電子發燒友網報道（文/李彎彎）為什麼存算一體化越來越受到關注？今年1月，在阿里達摩院釋出的2020十大科技趨勢中，其中一個是，計算儲存一體化突破AI算力瓶頸。
根據該趨勢預判，馮諾伊曼架構的儲存和計算分離，已經不適合資料驅動的人工智慧應用需求，頻繁的資料搬運導致的算力瓶頸以及功耗瓶頸已經成為對更先進演算法探索的限制因素。
類似於腦神經結構的存內計算架構將資料儲存單元和計算單元融合為一體，能顯著減少資料搬運，極大提高計算並行度和能效。計算儲存一體化在硬體架構方面的革新，將突破AI算力瓶頸。
當前，有不少科研團隊和晶片企業投入到儲存一體晶片的研發中，並且時常傳出新進展，比如，上個月，瑞士洛桑聯邦理工學院設計出了一種兼具邏輯運算和資料儲存功能的計算機晶片，近日有訊息顯示，知存科技已經研發了三款存算一體晶片，並且其中一款已小批次生產。
存算一體可極大降低功耗，提升運算效率
存算一體，即在儲存器顆粒本身進行演算法嵌入，在儲存顆粒內實現計算。眾所周知，我們當前的計算機採用馮諾依曼體系結構，計算和儲存功能是分離的，分別由中央處理器CPU和儲存器完成。
CPU和儲存器透過匯流排互連通訊，CPU從儲存器讀出資料，完成計算，然後將結果寫回儲存器。馮諾依曼架構以CPU為核心，其他部件都是為CPU服務。
馮諾依曼架構圖
但是，因為處理器和儲存器工藝、封裝各不相同，兩者的效能差距隨著時間不斷拉大，儲存器資料訪問速度跟不上CPU的資料處理速度，導致了“儲存牆”問題越來越嚴重。
資料顯示，從 1980年到 2000年，處理器和儲存器的速度失配以每年50%的速率增加。透過不斷的探索，業界認為，存算一體技術可以達到弱化或消除“儲存牆”問題。
關於儲存牆的問題，知存科技創始人兼CEO王紹迪近日在某活動上的講述更為形象，他說：計算本身消耗的功耗並不多，但資料從記憶體搬到計算單元會消耗將近1000倍的計算功耗。
可見，存算一體可以完美的避開搬運產生的極大功耗，事實上，與傳統技術相比，存算一體還有運算效率高、速度快和成本低的特點，非常受市場需求端看好。
存算一體晶片雖研發困難，但仍有進展
雖然從應用端來看，存算一體晶片會給很多行業、裝置帶來更高效的運算和更低的功耗，但是其技術的實現卻沒有那麼容易，事實上，很多團隊已經在這個領域鑽研很多年，才最終取得一些進展。
知存科技創始人兼CEO王紹迪就透露，該公司的創始團隊研發存算一體八年，流片次數接近20次。雖然當前知存科技已經有晶片進行小批次生產，但是從開發的時間來看，投入是相當大的，可見技術實現的不容易。
不過雖然困難，是所謂，市場需求推動技術進步，在科學界和企業界不斷努力研發下，未來發展還是值得期待。事實上，當前已經不少技術和產品初見成效。
新一代計算機晶片實現存算一體
就在上個月，有報道稱，瑞士洛桑聯邦理工學院的工程師設計了一種兼具邏輯運算和資料儲存功能的計算機晶片。
就如上文所言，現在的主流計算機，處理器和儲存晶片都是分離的，一直沿用馮諾依曼五十多年前確立的架構，在工作的時候，兩個單元之間需要頻繁地交換資料，消耗很大一部分時間和能量。
根據報道，這個研究組首次使用一種只有3個原子厚的平面材料——二硫化鉬（MoS2），進行創新設計，集邏輯運算和儲存功能為一體，大幅減少傳統設計中資料交換的損耗。
該團隊主要研究員Andras Kis說：“該款晶片可以減少儲存單元和處理單元之間資料傳輸的能量消耗，縮短了運算時間，縮小晶片佔用的空間。”
