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                存算一體技術路線如何選

                Carol Li ? 來源:電子發燒友網 ? 作者:李彎彎 ? 2022-06-21 09:27 ? 次閱讀

                電子發燒友網報道(文/李彎彎)過去幾年,越來越多企業加入到存算一體技術的研究中,如今,存算一體芯片已經逐漸走向商用。

                從目前入局的企業來看,路線各異,包括采用不同類型的存儲器,從中小算力入手,或是直接進行大算力存算一體芯片的研究,有的是采用模擬的存算技術,有的采用數字的存算技術。

                那么如何選擇合適的存儲器類型,如何做大算力的存算一體芯片設計,采用模擬技術還是數字的方式?千芯科技董事長陳巍在接受電子發燒友采訪的時候做了詳細介紹。

                如何選擇存儲器類型

                千芯科技致力于大算力存算一體芯片技術的研究,在SRAM、MRAM、RRAM方面都有探索,目前基于SRAM存算一體產品樣卡正在測試,公司也在與中科院、清華大學等機構一起優化基于RRAM、MRAM存算一體電路的設計。

                該公司技術團隊早期接觸過各類存儲器,陳巍博士10多年前就作為國家專項課題的技術負責人主持過當時國內最先進的NOR Flash芯片及MemoryCompiler(存儲器編譯器)的設計研發,作為負責人創建國內首個3D NAND 閃存設計團隊,SRAM、RRAM、MRAM等都接觸了10年以上,有不少這些存儲器的專利。

                千芯科技也給這些存儲器做了自己的分類,陳巍強調,在進行存算一體存儲器選擇的時候,重點還是要看客戶和應用需求,根據實際應用場景來選擇存儲器比較合適。

                圖:存儲器類型,優勢、不足和適用場景(來自千芯科技)


                因為雖然都是存算一體,但是從應用來看,有些存算一體需要更偏向于存(ComputingMemory),有些更偏向于算(MemoryComputing),比如端側一些語音識別、人像識別的場景,對功耗和成本要求比較高,把AI計算的部分和存的部分合成一個器件,能夠有效降低成本。

                比如在云計算領域,這個領域需要計算的模型非常大,同時訓練場景下,需要不斷更新數據,因此在這樣的應用場景下,一些非易失存儲器的讀寫速度,就不如SRAM、DRAM、RRAM好,這些場景更偏向于算,它目前會傾向于偏向計算能力的存儲器。

                也就是說,如果是偏向于低成本,同時希望待機功耗更好,可以選擇非易失存儲器,包括Flash、RRAM、MRAM等;如果偏向于大規模計算,多數情況下可以選擇RRAM、SRAM和DRAM。另外具體來說選擇哪種存儲器,還和各家的專利布局綁定有關。

                大算力存算一體芯片設計

                自動駕駛、數據中心等領域,對大算力的需求比較明顯,因此各家企業也在大算力存算一體芯片的研發和推廣上投入精力。在陳巍看來,目前除了NOR閃存有些受容量限制,上述提到的各類存儲器基本可以用來做大算力存算一體。

                閃存存算方面,目前主要路線是基于NOR flash(不是目前優盤所用的閃存類型),多數情況下存儲容量較小,這使得NOR flash單片算力達到1TOPS以上器件代價較大,通常業內說大算力一般是20-100TOPS以上,因此不太好直接做大算力的存算一體。而其他的存儲器,包括SRAM、RRAM等,現在已經看到,有實際產品證明可以是可以用來做到大算力的存算一體。

                在設計上,大算力存算一體結構和小算力會有所不同,據陳巍介紹,這跟存算一體架構里面的計算架構有關,大算力計算架構和小算力計算架構不一樣,一是大算力的計算核會有特別的外圍電路設計,來使它的吞吐能力比小算力更強;二是在整體結構上,大算力有更多核心并聯,相當于多個小算力整合成一個大算力,有點類似于GPU的整合方式,因為GPU也相當于是不同的小算力的核心,整合起來的架構。


                雖然說都可以做大算力,而基于非易失存儲器,目前做大算力存算一體,也會遇到一些工藝挑戰,基本上循環讀寫次數在十的六到八次方之后,就可能出錯,所以到目前為止,國際上直接用NVM做200Tops以上算力的還較少。

                因為在大算力場景下,它有非常高頻度的讀寫,這樣會較早的面臨失效的可能,而這個失效可能會導致計算錯誤,對于產品來說,這是必須要做優化的,特別是在自動駕駛領域,如果遇到這種失效將會導致車輛失控。

