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IT之家 12 月 3 日消息，據(jù)阿里云官方發(fā)布，阿里達(dá)摩院成功研發(fā)存算一體芯片。這是全球首款基于 DRAM 的 3D 鍵合堆疊存算一體芯片。它可突破馮?諾依曼架構(gòu)的性能瓶頸，滿足人工智能等場景對高帶寬、高容量內(nèi)存和極致算力的需求。在特定 AI 場景中，該芯片性能提升 10 倍以上，效能比提升高達(dá) 300 倍。

為什么要研發(fā)存算一體芯片？

隨著人工智能應(yīng)用場景的爆發(fā)，現(xiàn)有的計算機系統(tǒng)架構(gòu)的短板逐漸顯露，例如功耗墻、性能墻、內(nèi)存墻等問題。

其主要癥結(jié)在于：

一是數(shù)據(jù)搬運帶來了巨大的能量消耗。在傳統(tǒng)架構(gòu)下，數(shù)據(jù)從內(nèi)存單元傳輸?shù)接嬎銌卧枰墓氖怯嬎惚旧淼募s 200 倍，因此真正用于計算的能耗和時間占比很低。

二是內(nèi)存的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于處理器的發(fā)展。目前，處理器的算力以每兩年 3.1 倍的速度增長，而內(nèi)存的性能每兩年只有 1.4 倍的提升。后者的性能極大地影響了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，這也被認(rèn)為是傳統(tǒng)計算機的阿克琉斯之踵。

存算一體芯片是目前解決以上問題的最佳途徑 —— 它類似于人腦，將數(shù)據(jù)存儲單元和計算單元融合為一體，大幅減少數(shù)據(jù)搬運，從而極大提高計算并行度和能效。

這一技術(shù)早在 90 年代就被提出，但受限于技術(shù)的復(fù)雜度、高昂的設(shè)計成本以及應(yīng)用場景的匱乏，過去幾十年業(yè)界對存算一體芯片的研究進展緩慢。如今，達(dá)摩院希望通過自研創(chuàng)新技術(shù)解決算力瓶頸這一業(yè)界難題。

此外，存算一體芯片在終端、邊緣端以及云端都有廣闊的應(yīng)用前景。例如 VR/AR、無人駕駛、天文數(shù)據(jù)計算、遙感影像數(shù)據(jù)分析等場景中，存算一體芯片都可以發(fā)揮高帶寬、低功耗的優(yōu)勢。

從長遠(yuǎn)來看，存算一體技術(shù)還將成為類腦計算的關(guān)鍵技術(shù)。

實現(xiàn)存算一體的三種路線

實現(xiàn)存算一體有三種技術(shù)路線：

• 近存儲計算（Processing Near Memory）：計算操作由位于存儲芯片外部的獨立計算芯片完成。

• 內(nèi)存儲計算（Processing In Memory）：計算操作由位于存儲芯片內(nèi)部的獨立計算單元完成，存儲單元和計算單元相互獨立存在。

• 內(nèi)存執(zhí)行計算（Processing With Memory）：存儲芯片內(nèi)部的存儲單元完成計算操作，存儲單元和計算單元完全融合，沒有一個獨立的計算單元。

其中，近存計算通過將計算資源和存儲資源距離拉近，實現(xiàn)對能效和性能的大幅度提升，被認(rèn)為是現(xiàn)階段解決內(nèi)存墻問題的最佳途徑。達(dá)摩院本次也是沿著這一方向進行突破。

混合鍵合 3D 堆疊技術(shù)

為了拉近計算資源和存儲資源的距離，達(dá)摩院計算技術(shù)實驗室創(chuàng)新性采用混合鍵合 (Hybrid Bonding) 的 3D 堆疊技術(shù)進行芯片封裝 —— 將計算芯片和存儲芯片 face-to-face 地用特定金屬材質(zhì)和工藝進行互聯(lián)。

比起業(yè)內(nèi)常見的封裝方案 HBM，混合鍵合 3D 堆疊技術(shù)擁有高帶寬、低成本等特點，被認(rèn)為是低功耗近存計算的完美載體之一。

此外，內(nèi)存單元采用異質(zhì)集成嵌入式 DRAM ，擁有超大內(nèi)存容量和超大帶寬優(yōu)勢。

IT之家獲悉，在計算芯片方面，達(dá)摩院研發(fā)設(shè)計了流式的定制化加速器架構(gòu)，對推薦系統(tǒng)進行“端到端”加速，包括匹配、粗排序、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算、細(xì)排序等任務(wù)。

這種近存架構(gòu)有效解決了帶寬受限的問題，最終內(nèi)存、算法以及計算模塊的完美融合，大幅提升帶寬的同時還實現(xiàn)了超低功耗，展示了近存計算在數(shù)據(jù)中心場景的潛力。

達(dá)摩院表示，最終的測試芯片顯示，這種存算技術(shù)和架構(gòu)的優(yōu)勢明顯：

能通過拉近存儲單元與計算單元的距離增加帶寬，降低數(shù)據(jù)搬運的代價，緩解由于數(shù)據(jù)搬運產(chǎn)生的瓶頸，而且與數(shù)據(jù)中心的推薦系統(tǒng)對于帶寬/內(nèi)存的需求完美匹配。

該芯片的研究成果已被芯片領(lǐng)域頂級會議 ISSCC 2022 收錄。未來，達(dá)摩院希望能進一步攻克存內(nèi)計算技術(shù)，并逐步優(yōu)化典型應(yīng)用、生態(tài)系統(tǒng)等方面。