作者：丰宁
在以后数字化高速进展的时期，数据处置和存储的需要日趋增进，传统的计较与存储分手的模式已逐步难以餍足高效、低能耗的需要。
是以，业界火急需求一种新型的解决计划来应答这一挑衅。存算一体就是当下最热点的计划之一。
01、存算一体架构的上风
存算一体手艺有助于解决传统冯·诺依曼架构下的“存储墙”和“功耗墙”题目。冯·诺依曼架构请求数据在单位和处置单位之间不断地“读写”，如许数据在二者之间往返传输就会损耗不少的传输功耗。
依据英特尔的研讨注解，当工艺达到 7nm 时，数据搬运功耗高达 35pJ/bit，占总功耗的63.7%。造成的功耗丧失愈来愈紧张，限定了进展的速率和服从，形成为了“功耗墙”题目。
“存储墙”是指因为存储器的功能跟不上 的功能，致使 CPU 需求破费少量的时候等候存储器实现读写操纵，从而降低了体系的团体功能。“存储墙”成为了数据计较使用的一大阻碍。特别是，深度进修加快的最大挑衅便是数据在计较单位和存储单位之间频仍的挪移。
存算一体的上风就是突破存储墙，排除不必要的数据搬移耽误和功耗，并应用存储单位晋升，成百上千倍的进步计较服从，下降本钱。
存算一体属于非冯·诺伊曼架构，在特定畛域能够供应更（1000TOPS以上）和更高能效（跨越10-100TOPS/W），显然逾越现有ASIC。除了用于计较外，存算手艺也可用于感存算一体芯片和类脑芯片，代表了将来支流的大数据计较芯片架构。
02、存算一体手艺分类
今朝，存算一体的手艺门路还没有构成对立的分类，今朝支流的划分要领是按照计较单位与存储单位的间隔，将其大致分为近存计较（PNM）、存内处理（PIM）、存内计较（CIM）。
近存计较是一种较为成熟的手艺门路。它应用进步前辈的手艺，将计较逻辑芯片和存储器封装到一路，经由过程缩小内存和处置单位之间的门路，完成高I/O密度，进而完成高内存带宽以及较低的造访开支。近存计较首要经由过程2.5D、3D重叠等手艺来完成，普遍应用于各类CPU和GPU上。
存内处理则首要侧重于将计算进程尽量地嵌入到存储器外部。这类完成体式格局旨在缩小造访存储器的频次，由于大部分计较已经在存储器外部实现。这类设想有助于排除冯·诺依曼瓶颈带来的题目，进步数据处置速率和服从。
存内计较同样是将计较和存储合二为一的手艺。它有两种首要思绪。第一种思绪是经由过程刷新，让存储器自身就拥有计较才能。这平日需要对或许MRAM等存储器举行篡改，以在数据读出的decoder等处所完成计较性能。这类要领的能效比平日较高，但计较精度大概受限。另一种思绪是在存储器外部集成额定的计较单位，以支撑高精度计较。这类思绪首要针对DRAM等主处理器造访开支大的存储器，但DRAM工艺对计较逻辑电路不太友爱，是以集成计较单位的挑衅较大。
存内计较也便是海内大部分始创公司所说的存算一体。
值得注重的是，分歧的公司在这一畛域的研发与实践中，各自抉择了分歧的赛道举行押注。有的公司侧重于优化存储与计较之间的协同服从，力图在大数据处理上完成质的飞跃；而另一些公司则更注意架构的灵活性和扩展性，以顺应不息变迁的市场需要。
另外，存算一体依靠的存储介质也显现多样化，比如以SRAM、DRAM为代表的易失性存储器、以Flash为代表的非易失性存储器等。综合来看，分歧存储介质各有各的好处和短板。
03、各大厂商，各有押注
从存算一体进展进程来看，自2017年起，英伟达、微软、三星等大厂提出了存算一体原型，同年国内存算一体芯片企业开端出现。大厂们对存算一体架构的需求是有用且落地快，而作为最接近工程落地的手艺，近存计较成为大厂们的首选。诸如、三星等领有厚实生态的大厂以及英特尔、IBM等传统芯片大厂都在结构近存计较。
国际首要厂商研讨发展