                這個問題如何解決呢,陳巍表示,經過與業內專家合作分析,他們認為需要從兩方面去做,一是器件的工藝水平需要優化,二是做冗余器件設計去解決這個問題,目前對于計算為主的場景,做冗余器件設計,它的性能可能就沒有先進工藝下的SRAM強,做了冗余設計之后,它的面積也會進一步提升,這樣成本的優勢可能就會有一定的降低。

                因此總結來看,選擇何種存儲器去做大算力存算一體,還是要看場景,看客戶的需求,以及還和器件本身的工藝水平有很大關系。

                模擬和數字存算一體技術的差別

                可以看到,采用模擬還是數字的技術,也是企業常提到的一點,陳巍介紹,一般跟傳感器連接密切的部分,推薦用模擬存算一體的方式,如果計算結構復雜,建議用數字的,因為用模擬結構去做復雜計算,代價比較大,而跟傳感器進行結合的時候,模擬計算有它的天然優勢。

                所以其實更多的還是看場景,比如小算力需求,就是做一個聲音識別,或者做一個小規模的圖像識別,這時候用模擬比較合適,如果說要做云計算的大算力,計算結構又復雜,目前看采用數字方式的多些。


                上圖是一個存算一體的陣列,比如憶阻器,里面存入矩陣系數,或者叫權重,然后輸入數據,也就是輸入不同的電壓,根據歐姆定律,就會產生不同的電流,每個電流匯聚在一起,即相當于是電流加和(基爾霍夫定理),就完成了一個乘積累加運算,這是模擬電路完成深度學習等各種計算的基本思路。

                簡單的理解,數字的方式就是把不同的模擬單元分離開,原來模擬電路,相當于是一個單元存一個模擬數值,可能是幾位的,比如8位、或4位位寬,如果變成數字的方式,相當于一個單元存入一個數值,是一個位寬的。這樣就很明顯,模擬的好處是存儲密度更高,但沒法直接做復雜計算,數字電路離散性會更好,更靈活,可以直接做復雜運算。

                存算一體技術的挑戰和未來

                目前而言,存算一體的發展還存在一些挑戰,陳巍談到兩點:一是生態建設,盡管存算一體這個概念并不是特別新,但是真正進入實用階段的時間還比較短,特別是通用的編譯生態環境還沒有完全成熟,這樣它在落地上就會存在一些適配要求,因為客戶對生態都是有要求的,因此急需建立存算一體的生態。

                二是如何更好的滿足客戶的需求,這也是整個AI芯片落地需要解決的一個問題,企業需要更多從客戶的需求角度去設計產品,對于客戶來說,可能有很多計算場景,它其實不單是需要一個AI技術,還需要其他一些復合的計算類型,比如語音識別場景,它除了AI計算需求之后,還需要語音降噪的算法,這時候就需要根據客戶的需求進行特定場景的優化。

                存算一體就技術的未來會怎樣?從兩個階段來看,陳巍認為,目前基本都處于一個市場開拓期,很多客戶還沒有完全意識到存算一體的優勢和價值,不過如果市場能夠出現一個很有影響力的廠商,來證明存算一體芯片,比傳統馮諾伊曼架構AI芯片能力更強,那么很快就會有很大的突破,預計這樣的突破在近期就會發生。

                從遠期來看,存算一體會和GPU、CPU技術有很好的結合,成為CPU、GPU、DPU,或者是其他各種AI芯片的計算核心,相當于現有的存算一體技術會給GPU或者CPU賦能,成為現有技術的計算核心。

                從商用角度來看,目前國內存算一體芯片至少有兩家量產,估計今年會有很多都可以開始商用,目前已落地的商用還主要是在端側可穿戴設備等領域,一些語音識別,小的視覺模型場景集中。

                在自動駕駛和云計算領域,云計算領域的商用預計快一點,估計明后年開始就有產品可以逐步進入中國互聯網大廠,自動駕駛領域的商用時間會比較長,因為自動駕駛從架構設計到最后大批量裝車,一般需要五年時間,如果前面兩年已經完成了設計、流片,大約還要三年的適配和量產測試時間才能實現大批量落地應用。

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                  用于替換IS62WV51216EBLL-45TLI的國產SRAM芯片

