新創(chuàng)公司、企業(yè)巨擘和學(xué)術(shù)界開始重新審視十年前開發(fā)的處理器架構(gòu)，看好它或許剛好就是機器學(xué)習(xí)(machine learning)的理想選擇。他們認(rèn)為，“ 記憶體式運算 ” (In-Memory Computing；IMC)架構(gòu)可望推動新型的人工智能(AI)加速器進(jìn)展，使其速度較現(xiàn)行的GPU更快1萬倍。

這些處理器承諾可在CMOS微縮速度放緩之際擴展晶片性能，而要求密集乘法累積陣列的深度學(xué)習(xí)演算法也正逐漸獲得動能。這些晶片雖然距離商用化上市還有一年多的時間，但也可能成為推動新興非揮發(fā)性記憶體成長的引擎。

例如，新創(chuàng)公司Mythic瞄淮在快閃記憶體(flash)陣列內(nèi)部進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)路運算任務(wù)，致力于從類比領(lǐng)域降低功耗。該公司的目標(biāo)是在2019年底量產(chǎn)晶片，成為率先推出這一類新晶片的公司之一。

美國圣母大學(xué)(Notre Dame)電子工程系系主任Suman Datta說：“ 在我們學(xué)術(shù)界大多數(shù)的人認(rèn)為，新興記憶體將成為實現(xiàn)記憶體處理器(processor-in-memory；PIM)的技術(shù)之一。采用新的非揮發(fā)性記憶體將意味著創(chuàng)造新的使用模式，而記憶體式運算架構(gòu)將是關(guān)鍵之一。”

Datta指出，在1990年代，有幾位學(xué)者試圖打造這樣的處理器。諸如EXECUBE、IRAM和FlexRAM之類的設(shè)計都 “ 失敗了，而今，隨著相變記憶體(PCM)、電阻式RAM (RRAM)和STT MRAM等新興記憶體出現(xiàn)，以及業(yè)界對于機器學(xué)習(xí)硬體加速器的興趣濃厚，開始振興這個領(lǐng)域的研究。不過，據(jù)我所知，大部份的展示都還是在元件或元件陣列層級進(jìn)行，而不是一個完整的加速器。”

其中一家競爭對手來自IBM于2016年首次披露的 " 電阻處理器 “(Resistive Processing Unit；RPU)。這是一款4,096 x 4,096交叉陣列的類比元件。

IBM研究員Vijay Narayanan認(rèn)為，” 其挑戰(zhàn)在于找出正確的類比記憶體元素是什么——我們正在評估相變、RRAM和鐵電。“ Vijay Narayanan同時也是一位材料科學(xué)家，他主要的研究領(lǐng)域是在高K金屬閘極。

在2015年，美國史丹佛大學(xué)(Stanford University)也曾經(jīng)發(fā)布在這一領(lǐng)域的研究。中國和韓國的研究人員也在追求這一理念。

為了實現(xiàn)成功，研究人員需要找到相容于CMOS晶圓廠的記憶體元件所需材料。此外，Narayanan說，”真正的挑戰(zhàn)“就在于必須在施加電壓時展現(xiàn)對稱的電導(dǎo)或電阻。

IBM Research的材料科學(xué)家Vijay Narayanan表示，大多數(shù)用于AI的記憶體處理器仍處于研究階段，距離可上市的時間約三至五年 （來源：IBM）

關(guān)于未來電晶體的幾點思考

IBM至今已經(jīng)制造出一些離散式元件和陣列，但并不是一款具有4Kx4K陣列的完整測試晶片，也尚未采用目前所認(rèn)為的理想材料。Narayanan表示，IBM的Geoff Burr在500 x 661陣列上采用相變材料進(jìn)行深度神經(jīng)網(wǎng)路(DNN)訓(xùn)練，而其結(jié)果顯示”合理的精確度和加速度“。

” 我們正穩(wěn)步前進(jìn)，但了解還必須改善現(xiàn)有的材料，而且也在評估新材料。“

IBM希望使用類比元件，以便能夠定義多個電導(dǎo)狀態(tài)，從而較數(shù)位元件更有助于為低功耗操作開啟大門。該公司還看好大型陣列可望成為平行執(zhí)行多項AI操作的大好機會。

Narayanan樂觀地認(rèn)為，IBM可以利用其于高k金屬閘極方面累積的多年經(jīng)驗，找到調(diào)整AI加速器電阻的材料。他花了十幾年的時間，才將IBM在該領(lǐng)域的專業(yè)知識從研究轉(zhuǎn)向商業(yè)產(chǎn)品，并與格芯(Globalfoundries)和三星(Samsung)等業(yè)界伙伴合作。

展望未來，IBM將致力于開發(fā)閘極全環(huán)(GAA)電晶體，將奈米片用于7nm節(jié)點以外的應(yīng)用。他認(rèn)為這一類的設(shè)計并不存在根本的障礙，而只是實施的問題。

除了奈米片之外，研究人員正在探索負(fù)電容場效電晶體(FET)，這些FET可在電壓變化很小的情況下提供較大的電流變化。從研究人員發(fā)現(xiàn)這種摻雜氧化哈是鐵電材料，而且可能相容于CMOS后，過去這五年來，這種想法越來越受到關(guān)注。

但Narayanan也說，” 目前還有很多反對者以及同時支持二者的人。“

” 我們的研究顯示，負(fù)電容是一種短暫的效應(yīng)，“Notre Dame的Datta說，”因此，當(dāng)極化開關(guān)切換時，通道電荷得以暫時啟動，而一旦暫態(tài)穩(wěn)定后就不會再取得任何結(jié)果。“