ReRAM將在邊緣AI扮演重要角色

機(jī)器學(xué)習(xí)有兩個(gè)基本階段：訓(xùn)練和推理。人工神經(jīng)網(wǎng)路旨在模仿大腦的運(yùn)作方式，首先要讀取大量的已知資料——例如狗和貓的圖片——這樣才能學(xué)會(huì)識(shí)別每個(gè)物體的樣子以及它們的不同之處；然后經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)路或模型就可以開(kāi)始工作，根據(jù)所學(xué)到的知識(shí)推斷呈現(xiàn)在面前的新資料是什么事物，例如判別影像中的是狗還是貓。

目前大多數(shù)訓(xùn)練都是在資料中心進(jìn)行的，但也有少數(shù)是在邊緣端進(jìn)行。像Google、Facebook、Amazon、Apple和Microsoft這樣的大公司都擁有大量消費(fèi)者資料，因此可以為他們的「伺服器農(nóng)場(chǎng)」提供足夠多的資料進(jìn)行工業(yè)規(guī)模的AI訓(xùn)練，以改善其演算法。訓(xùn)練階段需要速度非常高的處理器，例如繪圖處理器(GPU)或Google開(kāi)發(fā)的張量處理器(TPU)。

當(dāng)邊緣裝置收集到資料——例如建筑物或人臉的照片——并傳送到推理引擎進(jìn)行分類時(shí)，推理就會(huì)發(fā)生。以云端為基礎(chǔ)的AI因?yàn)楣逃械难舆t缺點(diǎn)，對(duì)許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)是不可接受的；例如自動(dòng)駕駛車(chē)需要對(duì)看到的物體做出即時(shí)決策，這以云端AI架構(gòu)就不可能實(shí)現(xiàn)。

隨著AI功能逐漸向邊緣端發(fā)展，它們將推動(dòng)更多的AI應(yīng)用，而且這些應(yīng)用會(huì)越來(lái)越需要更強(qiáng)大的分析能力和智慧，好讓系統(tǒng)在本地即可做出運(yùn)作決策，無(wú)論是部分還是完全自主的，就像自動(dòng)駕駛車(chē)輛所配備的功能。

傳統(tǒng)CPU不是很擅長(zhǎng)這類任務(wù)，而高階GPU則是功耗大、價(jià)格昂貴；邊緣端推理需要更便宜、功率更低的晶片，可快速透過(guò)神經(jīng)網(wǎng)路識(shí)別一種動(dòng)物、一張臉，鎖定一個(gè)腫瘤，或?qū)⒌抡Z(yǔ)翻譯成英語(yǔ)。如今有超過(guò)30家公司正在研發(fā)AI專用的硬體，以提高在智慧型手機(jī)、平板電腦和其他邊緣裝置中完成這類特殊運(yùn)算任務(wù)的效率。

分析師們預(yù)測(cè)，從2017~2021年，全球AI晶片市場(chǎng)將取得高達(dá)54%的年復(fù)合成長(zhǎng)率(CAGR)，其關(guān)鍵成長(zhǎng)動(dòng)力在于能滿足機(jī)器學(xué)習(xí)要求的強(qiáng)大硬體。

消除記憶體瓶頸

所有AI處理器都仰賴于資料集，也就是「學(xué)習(xí)過(guò)的」物件種類(如影像、聲音等等)模型，用以執(zhí)行識(shí)別功能；每個(gè)物件的識(shí)別和分類都需要多次存取記憶體，而當(dāng)今工程師面臨的最大挑戰(zhàn)就是如何克服現(xiàn)有架構(gòu)中的記憶體存取速度和功耗瓶頸，以實(shí)現(xiàn)更快的資料存取，同時(shí)降低資料存取消耗的能源成本。

