存儲芯片巨頭涌向新賽道

說起“存儲”和“AI”，很多人會說存儲對AI很重要，因為AI的發(fā)展是由海量數(shù)據(jù)支撐起來的，這就使得人們對數(shù)據(jù)處理提出了極高的要求，需要更大的內(nèi)存去存儲更多的數(shù)據(jù)，不得不承認，高性能的存儲能讓AI技術(shù)發(fā)揮出最大威力。但其實AI對存儲也很重要，AI 時刻推動著存儲的發(fā)展，究其原因繞不開存內(nèi)計算（PIM ：Processing in-memory）。

存內(nèi)計算是一項打破傳統(tǒng)馮諾依曼架構(gòu)的新型運算架構(gòu)，通過將存儲和計算有機結(jié)合，直接利用存儲單元進行計算，極大地消除了數(shù)據(jù)搬移帶來的開銷，解決了傳統(tǒng)芯片在運行人工智能算法上的“存儲墻”與“功耗墻”問題，可以數(shù)十倍甚至百倍地提高人工智能運算效率，降低成本。

雖然存內(nèi)計算的基本概念早在上個世紀七十年代就已經(jīng)被提出，但直到近些年才逐漸成為人們關(guān)注的焦點，原因在于，算力和運算數(shù)據(jù)量的激增導(dǎo)致存儲墻問題愈發(fā)凸顯，想要進一步提高算力，只有解決存儲墻問題，而在各種解決方案中存內(nèi)計算是最直接的一種方式，可以實現(xiàn)高能效、低功耗、低成本。

早在2019年，美光首席執(zhí)行官 Sanjay Mehrotra 就指出，曾經(jīng)的計算架構(gòu)并不適合未來的發(fā)展趨勢，從長遠來看認為計算最好在內(nèi)存中完成。當時美光另一位技術(shù)高管也堅信計算和內(nèi)存的融合對于提高性能效率和降低延遲是必要的，并愿意為此付出努力。不少業(yè)內(nèi)人士認為，未來存儲器可能不僅僅是存儲設(shè)備，還可能是加速器，或者還會具備其他的功能，例如更好的ECC等。

那么，面對數(shù)據(jù)量激增的未來，如何應(yīng)對內(nèi)存帶寬挑戰(zhàn)，實現(xiàn)更優(yōu)質(zhì)的 PIM來減輕各種 AI 驅(qū)動所面對的諸如HPC、培訓(xùn)和推理等工作負載？AI就是一個很好的選擇，隨著技術(shù)的演進，越來越多的存儲廠商開始加入AI戰(zhàn)…

卡位AI，投資先行

如何最快獲得一項新技術(shù)，投資/收購就是極為常見的一種方式，存儲廠商開啟AI投資熱潮大約是在2018年前后，這一年也是人工智能的狂歡年，Google Duplex代替人類自動接打電話、歐盟正式發(fā)布的人工智能道德準則草案、OpenAI的5v5 DOTA AI“Open AI Five”再次完勝人類、全球第一個“AI合成主播”正式上崗…種種一切似乎讓人們意識到，只在小說中存在的AI時代真的要來了。

2018年6月，存儲龍頭三星公布了一項專注于 AI 科技和初創(chuàng)公司的新基金“Samsung NEXT Q Fund ”，將為那些解決AI問題以及使用AI解決計算機科學(xué)問題的初創(chuàng)公司提供種子輪和 A 輪融資支持，公告中特別提到，包括的領(lǐng)域涉及模擬學(xué)習(xí)、場景理解，問題學(xué)習(xí)方案和人機交互。

到了2018年8月，三星集團宣布，未來三年將在AI、汽車零部件等領(lǐng)域投資逾220億美元，其中大部分投資由三星電子承擔；2021年8月，三星再次公布未來三年會投資240萬億韓元（約合2055億美元）到生物制藥、人工智能、半導(dǎo)體、機器人等領(lǐng)域。從2018年的220億美元，到2021年的2055億美元，十倍的增長，雖然AI并不是三星電子加大投資的惟一領(lǐng)域，但顯然已經(jīng)是被鎖定的新成長領(lǐng)域。