可以預見，這款晶片如果最後能夠實現商用，將會為製造體積更小、更節能、處理速度更快的電腦，以及人工智慧的發展鋪平道路。
科學家成功研製存算一體通用AI晶片
另外，密歇根大學盧偉教授及其團隊在去年也成功研發出過一款基於憶阻器陣列的通用 AI 晶片，憶阻器即同時兼備記憶和電阻的功能，是神經形態計算實現的關鍵。
根據報道，這款新型 AI 晶片將所有儲存計算功能整合在同一晶片上，真正實現了存算一體化，而且可以透過程式設計應用於多種人工智慧演算法，進一步提高計算速度，並減少能量損耗。
盧偉教授當時在接受媒體採訪的時候表示，這種新型 AI 晶片很適合切入的一個應用場景是基於推理的邊緣計算場景。
知存科技存算一體AI晶片已經小批次試產
知存科技成立於2017年10月，專注研發基於存算一體先進技術的人工智慧晶片。根據官網介紹，該公司的創始成員來自國際上最早研發存算一體技術的專家團隊，並在2016年實現了全球第一款存算一體AI晶片。
當前，知存科技已經完成研發了兩款智慧語音晶片：WTM1001和WTM2101，其中WTM1001是全球第一個存算一體晶片產品，並且已經進入小批次生產階段。WTM2101預計明年Q1進行正式的小批次試產。另外該公司還有一款面向視覺應用的晶片WTM3213，正在研發。
在存算一體技術的推進過程中，知存科技可謂是走在前列，憑藉優秀的技術實力，成立三年時間，公司已經過得數億元融資，加入晶片量產。
閃億半導體計劃3年內完成首款晶片推廣及量產
閃億半導體成立於2017年7月，是閃易半導體的全資子公司。
據官網介紹，閃易半導體是一家研發高效能、低功耗、低成本的存算一體化AI晶片的積體電路公司，團隊成員分別畢業於清華大學和北京大學，分別在中美兩國的電路設計生產、人工智慧開發企業擔任研發負責人。
該公司表示，計劃在三年內完成第一代語音產品在家電和物聯網領域的推廣和量產，同時設計和開發好第二代產品，用於影象識別及安防領域。
閃億半導體於2019年10月釋出了其首款存算一體化晶片產品，該公司負責人魯辭莽當時表示，這款晶片在執行效率上能提高超過10TOPS/W，成本可以比傳統AI晶片方案下降超一半。
恆爍半導體積極推進存算一體晶片商用
據合肥日報報道，NOR Flash廠商恆爍半導體與中國科大團隊在2019年7月完成了歷時兩年研發的基於NOR快閃記憶體架構的存算一體AI晶片系統演示。
根據報道，這是一款具有邊緣計算和推理的AI晶片，能實時檢測透過攝像頭拍攝的人臉頭像並給出計算機率，準確且穩定。可廣泛應用於森林防火中的人臉識別與救援、心電圖的實時監測、人工智慧在人臉識別上的硬體解決方案等。
據研發團隊成員之一、中國科大博士陶臨風介紹，相較於傳統晶片，存算一體人工智慧晶片具有能耗低、運算效率高、速度快和成本低的特點。
電子發燒友瞭解到，恆爍半導體目前存算一體方面暫時還無更多進展，不過公司一直在積極推動存算一體AI晶片商用。
小結
根據上述各家推出的晶片，存算一體晶片的優勢基本體現在，低能耗、高效率、成本低等優點，在音訊、影象等人工智慧領域有很好的應用，並且憑藉其優勢，在一些傳統裝置中可以有更多創新性的應用，雖然研發困難，但是市場需求看好，科學界和企業界都在持續積極研發，並逐漸取得突破性進展，存算一體晶片的發展未來值得期待。
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