摩尔定律逐渐走向消亡之际，应用端对芯片性能的要求却日渐提升。这种情况下，半导体从业人员就开始寻找另外的出路，存算一体就是其中的一个选择。

所谓存算一体，从字面上理解，就是把存储和计算融合成一体。众所周知，现行的计算领域所流行的是冯诺依曼架构。在这种架构下，存储和计算是分开的。这两部分的制程技术还能同步发展，这也推动了芯片性能在过去几十年获得了几何级增长。但进入最近这些年，芯片碰到了“存储墙”问题，叠加行业在存算一体技术研究的进展，使得这个早在上世纪七十年代就被讨论的技术，逐渐走向了台前。

知存科技创始人创始人和CEO王绍迪也表示，摩尔定律走到头了，就算强行继续往下走，代价也非常大，带来的提升又很有限。“为了在短期内实现算力的继续提升，存算一体是最好的方式。”

两堵”墙”：存算一体技术发展的必要性

存算一体的发展是时代发展的要求，现有冯·诺伊曼计算系统采用存储和运算分离的架构，存在“存储墙”与“功耗墙”瓶颈，严重制约系统算力和能效的提升。

在冯·诺伊曼架构的核心设计中计算机的组成架构包括运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五部分。

在冯·诺伊曼架构中，计算单元要先从内存中读取数据，计算完成后，再存回内存，这样才能输出。随着半导体产业的发展和需求的差异，处理器和存储器二者之间走向了不同的工艺路线。由于工艺、封装、需求的不同，从1980年开始至今二者之间的性能差距越来越大。数据显示，从 1980年到 2000年，处理器和存储器的速度失配以每年50%的速率增加。

存储器数据访问速度跟不上处理器的数据处理速度，数据传输就像处在一个巨大的漏斗之中，不管处理器灌进去多少，存储器都只能“细水长流”。两者之间数据交换通路窄以及由此引发的高能耗两大难题，在存储与运算之间筑起了一道“存储墙”。

此外，在传统架构下，数据从内存单元传输到计算单元需要的功耗是计算本身的约200倍，因此真正用于计算的能耗和时间占比很低，数据在存储器与处理器之间的频繁迁移带来严重的传输功耗问题，称为“功耗墙”。

再加上人工智能的发展，需要运算的数据量开始了极大的增长。人工智能算法是一个很庞大和复杂的网络，包含大量的图像数据和权重参数，计算的过程中又会产生大量的数据，数据需要在计算单元和存储单元之间进行频繁的移动，这迫切需要合适的手段来减少数据移动及其带来的性能和功耗开销。

自1945年提出的冯·诺伊曼架构，其本身仍是现代计算机的主要架构，在此架构下关于存算流程的弯路，在当时是合理的。但是在人工智能飞速发展的现在，却有必要颠覆它。

于是，业界开始寻找弱化或消除存储墙及功耗墙问题的方法，开始考虑从聚焦计算的冯·诺伊曼体系结构转向存算一体结构。

存算一体，金字塔从头建起

为了解决“存储墙”问题，当前业内主要有三种方案：

用GDDR 或HBM来解决存储墙问题的冯·诺依曼架构策略；算法和芯片高度绑定在一起的DSA方案；以及存算一体的方案。

HBM是目前业内超大算力芯片常用的方案之一，其优势在于能够暂时缓解“存储墙”的困扰，但其性能天花板明显，并且成本较高。

DSA方案以牺牲灵活性换取效率提升，算法和硬件高度耦合，适用于已经成熟的AI算法，但并不适用于正处于快速迭代的自动驾驶AI算法中。

最后是存算一体方案，这是一项诞生于实验室的新兴技术，其创新性在于打破了传统·冯诺伊曼架构局限性，实现了计算与存储模块一体化的整合创新，解决了传统芯片架构中计算与存储模块间巨大的数据传输延迟、能量损耗痛点，既增加了数据处理速度，又大大降低了数据传输的功耗，从而使芯片能效比（即每瓦能提供的算力）得到2-3个数量级（>100倍）的提升。

