in memory computing 存内计算是学术圈自娱自乐还是真有价值？

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如果单从初衷和预想的价值来看，还是很诱人的。在冯诺依曼体系中，cpu计算和memory存储是分离的，而两者之间的data movement会造成高延迟和高耗能。

关于PIM类似的思想在50年前曾有人提出过，比如1969年WILLIAM H. KAUTZ发表的论文Cellular Logic-in-Memory Arrays和1970年在斯坦福大学工作的HAROLD S. STONE发表的论文A Logic-in-Memory Computer ，不过因为当时memory scaling不大，耗能瓶颈还没有出现，人们更多的是对CPU性能的关注，所以这些想法并没有被实现。

而随着近年AI等访存密集和计算密集应用的发展，高延迟和高耗能的问题成为急需解决的问题。

Nvidia的Chief Scientist——Bill Dally在2015年的一个演讲Nvidia's Path to Exascale给了一组数据：DRAM与CPU之间的date movement耗能是单纯double precise浮点数加法耗能的1000倍。

2018年的一篇论文Google Workloads for Consumer Devices: Mitigating Data Movement Bottlenecks 统计了Google常见产品(Chome/Tensorflow Mobile/video playback/video capture)的耗能情况，发现62.7%浪费在cpu和memory之间的data movement上。

2015年Google和哈佛大学联合发表了论文Profiling a warehouse-scale computer，研究人员在Google不同数据中心的20000多台机器上做了为期三年的实验，发现只有20%左右的cycles在做【userful work】，而50% - 60%的cycles是因为Back-end bound而被浪费，在Back-end bound中，80%是【serving data cache request】

严格来说，题主说的in memory computing可以分成两类：

• process using memory : 偏向于电路革新，比如让存储器本身具有计算能力，但是这种方法目前计算精度较为有限。
• process near memory : 存储器内部集成额外的计算单元，比如3D-stacked memory、logic in memory controllers.

2021年Samsung发布了基于HBM-PIM的Function-in-Memory DRAM，主要针对AI场景，使用20nm DRAM工艺，并且实现了1.2TOPS的浮点数算力。可以将整体计算性能提升两倍、耗能降低70%。

Samsung在HBM-PIM中集成了额外的Programmable Computint Unit —— PCU，也就是上面说的process near memory。从下图可以看出，PCU包含了浮点数计算阵列FP16 Mult Array、流水线解码单元Pipeline Decoder、寄存器Register Group。PCU直接从邻近的DRAM中直接读取相关数据，在FP16 Mult Array中完成计算，并且根据指令进一步把结果存储到寄存器中，同时主控制器也可以根据需要把结果从寄存器读出。

另外一个比较出名的是UPMEM在2019 Hot Chips上发布的Processing-in-DRAM Engine。与Samsung的不同，这个属于process using memory，在DRAM上开发了内置于DRAM芯片本身的DPU，每个DPU可以访问64 MB的DRAM。UPMEM预计大多数应用需要几百行代码，少数人组成的团队只需2-4周就可以更新软件。

Samsung于2022年1月12号（上上周）在Nature上发布了业内首个基于 MRAM（磁性随机存储器）的存内计算芯片。这个我没细研究过，但是用MRAM来做存内计算，也算是一个巨大的飞跃。

不过还是有很多因素阻碍的PIM，比如：

• memory interleave的问题，现代memory都是按照channel去interleave，用PIM后，比如3D-stacked memory后，如何去分布数据
• 如何更方便的编程，什么操作用PIM，什么操作用CPU
• cache coherence
• 工艺的复杂程度
• ......

Onur Mutlu在ETH Zürich的Fall 2021Computer Architecture课程里也讲过之前关于PIM论文在ISCA 2016、MICRO 2016、HPCA 2017和ISCA 2017被Reject的历史，Reviewer当时给出的comment意思基本是This Will Never Get Implemented、Not practical：

Onur Mutlu对Reviewers的建议 : )

我们一般都是根据过去的经验去评价未来，没价值也没人去做了，这个价值不单单指钱 ，而且真的改变世界了呢 : )

 

（完）