环球UG网址:AI时代敦促存储器的创新与成长

宣城新闻网/2020-06-29/ 分类:宣城科技/阅读:

在物联网、大数据和人工智能 (AI) 的敦促下,从交通运输、医疗保健到零售和娱乐等浩瀚行业将走上转型之路,应用质料公司将其统称为 AI 计较时代

在以前的计较时代中,大型机/小型机、PC/处事器和智妙手机/平板电脑均受益于摩尔定律的进步,陪伴着 2D 微缩,产物的机能、功耗和面积/本钱(也称为“PPAC”)得以同步晋升。

固然 AI 时代的种种应用正在发达成长,但摩尔定律却放缓了脚步;因此,行业需要在 2D 微缩以外取得打破,以全新方法敦促 PPAC 的晋升。详细而言,我们需要新的计较架构、新质料、新布局(出格是节减面积的 3D 布局),以及用于芯片堆叠和异构设计的高级封装。

AI 时代的架构变革正在对逻辑和存储器发生影响。呆板进修的算法大量地利用通用逻辑中极为巨大的矩阵乘法运算,这敦促了加快器及其存储器的转变。AI 计较包括两种明明差异的存储器任务:第一种是存储计较的中间功效;第二种是存储与练习模子相关的权重。

机能和功耗对付云计较和边沿计较都十分重要,而存储器方面的创新可以或许为此提供助力。一种利用现有存储器技能的要领是“近存储器”,个中大量事情存储器被压缩并安排在物理上与逻辑存储器细密相邻的位置,通过高速接口毗连。譬喻,3D 堆叠和硅通孔技能正愈发受到接待。作为这些应用中的“事情存储器”,SRAM 和 DRAM 的一个主要缺点在于它们是易失性存储器,

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,需要一连供电来生存数据(如权重)。

为了低落云和边沿的功耗,设计人员正在评估兼具高机能和非易失性的新型存储器,因为它们只有在主动读写时才需要利用电源。有三种方案引领着新型存储器, 它们别离是磁性RAM (MRAM)、相变式 RAM (PCRAM) 和电阻式 RAM (ReRAM) 。

差异于利用电荷,上述三款存储器操作新质料发生差异的电阻率状态 ,而坎坷电阻依次暗示 1 和 0。MRAM 操作磁场偏向的变革来节制电阻率。PCRAM 操作了从非晶态到晶态的质料分列布局变革。ReRAM 在质料中缔造了一条电畅通路。PCRAM 和 ReRAM 均提供电阻率的中间阶段,这可在每个单位中存储多层的比特数据。

我们来相识一下 AI 时代的计较应用,相识它们如安在将来蓝图中敦促创新

图 1. AI 时代敦促半导体创新的再起之路

物联网边沿应用可被分别为低机能/低功耗应用,以及高机能/高功耗应用。

譬喻,回收 AI 算法的安全摄像头是一种低机能/低功耗应用,AI 算法很是适合面部和语音识别等应用。设计方针是尽大概多地处理惩罚边沿数据,而且仅将重要信息传输到云。由于采样频率较低,因此机能要求也很低。功耗(包罗待机功耗)至关重要,对付电池供电设备尤为如此。

今朝,业界在边沿设备中利用 SRAM 存储器。SRAM 并非抱负选择,因为每个存储单位需要多达六个晶体管,并且源泄漏功率会很高。在存储权重方面,SRAM 的能效并不突出,出格是在低频设计中利用时。作为替代方案,MRAM 可确保将晶体管密度提高数倍,从而实现更高的存储密度或更小的芯片尺寸。MRAM 的另一个要害特性在于,这种产物经专门设计,可以安装到嵌入式片上系统产物 (SOC) 的后端互连层中。MRAM 可用于存储 SOC 的操纵系统和应用措施,无需利用嵌入式闪存芯片便可实现这一目标,从而淘汰了系统芯片的总数和本钱。

高机能“近边沿”应用,如缺陷检测和医学筛检,则需要更高的机能。MRAM 的一种变型称作自旋轨道转矩 MRAM (SOT-MRAM),经证实,这种产物在速度和功耗方面大概优于自旋转移力矩 MRAM (STT-MRAM)。

云计较需要尽大概高的计较机能,而练习时则需要将大量数据转移到呆板进修加快器四周,相应地,需要为呆板进修加快器提供较大的片上 SRAM 缓存并辅以大型片外 DRAM 阵列——这就要求利用一连的电源。用电量对云创咋事提供商很是重要,因为 AI 时代的数据会呈指数级增长,而电网功率有限且本钱奋发。PCRAM 的功耗和本钱比 DRAM 更低,而机能则比固态硬盘和机器硬盘更高,因此成为云计较架构的首选方案。

除了上述“二进制”的边沿应用、近边沿应用和云应用方面具备辽阔前景外,在存储内计较的研究也在日益深入。可以想象,在存储器阵列中为呆板进修执行频繁的矩阵乘法运算。设计人员正在摸索伪交错点架构,个中权重存储在各个存储器节点上。PCRAM、ReRAM 甚至铁电场效应晶体管 (FeFET) 都是优秀的备选方案,因为它们都有每单位多层存储的潜力。今朝而言,ReRAM 看起来是最适合此类应用的存储器。可以操作欧姆定律和基尔霍夫定律在阵列内完成矩阵乘法运算,而无需向芯片内移入和移出权重。多层单位架构可以或许实现全新级此外存储器密度,为设计和利用更大的模子提供支持。需要对新质料举办全面的开拓和工程设计,才气将这些新的模仿存储器付诸现实,今朝应用质料公司正在努力摸索部门极具代表性的方案。

当摩尔定律的指数级成长速度逐渐减缓,AI 时代将迎来数据上的指数级增长。这种压力已经在敦促着架构、质料、3D 布局以及用于芯片堆叠和异构集成的先进封装不绝创新。存储器与 AI 计较引擎的干系越来越细密,最终,存储器大概成为 AI 计较引擎自己。跟着这些创新崭露头角,我们将见证机能、功耗和密度(面积/本钱)的显著晋升——跟着新型存储器的慢慢优化,边沿、近边沿和云应用的需求最终会获得满意。我们需要硬件上的全面再起来释放 AI 时代的全部潜力。

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