前言:實(shí)現(xiàn)硬件方面的復(fù)興,才能充分挖掘人工智能時(shí)代的潛力。在性能、功耗和密度(面積/成本)方面得到顯著改善的新興存儲(chǔ)可以滿足邊緣計(jì)算、近邊緣和云計(jì)算的需求。

作者 | 方文

預(yù)計(jì)在接下來的十年中,兩種新興的非易失性存儲(chǔ)器類型(PCM和MRAM)將在獨(dú)立存儲(chǔ)器中處于領(lǐng)先地位。

傳統(tǒng)存儲(chǔ)芯片到達(dá)技術(shù)節(jié)點(diǎn)

存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)如今形成了DRAM芯片、NADA Flash芯片、特殊存儲(chǔ)器三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的市場。

然而,隨著摩爾定律的延伸,技術(shù)需求也越來越高,傳統(tǒng)存儲(chǔ)芯片的弊端也逐漸開始顯現(xiàn)。

隨著芯片技術(shù)節(jié)點(diǎn)接近其物理極限,電容器中電子數(shù)量的減少,使DRAM存儲(chǔ)器更容易受到外部電荷的影響;Flash在工作時(shí)面臨嚴(yán)重的串?dāng)_問題,從而縮短其使用壽命;SRAM在信噪比和軟故障方面也存在問題。

此外,當(dāng)芯片制程小于28nm時(shí),這些問題會(huì)變得更加嚴(yán)重。

AI時(shí)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的變化影響了邏輯和存儲(chǔ)。機(jī)器學(xué)習(xí)算法大量使用了矩陣乘法運(yùn)算,而這些運(yùn)算在通用邏輯中十分繁瑣,這推動(dòng)了加速器及存儲(chǔ)器的發(fā)展。

性能和功耗在云計(jì)算和邊緣計(jì)算應(yīng)用場景中,SRAM和DRAM作為“工作內(nèi)存”的一個(gè)主要缺點(diǎn)是,它們是易失的,需要持續(xù)供電來保存數(shù)據(jù)(比如權(quán)重)。

主要的新存儲(chǔ)器候選是磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)、相變存儲(chǔ)器(PCRAM)。

這兩種存儲(chǔ)器都采用了新的材料,可以被設(shè)計(jì)成高電阻率和低電阻率,而高電阻率和低電阻率又分別代表0和1。

MRAM通過改變磁性方向來控制電阻率;PCRAM利用材料從無定形到結(jié)晶的排列變化。

PCRAM:云計(jì)算架構(gòu)的主要候選者

因?yàn)镻CRAM比DRAM提供更低的功耗和成本,并且比固態(tài)硬盤和硬盤驅(qū)動(dòng)器具有更高的性能。

PCRAM甚至是鐵電場效應(yīng)晶體管(FeFETs)都是很好的選擇,因?yàn)樗鼈兌加袑?shí)現(xiàn)每單元存儲(chǔ)多bit的潛力。

近年來,非易失性存儲(chǔ)技術(shù)在許多方面都取得了一些重大進(jìn)展,為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的存儲(chǔ)能效提升帶來了新的契機(jī),采用新型非易失性存儲(chǔ)技術(shù)來替代傳統(tǒng)的存儲(chǔ)技術(shù)可以適應(yīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展對(duì)高存儲(chǔ)能效的需求。

PCRAM像所有新興存儲(chǔ)器一樣,但是如果是和看好MRAM(磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器)的人討論,當(dāng)然會(huì)說MRAM適用于各種用途,而PCRAM則否,反之亦然。

與商業(yè)化程度更高的MRAM相比,PCRAM擴(kuò)展的潛力是其最吸引人的特點(diǎn)之一。MRAM中存儲(chǔ)單元的面積大約是PCRAM中的10倍。

這意味著相同字節(jié)大小的情況下,前者的單元數(shù)量要少得多,因此MRAM的可擴(kuò)展性非常值得懷疑。

雖然 PCM 存儲(chǔ)器技術(shù)看似即將成熟,但到普及恐怕還需要一點(diǎn)時(shí)間,但為了因應(yīng)新興科技的發(fā)展,高速儲(chǔ)存裝置仍然是不可或缺的技術(shù),也是市場關(guān)注焦點(diǎn)。

