“存内计算”照进现实播报文章

中国电子报

发布时间: 2022-03-04 03:07
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存内计算由于突破传统冯·诺依曼架构瓶颈,实现了存储单元与逻辑单元的融合,成为实现智能计算的主要技术路线之一,受到业界龙头企业的高度重视。在近日召开的国际固态半导体电路会议(ISSCC)上,SK海力士发表了基于GDDR接口的DRAM存内计算,台积电共发表(或合作发展)6篇有关存内计算存储器IP的论文。随着人工智能对高性能、低功耗处理需求的不断增强,存内计算的开发进程必将不断加快,并走向现实应用。

存内计算受关注,龙头企业重点布局

ISSCC一向是半导体产业界展示最新研发成果的平台之一,在今年的发布重点中,存内计算无疑位列其中。SK海力士发表存内计算的开发成果——基于GDDR接口的DRAM存内计算,并展示了其首款基于存内计算技术产品——GDDR6-AiM的样本。

SK海力士表示,GDDR6-AiM是将计算功能添加到数据传输速度为16Gbps的GDDR6内存产品中。与传统DRAM相比,将GDDR6-AiM 与CPU、GPU相结合的系统可在特定计算环境中将计算速度提高16倍。此外,由于存内计算在运算中减少了内存与CPU、GPU间的数据传输往来,大大降低了功耗,GDDR6-AiM可使功耗降低80%。SK海力士解决方案开发担当副社长安炫表示:“基于具备独立计算功能的存内计算技术,SK海力士将通过GDDR6-AiM构建全新的存储器解决方案生态系统。”

台积电在存内计算研发方面的投入也很大。在本届ISSCC上,台积电共合作发表了6篇关于存内计算存储器IP的论文,其中一篇的作者全部来自台积电,其余5篇则是台积电和其他高校合作。台积电独立发表的SRAM论文基于5nm工艺,可以在不同计算精度下实现高计算密度和能效比。

事实上,三星、IBM、东芝、英特尔等半导体大厂在存内计算方面也早有布局。三星日前在顶级学术期刊Nature上发表全球首个基于MRAM的存内计算研究,基于28nm CMOS工艺的MRAM阵列进行存内计算的开发,所构建的新型MRAM阵列用于运行手写数字识别和人脸检测等AI算法,准确率分别达到98%和93%。

国内厂商方面,阿里达摩院、知存科技、Myhtic等也以AI为契机,积极进行特定领域、特定功能的AI存算一体芯片开发。去年5月,Myhtic宣布完成C轮7000万美元融资。去年6月,知存科技宣布完成亿元A3轮融资。

AI应用拉动需求,迈入产品化前夜

随着人工智能应用的爆发,业界迫切需要一项技术来解决传统冯·诺依曼架构存在的算力瓶颈与高功耗问题。这也是一众半导体大厂关注存内计算的主要原因。

对此有业内专家告诉记者,当前主流的计算架构均采用冯·诺依曼架构,其存在两个固有问题:即所谓的内存墙问题和功耗墙问题。冯·诺依曼架构的计算单元与存储单元分置,之间用数据总线连接,运算过程中就需要使数据在处理器与存储器之间进行频繁迁移,这一过程产生的功耗极为巨大,甚至比真正用于数据处理所产生的功耗还要高上百倍。内存墙则是指目前的CPU运算速度比存储器的数据存取速度快得多,存储器成为制约数据处理速度提高的主要瓶颈。现在的人们应对这个问题的主要方法是提高内存的处理速度或加大数据传输带宽,但这些都不能从根本上解决问题,开发一种将存储单元与处理单元完全整合的处理器方案,就成为解决这一问题的终极方案。

SK海力士定制设计项目负责人Dae-han Kwon 也指出:“对于 RNN(循环神经网络)等内存受限的应用程序,当应用程序在DRAM中使用计算电路执行时,性能和功率效率有望显著提高。考虑到要处理的数据量将大幅增加,存内计算有望成为改善当前计算机系统性能极限的有力候选者。”