在存算一体的研讨门路上，三星抉择多个手艺门路举行测验考试，2021岁首年月，三星宣布基于HBM的新型内存，内里集成为了AI处理器，该处理器能够完成高达1.2TFLOPS的计较才能，新型HBM-PIM芯片将AI引擎引入每一个存储库，从而将处置操纵转移到HBM，能够加重在内存和处理器之间搬运数据的担负。
三星暗示新型HBM-PIM芯片，能够供应2倍的体系功能，同时能耗降低了70%以上。2022年1月三星电子又带来新研讨结果，该公司在顶级学术期刊Nature上揭晓了环球首个基于MRAM（磁性）的存内计较研讨。
据介绍，三星电子的研讨团队经由过程构建新的MRAM阵列布局，用基于28nm 工艺的MRAM阵列芯片运行了手写数字辨认和人脸检测等AI算法，准确率分别为98%和93%。SK海力士2022年2月也发布开辟出下一代智能手艺PIM，SK海力士还开辟出了公司首款基于PIM手艺的产物- G6-AiM的样本。GDDR6-AiM是将计较性能添加到数据传输速率为1bps的GDDR6内存的产物。
与传统DRAM相比，将GDDR6-AiM 与 CPU、GPU 相结合的体系可在特定计较环境中将演算速率进步至最高16倍。GDDR6-AiM有望在机械进修、高性能计较、大数据计较和存储等畛域有普遍使用。
随后在2022年10月，SK海力士再次发布推出基于CXL的存算一体计较存储器解决计划CMS（Computational Memory Solution）。
也在举行存内计较的研讨，该公司的研讨职员在2021岁首年月的国际固态电路集会（ISSCC 2021）上提出了一种基于数字改进的SRAM设想存内计较计划，能支撑更大的神经网络。
2024年1月，台积电联袂工研院发布胜利研发出自旋轨道磁性存储器（SOT-MRAM）阵列芯片，标志着鄙人一代 MRAM 存储器手艺畛域的庞大打破。这一立异产物不但采用了进步前辈的运算架构，并且其功耗仅为同类手艺 STT-MRAM 的 1%。工研院与台积电的分工使得 SOT-MRAM 在事情速率方面达到 10ns，进一步提高了存内运算功能。
英特尔也是 MRAM 手艺的首要推动者，该公司接纳的是基于 手艺的 22 nm 制程。2018 年末，英特尔初次地下先容了其 MRAM 的研讨结果，推出了一款基于 22nm FinFET 制程的 STT-MRAM，其时，该公司称，这是首款基于 FinFET 的 MRAM 产物，并暗示曾经具有该手艺产物的量产才能。
海内首要厂商研讨发展
海内始创企业则聚焦于无需思量手艺的存内计较。此中，知存科技、亿铸科技、九天睿芯等始创公司都在押注PIM、CIM等“存”与“算”更亲热的存算一体手艺门路。亿铸科技、千芯科技等专一于计较、等AI大算力场景；闪易、新忆科技、苹芯科技、知存科技等则专一于、可穿着设置装备摆设、等边缘小算力场景。
那末今朝各家企业的研讨和量产情形发展若何呢？各家的手艺门路有何差别？存算一体手艺将来的团体趋向若何？
云和边缘大算力企业亿铸科技
亿铸科技成立于2020年6月，致力于用存算一体架构设想AI大算力芯片初次将和存算一体架构相结合经由过程全数字化的芯片设想思绪以后家当款式的基础上供应一条更具性价比、更高能效比、更大进展空间的AI大算力芯片进展门路。2023年，亿铸科技领先提出“存算一体超异构架构”这一全新手艺进展门路，为中国芯片的进一步进展削减新动能今朝，亿铸科技点亮了基于忆阻器ReRAM的高精度、存算一体AI大算力POC芯片，基于传统工艺制程，能效比表现经第三方机构考证超越传统架构均匀功能的10倍以上。
千芯科技
