近年間，云計(jì)算與人工智能技術(shù)的蓬勃興起，計(jì)算中心面臨著數(shù)據(jù)效率低、能耗大等核心挑戰(zhàn)，這促使學(xué)術(shù)界和工業(yè)界重新聚焦。

開(kāi)宗明義，定義先行。

首先，我們先來(lái)了解一下什么是存算一體：

存算一體是通過(guò)在存儲(chǔ)器中嵌入計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與計(jì)算的緊密結(jié)合。其技術(shù)不僅能夠顯著提升計(jì)算效率，還能大幅降低能耗。

緊接著，存算一體技術(shù)分為三類(lèi)：近存計(jì)算（Processing Near Memory, PNM）、存內(nèi)處理（Processing In Memory, PIM）和存內(nèi)計(jì)算（Computing In Memory, CIM）。

近存計(jì)算：不改變計(jì)算單元和存儲(chǔ)單元本身設(shè)計(jì)功能，采用先進(jìn)的封裝方式及合理的硬件布局和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增強(qiáng)二者間通信寬帶，增大傳輸速率。

存內(nèi)處理：側(cè)重于將計(jì)算過(guò)程盡可能地嵌入到存儲(chǔ)器內(nèi)部，這種方法的能效比通常較高，但計(jì)算精度可能受限。另一種思路是在存儲(chǔ)器內(nèi)部集成額外的計(jì)算單元，以支持高精度計(jì)算。

存內(nèi)計(jì)算：存儲(chǔ)單元與計(jì)算單元完全融合，無(wú)獨(dú)立計(jì)算單元，通過(guò)存儲(chǔ)器顆粒上嵌入算法，由存儲(chǔ)器芯片內(nèi)部的存儲(chǔ)單元完成計(jì)算操作。

圖源：Google

事實(shí)上，存算一體的概念由來(lái)已久。早在1969年，斯坦福研究所的Kautz等人提出了存算一體計(jì)算機(jī)的概念。其受限于當(dāng)時(shí)的芯片制造技術(shù)和算力需求的匱乏，那時(shí)存算一體僅僅停留在理論研究階段，并未得到實(shí)際應(yīng)用。

因此，后續(xù)研究人員在芯片電路結(jié)構(gòu)、計(jì)算架構(gòu)與系統(tǒng)應(yīng)用等方面開(kāi)展了一系列研究。但受限于電路設(shè)計(jì)復(fù)雜度與工藝難度，后續(xù)的大部分研究本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)的是 “近存計(jì)算”，其與存內(nèi)計(jì)算最大的區(qū)別是，近存計(jì)算仍然需把數(shù)據(jù)從內(nèi)存中讀取出來(lái)之后再就近進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果再存儲(chǔ)到內(nèi)存當(dāng)中。

與此同時(shí)，存算一體技術(shù)的核心在于將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與計(jì)算融合在同個(gè)芯片的同片區(qū)之中，從而徹底消除馮諾依曼計(jì)算架構(gòu)的瓶頸；將通過(guò)存儲(chǔ)器內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或計(jì)算，此技術(shù)能夠大幅減少數(shù)據(jù)在計(jì)算與存儲(chǔ)之間的傳輸時(shí)間，提升整體性能。

尤其，在馮諾伊曼架構(gòu)中，計(jì)算單元與內(nèi)存是兩個(gè)分離的單元。計(jì)算單元根據(jù)指令從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，在計(jì)算單元中完成計(jì)算和處理，完成后再將數(shù)據(jù)存回內(nèi)存。

然而，整個(gè)過(guò)程中，存儲(chǔ)器與處理器之間數(shù)據(jù)交換通路窄，以及由此引發(fā)的高能耗形成兩大難題，在存儲(chǔ)與計(jì)算之間筑起一道“存儲(chǔ)墻”。能耗方面，大部分能耗在數(shù)據(jù)搬運(yùn)過(guò)程中產(chǎn)生，數(shù)據(jù)搬運(yùn)功耗是計(jì)算功耗的1000倍。而數(shù)據(jù)搬運(yùn)速度方面，AI運(yùn)算需1PB/s，但DRAM 40GB-1TB/s 都遠(yuǎn)達(dá)不到要求。

存算一體技術(shù)的分類(lèi)

過(guò)去數(shù)載，處理器性能以每年大約55%的速度提升，而相比之下，內(nèi)存性能的提升則顯著放緩，其年增長(zhǎng)率僅約為10%。這種長(zhǎng)期存在的性能發(fā)展不均衡現(xiàn)象，導(dǎo)致當(dāng)前存儲(chǔ)系統(tǒng)的訪問(wèn)速度相較于處理器的計(jì)算能力出現(xiàn)了顯著的滯后現(xiàn)象。

