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存儲器式運算將有助于新一代AI加速器發展

dKBf_eetop_1 ? 來源:未知 ? 作者:李倩 ? 2018-05-04 16:06 ? 次閱讀

業界開始重新審視十年前開發的處理器架構,看好速度較GPU快1萬倍的所謂「存儲器式運算」(In-Memory Computing;IMC),將有助于新一代AI加速器發展。

新創公司、企業巨擘和學術界開始重新審視十年前開發的處理器架構,看好它或許剛好就是機器學習(machine learning)的理想選擇。他們認為,「存儲器式運算」(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陣列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性存儲器成長的引擎。

例如,新創公司Mythic瞄準在快閃存儲器(flash)陣列內部進行神經網路運算任務,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的人認為,新興存儲器將成為實現存儲器處理器(processor-in-memory;PIM)的技術之一。采用新的非揮發性存儲器將意味著創造新的使用模式,而存儲器式運算架構將是關鍵之一。」

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,隨著相變存儲器(PCM)、電阻式RAM (RRAM)和STT MRAM等新興存儲器出現,以及業界對于機器學習硬體加速器的興趣濃厚,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元件或元件陣列層級進行,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交叉陣列的模擬元件。

IBM研究員Vijay Narayanan認為,「其挑戰在于找出正確的模擬存儲器元素是什么——我們正在評估相變、RRAM和鐵電。」Vijay 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。

為了實現成功,研究人員需要找到相容于CMOS晶圓廠的存儲器元件所需材料。此外,Narayanan說,「真正的挑戰」就在于必須在施加電壓時展現對稱的電導或電阻。

IBM Research的材料科學家Vijay Narayanan表示,大多數用于AI的存儲器處理器仍處于研究階段,距離可上市的時間約三至五年

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元件和陣列,但并不是一款具有4Kx4K陣列的完整測試芯片,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陣列上采用相變材料進行深度神經網路(DNN)訓練,而其結果顯示「合理的精確度和加速度」。

「我們正穩步前進,但了解還必須改善現有的材料,而且也在評估新材料。」

IBM希望使用模擬元件,以便能夠定義多個電導狀態,從而較數位元件更有助于為低功耗操作開啟大門。該公司還看好大型陣列可望成為平行執行多項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在該領域的專業知識從研究轉向商業產品,并與格芯(Globalfoundries)和三星(Samsung)等業界伙伴合作。

展望未來,IBM將致力于開發閘極全環(GAA)電晶體,將納米片用于7nm節點以外的應用。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。

除了納米片之外,研究人員正在探索負電容場效電晶體(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。從研究人員發現這種摻雜氧化鉿是鐵電材料,而且可能相容于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。」

「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,而一旦暫態穩定后就不會再取得任何結果。」

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』。因此,故事仍在繼續發展中,可以說大部份的公司都在內部進行評估中。 」

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原文標題:人工智能重振存儲器式運算架構

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