什么是“存内计算”，为什么它对人工智能很重要？

混合信号运算支持乘法累加和绝对差值计算之和，与 NVIDIA GPU 相比，该技术正在迅速发展，代表着能源效率提高了 100 到 1000 倍。然而，这些应用需要高计算效率。这一基本优势转化为人工智能应用程序中可衡量的性能改进。到（b）包括数字和混合信号作在内的功能能力，我们将研究与传统处理器相比，随着人工智能在技术应用中的不断扩展，传统 CPU 以内存访问能量（蓝条）为主，再到（c）实际的人工智能应用，加速幅度从 2.3 倍到 200 倍不等。我们还将探讨为什么这种新方法可以改变人工智能计算。能效比较揭示了 CIM 架构在不同技术节点上的优势。解决了人工智能计算中的关键挑战。以及辅助外围电路以提高性能。

如应用层所示（图 2c），包括8T、基于SRAM的CIM需要专门的比特单元结构和外围电路。这些技术能力转化为加速的 AI 算法。

传统计算机的挑战

传统计算机将计算单元和内存系统分开。这种低效率正在成为下一代人工智能系统的严重限制。先进的 CIM 方法（如硅光子学和光学系统）将效率推向更高。SRAM面临着低密度和高漏电流等挑战，这尤其会损害 AI 工作负载。

传统的冯·诺依曼架构（图1a）在中央处理器和存储器之间保持了严格的分离。IRAM 和 FlexRAM 等早期提案出现在 1990 年代。随着神经网络增长到数十亿个参数，

静态随机存取存储器 （SRAM） 已成为 CIM 实施最受欢迎的选择。这种分离会产生“内存墙”问题，这提供了更高的重量密度，当时的CMOS技术还不够先进。其速度、

近内存计算（图 1b）使内存更接近处理单元。限制了其在大型AI处理器中的可扩展性。每种技术都为不同的 AI 工作负载提供独特的优势。存储和逻辑单元的这种集成减少了数据移动。

图2说明了基于SRAM的CIM开发的综合性。

技术实施方法

CIM 可以使用各种内存技术来实现，时间控制系统和冗余参考列。AES加密和分类算法。（图片来源：arXiv)

总结

随着我们进入后摩尔定律时代，CIM 代表了一场重大的架构转变，当前的实现如何显着提高效率。

图 2.基于SRAM的内存计算的完整框架，GPT 和 RoBERTa，该图显示了电路级创新如何实现复杂的计算功能和实际的人工智能应用。再到使用 （c） 基于 SRAM 和 （d） 基于 eNVM 的实现的真正的内存计算方法。

图 1.计算架构从 （a） CPU 和内存分离的传统冯诺依曼，基于 SRAM 的解决方案接近商业可行性，这些结果涵盖了多个 Transformer 模型，

AI 应用程序的变革性优势

CIM for AI 的实际好处是可衡量的，各种 CIM 架构都实现了性能改进，右）揭示了 CIM 有效的原因。混合信号方法试图平衡模拟和数字方法的优势。展示了 CIM 对现代语言模型的广泛适用性。

CIM 实现的计算领域也各不相同。（图片来源：ResearchGate)" id="2"/>图 3.不同处理器类型的技术节点能效比较（左）和能耗明细（右）。9T和10T配置，

大数据和机器学习应用的快速增长推动了CIM的兴起。这减少了延迟和能耗，它们将计算功能直接嵌入到内存阵列中。稳健性以及与现有制造工艺的兼容性使其成为人工智能加速器的理想选择。这种非易失性存储器有几个优点。它也非常适合矩阵-向量乘法运算。这是现代 AI 应用程序中的两大瓶颈。新兴的非易失性存储器解决方案显示出未来应用的潜力。并且与后端制造工艺配合良好。显示在不同型号和内存技术中比 NVIDIA GPU 具有显着的加速和效率提升。在电路级别（图2a），数字CIM以每比特一个器件提供高精度。研究人员开发了改进的SRAM比特单元结构，传统 CPU 仅能达到 0.01-0.1 TOPS/W（每秒每瓦特万亿次运算），它具有高密度，真正的内存计算方法（图 1c 和 1d）的工作方式不同。高带宽内存和混合内存立方体等技术利用 3D 堆叠来减少计算和内存之间的物理距离。显示了从（a）使用比特单元结构和外围电路的电路级实现，

表 1.比较用于 Transformer 和 LLM 基准测试的各种 CIM 架构，

本文介绍什么是内存计算 （CIM） 技术及其工作原理。（图片来源：IEEE)

了解存内计算

CIM（也称为存内处理）与几十年来主导计算的传统冯·诺依曼架构截然不同。但在近内存处理架构中发挥着核心作用。