目前，在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的設(shè)定里，存儲(chǔ)模塊是為計(jì)算服務(wù)的，因此設(shè)計(jì)上會(huì)考慮存儲(chǔ)與計(jì)算的分離與優(yōu)先級(jí)。但如今，存儲(chǔ)和計(jì)算不得不整體考慮，以最佳的配合方式為數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理服務(wù)。

其中，雖然多核（例如CPU）/眾核（例如GPU）并行加速技術(shù)也能提升算力，但在后摩爾時(shí)代，存儲(chǔ)帶寬制約了計(jì)算系統(tǒng)的有效帶寬，芯片算力增長(zhǎng)步履維艱。從處理單元外的存儲(chǔ)器提取數(shù)據(jù)，搬運(yùn)時(shí)間往往是運(yùn)算時(shí)間的成百上千倍，整個(gè)過(guò)程的無(wú)用能耗大概在60%-90%之間，能效非常低，“存儲(chǔ)墻”成為了數(shù)據(jù)計(jì)算應(yīng)用的一大障礙。

其次，存內(nèi)計(jì)算和存內(nèi)邏輯，即存算一體技術(shù)直接利用存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或計(jì)算，從而把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與計(jì)算融合在同一個(gè)芯片的同一片區(qū)之中，從而徹底消除馮諾依曼計(jì)算架構(gòu)瓶頸，以便適用于深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這種大數(shù)據(jù)量大規(guī)模并行的應(yīng)用場(chǎng)景。

算力發(fā)展速度遠(yuǎn)超存儲(chǔ)

顯然，存算一體技術(shù)的演進(jìn)軌跡導(dǎo)向了計(jì)算精度的提升、算力輸出的增強(qiáng)及能效比優(yōu)化的高階，以此映射出該技術(shù)內(nèi)進(jìn)步邏輯的必然走向。

前移至感知端，向 “極致低功耗” 邁進(jìn)：面向可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等端側(cè)市場(chǎng)，打造超低功耗、超低成本的解決方案。當(dāng)前感知芯片采集到的模擬信號(hào)依賴(lài)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字，信號(hào)再通過(guò)智能處理器進(jìn)行處理，速度慢、功耗高。

后移至邊緣端/云端，向 “極致大算力”邁進(jìn)：面向邊緣端/云端服務(wù)器、數(shù)據(jù)中 心與自動(dòng)駕駛等場(chǎng)景，利用存算一體芯片大規(guī)模并行運(yùn)算的特點(diǎn)，打造超大算力解決方案。當(dāng)前的邊緣端/云端處理器大多基于 GPU 平臺(tái)，而 GPU 仍然受 “存儲(chǔ)墻” 限制，存在巨大的數(shù)據(jù)通信開(kāi)銷(xiāo)，導(dǎo)致其實(shí)際算力不到標(biāo)稱(chēng)算力的 10%。據(jù)分析, 以 ChatGPT 為代表的主流大模型的基本組成單元 Transformer 中約有 90% 以上的運(yùn)算為大規(guī)模矩陣運(yùn)算，可以基于存算一體陣列高效完成。

協(xié)同異構(gòu)架構(gòu)與異構(gòu)集成，實(shí)現(xiàn)合力突圍：異構(gòu)架構(gòu)將不同計(jì)算架構(gòu)、不同功能的硬件單元進(jìn)行融合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)各自的不足，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)更高的性能。例如，單一的數(shù)字存算一體架構(gòu)或模擬存算一體架構(gòu)在精度、能效、面積、成本等指標(biāo)上各有優(yōu)劣，采用單一架構(gòu)難以兼具各項(xiàng)性能。

驅(qū)動(dòng) EDA 設(shè)計(jì)工具與應(yīng)用工具鏈開(kāi)發(fā)：隨著存算一體芯片 從 0 到 1 的突破，已驗(yàn)證了其在 AI 應(yīng)用中的發(fā)展?jié)摿εc市場(chǎng)前景，進(jìn)而吸引上下游企業(yè)的加入，催生相應(yīng)的自動(dòng)化 EDA 設(shè)計(jì)工具、開(kāi)發(fā)環(huán)境、仿真器、編譯工具與智能算法的協(xié)同發(fā)展，縮短芯片的研發(fā)周期與應(yīng)用開(kāi)發(fā)周期，進(jìn)而推動(dòng)開(kāi)源與標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)的建立與繁榮，形成良性循環(huán)，加速存算一體芯片的規(guī)?；慨a(chǎn)與應(yīng)用。

綜上所述，當(dāng)前的存算一體芯片研究集中在單點(diǎn)技術(shù)，且在器件、電路、架構(gòu)、EDA工具及系統(tǒng)應(yīng)用等方面仍然存在諸多技術(shù)待解決。

另外，從技術(shù)的角度，存算一體芯片未來(lái)的研究將圍 繞新型器件優(yōu)化、低功耗數(shù)?；旌想娐吩O(shè)計(jì)、高性能異構(gòu)芯片架構(gòu)、先進(jìn)集成與封裝、工具鏈開(kāi)發(fā)等。