In-memory computing（以下簡稱IMC）是一種古老而有爭議的組織計算機(jī)硬件的方式，以最大限度地減少能耗并提高性能，但除了在一些非常特定的應(yīng)用中，它從未真正進(jìn)入主流。但邊緣計算AI的需求可能為這種架構(gòu)理念提供了機(jī)會。

IMC將計算元素放在內(nèi)存中而不是中央處理器中的概念在計算機(jī)科學(xué)的邊緣有很長的歷史。IMC是那些總是建立在合理推理基礎(chǔ)上的想法之一，而且非常有意義，甚至影響了計算機(jī)架構(gòu)的重大進(jìn)步，但卻沒有以其純粹的形式突破主流。但現(xiàn)在，一種古老的錄音技術(shù)、邊緣計算的限制和深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的奇妙結(jié)合，可能會把IMC重新拉回聚光燈下。

一個古老的觀點(diǎn)

IMC的概念可以追溯到計算機(jī)的早期。計算機(jī)工程師們很快意識到，雖然馮諾依曼架構(gòu)（中央處理器從主存儲單元讀取指令和數(shù)據(jù)）非常靈活并被普遍采用，但它的效率往往很低。重復(fù)地從內(nèi)存中獲取少量數(shù)據(jù)，做一些簡單的計算，然后把結(jié)果放回內(nèi)存的算法，一遍又一遍地，花費(fèi)大量的時間和精力獲取指令和移動數(shù)據(jù)，但在實(shí)際計算上花費(fèi)的時間和精力卻被壓縮了。由于從內(nèi)存中獲取一個單詞的時間和能量幾乎總是比CPU中的算術(shù)或邏輯成本大，這種低效很要命，特別是在像邊緣計算這樣的功耗受限的環(huán)境中。

一些架構(gòu)師采取了顯而易見的行動，為什么把它們?nèi)考性贑PU中，而不直接將簡單的計算元素構(gòu)建到內(nèi)存單元中呢？理論上，這將大大減少所有讀寫操作的時間延遲和功耗，并且可以繞過CPU不斷獲取和解碼指令的需要。

現(xiàn)實(shí)的阻礙

事實(shí)證明，不這么做有一些非常好的實(shí)際理由。賦予內(nèi)存計算元素什么樣的能力是至關(guān)重要的。將這些功能放在哪里，以及如何將它們連接到內(nèi)存陣列中也是如此。雖然通常有可能設(shè)計一個IMC架構(gòu)，在一組很窄的算法上工作得很好，但你越試圖使架構(gòu)通用，你放棄的效率就越多。如果你只是在CPU上做了一些聰明的事，那么很快就會得到一個效率較低的架構(gòu)。

CPU架構(gòu)師很聰明。他們用另一種方法來解決所有這些讀寫的低效問題：緩存。然后是更多緩存，更多的緩存層。通過嘗試讓大多數(shù)讀寫操作發(fā)生在緩存而不是主內(nèi)存中，可以消除一些低效的問題（取決于緩存和相關(guān)算法）。

與此同時，主存儲正從一種高度專業(yè)化的手工制造產(chǎn)品變成一種商品。用戶越來越不愿意做任何迫使他們購買專用存儲芯片的事了。因此，IMC成了一種很難銷售的產(chǎn)品。但這并沒有阻止該領(lǐng)域的研究。今年的ISSCC會議有許多關(guān)于這個主題的論文，原因我們稍后將會看到。

IMC的機(jī)遇

有一種非常狹窄的算法可以從IMC中獲得巨大的收益，這是個巨大的商業(yè)領(lǐng)域：3D圖形渲染。著色（在3D模型的2D渲染中為像素添加色彩和亮度的過程）對3D模型中的每個點(diǎn)進(jìn)行一些簡單的操作，反復(fù)進(jìn)行。雖然著色算法有很多變體，但它們都非常相似，一個設(shè)計良好的架構(gòu)可以覆蓋很多變體，這是一個成功的IMC應(yīng)用的處方。

我們知道這種思維的結(jié)果就是GPU。雖然通常不這樣描述，但GPU實(shí)際上是一個巨大的內(nèi)存芯片，它有專門的處理器（著色引擎）明智地分散在內(nèi)存塊中。這種架構(gòu)不僅主導(dǎo)了3D圖形渲染，而且通用GPU和CUDA等并行編程語言的出現(xiàn)也顯示了這種架構(gòu)對更廣泛的并行化問題的適應(yīng)性。

進(jìn)入AI

其中一類可并行化的問題是AI的一個分支：深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)你訓(xùn)練或使用深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)時，里面發(fā)生的只是我們一直在討論的那種大規(guī)模、有序的簡單計算陣列。在訓(xùn)練過程中，你將輸入和正確的答案輸入到模型中，并進(jìn)行大量的簡單計算，將答案通過網(wǎng)絡(luò)的各層向輸入傳播，同時細(xì)化稱為激活權(quán)重的巨大參數(shù)表。一旦訓(xùn)練好網(wǎng)絡(luò)，你就把輸入信息應(yīng)用到模型中，做一系列矩陣乘法（同樣是簡單操作的有序集合，在網(wǎng)絡(luò)的末端彈出一個答案，一個推理）。

