電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李彎彎）AI時(shí)代，馮諾依曼架構(gòu)下計(jì)算單元與存儲(chǔ)單元分離帶來(lái)的存儲(chǔ)墻問(wèn)題愈發(fā)明顯，而存算一體被認(rèn)為是解決存儲(chǔ)墻問(wèn)題的有效方式。

如今國(guó)內(nèi)外眾多企業(yè)都已經(jīng)開(kāi)展存算一體技術(shù)的研發(fā)，包括英特爾、SK海力士、IBM、美光、三星、臺(tái)積電、阿里等傳統(tǒng)芯片大廠，以及眾多新興AI和存儲(chǔ)企業(yè)，比如知存科技、后摩智能、蘋芯科技、億鑄科技、智芯科、千芯科技、九天睿芯、閃易半導(dǎo)體、恒爍半導(dǎo)體等。

那么目前各家企業(yè)的研究和量產(chǎn)情況進(jìn)展如何呢？各家的技術(shù)路線有何差異？存算一體技術(shù)未來(lái)的整體趨勢(shì)如何？

傳統(tǒng)芯片大廠積極研發(fā)，展示最新進(jìn)展

目前，三星電子、SK海力士、臺(tái)積電、美光、IBM、英特爾等都在進(jìn)行存算一體技術(shù)的研究，其中有明顯進(jìn)展是三星電子、SK海力士。

三星電子在多個(gè)技術(shù)路線進(jìn)行嘗試，2021年初，三星發(fā)布基于HBM的新型內(nèi)存，里面集成了AI處理器，該處理器可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)1.2TFLOPS的計(jì)算能力，新型HBM-PIM（存內(nèi)計(jì)算）芯片將AI引擎引入每個(gè)存儲(chǔ)庫(kù)，從而將處理操作轉(zhuǎn)移到HBM，可以減輕在內(nèi)存和處理器之間搬運(yùn)數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)。三星表示新型HBM-PIM芯片，可以提供2倍的系統(tǒng)性能，同時(shí)能耗降低了70%以上。

今年1月三星電子又帶來(lái)新研究成果，該公司在頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Nature上發(fā)表了全球首個(gè)基于MRAM（磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器）的存內(nèi)計(jì)算研究。據(jù)介紹，三星電子的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)構(gòu)建新的MRAM陣列結(jié)構(gòu)，用基于28nm CMOS工藝的MRAM陣列芯片運(yùn)行了手寫數(shù)字識(shí)別和人臉檢測(cè)等AI算法，準(zhǔn)確率分別為98%和93%。

SK海力士今年2月也公布了基于GDDR接口的DRAM存內(nèi)計(jì)算的最新研究成果，并展示了其首款基于存內(nèi)計(jì)算技術(shù)產(chǎn)品GDDR6-AiM的樣本。

GDDR6-AiM是將計(jì)算功能添加到數(shù)據(jù)傳輸速度為16Gbps的GDDR6內(nèi)存產(chǎn)品中，與傳統(tǒng)DRAM相比，將GDDR6-AiM與CPU、GPU相結(jié)合的系統(tǒng)可在特定計(jì)算環(huán)境中將計(jì)算速度提高16倍。此外，由于存內(nèi)計(jì)算在運(yùn)算中減少了內(nèi)存與CPU、GPU間的數(shù)據(jù)傳輸往來(lái)，大大降低了功耗，GDDR6-AiM可使功耗降低80%。

臺(tái)積電也在進(jìn)行存內(nèi)計(jì)算的研究，該公司的研究人員在2021年初的國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議（ISSCC 2021）上提出了一種基于數(shù)字改良的SRAM設(shè)計(jì)存內(nèi)計(jì)算方案，能支持更大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

此外美光也曾通過(guò)收購(gòu)人工智能技術(shù)初創(chuàng)公司Fwdnxt，嘗試開(kāi)發(fā)將內(nèi)存和計(jì)算緊密結(jié)合的創(chuàng)新方案，IBM前幾年也在相變存儲(chǔ)（PCRAM）里實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算功能，英特爾也早早提出了近內(nèi)存計(jì)算戰(zhàn)略，將數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)層級(jí)向上移動(dòng)，使其更接近處理單元進(jìn)行計(jì)算。