目前,國際上僅有三星、英特爾等推出了相關(guān)產(chǎn)品,但多為非嵌入式相變存儲(chǔ)器產(chǎn)品。

今年8月時(shí)代全芯發(fā)布了基于相變材料的2兆位可編程只讀相變存儲(chǔ)器產(chǎn)品“溥元611”。

這是國內(nèi)首款商業(yè)化量產(chǎn)的相變存儲(chǔ)產(chǎn)品,其發(fā)布標(biāo)志著AMT已成為全球繼美光、三星之后少數(shù)幾個(gè)掌握相變存儲(chǔ)器研發(fā)、生產(chǎn)工藝和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的公司。

MRAM在邊緣展現(xiàn)出優(yōu)勢

作為一種替代方案,MRAM承諾將使晶體管密度提高數(shù)倍,從而實(shí)現(xiàn)更高的存儲(chǔ)密度或更小的芯片尺寸。

MRAM的另一個(gè)關(guān)鍵特性是它可以被設(shè)計(jì)成嵌入式系統(tǒng)芯片產(chǎn)品的后端互連層。MRAM可用于存儲(chǔ)SOC的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序,從而消除了為此目的而使用嵌入式閃存芯片的需要,從而降低了系統(tǒng)芯片總數(shù)和成本。

高性能的“近邊緣”應(yīng)用場景,如缺陷檢測和醫(yī)學(xué)篩選,需要更高的性能。一種被稱為自旋軌道轉(zhuǎn)矩MRAM (SOT-MRAM)的MRAM變體可能被證明比自旋轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)移MRAM (STT-MRAM)更快、更低功耗。

如今的邊緣設(shè)備主要使用的是SRAM存儲(chǔ)器,這種存儲(chǔ)器每個(gè)cell最多可使用6個(gè)晶體管,而且可能會(huì)受到高有源漏電功率的影響,從而影響效率。

作為一種替代方案,MRAM可以將使晶體管密度提高數(shù)倍,從而實(shí)現(xiàn)更高的存儲(chǔ)密度或更小的芯片尺寸。

更大的容量,更緊湊的芯片,更低的功耗,聽起來像是所有處于邊緣處理器的勝利。

這接近于SRAM所“吹噓”的性能,使得MRAM成為當(dāng)今幾乎所有易失性存儲(chǔ)器的有吸引力的替代品。

與傳統(tǒng)的DRAM和閃存相比,MRAM的一個(gè)明顯差距在其容量方面。如Everspin最近發(fā)布了一個(gè)32Mb的設(shè)備。

但相比之下,最大的每單元4位的NAND部件提供了4Tb的密度。但MRAM更有理由在物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域脫穎而出,因?yàn)槠湫阅�、持久性和無限的續(xù)航能力足以彌補(bǔ)其容量的不足。

這樣的可能性使我們可以預(yù)見到未來有望出現(xiàn)新型的、功能大大提升的單芯片系統(tǒng)這一美好前景。

當(dāng)前的計(jì)算架構(gòu)下MRAM不會(huì)成為主流

在當(dāng)前的計(jì)算架構(gòu)下,邏輯和存儲(chǔ)處于分離狀態(tài),現(xiàn)有的晶體管技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)幾個(gè)納米制程,包含數(shù)十億個(gè)晶體管的邏輯電路,同時(shí)現(xiàn)有的存儲(chǔ)能夠以足夠低的成本做到TB量級(jí)。

在邏輯或者存儲(chǔ)方面,自旋芯片都無法替代現(xiàn)有的主流芯片,只能應(yīng)用于某些特定需求的領(lǐng)域。

盡管有些人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)嵌入式技術(shù)在商業(yè)上取得了一定程度的成功,但它們也落后于離散存儲(chǔ)器的高性價(jià)比替代方案。盡管具有更高的性能,耐用性和保留性,或者降低了功耗。

盡管MRAM已經(jīng)在離散應(yīng)用的嵌入式市場中取得了一些成功,甚至證明它可以處理汽車應(yīng)用的極端環(huán)境,但MRAM仍然是一個(gè)利基存儲(chǔ)器。

結(jié)尾:

目前尚不清楚哪種當(dāng)前或下一代內(nèi)存技術(shù)是贏家。也許所有技術(shù)都擁有一席之地。

總而言之,在下一代存儲(chǔ)器中,哪一類更適合于AI邊緣應(yīng)用尚無共識(shí)。業(yè)界繼續(xù)探索當(dāng)前和未來的選擇。