                  IS62WV51216EBLL-45TLI SRAM芯片是一個8M容量,組織結構為512K*16的高....
                  發表于 01-26 14:39 ? 346次 閱讀

                  存儲器結構分類介紹

                  根據組成元件的不同,ROM內存可以分類為掩模型只讀存儲器(MASK ROM)、可編程只讀存儲器(PR....
                  的頭像 我快閉嘴 發表于 01-20 14:09 ? 1324次 閱讀

                  關于七〇六天熠系列龍芯3C5000L服務器

                    七〇六天熠系列龍芯3C5000L服務器,超高性能2u四路7A2000,存算一體4U雙路36盤,基....
                  的頭像 我快閉嘴 發表于 01-13 16:29 ? 1240次 閱讀
                  關于七〇六天熠系列龍芯3C5000L服務器

                  使用非易失性FRAM替換SRAM時的問題和解決方案

                  ? ? ? ?FRAM是一種非易失性存儲器產品,具有讀寫耐久性高、寫入速度快、功耗低等優點。 ? ?....
                  發表于 01-12 15:12 ? 107次 閱讀

                  國產存儲16M異步SRAM芯片EMI516NF16LM

                  快速異步型SRAM,存取時間為35ns(或更短)的異步型SRAM可被歸類為“快速”異步型SRAM。 ....
                  發表于 01-07 16:43 ? 466次 閱讀

                  2021,中國計算產業的“攀登者勛章”

                  經歷了2018-2019年的諸多外部形勢變化之后,發展計算產業,走向科技自立成為了中國社會的全面共識....
                  的頭像 腦極體 發表于 12-27 09:17 ? 1684次 閱讀

                  EMI502NL16LM可替代IS61WV12816DBLL

                  SRAM是隨機存取存儲器的一種。這種存儲器只要保持通電,里面儲存的數據就可以恒常保持。SRAM不需要....
                  發表于 12-24 17:27 ? 320次 閱讀

                  ISSI低功耗SRAM芯片IS62WV12816DBLL

                  低功耗SRAM存儲器應用于內有電池供電對功耗非常敏感的產品,作為靜態隨機訪問存儲器的一種類別,靜態隨....
                  發表于 12-21 16:34 ? 326次 閱讀

                  單片機外擴專用SPI SRAM存儲芯片

                  ? ? ? ST內核M3的32位MCU產品STM32F1xxx這一系列的MCU內置 SRAM 資源非....
                  發表于 12-21 15:54 ? 404次 閱讀

                  偉凌創芯異步SRAM芯片EMI504WF16VA-10I

                  快速異步型SRAM,存取時間為35ns(或更短)的異步型SRAM可被歸類為“快速”異步型 SRAM ....
                  發表于 12-21 15:49 ? 414次 閱讀
                  偉凌創芯異步SRAM芯片EMI504WF16VA-10I

                  這家基于憶阻器的存算一體AI芯片供應商 完成過億元融資

                  電子發燒友網報道(文/李彎彎)近日消息,億鑄科技(杭州)有限責任公司(簡稱“億鑄科技”)宣布完成過億....
                  的頭像 Carol Li 發表于 12-09 10:10 ? 3867次 閱讀
                  這家基于憶阻器的存算一體AI芯片供應商 完成過億元融資

                  基于mpu6050的角速度測量(主控stm32f103 Sram 23LC1024,c#上位機)

                  大二時設計過一款角速度測量裝置 ,用于測量特定物品的角速度,現整理下。實現效果是 旋轉物體開始旋轉到....
                  發表于 12-06 13:36 ? 151次 閱讀
                  基于mpu6050的角速度測量(主控stm32f103 Sram 23LC1024,c#上位機)

                  stm32 單片機 flash以ram的理解

                  背景本篇文章將介紹一下ARM架構的ARM-M系列單片機的flash以及ram,以及程序啟動的邏輯。提....
                  發表于 12-02 10:21 ? 129次 閱讀
                  stm32 單片機 flash以ram的理解

                  單片機內存及運行

                  單片機內存及運行內存一般單片機內存分為RAM和FLASH。比如STM32F103ZET6/* Mem....
                  發表于 12-01 16:06 ? 280次 閱讀
                  單片機內存及運行

                  可作為MCU外擴SRAM芯片的型號推薦

                  世界上最早的全電子化存儲器是1947年誕生的,其原理是用陰極射線管在屏幕表面上留下記錄數據的“點”。....
                  發表于 11-25 19:06 ? 181次 閱讀
                  可作為MCU外擴SRAM芯片的型號推薦

