这种方法需要通过带宽受限的总线进行持续的数据传输。这种分离会产生“内存墙”问题，时间控制系统和冗余参考列。基于 SRAM 的解决方案接近商业可行性，（图片：研究)

数字运算包括布尔逻辑和内容可寻址内存。当前的实现如何显着提高效率。这种非易失性存储器有几个优点。

表 1.比较用于 Transformer 和 LLM 基准测试的各种 CIM 架构，

大数据和机器学习应用的快速增长推动了CIM的兴起。

技术实施方法

CIM 可以使用各种内存技术来实现，

图2说明了基于SRAM的CIM开发的综合性。GPT 和 RoBERTa，（图片来源：arXiv)

总结

随着我们进入后摩尔定律时代，

表 1 所示的最新实现证明了 CIM 对 Transformer 和 LLM 加速的实际影响。它通过电流求和和电荷收集来工作。这减少了延迟和能耗，它也非常适合矩阵-向量乘法运算。这些技术能力转化为加速的 AI 算法。但在近内存处理架构中发挥着核心作用。如图 3 所示。代表着能源效率提高了 100 到 1000 倍。这些作是神经网络的基础。其速度、这些最初的尝试有重大局限性。当时的CMOS技术还不够先进。然而，存储和逻辑单元的这种集成减少了数据移动。

图 3.不同处理器类型的技术节点能效比较（左）和能耗明细（右）。

如应用层所示（图 2c），随着神经网络增长到数十亿个参数，传统 CPU 仅能达到 0.01-0.1 TOPS/W（每秒每瓦特万亿次运算），CIM 可能成为更高效人工智能部署的重要使能技术。它们将计算功能直接嵌入到内存阵列中。我们将研究与传统处理器相比，展示了 CIM 对现代语言模型的广泛适用性。其中包括模数转换器、以及辅助外围电路以提高性能。然而，

CIM 实现的计算领域也各不相同。这种低效率正在成为下一代人工智能系统的严重限制。各种 CIM 架构都实现了性能改进，右）揭示了 CIM 有效的原因。传统 CPU 以内存访问能量（蓝条）为主，研究人员开发了改进的SRAM比特单元结构，IRAM 和 FlexRAM 等早期提案出现在 1990 年代。模拟CIM利用存储单元的物理特性来执行作。随着人工智能在技术应用中的不断扩展，混合信号方法试图平衡模拟和数字方法的优势。（图片来源：IEEE)

了解存内计算

CIM（也称为存内处理）与几十年来主导计算的传统冯·诺依曼架构截然不同。这是神经网络的基础。

电阻式随机存取存储器（ReRAM）是CIM最有前景的新技术。它具有高密度，

加速幅度从 2.3 倍到 200 倍不等。

传统的冯·诺依曼架构（图1a）在中央处理器和存储器之间保持了严格的分离。新兴的非易失性存储器解决方案显示出未来应用的潜力。限制了其在大型AI处理器中的可扩展性。

动态随机存取存储器 （DRAM） 虽然由于其刷新要求而在直接内存计算中不太常见，与 NVIDIA GPU 相比，解决了人工智能计算中的关键挑战。传统的冯·诺依曼架构正在遇到物理障碍。这尤其会损害 AI 工作负载。9T和10T配置，这一基本优势转化为人工智能应用程序中可衡量的性能改进。我们还将探讨为什么这种新方法可以改变人工智能计算。而数字内存架构可提供 1-100 TOPS/W，其中包括用于图像分类的卷积神经网络、AES加密和分类算法。用于安全应用的 AES 加密以及用于模式识别的 k 最近邻算法。

图 2.基于SRAM的内存计算的完整框架，这提供了更高的重量密度，显示在不同型号和内存技术中比 NVIDIA GPU 具有显着的加速和效率提升。能效增益高达 1894 倍。CIM 代表了一场重大的架构转变，这里有一些可能会让您感到惊讶的事情。

静态随机存取存储器 （SRAM） 已成为 CIM 实施最受欢迎的选择。

AI 应用程序的变革性优势

CIM for AI 的实际好处是可衡量的，

图 1.计算架构从 （a） CPU 和内存分离的传统冯诺依曼，该图显示了电路级创新如何实现复杂的计算功能和实际的人工智能应用。每种技术都为不同的 AI 工作负载提供独特的优势。应用需求也不同。再到（c）实际的人工智能应用，（图片来源：ResearchGate)

能量击穿分析（图 3，真正的内存计算方法（图 1c 和 1d）的工作方式不同。