通過對內(nèi)存非常仔細(xì)的安排和精心編程，這個過程對GPU來說是小菜一碟。因此，GPU在深度學(xué)習(xí)中無處不在。但是GPU雖然對優(yōu)秀的軟件非常有效，但在推理計算方面卻沒有理想的效率。這一事實(shí)導(dǎo)致了大量的研究論文和初創(chuàng)公司設(shè)計更適合深度學(xué)習(xí)加速，特別是為推理加速設(shè)計的加速器芯片。這種架構(gòu)有很多，但大多數(shù)都有一個共同的想法：使用大量的小型計算元素來并行處理深度學(xué)習(xí)的大量計算負(fù)載，并將這些元素放置在非常靠近或位于內(nèi)存中的位置。

Syntiant和Untether等初創(chuàng)公司也屬于非常接近的一類。這類公司似乎更喜歡“at-memory computing（以下簡稱為AMC）”這個短語，而不是更傳統(tǒng)的術(shù)語，可能是因?yàn)樗麄儧]有把計算元素放在內(nèi)存陣列中，而是放在芯片的旁邊。但還有另外一類。

模擬域

這就是那個奇怪結(jié)合的地方（一個模擬推理加速器），我們分三步討論。首先，深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)有一個奇怪的特性：大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)部計算中幾乎不受微小誤差的影響。在幾乎所有的有序算術(shù)中，無論你用32位、8位，甚至有時是4位來表示數(shù)字，對所產(chǎn)生的推理的準(zhǔn)確性都沒有什么區(qū)別。在這些計算中，傳統(tǒng)GPU中的大部分內(nèi)存和數(shù)據(jù)路徑位都被浪費(fèi)了。

其次，工程師們很久以前就發(fā)現(xiàn)，閃存單元不僅可以存儲數(shù)字位，還可以存儲模擬數(shù)據(jù)：例如，足以產(chǎn)生可接受的語音記錄。這一發(fā)現(xiàn)為多級閃存的工作奠定了基礎(chǔ)。因此，在原則上，模擬閃存可以存儲深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的低精度激活權(quán)重，而不放棄推理的準(zhǔn)確性。

第三，由于閃存陣列的組織方式，你可以讓閃存陣列在一個周期內(nèi)計算乘積的模擬和乘積，這是矩陣算術(shù)和推理計算的基本操作，只需要很少的能量。這對于將激活權(quán)重（只在訓(xùn)練期間改變）作為模擬值存儲在閃存單元中，然后一次性讀出整個輸入乘以權(quán)重并相加的集合來說，是非常好的。整個過程功耗非常小。

把這三個部分放在一起，你就有了一個非常快、非常高效的模擬推理加速器背后的想法。這種設(shè)計消除了數(shù)字設(shè)計的大部分內(nèi)存和大多數(shù)處理元素，而是在閃存陣列中進(jìn)行模擬乘積。Axelera、Mythic和TetraMem等初創(chuàng)公司正在使用這種方法開發(fā)芯片或IP，并瞄準(zhǔn)了對功耗要求嚴(yán)苛的邊緣計算領(lǐng)域。

但是在模擬電路中存在著固有的挑戰(zhàn)，以至于許多年來大多數(shù)模擬電路設(shè)計已經(jīng)被數(shù)字方法所取代。模擬信號會被噪聲破壞。模擬內(nèi)存會隨著時間的推移而損耗。模擬電路往往是專用的，而且很難從一種工藝擴(kuò)展到下一種。這些問題會再次導(dǎo)致模擬應(yīng)用被其數(shù)字競爭對手超越嗎？

這一次可能會有所不同。在邊緣計算中，以極低的功耗進(jìn)行大規(guī)模、快速推理的能力是非常大的優(yōu)勢。隨著芯片從14nm擴(kuò)展到10nm、5nm及以上，不斷上升的成本、巨大的設(shè)計挑戰(zhàn)和日益增長的供應(yīng)鏈擔(dān)憂，使得僅僅遵循摩爾定律的數(shù)字工藝讓模擬方法被淘汰的說法沒那么肯定了。

ARM和IBM的研究人員最近聯(lián)合發(fā)表的一篇論文表明，一些非常重要的玩家正在認(rèn)真對待這項技術(shù)的長期發(fā)展。該論文介紹了一種14nm模擬IMC芯片，該芯片直接解決了該技術(shù)的噪聲和內(nèi)存漂移問題。

似乎可以肯定的是，更多的IMC和AMC的例子將出現(xiàn)在邊緣計算應(yīng)用中，無論具體的實(shí)現(xiàn)是模擬還是數(shù)字。除了在這些環(huán)境中GPU已經(jīng)霸占的領(lǐng)域之外，這種方法是否會過渡到云數(shù)據(jù)中心或超級計算機(jī)，仍然是一個開放和非常有趣的問題。

審核編輯 ：李倩