正是在人工智能特别是边缘AI应用需求的推动下,存内计算的产品化开发进程也在加快。根据北京大学信息科学技术学院微纳电子学系副教授叶乐的介绍,存内计算技术大概率会实现产品化。目前基于SRAM的存内计算,已经进入到产品化的前夜,有望率先在可穿戴设备、智能手机等智能物联网AIoT领域应用,估计1到2年就有望看到产品级的SRAM存内计算芯片实现商业化落地。在此之后,存内计算芯片会逐渐往更大算力的应用领域渗透。基于MRAM的存内计算则会稍微滞后一些,这主要跟工艺可获得性有关。基于DRAM的存内计算芯片,有可能需要更长的时间才会落地,原因在于DRAM存内计算适用于大算力AI芯片,因此还需要解决其他一系列的技术难题,例如阵列间的互连和架构问题等。此外,大算力芯片,往往对通用性和可编程性要求更高,因此对于大算力芯片,架构需要更多的考虑通用性和可编程性,并且软硬件协同设计、编译器等工具链的重要性和难度也更为突出。

叶乐强调,不同应用场合对存内计算的需求也不同,消费电子、物联网终端、边端计算、云端计算对功耗、能效、算力密度、Bit精度、绝对算力、成本、是否需要非易失性等方面的侧重点和侧重程度各不相同,因此各类存内计算技术,均会有发展的必要性。

生态搭建存挑战,存内逻辑是方向

尽管存内计算的商业化进程不断临近,但在开发与应用中存在的挑战也不容忽视。业内专家指出,相较于传统处理器,存内计算本身就是一门非常复杂的、技术壁垒极高的设计方法,属于需要多年经验积累、大量资源以及时间投入才能实现的尖端领域。而更大的挑战还涉及到相关产业生态的整合,其中面临的挑战更加复杂。

在冯·诺依曼架构下,处理器与存储器是分别独立发展的,经过这么多年均已各自形成独立的产业生态,从设计到制造再到软件都已相当完备。而存内计算要想发展起来,实际是要将两个独立的生态整合到一起,其中所需投入的精力和资源是非常巨大的。

尽管存内计算面临技术开发与产业生态的双重挑战,但是其整体发展趋势依然被看好。叶乐指出,存内计算将是大势所趋,只有这种革命性的彻底的架构革新,才能真正解决内存墙和功耗墙的问题。从技术趋势上看,存算一体芯片将循着近存储计算、内存储计算、内存执行计算的技术路线发展。

此外,基于哪类存储进行存内计算设计也是开发重点之一。此次Sk海力士便基于DDR进行开发的,台积电则是基于SRAM。对此专家指出,目前开发者的研究之所以多是基于SRAM展开,一方面是因为SRAM比较容易获得,SRAM在标准CMOS工艺下即可得到,流片门槛较低。另一方面则因SRAM的存取速度是所有主流存储器中最接近CPU的,基于它进行存内计算开发,最容易解决内存墙问题。但是SRAM也存在芯片成本高、面积大的问题。更重要的是,SRAM属易失性存储器,断电后数据无法保存,还要把数据传输到其他NAND Flash等存储器当中,并不能从根本上解决功耗问题。NAND闪存等非易失性存储器可以保存处理后的数据,还具有成本低、容量大等优势,但是NAND闪存的存取速度慢,依然限制着未来存内计算芯片的速度。

因此,专家认为,对于那些投入存内计算开发的半导体大厂来说,将来更大的可能是基于新型存储器如MRAM、ReRAM等,做存内计算的开发。此类新型存储器一些性能上的优势是传统存储器所不具备的。当然,专家也指出,当前业界开发的新型存储技术工艺还不成熟,以之为基础进行存内计算或会需要的研发更长时间。

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大师简介:梁青杨国家级高级工艺美术大师,河南省民间工艺美术大师,河南省工艺美术大师、非物质文化遗产传承人,一九八一年出生于钧都禹州褚河镇,一九九八年进入禹州钧瓷研究所,自幼受钧瓷艺术的熏陶与钧瓷结下了不解之缘。
作品以清代传统鸡窝炭窑、创新炭烧韵窑、两大特色为主,形成自己独特的风格。对于钧瓷窑变的掌握,烧制出一个个独具特色的瓷器,受到大众的喜爱。一位钧瓷创作者,只有融入自己的艺术思想,坚持自己的艺术个性,才能创作出个性鲜明的艺术作品。二零二零年创办个人艺术工作室(梁青杨钧瓷艺术工作室)常用落款: 青杨与悟钧堂

