合并內(nèi)存和計(jì)算 可編程芯片速度AI 削減功耗

通過(guò)改變計(jì)算的基本屬性，普林斯頓大學(xué)的研究人員已經(jīng)建立了一種新型的計(jì)算機(jī)芯片，可以提高性能并減少用于人工智能的系統(tǒng)的能量需求。

該芯片采用標(biāo)準(zhǔn)編程語(yǔ)言，在依賴高性能計(jì)算且電池壽命有限的手機(jī)，手表或其他設(shè)備上特別有用。

該芯片基于一種稱為內(nèi)存計(jì)算的技術(shù)，旨在消除主要的計(jì)算瓶頸，迫使計(jì)算機(jī)處理器花費(fèi)時(shí)間和精力從存儲(chǔ)的內(nèi)存中獲取數(shù)據(jù)。內(nèi)存計(jì)算直接在存儲(chǔ)中執(zhí)行計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)更高的速度和效率。

該新芯片的發(fā)布，具有沿系統(tǒng)編程它，緊跟在先前的一份報(bào)告，在與ADI公司合作，研究人員已經(jīng)在內(nèi)存計(jì)算制造電路。電路的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明，該芯片的性能比同類芯片快幾十到幾百倍。但是，最初的芯片并未包含最新版本的所有組件，因此其功能有限。

在新公告中，電氣工程副教授Naveen Verma實(shí)驗(yàn)室的研究人員報(bào)告稱，他們已將內(nèi)存電路集成到可編程處理器架構(gòu)中。該芯片現(xiàn)在可以使用常見(jiàn)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，如C.

“以前的芯片是強(qiáng)大而強(qiáng)大的引擎，”Verma集團(tuán)的研究生，芯片設(shè)計(jì)師之一的洪陽(yáng)佳說(shuō)。“這款芯片就是整車(chē)。”

雖然它可以在廣泛的系統(tǒng)中運(yùn)行，但普林斯頓芯片旨在支持為深度學(xué)習(xí)推理算法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，這些算法允許計(jì)算機(jī)通過(guò)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)集來(lái)制定決策和執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)。深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)指導(dǎo)自動(dòng)駕駛汽車(chē)，面部識(shí)別系統(tǒng)和醫(yī)療診斷軟件。

Verma表示，對(duì)于許多應(yīng)用而言，芯片的節(jié)能與性能提升同樣重要。這是因?yàn)轭A(yù)計(jì)許多AI應(yīng)用程序?qū)⒃谟梢苿?dòng)電話或可穿戴醫(yī)療傳感器等電池驅(qū)動(dòng)的設(shè)備上運(yùn)行。例如，Apple iPhone X已經(jīng)將AI芯片作為其電路的一部分。但是，如果可以通過(guò)需要它們的廣泛應(yīng)用程序訪問(wèn)它們，那么節(jié)能和性能提升都是有用的 - 這就是對(duì)可編程性的需求所在。

“經(jīng)典的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)將處理數(shù)據(jù)的中央處理器與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器分開(kāi)，”Verma說(shuō)。“很多計(jì)算機(jī)的能量用于來(lái)回移動(dòng)數(shù)據(jù)。”

在某種程度上，新芯片是對(duì)摩爾定律放緩承諾的回應(yīng)。1965年，英特爾創(chuàng)始人戈登·摩爾(Gordon Moore)觀察到，集成電路上的晶體管數(shù)量每年都翻了一番，業(yè)界也注意到這些晶體管在這個(gè)過(guò)程中變得更快，更節(jié)能。幾十年來(lái)，這些被稱為摩爾定律的觀察結(jié)果支撐著計(jì)算機(jī)變得越來(lái)越強(qiáng)大的轉(zhuǎn)變。但是近年來(lái)，晶體管并沒(méi)有像過(guò)去那樣不斷改進(jìn)，而是遇到了物理學(xué)的基本限制。

專注于電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的Verma考慮了在架構(gòu)級(jí)別而不是晶體管級(jí)別上的這種擠壓方式。如果AI可以在與計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器相同的位置進(jìn)行，那么AI所需的計(jì)算將更加有效，因?yàn)樗鼘⑾糜讷@取遠(yuǎn)處存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的時(shí)間和能量。這將使計(jì)算機(jī)更快，而無(wú)需升級(jí)晶體管。但是創(chuàng)建這樣一個(gè)系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。存儲(chǔ)器電路設(shè)計(jì)得盡可能密集，以便打包大量數(shù)據(jù)。另一方面，計(jì)算要求將空間用于額外的晶體管。

一種選擇是用晶體管替代稱為電容器的電子元件。晶體管本質(zhì)上是使用電壓變化代表構(gòu)成二進(jìn)制計(jì)算機(jī)信號(hào)的1和0的開(kāi)關(guān)。他們可以使用1位和0位數(shù)組進(jìn)行各種計(jì)算，這就是系統(tǒng)被稱為數(shù)字的原因。電容器存儲(chǔ)和釋放電荷，因此它們可以代表任何數(shù)字，而不僅僅是1和0。Verma意識(shí)到，使用電容器，他可以在比晶體管更密集的空間內(nèi)進(jìn)行計(jì)算。

電容器也可以非常精確地制作在芯片上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)晶體管。新設(shè)計(jì)將電容器與芯片上的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)的傳統(tǒng)單元相配對(duì)。電容器和SRAM的組合用于對(duì)模擬(非數(shù)字)域中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，但是以可靠且易于包括可編程性特征的方式進(jìn)行計(jì)算?，F(xiàn)在，存儲(chǔ)器電路可以以芯片中央處理單元指示的方式執(zhí)行計(jì)算。

“內(nèi)存計(jì)算近年來(lái)已經(jīng)顯示出許多承諾，真正解決了計(jì)算系統(tǒng)的能量和速度，”Verma說(shuō)。“但最重要的問(wèn)題是，這個(gè)承諾是否會(huì)擴(kuò)展并且可以被系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員用于我們真正關(guān)心的所有AI應(yīng)用程序。這使得可編程性成為必要。”