新加坡南洋理工大學(xué)、德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)和尤利希研究中心的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)找到了一種方法讓記憶芯片執(zhí)行傳統(tǒng)上由處理器完成的計(jì)算任務(wù)。這意味著存儲(chǔ)芯片能在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的同一位置處理數(shù)據(jù)，將有助于創(chuàng)造出更小更快更薄的移動(dòng)設(shè)備和計(jì)算機(jī)，通過(guò)減少處理器而節(jié)省空間。
新的計(jì)算電路使用了SanDisk和松下等公司研發(fā)的電阻式隨機(jī)存取內(nèi)存（ReRAM）芯片，研究顯示ReRAM芯片不僅可以儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，還可以處理數(shù)據(jù)。研究報(bào)告發(fā)表在《Scientific Reports》期刊上。
什么是ReRAM？
ReRAM（可變電阻式存儲(chǔ)器），將DRAM的讀寫速度與SSD的非易失性結(jié)合于一身。換句話說(shuō)，關(guān)閉電源后存儲(chǔ)器仍能記住數(shù)據(jù)。如果ReRAM有足夠大的空間，一臺(tái)配備ReRAM的PC將不需要載入時(shí)間。
ReRAM一直被認(rèn)為是未來(lái)閃存的替代方案，能在單塊芯片上存儲(chǔ)1T數(shù)據(jù)，存取速率比閃存快20倍。典型的ReRAM由兩個(gè)金屬電極夾一個(gè)薄介電層組成，介電層作為離子傳輸和存儲(chǔ)介質(zhì)。選用材料的不同會(huì)對(duì)實(shí)際作用機(jī)制帶來(lái)較大差別，但本質(zhì)都是經(jīng)由外部刺激（如電壓）引起存儲(chǔ)介質(zhì)離子運(yùn)動(dòng)和局部結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)而造成電阻變化，并利用這種電阻差異來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
一個(gè)典型的ReRAM單元具有一個(gè)轉(zhuǎn)換材料，它具有不同的電阻特性，并且被夾在兩個(gè)金屬電極之間。ReRAM的轉(zhuǎn)換效應(yīng)是基于在電場(chǎng)或者高溫的影響下產(chǎn)生的離子運(yùn)動(dòng)以及轉(zhuǎn)換材料存儲(chǔ)離子分布的能力而實(shí)現(xiàn)的，從而引發(fā)設(shè)備電阻的可度量變化。
有很多不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)ReRAM，它們采用不同的轉(zhuǎn)換材料和內(nèi)存單元組織結(jié)構(gòu)。不同的材料所具有的不同變量可以導(dǎo)致顯著的性能差異。ReRAM技術(shù)最常見的挑戰(zhàn)在于熱敏度、與標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)和制造工藝的整合、以及每一個(gè)ReRAM單元的選擇機(jī)制。
ReRAM內(nèi)存的性能和比特/尺寸密度取決于內(nèi)存單元的內(nèi)聯(lián)方式。嵌入式低延滯、高速內(nèi)存可以通過(guò)用一個(gè)晶體管對(duì)每一個(gè)內(nèi)存單元進(jìn)行單獨(dú)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。在1T1R（每1個(gè)ReRAM單元有一個(gè)晶體管）的陣列組織結(jié)構(gòu)中，內(nèi)存的總體積由晶體管的體積所決定。高密度存儲(chǔ)級(jí)內(nèi)存要求一個(gè)密度高得多的內(nèi)存陣列組織結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)成本效益，這就要求能夠用一個(gè)單一的晶體管來(lái)連接成千上萬(wàn)的內(nèi)存單元。這種1TnR組織結(jié)構(gòu)只有當(dāng)ReRAM單元具有某種內(nèi)建的選擇機(jī)制，可以單獨(dú)地、或者不指定地選擇ReRAM單元時(shí)才有可能實(shí)現(xiàn)。
ReRam通過(guò)改變cell的電阻來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。目前有各種各樣ReRam技術(shù)正在開發(fā)之中，包括相變內(nèi)存(PCM)和惠普Memristor技術(shù)。
隨著更多細(xì)節(jié)的透露，我們期待這個(gè)行業(yè)將形成良性競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)。
ReRAM的優(yōu)點(diǎn)
雖然有不同的規(guī)格,但是所有ReRAM都具有當(dāng)前NAND閃存擁有的主要優(yōu)點(diǎn)：
速度 ReRAM寫速度更快——以納秒為單位而不是毫秒——使它更好適應(yīng)于高性能應(yīng)用。
耐用性 最常見的MLC閃存只能處理10000次寫操作，而ReRAM卻可以處理數(shù)百萬(wàn)個(gè)。
功率 研究人員已經(jīng)證明微安培寫入功率并期望很快將進(jìn)一步降低到納安范圍，這使得ReRAM比NAND閃存能效更高。
在可預(yù)見的未來(lái)，NAND閃存將保留在成本和密度上的優(yōu)勢(shì),這意味著它仍將在未來(lái)幾十年存活下去。那么ReRAM在存儲(chǔ)層中的定位是?