透過(guò)在盡可能接近AI處理器核心的位置儲(chǔ)存訓(xùn)練資料，可獲得最快存取速度和最大能效；但是目前的設(shè)計(jì)所采用之儲(chǔ)存架構(gòu)，都是幾年前還沒(méi)有其他實(shí)用解決方案時(shí)打造的，仍然是速度快但小容量的嵌入式SRAM與大容量但速度較慢的外部DRAM之傳統(tǒng)組合。當(dāng)訓(xùn)練模型以這種方式儲(chǔ)存，嵌入式SRAM、外部DRAM和神經(jīng)網(wǎng)路之間頻繁且大規(guī)模的資料交換會(huì)增加功耗及傳輸延遲；此外，SRAM和DRAM都是揮發(fā)性記憶體，限制了在待機(jī)狀態(tài)的省電效果。

利用高密度、高速和低功耗的非揮發(fā)性記憶體將整個(gè)訓(xùn)練模型直接儲(chǔ)存在AI處理器晶片上，就可以實(shí)現(xiàn)更高的能效和速度。透過(guò)實(shí)現(xiàn)以記憶體為中心的新架構(gòu)(如圖1)，整個(gè)訓(xùn)練模型或知識(shí)庫(kù)就可以放在晶片上，直接與神經(jīng)網(wǎng)路連結(jié)，這樣就有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模節(jié)能與性能提升的潛力，并因此能大幅延長(zhǎng)電池壽命并提供更好的用戶體驗(yàn)?，F(xiàn)在已經(jīng)有幾種新一代記憶體技術(shù)正競(jìng)相實(shí)現(xiàn)此一目標(biāo)。

圖1 記憶體位于AI架構(gòu)中心

ReRAM的潛力

針對(duì)AI應(yīng)用的理想非易失性嵌入式記憶體應(yīng)該具備如下特點(diǎn)：容易制造、容易整合到成熟的CMOS后段制程、容易微縮到先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)、可大量供應(yīng)，并且能夠滿足各種應(yīng)用對(duì)功耗和速度的要求。

在制程微縮方面，電阻式記憶體(ReRAM)會(huì)比磁性記憶體(MRAM)或相變化記憶體(PCM)更具優(yōu)勢(shì)，這在考量14奈米、12奈米甚至是7奈米晶圓制程時(shí)是一個(gè)重要因素；其他記憶體技術(shù)都需要比ReRAM更復(fù)雜和昂貴的制程，運(yùn)作功耗也更高。

圖2 ReRAM可以填補(bǔ)記憶體技術(shù)的空白

舉例來(lái)說(shuō)，美國(guó)業(yè)者Crossbar的ReRAM所采用之奈米絲(nanofilament)技術(shù)，可以在不影響性能的情況下微縮到10奈米以下。ReRAM以簡(jiǎn)單的元件結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，采用適合CMOS制程的材料和標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)流程，可以在現(xiàn)有的CMOS晶圓廠生產(chǎn)；因?yàn)槭且环N低溫、后段制程整合的方案，可以在CMOS邏輯晶圓上整合多層ReRAM陣列，以構(gòu)建3D ReRAM儲(chǔ)存架構(gòu)。

AI需要最佳的每瓦性能，尤其對(duì)于小功率的邊緣裝置；ReRAM的能效可達(dá)到DRAM的五倍——達(dá)到每奈焦(nanojoule) 1,000位元的讀取—同時(shí)表現(xiàn)出比DRAM更好的整體讀取性能，高達(dá)12.8GB/s，隨機(jī)延遲小于20ns。

以記憶體為中心的架構(gòu)

科學(xué)家們一直在探索各種新穎的大腦啟發(fā)典范，試圖透過(guò)模仿中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)元和突觸(synapses)之交互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的能效。以ReRAM技術(shù)為基礎(chǔ)的人工神經(jīng)突觸是一種非常有前途的方法，可用于在神經(jīng)形態(tài)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)這些高密度且能終極微縮的突觸陣列。藉由在邊緣端啟動(dòng)AI，ReRAM有可能在現(xiàn)有和全新的AI解決方案中扮演重要角色。