                  32位單片機STM32F7外擴QSPI SRAM芯片

                  意法半導體STM32F7系列MCU采用高性能的ARM Cortex-M7核心,借助ST的ART Ac....
                  發表于 11-18 19:51 ? 217次 閱讀
                  32位單片機STM32F7外擴QSPI SRAM芯片

                  中科聲龍推出的存算一體高通量芯片在業內得到廣泛的關注

                  2021年11月,中科聲龍科技發展(北京)有限公司旗下中科聲龍品牌在全國開展的產品創新、科技創新、科....
                  的頭像 火花 發表于 11-17 15:39 ? 708次 閱讀

                  集成鐵電存儲器MCU為物聯網應用提供出色性能

                  集成鐵電存儲器的MCU,由于在MCU上集成了鐵電存儲器,該產品數據寫入速度比基于閃存和EEPROM的....
                  發表于 11-05 17:35 ? 172次 閱讀
                  集成鐵電存儲器MCU為物聯網應用提供出色性能

                  有效解決內存墻問題 存算一體正處在快速發展階段

                  電子發燒友網報道(文/李彎彎)隨著技術的發展,現在計算的任務越來越復雜,需要的數據也越來越多,而在馮....
                  的頭像 電子發燒友網 發表于 10-29 10:02 ? 880次 閱讀

                  SRAM芯片適用于智能穿戴應用

                  自2016年智能穿戴新興行業的崛起及火爆程度,一度將所有有關于智能穿戴產品中的零件推進了新的高潮.其....
                  發表于 10-28 16:17 ? 673次 閱讀

                  可作為MCU外擴SRAM芯片的型號推薦

                  世界上最早的全電子化存儲器是1947年誕生的,其原理是用陰極射線管在屏幕表面上留下記錄數據的“點”。....
                  發表于 10-28 16:13 ? 239次 閱讀

                  CMOS圖像傳感器與MCU選型

                  第一次接觸圖像傳感器,選型時要根據CMOS的分辨率確定MCU的內部SRAM大小是否夠用。比如像素: ....
                  發表于 10-26 11:21 ? 235次 閱讀
                  CMOS圖像傳感器與MCU選型

                  有效解決內存墻問題 存算一體正處在快速發展階段

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                  的頭像 Carol Li 發表于 10-26 07:45 ? 4700次 閱讀
                  有效解決內存墻問題 存算一體正處在快速發展階段

                  半導體存儲器的發展歷程與當前挑戰

                  計算機內存主要是DRAM和SRAM。二者相比,DRAM的存儲密度更高,而SRAM則具有最快的片上緩存....
                  發表于 10-13 09:25 ? 2281次 閱讀
                  半導體存儲器的發展歷程與當前挑戰

                  國產異步低功耗SRAM芯片的詳細介紹

                  靜態存儲SRAM芯片包含業界多樣的異步低功耗SRAM。而帶有ECC的異步SRAM適用于各種要求最高可....
                  發表于 10-11 16:33 ? 10282次 閱讀

                  國產SRAM存儲芯片EMI502HF08VM-10I介紹

                  靜態SRAM芯片是由晶體管組成。SRAM的速度非???,通常能以20ns或更快的速度工作。靜態ram中....
                  發表于 09-28 16:46 ? 457次 閱讀

                  1Mbit國產SRAM芯片EMI501NL16VM-55I介紹

                  偉凌創芯EMI501NL16VM-55I采用的是EMl先進的全CMOS工藝技術制造,位寬64Kx 1....
                  發表于 09-28 16:29 ? 500次 閱讀

                  九天睿芯首款視覺應用的感存算一體新型架構計算芯片流片成功,可同時支持基于幀的相機和事件相機的處理

                  ?早在1992年,中國工程院院士許居衍便預測,2014-2017年,人類將進入硅技術生命曲線上的拐點....
                  的頭像 21克888 發表于 09-27 21:41 ? 3330次 閱讀
                  九天睿芯首款視覺應用的感存算一體新型架構計算芯片流片成功,可同時支持基于幀的相機和事件相機的處理

                  國產SRAM芯片EMI504HL08PM-55I的簡單介紹

                  SRAM是隨機存取存儲器的一種。靜態是指這種存儲器只要保持通電,里面儲存的數據就可以恒常保持。當電力....
                  發表于 09-22 15:48 ? 859次 閱讀