2018年1月,我拥有了第一台PS4,也是我人生第一次在26岁高龄,开始玩游戏。

我从小并不是一个爱玩游戏的人,在别家小朋友跟我爸抱怨:“我家小孩,趁我不在家老玩游戏,拔了网线都不行!”的时候,我爸回来还洋洋得意跟我吹嘘,他绝对不会有这种顾虑。

那时候我对游戏有很浅薄的理解,在电脑课的时候稀里糊涂的打开过大家偷偷藏在文件深处的游戏,在一通莫名其妙的带兵操作之后,我脑袋顶长出了8个问号?全班同学迷恋的就是这么一种,搞不清阵营,不知道在玩啥,偶尔还要对方一通扫射的游戏?这怎么可能有我跌宕起伏的小说好玩?

一旦建立了这种狂妄的认知,从此,游戏和我就成了两条平行线,井水绝不犯河水那种。

直到开始工作,听身边的同事聊到了《风之旅人》。用他的话说,“这个游戏你只能控制移动,跳跃,没有任何武器和装备,你就是一个孤独的旅人,在沙漠,在山谷、在高塔、在雪域、在山丘处飞行。有时会有不知什么国家,什么性别,什么年龄的玩家出现,陪你走一段路程又消失,而你们的交流就是简单的‘布谷’,‘布谷’声。”

那是我第一次对游戏有了颠覆性的理解。原来,游戏是一种和小说一样,充满了庞大的世界观,充满了美学和艺术,充满了丰沛情绪的东西啊!!

最最入坑的,要数2018年4月,因工作的原因机缘巧合闯入了北京索尼影像技术学院,亲眼目睹了《战神》和《底特律》的发布,当时看着那么多游戏大神熟练的操作手柄,听着游戏背后创作者自身生活的改变,继而给游戏带来的翻天覆地的改变——曾经不可一世的战神奎爷,有了儿子之后,就像所有父亲拥有了软肋,不禁为巨大屏幕上那句“过去的我,以及现在的我,只能是你半个榜样”而动容。

如果你刚开始接触手柄,那内心一定对陌生的手柄非常恐慌,每走一步都小心翼翼,慌张的时候总忘记怎么转换视角,关卡一个又一个过不去,只能对着屏幕上巨大的“死亡”二字而焦躁不已。如果你是这么一个初学者,用《底特律:变人》作为启蒙游戏,定是一个绝佳的选择!当然这也是我最喜欢的游戏。

游戏里有一个场景,我印象特别深刻。

那是一个雨夜,游戏正好打到了身体残缺的马库斯在垃圾场艰难的匍匐,游戏里也下着灰暗的泥泞的雨,好像虚拟和现实不小心有了交叠。我的眼前都是散落的机器零件,好不容易给自己替换上能用的双腿,踉跄逃离的时候,必须经过一个只能侧身而过的小道,小道的两面墙上满是报废机器人,他们密密麻麻的伸出手触碰着我的身体,像此起彼伏的求救,手柄嗡嗡嗡的震动声,让我忘记了这是一个游戏,使得这短短的几秒路程显得尤为煎熬。

终于离开的时候,得知身上还有零件需要更换,找来找去发现一个报废的机器人身上刚好适配,就在想要拿走的一刻,他张开嘴喊着“慢着!求求您!别这么做!” 不行,我绝不能杀了他!可路痴如我,在垃圾场里找遍了,没找到替换的零件,自己身体里的零件电量也撑不住了,又害怕又着急,只能跑回去,下了很大的决心,按下了按钮。之后,我沉默的,在那个被我“杀死”的机器人面前站了很久很久。