數(shù)據(jù)完整性 丟失一個(gè)快照是沒(méi)有什么大不了的。丟失你的支票帳戶存款就不一樣了。關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用更喜歡ReRAM，而且關(guān)鍵是買得起。
性能 固態(tài)盤這種高速存儲(chǔ)介質(zhì)消除了復(fù)雜性并提高了性能。
移動(dòng)性 網(wǎng)絡(luò)寬帶和內(nèi)存容量之間進(jìn)行著一場(chǎng)永無(wú)止境的拉鋸戰(zhàn)，在這種情況下，消費(fèi)者可能會(huì)喜歡上他們移動(dòng)設(shè)備的大容量存儲(chǔ)。如果是這樣, ReRAM節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)將在高端產(chǎn)品有所體現(xiàn)。
東芝憑借其類似于今天1.5萬(wàn)轉(zhuǎn)硬盤的固態(tài)硬盤，開始涉足這些高端市場(chǎng)。這可能不是一個(gè)巨大的市場(chǎng)，但是其高利潤(rùn)率還是值得一試的。
其他廠商，包括松下、美光和三星，也正在致力于ReRAM的研發(fā)。另外一個(gè)有趣的問(wèn)題是：在系統(tǒng)中ReRAM多大程度上能替代高速DRAM？
三進(jìn)制的ReRAM提供處理能力
目前，市場(chǎng)上所有的計(jì)算機(jī)處理器，都使用了二進(jìn)制系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)由兩種狀態(tài)組成，0或者1，例如字母B，在計(jì)算機(jī)內(nèi)就存儲(chǔ)為「01000010」的形式。
數(shù)字1到27，三進(jìn)制（第一行）、二進(jìn)制（第二行）、十進(jìn)制（第三行）數(shù)字對(duì)照表。
然而，ReRAM 電路所表示的數(shù)據(jù)狀態(tài)，并不是0和1兩種，它可以存儲(chǔ)和處理數(shù)碼有：0、1、2，即「三進(jìn)制數(shù)字系統(tǒng)」，從而可以存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)狀態(tài)。
原因就是，ReRAM使用不同的電阻來(lái)存儲(chǔ)信息，從原理上來(lái)說(shuō)，可以突破現(xiàn)有二進(jìn)制系統(tǒng)的限制，顯著提升計(jì)算任務(wù)的處理速度。
來(lái)自南洋理工大學(xué)的計(jì)算科學(xué)和工程系助理教授Chattopadhyay 是該存儲(chǔ)器三進(jìn)制系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)者。他認(rèn)為在目前的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，所有的信息在計(jì)算處理前，必須以一連串的0或者1的數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)。所以，他解釋道：
「這好比使用小型翻譯器和某人進(jìn)行長(zhǎng)篇對(duì)話，這會(huì)是一個(gè)耗時(shí)耗力的過(guò)程。我們現(xiàn)在增加這個(gè)小型翻譯器的容量，使它可以更加有效地處理數(shù)據(jù)?！?/p>
目前，移動(dòng)設(shè)備和電腦，都是沿用傳統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，從內(nèi)存中獲取數(shù)據(jù)，然后傳輸?shù)教幚砥鲉卧?，再進(jìn)行計(jì)算。
然而，南洋理工大學(xué)設(shè)計(jì)的這種具有計(jì)算功能的存儲(chǔ)器，無(wú)需在處理器和存儲(chǔ)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不僅節(jié)省了時(shí)間，而且降低了能耗。
由于現(xiàn)在計(jì)算機(jī)軟體正在變得越來(lái)越復(fù)雜，數(shù)據(jù)中心需要處理比以往更大量的數(shù)據(jù)。所以，對(duì)于全球產(chǎn)業(yè)來(lái)講，尋找更加快速高效的計(jì)算處理，是目前最迫切的需求之一。而能實(shí)現(xiàn)計(jì)算的ReRAM就有七天然優(yōu)勢(shì)。
相比當(dāng)前的計(jì)算機(jī)和移動(dòng)設(shè)備中的處理器速度，該存儲(chǔ)器設(shè)備的速度可提高達(dá)兩倍或者兩倍以上。存儲(chǔ)器晶元能夠完成計(jì)算任務(wù)，就無(wú)需處理器對(duì)于數(shù)據(jù)的處理，這樣不僅速度會(huì)加快，而且空間上可以節(jié)省不少，讓電子設(shè)備變得更小和更輕。
研究人員認(rèn)為，因?yàn)镽eRAM 接近商用和上市，所以使用ReRAM進(jìn)行計(jì)算，會(huì)比其他即將到來(lái)的計(jì)算技術(shù)成本更低。
Waser 教授解釋道：
「ReRAM，目前是一種通用非易失存儲(chǔ)器的概念。這些設(shè)備能耗低、速度快，體積可以壓縮的更小。它們不僅可用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，也可以用于計(jì)算，為在信息技術(shù)中更加有效的利用能源，開辟了一條全新的途徑?！?/p>
