，公司已經(jīng)過得數(shù)億元融資，加入芯片量產(chǎn)。

閃億半導(dǎo)體計(jì)劃3年內(nèi)完成首款芯片推廣及量產(chǎn)

閃億半導(dǎo)體成立于2017年7月，是閃易半導(dǎo)體的全資子公司。

據(jù)官網(wǎng)介紹，閃易半導(dǎo)體是一家研發(fā)高性能、低功耗、低成本的存算一體化AI芯片的集成電路公司，團(tuán)隊(duì)成員分別畢業(yè)于清華大學(xué)和北京大學(xué)，分別在中美兩國(guó)的電路設(shè)計(jì)生產(chǎn)、人工智能開發(fā)企業(yè)擔(dān)任研發(fā)負(fù)責(zé)人。

該公司表示，計(jì)劃在三年內(nèi)完成第一代語音產(chǎn)品在家電和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的推廣和量產(chǎn)，同時(shí)設(shè)計(jì)和開發(fā)好第二代產(chǎn)品，用于圖像識(shí)別及安防領(lǐng)域。

閃億半導(dǎo)體于2019年10月發(fā)布了其首款存算一體化芯片產(chǎn)品，該公司負(fù)責(zé)人魯辭莽當(dāng)時(shí)表示，這款芯片在運(yùn)行效率上能提高超過10TOPS/W，成本可以比傳統(tǒng)AI芯片方案下降超一半。

恒爍半導(dǎo)體積極推進(jìn)存算一體芯片商用

據(jù)合肥日?qǐng)?bào)報(bào)道，NOR Flash廠商恒爍半導(dǎo)體與中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)在2019年7月完成了歷時(shí)兩年研發(fā)的基于NOR閃存架構(gòu)的存算一體AI芯片系統(tǒng)演示。

根據(jù)報(bào)道，這是一款具有邊緣計(jì)算和推理的AI芯片，能實(shí)時(shí)檢測(cè)通過攝像頭拍攝的人臉頭像并給出計(jì)算概率，準(zhǔn)確且穩(wěn)定?？蓮V泛應(yīng)用于森林防火中的人臉識(shí)別與救援、心電圖的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、人工智能在人臉識(shí)別上的硬件解決方案等。

據(jù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員之一、中國(guó)科大博士陶臨風(fēng)介紹，相較于傳統(tǒng)芯片，存算一體人工智能芯片具有能耗低、運(yùn)算效率高、速度快和成本低的特點(diǎn)。

電子發(fā)燒友了解到，恒爍半導(dǎo)體目前存算一體方面暫時(shí)還無更多進(jìn)展，不過公司一直在積極推動(dòng)存算一體AI芯片商用。

小結(jié)

根據(jù)上述各家推出的芯片，存算一體芯片的優(yōu)勢(shì)基本體現(xiàn)在，低能耗、高效率、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在音頻、圖像等人工智能領(lǐng)域有很好的應(yīng)用，并且憑借其優(yōu)勢(shì)，在一些傳統(tǒng)設(shè)備中可以有更多創(chuàng)新性的應(yīng)用，雖然研發(fā)困難，但是市場(chǎng)需求看好，科學(xué)界和企業(yè)界都在持續(xù)積極研發(fā)，并逐漸取得突破性進(jìn)展，存算一體芯片的發(fā)展未來值得期待。

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