受新冠肺炎疫情影響，全球數(shù)字化轉(zhuǎn)型進程加快，存儲器半導體技術的演變模式也隨之發(fā)生改變。人工智能（AI,Artificial Intelligence）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT,Internet of Things）和大數(shù)據(jù)等技術正迅速發(fā)展，并廣泛應用于遠程辦公、視頻會議和在線課堂中，導致待處理的數(shù)據(jù)量激增。有數(shù)據(jù)顯示，到2025年，全球數(shù)據(jù)量將達到163澤字節(jié)(zettabytes)1，其中有5.2澤字節(jié)(zettabytes)需進行數(shù)據(jù)分析。
當前的計算機系統(tǒng)采用馮·諾伊曼(Von Neumann)體系結(jié)構(gòu)2。根據(jù)圖1所示的內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)，當中央處理器（CPU）處理來自片外主內(nèi)存（DRAM）的數(shù)據(jù)時，常用數(shù)據(jù)會被存儲在快速且高能效的緩存（L1、L2、L3）中，以提高性能和能效。但是，在處理大量數(shù)據(jù)的應用中，大部分數(shù)據(jù)需從主內(nèi)存中讀取，因為待處理的數(shù)據(jù)規(guī)模非常大，超出了緩存的存儲規(guī)模。
△ 圖1：內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)
在這種情況下，CPU和主內(nèi)存之間的內(nèi)存通道帶寬成為性能瓶頸3，并且在CPU和主內(nèi)存之間傳輸數(shù)據(jù)需要消耗大量能量。要突破這一瓶頸，需要擴展CPU和主內(nèi)存之間的通道帶寬，但是若當前CPU的針腳數(shù)量已經(jīng)達到極限，帶寬的進一步改進便將面臨技術方面的難題。在數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)計算分離的現(xiàn)代計算機結(jié)構(gòu)中，此類內(nèi)存墻問題的出現(xiàn)是不可避免的。
假設處理器進行乘法運算的功耗約為1，將數(shù)據(jù)從DRAM提取到處理器所消耗的能量是實際運算所需能量的650倍，這表明最大限度地減少數(shù)據(jù)傳輸量對于性能和能效的改進非常重要。（圖2）
深度神經(jīng)網(wǎng)絡（DNN,Deep Neural Network）4是機器學習（ML,Machine Learning）的一種，其中最具代表性的是應用于計算機視覺（CV,Computer Vision）的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（CNN,Convolutional Neural Networks）和應用于自然語言處理（NLP,Natural Language Processing）的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡（RNN,Recurrent Neural Networks）。近來，推薦模型（RM,Recommendation Model）等新應用也傾向于采取DNN技術。其中，遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡主要用于進行矩陣向量乘法運算。遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡具有數(shù)據(jù)重用量低的特點，內(nèi)存讀取次數(shù)越多，通過內(nèi)存通道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就越多，這也成為提高性能的瓶頸。
為了突破性能瓶頸，業(yè)界正在重新審視應用內(nèi)存中處理（PIM,Processing In Memory）5概念的DRAM。從定義可以看出，PIM技術指直接在內(nèi)存中處理數(shù)據(jù)，而不是把數(shù)據(jù)從內(nèi)存讀取到CPU中再進行處理。這樣可以最大限度地減少數(shù)據(jù)傳輸量，幫助克服上述瓶頸。從20世紀90年代末到21世紀初，學術界一直在積極研究這一概念，但由于DRAM工藝和邏輯工藝存在技術上的難點，且若以DRAM為載體在內(nèi)存中實現(xiàn)CPU的功能，成本會相應增加，這導致PIM技術不具備競爭優(yōu)勢，因此遲遲未能進入商業(yè)化階段。然而，PIM需求的日益增長以及工藝技術的進步重新喚起了實施PIM的可能性。
要想理解PIM，必須先了解人工智能的需求。圖3給出了神經(jīng)網(wǎng)絡的全連接（FC,Fully Connected）層6示例。左圖中，輸出神經(jīng)元y1與輸入神經(jīng)元x1、x2、x3和x4相連，并且各個連接的突觸權重分別為w11、w12、w13和w14。在處理全連接層的過程中，人工智能運算單元將各個輸入神經(jīng)元的權重相乘，再將各項乘積相加，然后應用如線性整流函數(shù)（ReLU,Rectified Linear Unit）等激活函數(shù)7。概括而言，如右圖所示，如果存在多個輸入神經(jīng)元（x1，x2，x3，x4）和輸出神經(jīng)元（y1，y2，y3），人工智能計算單元會將各個輸入神經(jīng)元的連接權重相乘，再將乘積相加。事實上，這些運算可以被視為矩陣的乘法和加法運算，因為輸入神經(jīng)元被等量使用。
如圖4所示，如果內(nèi)存中可以加入這些運算回路，則無需再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥髦刑幚恚恍鑼⒔Y(jié)果傳送到處理器即可。這樣可以顯著減少高能耗的數(shù)據(jù)傳輸操作，從而提高復雜運算的能源效率。基于這樣的應用理念，SK海力士正在開發(fā)PIM DRAM。對于遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡等內(nèi)存受限型應用，如果可以在DRAM中加入運算回路，則有望顯著提高性能和能效。鑒于需要處理的數(shù)據(jù)量將繼續(xù)大幅增加，PIM有望成為提高當前計算機系統(tǒng)性能限度的有力選擇。
注釋：
11澤字節(jié)等于1021字節(jié)
2馮·諾伊曼體系結(jié)構(gòu)使用CPU和存儲裝置來驅(qū)動計算機。
3這一性能瓶頸也稱為馮·諾伊曼瓶頸，即，由于處理器在讀取內(nèi)存過程中處于空閑狀態(tài)，計算機系統(tǒng)的吞吐量會受處理器的限制。
4深度神經(jīng)網(wǎng)絡（DNN, Deep Neural Network）是輸入層和輸出層之間的多層人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN, Artificial Neural Network）。神經(jīng)網(wǎng)絡種類多樣，但均由相同的部分構(gòu)成：神經(jīng)元、突觸、權重、偏置和函數(shù)。
5內(nèi)存中處理（PIM，有時稱為存內(nèi)計算）指將處理器與RAM（隨機存取存儲器）集成在單個芯片上。集成后的芯片也被稱為PIM芯片。
6全連接層：每一層的任意一個神經(jīng)元均與其前一層的所有神經(jīng)元相連接。現(xiàn)行大多數(shù)機器學習模型中，最后幾層都是全連接層，全連接層會編譯前幾層提取的數(shù)據(jù)并進行最終輸出。
7神經(jīng)網(wǎng)絡中的激活函數(shù)用于定義如何將輸入神經(jīng)元的加權和映射到網(wǎng)絡某一層中一個或多個節(jié)點的輸出端。線性整流激活函數(shù)（ReLU, Rectified Linear Unit）是一個分段線性函數(shù)，它把所有的負值都變?yōu)?，而正值不變。
