【導讀】業(yè)界開始重新審視十年前開發(fā)的處理器架構,看好速度較GPU更快1萬倍的所謂「內存式運算」(In-Memory Computing;IMC),將有助于新一代AI加速器發(fā)展。
新創(chuàng)公司、企業(yè)巨擘和學術界開始重新審視十年前開發(fā)的處理器架構,看好它或許剛好就是機器學習(machine learning)的理想選擇。他們認為,「內存式運算」(In-Memory Computing;IMC)架構可望推動新型的人工智能(AI)加速器進展,使其速度較現(xiàn)行的GPU更快1萬倍。
這些處理器承諾可在CMOS微縮速度放緩之際擴展芯片性能,而要求密集乘法累積數(shù)組的深度學習算法也正逐漸獲得動能。這些芯片雖然距離商用化上市還有一年多的時間,但也可能成為推動新興非揮發(fā)性內存成長的引擎。
例如,新創(chuàng)公司Mythic瞄準在閃存(flash)數(shù)組內部進行神經網絡運算任務,致力于從模擬領域降低功耗。該公司的目標是在2019年底量產芯片,成為率先推出這一類新芯片的公司之一。
美國圣母大學(Notre Dame)電子工程系系主任Suman Datta說:「在我們學術界大多數(shù)的人認為,新興內存將成為實現(xiàn)內存處理器(processor-in-memory;PIM)的技術之一。采用新的非揮發(fā)性內存將意味著創(chuàng)造新的使用模式,而內存式運算架構將是關鍵之一?!?/div>
Datta指出,在1990年代,有幾位學者試圖打造這樣的處理器。諸如EXECUBE、IRAM和FlexRAM之類的設計都「失敗了,而今,隨著相變內存(PCM)、電阻式RAM (RRAM)和STT MRAM等新興內存出現(xiàn),以及業(yè)界對于機器學習硬件加速器的興趣濃厚,開始振興這個領域的研究。不過,據我所知,大部份的展示都還是在組件或組件數(shù)組層級進行,而不是一個完整的加速器。」
其中一家競爭對手來自IBM于2016年首次披露的「電阻處理器」(Resistive Processing Unit;RPU)。這是一款4,096 x 4,096交叉數(shù)組的模擬組件。
IBM研究員Vijay Narayanan認為,「其挑戰(zhàn)在于找出正確的模擬內存元素是什么——我們正在評估相變、RRAM和鐵電?!筕ijay Narayanan同時也是一位材料科學家,他主要的研究領域是在高K金屬閘極。
在2015年,美國史丹佛大學(Stanford University)也曾經發(fā)布在這一領域的研究。中國和韓國的研究人員也在追求這一理念。
為了實現(xiàn)成功,研究人員需要找到兼容于CMOS晶圓廠的內存組件所需材料。此外,Narayanan說,「真正的挑戰(zhàn)」就在于必須在施加電壓時展現(xiàn)對稱的電導或電阻。
IBM Research的材料科學家Vijay Narayanan表示,大多數(shù)用于AI的內存處理器仍處于研究階段,距離可上市的時間約三至五年 (來源:IBM)
關于未來電晶體的幾點思考
IBM至今已經制造出一些離散式組件和數(shù)組,但并不是一款具有4Kx4K數(shù)組的完整測試芯片,也尚未采用目前所認為的理想材料。Narayanan表示,IBM的Geoff Burr在500 x 661數(shù)組上采用相變材料進行深度神經網絡(DNN)訓練,而其結果顯示「合理的精確度和加速度」。
「我們正穩(wěn)步前進,但了解還必須改善現(xiàn)有的材料,而且也在評估新材料?!?/div>
IBM希望使用模擬組件,以便能夠定義多個電導狀態(tài),從而較數(shù)字組件更有助于為低功耗操作開啟大門。該公司還看好大型數(shù)組可望成為平行執(zhí)行多項AI操作的大好機會。
Narayanan樂觀地認為,IBM可以利用其于高k金屬閘極方面累積的多年經驗,找到調整AI加速器電阻的材料。他花了十幾年的時間,才將IBM在該領域的專業(yè)知識從研究轉向商業(yè)產品,并與格芯(Globalfoundries)和三星(Samsung)等業(yè)界伙伴合作。
展望未來,IBM將致力于開發(fā)閘極全環(huán)(GAA)晶體管,將奈米片用于7nm節(jié)點以外的應用。他認為這一類的設計并不存在根本的障礙,而只是實施的問題。
除了奈米片之外,研究人員正在探索負電容場效晶體管(FET),這些FET可在電壓變化很小的情況下提供較大的電流變化。從研究人員發(fā)現(xiàn)這種摻雜氧化鉿是鐵電材料,而且可能兼容于CMOS后,過去這五年來,這種想法越來越受到關注。
但Narayanan也說,「目前還有很多反對者以及同時支持二者的人?!?/div>
「我們的研究顯示,負電容是一種短暫的效應,」Notre Dame的Datta說,「因此,當極化開關切換時,通道電荷得以暫時啟動,而一旦瞬時穩(wěn)定后就不會再取得任何結果?!?/div>
美國加州大學柏克萊分校(UC Berkeley)的研究人員則「相信這是一種重要的『新狀態(tài)』。因此,故事仍在繼續(xù)發(fā)展中,可以說大部份的公司都在內部進行評估中?!?/div>
本文轉載自電子技術設計。
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