Computing in Memroy是在DRAM中嵌入邏輯電路，打造“存算一體”架構(gòu)，存算一體架構(gòu)會(huì)大幅降低資料在存儲(chǔ)器與處理器之間往返的負(fù)擔(dān)，降低芯片的能耗。

集微網(wǎng)消息，不久前，合肥恒爍半導(dǎo)體有限公司與中科大團(tuán)隊(duì)歷時(shí)兩年共同研發(fā)的基于NOR閃存架構(gòu)的存算一體（Computing In Memory）AI芯片系統(tǒng)演示順利完成，標(biāo)志著具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，國(guó)內(nèi)首創(chuàng)、國(guó)際領(lǐng)先的超低功耗存算一體的人工智能芯片正式問(wèn)世。

目前市面存在的基于CPU、GPU等的計(jì)算系統(tǒng)都是基于馮諾依曼結(jié)構(gòu)，其運(yùn)算與存儲(chǔ)部件是分離的，進(jìn)行計(jì)算時(shí)，計(jì)算單元需要將數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)單元中提取出來(lái)，處理完成后再寫回存儲(chǔ)單元，這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了密集數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)需要在存儲(chǔ)部件與計(jì)算部件傳輸大量數(shù)據(jù)，這就造成計(jì)算速度受到數(shù)據(jù)傳輸帶寬限制，同時(shí)引起功耗增加，限制了計(jì)算系統(tǒng)的性能提升。另一方面，現(xiàn)有的CPU、GPU等處理器都是使用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)計(jì)算功能，因而需要大量的計(jì)算資源，這也限制了可以達(dá)到的計(jì)算并行度以及計(jì)算速度。合肥恒爍半導(dǎo)體研制的這款芯片則將存儲(chǔ)與計(jì)算結(jié)合在一起，打破了馮諾依曼結(jié)構(gòu)的限制，對(duì)未來(lái)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的發(fā)展具有重要意義。

早在2018年3月9日，合肥恒爍半導(dǎo)體公司就提出一項(xiàng)名為“一種基于NOR Flash模塊的數(shù)據(jù)運(yùn)算方法”的發(fā)明專利（申請(qǐng)?zhí)枺?01810193765.X），申請(qǐng)人為合肥恒爍半導(dǎo)體有限公司。

此發(fā)明專利提供了一種基于NOR Flash模塊的數(shù)據(jù)運(yùn)算方法，實(shí)現(xiàn)了基于NOR Flash存儲(chǔ)單元的乘加運(yùn)算，即“存算一體”的結(jié)構(gòu)，同時(shí)提高了中央處理器的計(jì)算速度，并進(jìn)一步降低了功耗。

圖1 基于NOR Flash模塊的數(shù)據(jù)運(yùn)算方法

此專利提出的基于NOR Flash模塊的數(shù)據(jù)運(yùn)算流程如圖1所示，其中NOR Flash模塊是計(jì)算和存儲(chǔ)的物理主體位置，包含多個(gè)由集成電路構(gòu)成的存儲(chǔ)單元，通常為MOS管，這種成熟的集成電路結(jié)構(gòu)一方面可以利用電荷充放電的特性進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，另一方面可以對(duì)電壓或電流進(jìn)行處理計(jì)算達(dá)到計(jì)算功能。當(dāng)模塊存儲(chǔ)有數(shù)據(jù)后，步驟S1000獲取存儲(chǔ)單元的初始參數(shù)，并對(duì)存儲(chǔ)單元閾值電壓進(jìn)行編程，并獲取電壓隨編程操作的變化曲線；S2000根據(jù)上述曲線，對(duì)存儲(chǔ)單元的閾值電壓進(jìn)行調(diào)整；步驟S3000向所述存儲(chǔ)單元的輸入端輸入數(shù)據(jù)參數(shù)；步驟S4000根據(jù)調(diào)整后的閾值電壓以及數(shù)據(jù)參數(shù)，利用預(yù)設(shè)算法獲取存儲(chǔ)單元的輸出數(shù)據(jù)參數(shù)；步驟S5000根據(jù)上述輸出數(shù)據(jù)參數(shù)，對(duì)存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，并通過(guò)測(cè)量電路測(cè)量輸出。

圖2 NOR型閃存單元結(jié)構(gòu)圖

此專利提出的系統(tǒng)采用圖2所示的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)，類似于現(xiàn)有的集成電路中的MOS結(jié)構(gòu)，包括柵端、源端和漏端，其氧化程度、PN密度等物理結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致了初始參數(shù)不同。對(duì)其進(jìn)行編程和擦除操作等效于改變存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)中存儲(chǔ)的電荷量，進(jìn)而導(dǎo)致閾值電壓變化，而通過(guò)NOR Flash模塊可以對(duì)其內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)和外部輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，如乘加運(yùn)算。同時(shí)，NOR Flash模塊可以作為整體封裝成芯片，或以模塊的形式嵌入到其他芯片中，并添加相應(yīng)外設(shè)電路配合使用。

圖3 數(shù)據(jù)運(yùn)算方法實(shí)例結(jié)構(gòu)圖

圖3是此專利提出的兩種簡(jiǎn)單的實(shí)例結(jié)構(gòu)圖，左側(cè)為MOS管組成的電流鏡，右側(cè)結(jié)構(gòu)的輸出電流通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。以左側(cè)電流鏡為例，MOS管漏端輸入電流信號(hào)，存儲(chǔ)單元漏端輸入電壓信號(hào)，并向另一側(cè)漏端輸入等幅電壓信號(hào)，并獲取電流鏡式的存儲(chǔ)單元輸出數(shù)據(jù)參數(shù)。

“存算一體”芯片的誕生相對(duì)現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)體系是一個(gè)質(zhì)變的過(guò)程，而這一革新出現(xiàn)在了國(guó)內(nèi)企業(yè)則代表著中國(guó)正在緊緊追趕技術(shù)發(fā)展熱潮并獲得顯著效果，也堅(jiān)信國(guó)內(nèi)的企業(yè)定會(huì)在這一領(lǐng)域定會(huì)再創(chuàng)成就。