近期，集成電路領(lǐng)域的“后摩爾時代”技術(shù)引發(fā)了廣泛關(guān)注。“存算一體”作為“后摩爾時代”的一大發(fā)展方向，有望解決當(dāng)前集成電路系統(tǒng)中所面臨的“存儲墻”和“功耗墻”問題，具有重要的戰(zhàn)略價值。

所謂“存算一體”，是指將傳統(tǒng)以計算為中心的架構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橐詳?shù)據(jù)為中心的架構(gòu)，直接利用存儲器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而把數(shù)據(jù)存儲與計算融合在同一芯片中，極大提高計算并行度與能量效率，特別適用于深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，如可穿戴設(shè)備、移動設(shè)備、智能家居等場景。

“存算一體”的關(guān)鍵在于突破了傳統(tǒng)的馮·諾依曼計算架構(gòu)下，數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)處理相互分離，存儲器與處理器之間通過數(shù)據(jù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎凸钠款i。速率方面，數(shù)據(jù)總線的有限帶寬嚴(yán)重制約處理器的性能與效率，AI運(yùn)算需要1PB/s的運(yùn)算速率，而作為緩存的SRAM速度僅有100TB/s，主存DRAM的速度更是僅有1TB/s，每一級存儲之間都形成了一道“存儲墻”，制約著系統(tǒng)整體的運(yùn)算速率。功耗方面，數(shù)據(jù)在存儲器與處理器之間的頻繁遷移帶來嚴(yán)重的傳輸功耗問題。在摩爾定律時代，這一功耗尚可隨著晶體管尺寸的減小等比例地縮小，稱為“登納德微縮”。然而，當(dāng)“后摩爾時代”芯片的特征尺寸進(jìn)入7nm以后時，量子效應(yīng)所導(dǎo)致的漏電使得單位功耗密度快速上升，由于數(shù)據(jù)傳輸所導(dǎo)致的靜態(tài)功耗越來越成為芯片發(fā)展的制約，形成“功耗墻”。芯片的設(shè)計無法再依靠尺寸微縮取得更好的性能和能效，“存算一體”架構(gòu)開始顯現(xiàn)出其獨(dú)特優(yōu)勢。

存算一體概念的提出最早可以追溯到上個世紀(jì)七十年代，斯坦福研究所的Kautz等人于1969年提出了存算一體的概念，期望直接利用內(nèi)存做一些簡單的計算功能，減小數(shù)據(jù)在處理器與存儲器之間的搬移。2010年以來，隨著數(shù)據(jù)量不斷增大以及3D內(nèi)存等技術(shù)的出現(xiàn)，存算一體的概念重新得到人們的廣泛關(guān)注，并開始應(yīng)用于商業(yè)級DRAM主存當(dāng)中。尤其從2015年開始，隨著云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等大數(shù)據(jù)應(yīng)用的興起，存算一體得到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的廣泛研究與應(yīng)用。在2017年微處理器年會(Micro 2017)上，包括英偉達(dá)、英特爾、微軟、三星與加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校等都推出了他們的存算一體系統(tǒng)原型。

存算一體的性能功耗優(yōu)勢已經(jīng)被初步證明。三星公司在2021年2月22日舉行的國際固態(tài)電路會議（ISSCC）上首次發(fā)表了基于高帶寬內(nèi)存（HBM）技術(shù)的 HBM-PIM處理器。三星公司指出，當(dāng)他們用現(xiàn)有的HBM2 Aquabolt系統(tǒng)測試新技術(shù)時，系統(tǒng)性能提高了一倍、能源消耗降低了70%。

在此變革初現(xiàn)的背景下，為支持我國集成電路產(chǎn)業(yè)在“后摩爾時代”的高質(zhì)量發(fā)展，中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院將于2021年10月28-29日在廣東珠海舉辦2021第十六屆‘中國芯’集成電路產(chǎn)業(yè)促進(jìn)大會。大會將延續(xù)既往十五年“以用立業(yè) 以用興業(yè)”的活動宗旨，以“鏈上中國芯 成就中國造”為主題舉辦，同期還有“中國芯”優(yōu)秀產(chǎn)品征集結(jié)果公布儀式、專題高峰論壇、城市集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展展示等活動。期待您的到來！