國(guó)內(nèi)新興企業(yè)陸續(xù)融資，不少企業(yè)進(jìn)展明顯

在存算一體技術(shù)推進(jìn)研發(fā)、量產(chǎn)落地方面，國(guó)內(nèi)新興AI和存儲(chǔ)企業(yè)進(jìn)展明顯，包括知存科技、后摩智能、蘋芯科技、億鑄科技、智芯科、千芯科技、九天睿芯、閃易半導(dǎo)體、恒爍半導(dǎo)體等，其中知存科技、智芯科、九天睿芯、閃易半導(dǎo)體已經(jīng)有產(chǎn)品量產(chǎn)。

知存科技

知存科技成立于2017年，目前已推出多款存內(nèi)計(jì)算芯片，該公司2021年發(fā)布的WTM2101芯片，已經(jīng)完成批量生產(chǎn)，該芯片采用Flash工藝，處理AI運(yùn)算時(shí)工作功耗最低50uA，峰值算力下功耗低至5mA，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)可達(dá)1.8MB，AI峰值算力達(dá)50Gops，適合可穿戴設(shè)備中的智能語(yǔ)音和智能健康服務(wù)。知存科技于2022年1月完成2億元B1輪融資。

后摩智能

后摩智能成立于2020年底，專注于存算一體技術(shù)的大算力AI芯片研發(fā)，提供大算力、低功耗的高能效比芯片及解決方案，應(yīng)用于智能駕駛、泛機(jī)器人等邊緣端，及云端推理場(chǎng)景。該公司第一代芯片是基于SRAM的智能計(jì)算芯片，第二代芯片是基于RRAM等先進(jìn)存儲(chǔ)工藝的芯片，后摩智能于2021年8月宣布完成首款芯片驗(yàn)證流片，于2022年4月完成數(shù)億元人民幣Pre-A+輪融資。

蘋芯科技

蘋芯科技成立于2021年2月，是一家基于存算一體技術(shù)打造面向AI加速器芯片的公司。目前已開(kāi)發(fā)多款基于SRAM的存內(nèi)計(jì)算芯片，其首款可商用的存內(nèi)計(jì)算加速單元S200目前正與客戶做技術(shù)驗(yàn)證，蘋芯科技的存內(nèi)計(jì)算產(chǎn)品主要用于可穿戴設(shè)備、無(wú)人機(jī)攝像頭、安防領(lǐng)域、機(jī)器人領(lǐng)域、智能家居等場(chǎng)景。2021年8月，蘋芯科技完成近千萬(wàn)美元Pre-A輪融資。

億鑄科技

億鑄科技成立于2021年9月，主要基于ReRAM路線來(lái)實(shí)現(xiàn)大算力的存算一體芯片，億鑄科技主要為數(shù)據(jù)中心和自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域打造能效比十倍于現(xiàn)有技術(shù)的解決方案，研發(fā)能力覆蓋從存算一體底層器件，芯片設(shè)計(jì)到AI軟件棧。目前億鑄科技已完成過(guò)億元天使輪融資。

另外在ReRAM架構(gòu)的全數(shù)字存算一體AI計(jì)算芯片領(lǐng)域，億鑄科技將會(huì)與昕原半導(dǎo)體聯(lián)手、緊密調(diào)試。昕原半導(dǎo)體基于Metal Wire工藝，在ReRAM器件的設(shè)計(jì)和制造工藝已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全國(guó)產(chǎn)化，并已完成業(yè)界首款28nm制程ReRAM芯片流片，建成中國(guó)大陸首條中試線，擁有垂直一體化存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)加制造的能力。

智芯科

智芯科（AistarTek）成立于2019年，主要致力于大算力低功耗的邊緣計(jì)算芯片設(shè)計(jì)，產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域包括手機(jī)、自動(dòng)駕駛、安防、無(wú)人機(jī)、機(jī)器人、AR/VR等。該公司此前表示，第一代AT680X針對(duì)超低功耗智能語(yǔ)音AIOT市場(chǎng)的量產(chǎn)版產(chǎn)品將在2021年9月份推向市場(chǎng)。2021年7月，智芯科宣布完成近億元的天使輪融資。

千芯科技

千芯科技（TensorChip）成立于2019年，在國(guó)內(nèi)最早提出可重構(gòu)存算一體AI芯片架構(gòu)。公司的核心產(chǎn)品包括高算力低功耗的存算一體AI芯片/IP核，準(zhǔn)備量產(chǎn)和投片的可重構(gòu)存算AI芯片采用的是SRAM。目前已完成由前海融華匯金和新世界投資的數(shù)千萬(wàn)元融資。