达摩院计算技术实验室科学家郑宏忠曾讲过：“存算一体是颠覆性的芯片技术，它天然拥有高性能、高带宽和高能效的优势，可以从底层架构上解决后摩尔定律时代芯片的性能和能耗问题。”

因此，存算一体架构可以把算力做的更大，其芯片算力天花板比传统冯·诺依曼架构更高；同时，大幅降低了数据传输的能量损耗，提升了能效比；另外，还能得到更低的延时，存储和计算单元之间数据搬运的减少，大幅缩短了系统响应时间。

更重要的是，用存算一体架构做大算力AI芯片另一大优势在于成本控制。不依赖于GDDR 或HBM,存算一体芯片的成本能够相应的降低50%～70%。

换句话说，真正创新架构的AI芯片是将上文中提到的算力、功耗、成本三角形结构从原来的位置往上挪了三个档位。不仅可以提高算力，还可以达到降低功耗、控制成本的效果。

未来何去何从

如王绍迪所说，工具链对于任何芯片的使用都是非常重要。尤其是在存算一体芯片方面，因为是一个新架构的新产品，并没有现成的工具可用，因此如何打造一套可用的工具链显得尤为重要。知存科技在过去多年中也面向端侧应用开发出了可用的工具链。

“在未来的边缘计算产品，需要的工具链会是更复杂，所以我们现在公司超过一半的人在做软件集成开发环境。”王绍迪接着说。他表示，我们甚至还需要从训练开始，将存算一体技术融入其中。

据介绍，目前大部分开发算法的人用的是纯GPU的环境，但存算一体的算子跟GPU的算子显然不一样，计算的精度、模拟精度的定义和GPU计算的定义也都是不一样的。因此如果不去了解，或者软件工具不好用的话，那么就只能在GPU上做这个事情。“因此我们要解决这个问题，我们有极强的开发环境，里面虽然会调用GPU，但是调用GPU训练的时候，已经把存内计算的特点放进去了，这样就可以在开发过程中针对存内计算的场景去开发这个算法。”王绍迪告诉记者。

在王绍迪看来，存算一体就是计算模块，并不是存储，里面存放的只是相当于算法数据，其作用是新一代的计算技术，所以他们把存算一体看成新一代计算的模块，就像从CPU到GPU一样，GPU再到存算一体，从一维到二维到三维的计算的转变。这也就是为什么他认为存算一体未来更需要的是软件、生态怎么跟现有的计算系统更好地融合，更低成本地去开发，这也是存算一体的最终极形态。

除此以外，王绍迪也对存储一体的另外发展形态方向做了分享。如是否能以IP模式与其他计算模块集成，就是业界关注的一个热点。

针对这个问题，王绍迪回应道，IP模式是存算一体很适合走的道路，但难度大。一方面因为这需要考虑IP的接口完备定义以及和现有的要兼容；另一方面，这些IP加进去之后，是否要改变原有主芯片量产的流程？带来的替城成本和时间成本也让人更加谨慎。

为此王绍迪认为，存内计算最好的解决方式是未来通过chiplet的形式去结合。

在谈到存算一体技术未来的技术演进的时候，王绍迪表示，存算一体芯片一部分会遵循摩尔定律，一部分又不遵循摩尔定律。前者的代表是存储部分，后者的代表是计算部分。

“目前的存内计算大家都没有采用最先进的工艺，因此未来几年，在逻辑数据流当中的提升，大家还是会按摩尔定律继续往下走去提升。”王绍迪说。

他同时强调，存储技术技术会是存算一体技术发展的主要限制因素。“但目前存储技术已经远远领先于采用的容量了，距离我们达到存储器制约还有十年左右的时间。因此我们目前的工作重点在于如何继续创新，发现更多的问题，解决问题。”王绍迪说。

文章来源： 36氪，半导体产业纵横，半导体芯闻