千芯科技成立于 2019专一于面向迷信计较畛域的大算力存算一体算力芯片计较解决计划研发，在2019年领先提出可重构存算一体手艺产物架构计较吞吐量方面相比传统AI芯片可以或许晋升10-40今朝千芯科技可重构存算一体芯片（原型）已在主动驾驶感知图象分类、车牌辨认畛域试用或落地；其大算力存算一体芯片产物原型也已在海内领先经由过程互联网大厂内测。
后摩智能
后摩智能成立于2020年，2023年5月后摩智能正式推出存算一体智驾芯片后摩鸿途H30，物理算力达到256TOPS典范功耗达到35W依据后摩实验室及MLPerf地下测试效果，在ResNet50功能功耗对比上采用12nm制程的H30相比同类芯片功能晋升超2倍，功耗缩小超50%。据后摩智能联结创始人兼研发副总裁先容，鸿途H30 以存算一体立异架构完成了六大手艺打破，即大算力、全精度、低功耗、车规级、可量产、通用性。鸿途H30 基于 SRAM 存储介质接纳数字存算一体架构领有极低的访存功耗和超高计较密度，在 Int8 数据精度条件下，其 AI焦点IPU 能效比高达 15Tops/W，是传统架构芯片的7 倍以上。同时，后摩智能第二代产物鸿途H50已经在尽力研发中，预计将于2024年推出支撑客户2025年的量产车型。
端和边缘小算力企业知存科技
知存科技计划从新设想存储器应用Flash存储单位的物理特点，对存储阵列革新从新设想核心电路使其可以或许包容更多的数据，同时将算子也存储到存储器傍边，使得每一个单位都能举行模仿运算并且能间接输入运算效果，以达到存算一体目标。知存科技的存算一体芯片已进入多个穿着设置装备摆设产物，年销量预计达百万。
2020年知存科技推出了存算一体加速器WTM1001，2022年知存科技推出环球首颗大规模量产计较芯片WTM2101，该芯片已被多家国际无名企业用于智能语音、AI康健监测等场景，相比传统芯片，该芯片在算力和功耗上风显著，赋能行业用户完成端侧AI才能晋升使用推行今朝，知存科技自立研发的边缘侧算力芯片WTM-8系列马上量产，该系列芯片可以或许供应至多24Tops算力，而功耗仅为市场同类计划的5%，将助力挪移设置装备摆设完成更高功能的和空间计较。2025 年前后知存科技将推出 WTM-C 系列产物能够用于边缘跟着集成范围、工艺等方面手艺推动将来几年计较产物预计均匀每一年都有 5~10晋升。
九天睿芯
九天专一于神经拟态感存算一体芯片研发供应野生智能体系高效低耗运转的最新解决计划普遍应用于等对低功耗延时需要猛烈畛域，为用户供应面向声音端和视觉端的AI芯片。九天睿芯基于多年在环球当先的视觉畛域感存算一体研讨进修实际积存，并和来自天下顶级公司的研发合作和计谋投资设想出可广泛应用于视觉畛域的超高能效比（20Tops/W）基于SRAM的感存算一体架构芯片ADA20X。
04、存算一体手艺已至大范围使用前夕
据QYResearch调研团队最新呈报环球存算一体手艺市场呈报2023-2029表现，预计2029年环球存算一体手艺市场范围将达到306.3亿美圆将来几年年复合增长率CAGR为154.7%。这一高增长率暗地里，是存算一体手艺在数据处置野生智能、物联网等多个畛域普遍使用和深度融会跟着大数据计较野生智能手艺倏地进展，存算一体手艺作为完成高效数据存储计较关头手艺，其重要性日趋凸显面临云云伟大的市场空间进展机缘咱们需求苏醒地认识到存算一体手艺面对的挑战和艰苦比方，存算一体手艺是一门异常庞杂的综合性立异家当还算不上成熟，在方面依旧存在下游支持缺乏下流应用不立室的诸多挑衅，但诸多挑衅同时组成以后存算一体立异将来可构筑的综合性壁垒将来跟着手艺不息前进使用不息拓展，存算一体手艺将在更多畛域发扬首要感化环球经济进展注入能源。同时，这也将对相干产业链发生深远影响推进全部科技家当的创新和进级。
