后摩尔时代的新架构——存算一体

近期，集成电路领域的“后摩尔时代”技术引发了广泛关注。“存算一体”作为“后摩尔时代”的一大发展方向，有望解决当前集成电路系统中所面临的“存储墙”和“功耗墙”问题，具有重要的战略价值。

所谓“存算一体”，是指将传统以计算为中心的架构转变为以数据为中心的架构，直接利用存储器进行数据处理，从而把数据存储与计算融合在同一芯片中，极大提高计算并行度与能量效率，特别适用于深度学习神经网络领域，如可穿戴设备、移动设备、智能家居等场景。

“存算一体”的关键在于突破了传统的冯·诺依曼计算架构下，数据存储与数据处理相互分离，存储器与处理器之间通过数据总线进行数据传输的速率和功耗瓶颈。速率方面，数据总线的有限带宽严重制约处理器的性能与效率，AI运算需要1PB/s的运算速率，而作为缓存的SRAM速度仅有100TB/s，主存DRAM的速度更是仅有1TB/s，每一级存储之间都形成了一道“存储墙”，制约着系统整体的运算速率。功耗方面，数据在存储器与处理器之间的频繁迁移带来严重的传输功耗问题。在摩尔定律时代，这一功耗尚可随着晶体管尺寸的减小等比例地缩小，称为“登纳德微缩”。然而，当“后摩尔时代”芯片的特征尺寸进入7nm以后时，量子效应所导致的漏电使得单位功耗密度快速上升，由于数据传输所导致的静态功耗越来越成为芯片发展的制约，形成“功耗墙”。芯片的设计无法再依靠尺寸微缩取得更好的性能和能效，“存算一体”架构开始显现出其独特优势。

存算一体概念的提出最早可以追溯到上个世纪七十年代，斯坦福研究所的Kautz等人于1969年提出了存算一体的概念，期望直接利用内存做一些简单的计算功能，减小数据在处理器与存储器之间的搬移。2010年以来，随着数据量不断增大以及3D内存等技术的出现，存算一体的概念重新得到人们的广泛关注，并开始应用于商业级DRAM主存当中。尤其从2015年开始，随着云计算、物联网、人工智能等大数据应用的兴起，存算一体得到国内外学术界与产业界的广泛研究与应用。在2017年微处理器年会(Micro 2017)上，包括英伟达、英特尔、微软、三星与加州大学圣塔芭芭拉分校等都推出了他们的存算一体系统原型。

存算一体的性能功耗优势已经被初步证明。三星公司在2021年2月22日举行的国际固态电路会议（ISSCC）上首次发表了基于高带宽内存（HBM）技术的 HBM-PIM处理器。三星公司指出，当他们用现有的HBM2 Aquabolt系统测试新技术时，系统性能提高了一倍、能源消耗降低了70%。

在此变革初现的背景下，为支持我国集成电路产业在“后摩尔时代”的高质量发展，中国电子信息产业发展研究院将于2021年10月28-29日在广东珠海举办2021第十六届‘中国芯’集成电路产业促进大会。大会将延续既往十五年“以用立业 以用兴业”的活动宗旨，以“链上中国芯 成就中国造”为主题举办，同期还有“中国芯”优秀产品征集结果公布仪式、专题高峰论坛、城市集成电路产业发展展示等活动。期待您的到来！