千芯科技主要推進(jìn)面向云端推理和邊緣計(jì)算的AI芯片研發(fā)，產(chǎn)品可應(yīng)用于云計(jì)算、自動(dòng)駕駛、智能安防等領(lǐng)域，在云計(jì)算方面，技術(shù)團(tuán)隊(duì)正在優(yōu)化產(chǎn)品原型，將AI芯片技術(shù)與工業(yè)客戶的需求相結(jié)合，目前產(chǎn)品已完成樣機(jī)驗(yàn)證，處于小批量驗(yàn)證優(yōu)化階段。

九天睿芯

九天睿芯成立于2018年6月，該公司基于類腦計(jì)算，以模數(shù)混和形式，實(shí)現(xiàn)感存算一體芯片的研發(fā)落地和量產(chǎn)銷售，該公司目前已完成億元級(jí)A輪融資。

九天睿芯已經(jīng)推出包括ADA100和ADA200在內(nèi)的多款芯片。ADA100是一款超低功耗低算力傳感器處理芯片，等效算力1Gops，應(yīng)用于可穿戴/ARVR/AIoT設(shè)備如無(wú)線智能相機(jī)門鈴、門鎖、86開(kāi)關(guān)等智能家居產(chǎn)品，于2021年11月量產(chǎn)，2022年批量出貨。

ADA200是低功耗中低算力視覺(jué)協(xié)處理器，算力1-2Tops，應(yīng)用于低功耗無(wú)線攝像頭/ARVR/手機(jī)平板，將于2022年底量產(chǎn)，ADA200是基于最新感存算一體技術(shù)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的模數(shù)混合AI視覺(jué)芯片，相比傳統(tǒng)數(shù)字芯片，具備更低功耗，以及超高的能效比。

閃易半導(dǎo)體

閃易半導(dǎo)體成立于2017年，是一家研發(fā)高性能、低功耗、低成本的存算一體化AI芯片的公司，首批芯片產(chǎn)品早在2020年就實(shí)現(xiàn)批量出貨。

公司主要推廣語(yǔ)音和圖像識(shí)別兩大解決方案，圖像識(shí)別產(chǎn)品首先面向需求量極大的消費(fèi)類電子市場(chǎng)，包括智能手表/手環(huán)、AR/VR等可穿戴設(shè)備，以及在人臉識(shí)別智能門鎖中的應(yīng)用，圖像識(shí)別產(chǎn)品還在防災(zāi)減災(zāi)、提升道路安全等多個(gè)泛安防場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)了批量應(yīng)用。

恒爍半導(dǎo)體

恒爍半導(dǎo)體成立于2015年，是一家主營(yíng)業(yè)務(wù)存儲(chǔ)芯片和MCU芯片的集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)，自2019年起，開(kāi)始研發(fā)基于NOR Flash架構(gòu)的存算一體人工智能AI芯片（CINOR）。

對(duì)現(xiàn)有NOR Flash陣列進(jìn)行改造后，2019 年底公司第一款CiNOR V1版在武漢新芯65nm NOR Flash制程上已經(jīng)完成芯片設(shè)計(jì)并流片，成功驗(yàn)證了CiNOR芯片原理和可行性，并實(shí)現(xiàn)了包括手寫識(shí)別、ECG檢測(cè)和人臉檢測(cè)等幾項(xiàng)應(yīng)用。CiNOR V2芯片正在研發(fā)過(guò)程中。

阿里達(dá)摩院

2021年12月3日，阿里云微信公眾號(hào)發(fā)布消息稱，達(dá)摩院成功研發(fā)存算一體芯片。據(jù)介紹，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(chǎng)景對(duì)高帶寬、高容量?jī)?nèi)存和極致算力的需求。在特定AI場(chǎng)景中，該芯片性能提升10倍以上，效能比提升高達(dá)300倍。

新型存儲(chǔ)代表著存算一體內(nèi)技術(shù)的未來(lái)

目前能做存算一體的存儲(chǔ)器包括Flash、SRAM、DRAM、RRAM（憶阻器）、MRAM（磁性存儲(chǔ)器）等，不同技術(shù)路線各有優(yōu)劣勢(shì)，比如Flash具有密度比較高的優(yōu)點(diǎn)，DRAM成本比較低，MRAM、RRAM等新型存儲(chǔ)器除了存儲(chǔ)密度較高之外，功耗也比較低等。未來(lái)隨著人工智能對(duì)高性能、低功耗處理需求的不斷增強(qiáng)，存算一體技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用落地進(jìn)程將會(huì)加速。