不知道为什么,这件事在我脑海里一直挥之不去,难道那一刻我必须选择残忍吗?但心里的另一个生意又在安慰自己:也许,未来马库斯的成功都建立在这一夜,建立在这些牺牲的机器人之躯上。也或许从马库斯被拼好的那一刻起,马库斯已经不再代表他自己,而是代表着所有鲜活的,拥有情感和人格的,和我们人类无异的生命。

虽然我也是前几天,朋友来家里查看我解锁的关卡时我才知道,原来那个雨夜,是可以不杀死那个机器人就能获得零件的……

但你要问我会不会重玩这个游戏,我想我的答案是否定的。我从未想过解锁其他的剧情,我真切的把这个游戏当人生的选择来看待,无论是我当时是不小心按错了,还是我无法仔细思考脑子一热就做了选择,可这就是我啊,这就是由这些无数个看似不起眼的,微小的选择组成的,独属于我自己的故事。以及人生。

写到这里,突然关于游戏的记忆有点汹涌,不如说点好玩的瞬间~

记得某天半夜睡眼惺忪起来如厕,发现朋友——某手柄熟练玩家,在气鼓鼓的对着《战神4》生气,凑过去一看,发现他正卡在用斧子瞄准砍一个遥远的乌鸦,砍了八百遍砍不到,一度陷入怀疑自己是不是找错地方的绝望之中。当时还是手柄初级玩家的我,大手一挥,“让我来给你表演一个!”虽然只是开玩笑,但没想到……一键命中!这事直到现在我还会拿来嘲笑他来着。

PS游戏的绝妙之处在于,除了玩游戏,还能发现一些游戏意想不到的非常规乐趣——比如在《对马岛之魂》里试图拍电影海报或者作一首诗;在《麻布仔大冒险》游戏选择关卡的界面(都没进入主游戏),和朋友幼稚的比谁能打到谁而互相追着跑了十几分钟;把《死亡搁浅》休息室里的音乐,当家里的背景音乐循环播放等等等等……

游戏像一个容器一样,他储藏了作者的世界观,这世界观是开放的,你可以任自己像好奇宝宝一样,只是在门口窥探一眼,或像游客一样陶醉的浏览一番,或反叛的表达自己的观点。

游戏将繁杂的故事线,演员动情的演绎,精巧而贴切的音乐,令人爱不释手的原画作品,镜头的语言,光的语言,色彩的语言,技术的语言等等等等,这世界上所有试图表达的艺术方式和你链接在一起。这一切,你所做的只需是,塞入一张小小的光盘。

虽然,到现在我依然是个手柄马马虎虎玩家,玩《双人成行》打大boss的时候还是会气到跳脚,也没法像狂热的玩家一样,一遍一遍尝试直到打到白金为止,但我还是依然喜爱着游戏并不厌其烦的向身边的人推荐各种各样的游戏。

我觉得游戏正需要一些像我一样,也许曾经对游戏有过偏见的人,也许从小对故事充满了着迷的人,也许热爱着各种各样的艺术形又苦于不知如何将他们结合在一起的人,也许只是觉得生活有些朴素想要过一下英雄之瘾的人,也许只是经历一遍游戏里的人生就能对自己的生活有些豁然的人的尝试。

无论是16岁还是106岁,我可以拍着胸脯保证,你都能在游戏里找到共鸣与启发。

也许有一天,小说,漫画,电影,音乐的终极形式,或者说表达者的终极形式,会以开放式游戏的形式出现,或者它已经出现,成为我们身边可以随身携带的,流动的图书馆、音乐厅,博物馆,展览馆,电影院和启示录。

彩蛋:我把我的白色的手柄借给过不同的小伙伴玩,但几经周转下来,回到我手里的竟是一个黑色的手柄,一个迷彩的手柄和一个银色的手柄,我们家现在竟没有一个手柄是我最初的那个!!!估计是善良的玩家小伙伴们觉得用旧了偷偷买了新的还给我,我们心照不宣的,谁都没有说。

隐藏彩蛋:整理图片的时候,才发现,玩的最投入的《底特律》我竟没照过一张图片,只有一些模模糊糊,流程的奖杯截图,就当我全情投入的小小证明吧[doge]
#这里的故事,玩出别样境界#


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