ReRAM性能卓越，它不僅具有長(zhǎng)期的存儲(chǔ)容量、低能耗，也可以進(jìn)行納米級(jí)制造。很多半導(dǎo)體公司，紛紛被吸引，投資研發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。同時(shí)，它也將對(duì)于革新消費(fèi)電子和可穿戴產(chǎn)品的設(shè)計(jì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
展望未來(lái)，這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)目前正在尋找行業(yè)合作伙伴，利用這項(xiàng)重要科學(xué)進(jìn)展。
與此同時(shí)，研究人員也在進(jìn)一步開發(fā)ReRAM，未來(lái)有望處理比三進(jìn)制更多的狀態(tài)，更大幅度地提高計(jì)算機(jī)計(jì)算速度。
另外，他們也希望在實(shí)際的計(jì)算場(chǎng)景中測(cè)試這項(xiàng)技術(shù)的性能。
延伸閱讀：Crossbar用ReRAM助力人工智能
人工智能將會(huì)對(duì)人們每天的生活帶來(lái)意義深遠(yuǎn)的影響，也會(huì)為公司打開一個(gè)全新的商業(yè)模式與收入來(lái)源。一些公司，包括臉書、亞馬遜、微軟、谷歌、阿里巴巴、騰訊、百度等，都在產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，包括人臉、位置、行為習(xí)慣、社交照片等。物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)到來(lái)，而且正在指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)；自動(dòng)駕駛汽車已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，云計(jì)算已經(jīng)無(wú)處不在。我們剛開始想象如何借助于這些創(chuàng)新來(lái)開創(chuàng)一個(gè)人工智能的新時(shí)代，創(chuàng)建新的商業(yè)模式、新的生產(chǎn)率典范和新的大眾娛樂(lè)方式，這些不僅對(duì)人類帶來(lái)意義深遠(yuǎn)的影響，而且也為通過(guò)數(shù)據(jù)盈利的創(chuàng)新者帶來(lái)巨大的財(cái)富。
首先，需要收集與存儲(chǔ)這些“大”數(shù)據(jù)。但是，比數(shù)據(jù)有多“大”更為重要的是，如何驅(qū)動(dòng)下一波的創(chuàng)新。在人工智能競(jìng)賽中的勝出者需要做四件事：1、訪問(wèn)大量的數(shù)據(jù)；2、訪問(wèn)正確的數(shù)據(jù)；3、把數(shù)據(jù)變?yōu)榫哂锌尚袆?dòng)性的洞察力的強(qiáng)大算法；4、超越競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的速度和規(guī)模。今天，通過(guò)訓(xùn)練人工智能算法與創(chuàng)建新的應(yīng)用，數(shù)據(jù)有機(jī)會(huì)成為利潤(rùn)中心。更多的數(shù)據(jù)訓(xùn)練，就會(huì)讓人工智能算法更聰明 。
只有應(yīng)用Crossbar ReRAM這樣新的存儲(chǔ)技術(shù)，才能夠發(fā)揮人工智能真實(shí)的潛能，實(shí)現(xiàn)速度、低功耗/高能效、存儲(chǔ)容量與可制造性的完美結(jié)合，使這個(gè)嶄新的世界成為現(xiàn)實(shí)。
當(dāng)目標(biāo)從簡(jiǎn)單的代碼行的抓取，轉(zhuǎn)變成對(duì)從外部傳感器獲取的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、分析、執(zhí)行時(shí)，大數(shù)據(jù)到人工智能的根本轉(zhuǎn)變就來(lái)臨了。從傳感器來(lái)的數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在芯片上，直接輸送給深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以便采取直接的行動(dòng)。非易失性的存儲(chǔ)技術(shù)，比如Crossbar ReRAM存儲(chǔ)技術(shù)，通過(guò)低功耗、快速讀取、基于字節(jié)尋址的寫操作，來(lái)幫助應(yīng)對(duì)性能與功耗的挑戰(zhàn)。
Crossbar ReRAM存儲(chǔ)技術(shù)能夠直接集成在芯片內(nèi)部，產(chǎn)生一個(gè)新的以存儲(chǔ)為中心的片上系統(tǒng)架構(gòu)。通過(guò)與處理器核集成在同一顆芯片中的片上系統(tǒng)方案，ReRAM充分地加速了深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。ReRAM技術(shù)是一個(gè)重要的創(chuàng)新，它加速人工智能的潛能，實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用，加速性能，極大地提高能效，實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的安全性，減少芯片的數(shù)量和芯片的面積。
高性能計(jì)算，比如人工智能，需要在處理器、存儲(chǔ)與輸入輸出之間進(jìn)行高帶寬、低時(shí)延的數(shù)據(jù)訪問(wèn)。 Crossbar ReRAM存儲(chǔ)技術(shù)通過(guò)減少計(jì)算與存儲(chǔ)之間的性能差距，顯著地提升了高性能計(jì)算應(yīng)用的性能。