其中，在眾多存儲(chǔ)器中，新型存儲(chǔ)器RRAM、MRAM等被格外看好，此前有業(yè)內(nèi)人士對(duì)電子發(fā)燒友表示，RRAM、MRAM這兩類新型存儲(chǔ)器代表著存內(nèi)計(jì)算的未來(lái)，不過(guò)因?yàn)榧夹g(shù)比較新，目前在工藝成熟度和商業(yè)化上還需要一些耐心。

事實(shí)上RRAM、MRAM等已經(jīng)在逐漸取得進(jìn)展。MRAM是一種基于自旋電子學(xué)的新型信息存儲(chǔ)器件，其核心結(jié)構(gòu)由一個(gè)磁性隧道結(jié)和一個(gè)訪問(wèn)晶體管構(gòu)成，和其他存儲(chǔ)器相比，MRAM在運(yùn)行速度、壽命和量產(chǎn)方面存在優(yōu)勢(shì)。事實(shí)上，早在十幾年前就有企業(yè)研究和MRAM產(chǎn)品，包括飛思卡爾（被恩智浦并購(gòu)）、東芝、高通等，過(guò)去幾年臺(tái)積電、英特爾、三星、SK海力士等晶圓代工廠和IDM也大力投入研發(fā)。

此外也有不少初創(chuàng)公司投入研究并取得進(jìn)展，比如國(guó)外的Everspin、Avalanche、Crocus、 Spin Transfer Technology 已經(jīng)能夠提供MRAM樣品，國(guó)內(nèi)成立于2019年的亙存科技，已經(jīng)于2020年完成產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)建設(shè)，打通了上下游各關(guān)鍵環(huán)節(jié)，獲得數(shù)家來(lái)自國(guó)內(nèi)外客戶的合作訂單和營(yíng)收，涉及技術(shù)涵蓋STT-MRAM和 SOT-MRAM等。

RRAM是繼電阻、電容、電感之后的第四種電路基本元件，這種組件的電阻會(huì)隨著通過(guò)的電流量而改變，它本身就像一個(gè)矩陣排列，最適合進(jìn)行點(diǎn)積乘法和累加運(yùn)算，而這類運(yùn)算占深度學(xué)習(xí)算法中的絕大部分。乘積累加操作可以通過(guò)將憶阻器這樣的可編程阻變?cè)苯蛹傻椒且资愿呙芏却鎯?chǔ)芯片中來(lái)實(shí)現(xiàn)，處理單元被嵌入存儲(chǔ)器中，可減少數(shù)據(jù)移動(dòng)，也就是說(shuō)憶阻器本身就已具備存內(nèi)計(jì)算的特質(zhì)，非常適合用于存算一體芯片技術(shù)方向。

目前已經(jīng)有些RRAM進(jìn)入小批量試產(chǎn)階段，而且此前清華大學(xué)微電子所、未來(lái)芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心錢鶴、吳華強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)，與合作者共同研發(fā)出一款基于多個(gè)憶阻器陣列的存算一體系統(tǒng)，該系統(tǒng)在處理卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)的能效，比圖形處理器芯片高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，單芯片算力高達(dá)1POPs，大幅提升計(jì)算設(shè)備的算力，而且功耗比傳統(tǒng)芯片降低了100倍。

可以看到，新型存儲(chǔ)器RRAM、MRAM等的優(yōu)勢(shì)非常明顯，不過(guò)相比于Flash、SRAM、DRAM等存儲(chǔ)器，它們?cè)陂_(kāi)發(fā)上還有一些問(wèn)題需要攻克，從當(dāng)前的進(jìn)展來(lái)看，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年將會(huì)逐漸有產(chǎn)品走向商用。

小結(jié)

從統(tǒng)計(jì)情況來(lái)看，目前已經(jīng)有基于SRAM、NOR Flash的存算一體產(chǎn)品批量生產(chǎn)，基本上是小算力產(chǎn)品，面向消費(fèi)、泛安防等低功耗市場(chǎng)；此外可以看到，有不少企業(yè)正在研發(fā)面向邊緣端、云端推理場(chǎng)景的大算力產(chǎn)品，應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、智能駕駛等領(lǐng)域，并且已經(jīng)到了芯片驗(yàn)證階段，而接下來(lái)，除了基于新型存儲(chǔ)器的存算一體將會(huì)逐漸走向商用，存算一體芯片產(chǎn)品也將從小算力終端消費(fèi)類應(yīng)用，逐漸走到面向大算力的智能駕駛、數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用。