AI时代的存储墙，哪种存算方案才能打破？

电子发烧友网报道（文/周凯扬）回顾计算行业几十年的历史，芯片算力提升在几年前，还在遵循摩尔定律。可随着如今摩尔定律显著放缓，算力发展已经陷入瓶颈。而且祸不单行，陷入同样困境的还有存储。从新标准推进的角度来看，存储市场依然在朝着更高性能的方向发展。但以这些通用标准推出的产品，终究还是会被用到冯诺依曼架构的计算体系中去。或许单个产品的性能有所增加，可面对AI计算的海量数据，这点提升还是有些不够看。
 
以LLM这个热门AI应用而言，其数据量已经在以2年750倍的速度爆发式增长，相较之下硬件算力正在以2年3倍的速度增长。但与存储不同，硬件算力是可以靠堆规模来实现持续提升的，可存储带宽和互联带宽却没法拥有同样的拓展性，只有存储容量能够勉强跟上。所以市场上多数都在追求某种形式的存算一体方案，但实现的形式和技术路线不尽相同。
 
近存方案，更大的SRAM和HBM
 
对于我们说的存储墙而言，其实在SRAM上并不那么明显，这种最接近处理单元的存储，常被用作高速缓存，不仅读写速度极快，能效比更是远超DRAM。但SRAM相对其他存储而言，存储密度最低，成本却不低。所以尽管现如今虽然更大的SRAM设计越来越普遍，但容量离DRAM还差得很远。
 
但这并不代表这样的设计没有人尝试，对于愿意花大成本的厂商而言，还是很高效的一条技术路线。以特斯拉为例，其Tesla Dojo超算系统的自研芯片D1就采用了超大SRAM的技术路线。Dojo在其网格设计中采用了超快且平均分布的SRAM。  
单个D1核心拥有1.25MB的SRAM，加载速度达到400GB/s，存储速度达到270GB/s。单个D1芯片的SRAM缓存达到440MB。简单来说，Dojo可以用远超L2缓存级别的SRAM容量，实现L1缓存级别的带宽和延迟。
 
当然了，这样的设计注定代表了投入大量的成本。在特斯拉2023财年Q4的财报会议上，马斯克强调他们做了英伟达和Dojo的两手准备。Dojo作为长远计划，因为最终的回报可能会值回现在的投入，但他也强调这确实不是什么高收益的项目。
 
所以对于已有的计算架构来说，走近存路线，提高DRAM的性能是最为适合的，比如HBM。HBM作为主流的近存高带宽方案，已经被广泛应用在新一代的AI芯片、GPU上。以HBM3e为例，1.2TB/s的超大带宽足以满足现如今绝大多数AI芯片的数据传输。未来的HBM4更是承诺1.5TB/s到2TB/s的带宽，
 
HBM的方案象征了目前DRAM堆叠的集大成技术，但目前还是存在不少问题，比如更高的成本以及对产能的要求。在现如今的AI需求驱动下，新发布的芯片很难再采用HBM设计的同时，保证大批量量产，无论是HBM产能还是CoWoS产能都处于满载的阶段，而且与制造厂商强绑定。可恰恰存储带宽决定了AI应用的速度，所以在HBM方案量产困难成本高昂的前提下，即便是英特尔和AMD这样的厂商也经不起这样挥霍，不少其他厂商更是选择了看下存内计算。
 
存内计算与处理，需要解决算力与存储双瓶颈
 
为了解决AI计算中数据存取的效率问题，把数据处理和筛选的工作放在存储端，就能极大地降低数据移动的能耗。以三星的PIM技术为例，其将关键的算法内核放在内存中的PCU模块中执行，相比已有的HBM方案，PIM-HBM可以将能耗降低70%以上。而且不仅是HBM，PIM也可以集成到LPDDR、GDDR等存储方案中。
 
不过存内处理的方案只解决了功耗和效率的问题，并没有对计算性能和存储性能带来任何大幅提升。至于将主要计算工作交给存内的计算单元，就是存内计算的目标了，比如不少厂商尝试的模拟存内计算（AIMC）。但这类方案实现大规模并行化运算的同时，还是需要昂贵的数模转换器，以及逃不开的错误检测。至于数字存内计算方案，一定程度上规避了模拟存内计算的缺陷，但还是牺牲了一些面积效率。对于一些大模型AI应用而言，单芯片的存储容量扩展性堪忧。
 
所以数模混合成了新的研究方向，比如中科院微电子研究所就在今年的ISSCC大会上发表了数模混合存算一体芯片的论文，其采用模拟方案来进行阵列内位乘法计算，利用数字方案来进行阵列外多位移位累加计算，从而达到整体的高能量效率和面积效率，INT8精度下的计算峰值能效可达111.17TFLOPS/W.  
除此之外，还有存间计算的厂商，将计算单元放在不同的SRAM之间。以存间计算初创公司Untether AI为例，他们以打造存内推理加速器AI为主，通过将计算单元放在两个存储单元之间，其IC可以提供更高能效比的推理性能。比如他们在打造的第二代IC，speedAI240，集成了1400个定制RISC-V核心，可以提供至高2PetaFlops的推理性能，能耗比最高可达30 TFLOPS/W。
 
除了各种存算一体架构的算力瓶颈外，存储本身也需要做出突破。以三星的PIM为例，其虽然在DRAM上引入了PIM计算单元，但并未对DRAM本身的带宽的性能带来提升，这就造成了在存算一体的架构中，依然存在计算单元与存储器性能不平衡的问题，各种其他类型的存储器，包括MRAM、PCM、RRAM，除了量产问题外，写入速度和功耗的问题也还未实现突破。
 
西安紫光国芯为此提出了一种3D异质集成DRAM架构，逻辑晶圆通过3D混合键合工艺堆叠至SeDRAM晶圆上，进一步提升了访存带宽，降低了单位比特能耗，还能实现超大容量。从去年紫光国芯在VLSI 2023发布的论文来看，其SeDRAM已经发展至新一代多层阵列架构。结合低温混合键合技术和mini-TSV堆叠技术，可以实现135Gbps/Gbit的带宽和0.66pJ/bit的能效。
 
写在最后
 
其实无论是哪一种突破存储墙瓶颈的方式，最终都很难逃脱复杂工艺带来的挑战。行业迟迟不愿普及相关的存算技术，还是在制造工艺上没有达到适合普及的标准，无论是良率、成本还是所需的设计、制造流水线变化。已经占据主导地位的计算芯片厂商，也不会选择非得和存储绑在一条船上，但行业必然会朝这个方向发展。
 
此外，不少存内计算的堆叠方案中，还没有选择将主计算资源的CPU或GPU与存储垂直堆叠，而是把部分计算负载交给与存储结合的计算单元。这样一来既提高了AI计算的效率，又不会因为结构变化而出现不兼容的情况。从行业发展的角度来看，近存计算和存内处理最有可能先普及开来。