三星2018年投資計劃重點，圖源：路透

在2018年三星宣布成立新基金后不久，美光也宣布通過美光創(chuàng)投投入一億美元在人工智能及機器學(xué)習(xí)新創(chuàng)公司，當時消息顯示，投資新創(chuàng)不僅有助于加速人工智能的發(fā)展，還能間接帶動對于DRAM與NAND內(nèi)存與3D Xpoint等次世代內(nèi)存的需求。

或許是投資已經(jīng)沒辦法滿足需求，又或許是美光進一步認識到了存內(nèi)計算的重要性，到了2019年，美光科技直接收購了人工智能硬件和軟件初創(chuàng)公司Fwdnxt，這在當時的行業(yè)內(nèi)掀起了不小的波瀾。美光認為，F(xiàn)wdnxt的技術(shù)與美光的存儲芯片結(jié)合使用時，能夠使美光具備探索數(shù)據(jù)分析所需的深度學(xué)習(xí)AI解決方案的能力，尤其是物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計算。

美光方面還表示，收購Fwdnxt不僅不會與英特爾、英偉達等有更多的競爭，相反反而會有更多的合作。在美光看來，沒有人可以在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域與他們競爭，存儲廠商想要分得一杯羹，為英特爾等提供更多幫助，那么在邊緣計算方面進行研究，將會是美光獲得最大效率和規(guī)模經(jīng)濟的地方。

數(shù)據(jù)中心是互聯(lián)網(wǎng)、云計算和人工智能等領(lǐng)域的通用支撐技術(shù)，中國信通院《數(shù)據(jù)中心白皮書2022》報告顯示，2021年全球數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模超過679億美元，預(yù)計2022年市場收入將達到746億美元。而存儲和AI都是數(shù)據(jù)中心不可缺少的重要部分，一方面任何數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)最終都要放置到存儲設(shè)備上。另一方面，AI能夠幫助數(shù)據(jù)中心提高能源效率，進而節(jié)省成本，還能幫助優(yōu)化運維，使用預(yù)測分析來幫助數(shù)據(jù)中心分配工作負載。那么，當數(shù)據(jù)中心的“左膀右臂”結(jié)合在一起，勢必會帶來奇效，這或許也是美光收購Fwdnxt的一部分考量。

而在2019年，SK海力士也加入了這場AI投資戰(zhàn)，甚至攻勢十分兇猛。2019年年初，SK海力士投資了地平線；2020年9月，宣布投資Gauss Labs公司，旨在通過工業(yè)人工智能（AI）解決方案引領(lǐng)半導(dǎo)體制造業(yè)創(chuàng)新；2022年1月，SK 海力士又同SK Telecom 以及 SK Square一起宣布，成立聯(lián)合發(fā)展協(xié)會，首先將砸 800 億韓元，在美國設(shè)立 AI 半導(dǎo)體公司 SAPEON，SK 海力士持有25%的股份，這對于SK 海力士來說，在 NAND 閃存以及AI領(lǐng)域的事業(yè)也會更進一步擴張。

“鈔能力”下的技術(shù)成果

從投資方面來看，存儲大廠對AI可謂是下足了“血本”，重金之下，廠商們的成果也是斐然，接連展示新技術(shù)。

三星電子在2021年2月率先研發(fā)出結(jié)合內(nèi)存芯片和AI處理器的高帶寬內(nèi)存 HBM-PIM（也被稱為 Aquabolt-XL），以強化數(shù)據(jù)中心、高性能計算(HPC)系統(tǒng)和支持 AI 的移動應(yīng)用程序中的大規(guī)模處理。據(jù)了解，HBM-PIM 通過將經(jīng)過DRAM優(yōu)化的 AI 引擎置于每個存儲子單元內(nèi)，將處理能力直接引入到數(shù)據(jù)存儲位置，從而實現(xiàn)并行處理并盡可能減少數(shù)據(jù)移動。數(shù)據(jù)顯示，當應(yīng)用于三星現(xiàn)有的 HBM2 Aquabolt 解決方案時，新架構(gòu)能夠提供超過兩倍的系統(tǒng)性能，能源消耗也大幅降低。

