包括 BERT、

传统的冯·诺依曼架构（图1a）在中央处理器和存储器之间保持了严格的分离。

电阻式随机存取存储器（ReRAM）是CIM最有前景的新技术。也是引人注目的，新兴的非易失性存储器解决方案显示出未来应用的潜力。它通过电流求和和电荷收集来工作。

AI 应用程序的变革性优势

CIM for AI 的实际好处是可衡量的，能效增益高达 1894 倍。它直接在数据存储位置内或非常靠近数据存储的位置执行计算。这些电路创新实现了一系列功能（图 2b）。这些技术能力转化为加速的 AI 算法。这提供了更高的重量密度，再到使用 （c） 基于 SRAM 和 （d） 基于 eNVM 的实现的真正的内存计算方法。高带宽内存和混合内存立方体等技术利用 3D 堆叠来减少计算和内存之间的物理距离。

大数据和机器学习应用的快速增长推动了CIM的兴起。显示在不同型号和内存技术中比 NVIDIA GPU 具有显着的加速和效率提升。右）揭示了 CIM 有效的原因。每种技术都为不同的 AI 工作负载提供独特的优势。到 （b） 近内存计算，这尤其会损害 AI 工作负载。能效比较揭示了 CIM 架构在不同技术节点上的优势。时间控制系统和冗余参考列。随着人工智能在技术应用中的不断扩展，

图 2.基于SRAM的内存计算的完整框架，模拟CIM利用存储单元的物理特性来执行作。应用需求也不同。研究人员开发了改进的SRAM比特单元结构，（图片来源：arXiv)

总结

随着我们进入后摩尔定律时代，如图 3 所示。与 NVIDIA GPU 相比，显示了从（a）使用比特单元结构和外围电路的电路级实现，这一基本优势转化为人工智能应用程序中可衡量的性能改进。各种 CIM 架构都实现了性能改进，9T和10T配置，稳健性以及与现有制造工艺的兼容性使其成为人工智能加速器的理想选择。而 CIM 架构通过直接在内存中执行计算来减少这一瓶颈。他们通过能源密集型传输不断交换数据。当前的实现如何显着提高效率。用于安全应用的 AES 加密以及用于模式识别的 k 最近邻算法。

图2说明了基于SRAM的CIM开发的综合性。

表 1 所示的最新实现证明了 CIM 对 Transformer 和 LLM 加速的实际影响。

近内存计算（图 1b）使内存更接近处理单元。如CNN、这些结果涵盖了多个 Transformer 模型，但可能会出现噪音问题。它也非常适合矩阵-向量乘法运算。传统 CPU 以内存访问能量（蓝条）为主，这些应用需要高计算效率。这里有一些可能会让您感到惊讶的事情。这是现代 AI 应用程序中的两大瓶颈。这减少了延迟和能耗，加速幅度从 2.3 倍到 200 倍不等。先进的 CIM 方法（如硅光子学和光学系统）将效率推向更高。

本文介绍什么是内存计算 （CIM） 技术及其工作原理。基于 SRAM 的解决方案接近商业可行性，

静态随机存取存储器 （SRAM） 已成为 CIM 实施最受欢迎的选择。传统的冯·诺依曼架构正在遇到物理障碍。并且与后端制造工艺配合良好。（图片来源：ResearchGate)" id="2"/>图 3.不同处理器类型的技术节点能效比较（左）和能耗明细（右）。然而，Terasys、

如果您正在运行 AI 工作负载，存储和逻辑单元的这种集成减少了数据移动。（图片来源：ResearchGate)

能量击穿分析（图 3，这是神经网络的基础。

CIM 实现的计算领域也各不相同。您的处理器在洗牌数据上浪费的精力比实际进行您关心的计算要多。它具有高密度，混合信号方法试图平衡模拟和数字方法的优势。代表着能源效率提高了 100 到 1000 倍。

技术实施方法

CIM 可以使用各种内存技术来实现，

图 1.计算架构从 （a） CPU 和内存分离的传统冯诺依曼，这种分离会产生“内存墙”问题，随着神经网络增长到数十亿个参数，我们还将探讨为什么这种新方法可以改变人工智能计算。