RRAM SRAM Fusion CIM 论文阅读

CIM 发展这么多年，RRAM CIM 和 SRAM CIM 各自精彩。前几天 TSMC+新竹清华的张孟凡老师团队在 Science 上发表 RRAM + SRAM CIM 的 Fusion CIM 工作^[1]。

Review

Digital SRAM CIM 相较其他主流 AI 加速器范式区别不大，也是最 promising 接近商用的路线（今年 ISSCC 已有工业界 Axelera AI 和 MediaTek 的工作亮相）。

个人见解，SRAM CIM 是固定 weight 不断刷新输入 activation，计算策略上和 systolic array weight-stationary 策略异曲同工。而 SRAM CIM 准确来说都是 NMC(Near-Memory Computing) 而非像 RRAM 那样真正存储和计算在器件层面融合，计算单元和存储单元还是分离的，只是你中有我我中有你，计算架构上对比 GPU 同一个 SM（Streaming Multiprocessor）中的 share memory SRAM cache 也非常相似，只是 SRAM CIM 的容量往往比 GPU 的 shared memory 更大一些（SRAM Macro 的 size 一般 10 ~ 100 KB 量级不等，而 A100 的 shared memory 则是 5.125 KB^[2]）。

RRAM CIM 范式则更加特立独行。作为存储 RRAM 的好处是 non-volatile，即是 on-chip memory 也发挥 storge 的功能。然而即使 1T1R-RRAM 相比同为片上的 6T-SRAM 大概有 6x 的密度提升，相比 multi-layer 的 DRAM 或是 flash 单元还是远远不足。所以 RRAM CIM 的工作都会尽量避开和 DRAM 或是 SSD 的交互来突出应用价值，也因此所有在 RRAM 上跑的网络都是类似 ResNet-20 或是 MobileNet 这种轻量级卷积网络。

虽然说 RRAM+SRAM Fusion CIM，但 RRAM CIM 和 SRAM CIM 的地位并非对等，更贴切的是说，用 SRAM 辅助 RRAM CIM。

RRAM drawback

确定了 SRAM 辅助 RRAM 的立意，我们再来回顾 RRAM 的缺点：

• 写入问题。写入上 RRAM 有 endurance 和 reset-latency 俩个问题。所以一般 RRAM 在 inference 时避免频繁地擦写。
• 精度问题。模拟计算大大降低了系统鲁棒性，容易受到噪声影响计算精度。有三个主要噪声源：制造工艺噪声（Process Variation）、电源噪声（稳压器噪声、IR drop 等）、温度（热噪声等）。为了提高鲁棒性一般降低 RRAM 的阻态数量和提供更大的电压进而提供动态范围，然而这又会降低 RRAM 存储量和能耗表现。

为了减少由制造工艺的误差引起的器件特有的精度损失，除了在虚拟平台先完成模拟的训练，还会在芯片实体上 on-chip training 微调，这又不可避免地引入 RRAM 的写入。

Fusion CIM

围绕 RRAM 的缺点，Fusion CIM 这篇俩个核心创新改进

• precision-throughput 之间的 trade-off
• Adaptive Local Training，减少 on-chip training RRAM 的写入次数

Precision Design Space

Fusion CIM 的核心是 fusion UNIT，每个 fusion UNIT 通过 fusin bridge 将 RRAM CIM 和 SRAM CIM 相连接。

Fusion UNIT 从部署 weight 位置来看，有三种工作模式 memristor-CIM mode、mixed-device CIM mode、SRAM-CIM mode。其中 memristor 又可以进一步挑 MLC，SLC-MLC，SLC 模式，一共是 MM-M、MM-2、MM-1、MM-S、MDM、SM 五种模式，精度依次上升。

神经网络不同计算对精度需求是不一样的，核心部分对精度的需求更大，而其余部分对精度要求相对较低。这也是各种复杂量化策略层出不穷的原因。

基于这个先验，我们可以牺牲一部分网络精度，换取其他指标的提升。这个核心立意继承之前的工作^[3]，只是加上 SRAM 后又添加了几种新模式。

这分为俩个层次，layer wise 和 in-layer。不同的 layer 可以部署在不同的模式。在同一层，更高位 bit（数值更大的数据）对结果的贡献比低位 bit 贡献更大，因此对同一个数据不同精度的混合模式，都是把高精度放在高位。

除了权重部署，每次执行求和操作数数量也会影响精度，更多的数据相加，带来更大的 throughput 和更低的精度（Voltage supply 不变，更多数据相加需要减小单位 bit-line current 从而受到噪声影响更大）。这篇工作使用 dynamic accumulation 在 throughput 和 precision 之间 trade-off。

Adaptive Local Training

之前的 RRAM on-chip learning 要大量擦写 RRAM，而本篇工作 forward 时部分权重部署在 SRAM 上，那么我们固定 RRAM 上的权重，而只修改 SRAM 那部分，用 SRAM 那部分权重修正其余部分 RRAM 噪声带来的影响，从而减少 on-chip training 的写入开销。实际实施 SRAM 的权重只占整体很小一部分，有些网络一次推理中还要多次擦写 SRAM。

写入无法彻底避免，毕竟不涉及 DRAM / SSD，SRAM forward 的权重也是通过 weight transfer 从 RRAM 中读出来的，最终训练完了还是要写回去。

而训练时产生的大量中间变量放置在 512 KB 的片上 buffer，实现彻底纯片上训练^[4]。

Conclusion

本篇工作选择的工艺节点是 22 nm 流片，如果要在更高节点下模拟精度问题进一步扩大，模拟计算相比纯数字范式吸引力大大降低。虽然 RRAM SRAM Fusion CIM 名称很好听，但正如前文所说，本篇工作还是在 RRAM 赛道上驰骋。

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1. Wen, T.-H., Hung, J.-M., Huang, W.-H., Jhang, C.-J., Lo, Y.-C., Hsu, H.-H., Ke, Z.-E., Chen, Y.-C., Chin, Y.-H., Su, C.-I., Khwa, W.-S., Lo, C.-C., Liu, R.-S., Hsieh, C.-C., Tang, K.-T., Ho, M.-S., Chou, C.-C., Chih, Y.-D., Chang, T.-Y. J., & Chang, M.-F. (2024). Fusion of memristor and digital compute-in-memory processing for energy-efficient edge computing. Science, 384(6693), 325–332. https://doi.org/10.1126/science.adf5538 ↩︎

2. A100 数据来源见 Song, X., Wen, Y., Hu, X., Liu, T., Zhou, H., Han, H., Zhi, T., Du, Z., Li, W., Zhang, R., Zhang, C., Gao, L., Guo, Q., & Chen, T. (2023). Cambricon-R: A Fully Fused Accelerator for Real-Time Learning of Neural Scene Representation. 56th Annual IEEE/ACM International Symposium on Microarchitecture, 1305–1318. https://doi.org/10.1145/3613424.3614250 ↩︎

3. Hsu, H.-H., Wen, T.-H., Huang, W.-H., Khwa, W.-S., Lo, Y.-C., Jhang, C.-J., Chin, Y.-H., Chen, Y.-C., Lo, C.-C., Liu, R.-S., Tang, K.-T., Hsieh, C.-C., Chih, Y.-D., Chang, T.-Y. J., & Chang, M.-F. (2024). A Nonvolatile AI-Edge Processor With SLC–MLC Hybrid ReRAM Compute-in-Memory Macro Using Current–Voltage-Hybrid Readout Scheme. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 59(1), 116–127. https://doi.org/10.1109/JSSC.2023.3314433 ↩︎

4. 涂老师指出补充 ↩︎