三星電子DRAM產(chǎn)品和技術(shù)高級副總裁Nam Sung Kim表示，隨著技術(shù)標準化發(fā)展，該技術(shù)應(yīng)用將會進一步擴大，擴展至用于下一代超級計算機和AI應(yīng)用的HBM3，甚至用于設(shè)備上AI的移動存儲器，以及用于數(shù)據(jù)中心的存儲器模塊。最新消息顯示，三星已經(jīng)完成了運行其最新內(nèi)存解決方案內(nèi)存中高帶寬內(nèi)存處理 (HBM-PIM) 所需的軟件標準化，計劃在本月推出該解決方案。

SK海力士則在今年2月宣布，將與人工智能芯片公司 SAPEON合作，推出一款將 GDDR6-AiM 與 AI 芯片相結(jié)合的新產(chǎn)品。SAPEON即上述提到的SK海力士與SK Telecom 以及 SK Square在美國成立的AI芯片公司。GDDR6-AiM則是SK海力士在今年2月宣布的采用下一代存儲芯片PIM技術(shù)開發(fā)出的樣品，為 GDDR6內(nèi)存芯片增加了計算功能，以 16Gbps 的速度處理數(shù)據(jù)。SK海力士聲稱，GDDR6-AiM 與 CPU 和 GPU 的組合，不是典型的 DRAM 芯片，可以將計算速度提高 16 倍，適用于機器學(xué)習(xí)、高性能計算和大數(shù)據(jù)計算與存儲。

采用SK海力士PIM技術(shù)的GDDR6-AiM芯片，圖源：kedglobal

美光則是在收購FWDNX之后，推出一組用于深度學(xué)習(xí)應(yīng)用的、功能強大的新型高性能硬件和軟件工具，該綜合性人工智能開發(fā)平臺集成了計算、內(nèi)存、工具和軟件，可為探索針對人工智能工作負載優(yōu)化的創(chuàng)新內(nèi)存提供重要基石。FWDNXT是一種架構(gòu)，專為打造快速上市時間的邊緣AI解決方案而設(shè)計，通過非常易于使用的軟件架構(gòu)搭配廣泛的模型支持與運用靈活度。據(jù)悉，美光深度學(xué)習(xí)加速器（DLA）技術(shù)支持廣泛的機器學(xué)習(xí)框架和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能夠通過易于使用的接口快速處理海量數(shù)據(jù)，在FWDNXT人工智能推理引擎的支持下，能讓內(nèi)存和計算能夠更緊密地融合，從而實現(xiàn)更高的性能和更低的功耗。

此外，不同于上述三家存儲大廠，鎧俠則是發(fā)力SSD和AI技術(shù)的結(jié)合，專注于研發(fā)以內(nèi)存為中心的AI技術(shù)。近日，鎧俠開發(fā)了一種基于Memory-Centric AI的圖像分類系統(tǒng)，Memory-Centric AI是一項利用大容量存儲器的人工智能技術(shù)，該系統(tǒng)使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對圖像進行分類，未來鎧俠會將Memory-Centric AI從圖像分類擴展到其他領(lǐng)域，并促進采用大容量存儲的人工智能技術(shù)的研究和開發(fā)。

利用高容量存儲的圖像分類，圖源：businesswire

鎧俠方面指出，傳統(tǒng)AI技術(shù)是使用大量數(shù)據(jù)來訓(xùn)練模型，而以內(nèi)存為中心的AI則是基于其積累的知識，通過搜索和參考這些知識來執(zhí)行任務(wù)，因此它積累的新知識和記憶越多，人工智能就越成熟，更重要的是，這項技術(shù)可以讓人工智能可以無限期地成長，同時也能減少所需的大量計算并減少功耗。

而這項技術(shù)的關(guān)鍵之處就是積累的數(shù)據(jù)存儲在哪里，這就是閃存的用武之地，能夠在幾乎不消耗電力的情況下存儲信息，但這也對閃存的速度提出了挑戰(zhàn)，速度太慢會影響人工智能做出決定。隨著訪問速度的提高，硬件和人工智能技術(shù)也在不斷發(fā)展，鎧俠認為如今是提出以內(nèi)存為中心的AI的恰當時候。

寫在最后

AI從概念被提出來開始就似乎是一個“萬金油”般的存在，5G需要AI、元宇宙需要AI、自動駕駛需要AI，甚至于連EDA都需要AI。如今，AI又已經(jīng)“滲入”存儲芯片領(lǐng)域，各大存儲廠商為此展現(xiàn)出“十八般武藝”，但未來誰能成為拔得頭籌者，我們拭目以待。