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在内存中直接处理数据,有望解决“存储墙”的问题?

科技日报 ·2019-03-20 15:11·与非网
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近日,美国普林斯顿大学研究人员推出了一款新型计算机 芯片 ,其运行速度是传统芯片的百倍。有媒体称其采用了“ 内存计算 ”技术,使计算效率得到大幅提升。

这一神奇的技术到底是什么?它为何能显著提高芯片性能?科技日报记者就此采访了相关专家。

高度集成,把计算与存储功能合二为一

对于我们常用的计算机来说,存储器可分为内部存储器和外部存储器。内部存储器,即“内存”,是电脑的主存储器。它的存取速度快,但只能储存临时或少量的数据和程序。

外部存储器,通常被称为“外存”,它包括硬盘、软盘、光盘、U盘等,通常可永久存储大量数据,如操作系统、应用程序等。当运行某一程序时,处理器(CPU)会先从内存中读取数据,而后将一部分结果写入内存,并选择性地将另一部分结果写入外存进行永久保存。

也就是说,通常情况下,内存只能存储少量数据,计算机中大部分数据都“住”在外存。当CPU运行程序时就需要调取数据,若调取“住”在内存的数据,则用时较少;若调取“住”在外存的数据,则可能要费些周折。

因此科学家就想,能否把数据都存在内存里呢?于是,内存计算技术出现了。

“内存计算技术是伴随着大数据处理技术的兴起而兴盛起来的。在处理大数据过程中,由于数据量极大,处理数据时频繁访问硬盘这些外存会降低运算速度。随着大容量内存技术的兴起,专家开始提出在初始阶段就把数据全部加载到内存中,而后可直接把数据从内存中调取出来,再由处理器进行计算。这样可以省去外存与内存之间的数据调入/调出过程,从而大大提升计算速度。”北京航空航天大学计算机学院教授、中德联合软件研究所所长刘轶告诉科技日报记者。

“但普林斯顿大学研发团队采用的‘内存计算’技术与上述概念中所指的内存计算并不完全相同。”刘轶说,普林斯顿大学所采用的技术其实是 PIM (Process in-memory),通常被翻译为“存内计算”“存算一体”或“计算存储一体化”。

“PIM技术是指直接在内存中处理数据,而不是把数据从内存读取到处理器中进行处理。”刘轶指出,PIM的技术概念在1990年就已被提出,虽然相关研究论文早已发表出来,但相关技术始终难以落地。

刘轶认为“难落地”的主要原因在于,PIM技术尚难以达到传统计算机冯·诺依曼结构的灵活性和通用性水平。“目前,学界所提出的PIM技术,只能做某些类别的应用,难以实现灵活编程。”他说。

可解决“存储墙”问题,大幅提升性能

在刘轶看来,PIM技术的重要价值在于,其能解决传统计算机结构存在的“存储墙”问题。传统计算机采用的冯·诺依曼结构,需要CPU从内存中取出指令并且执行,某些指令又需要从内存读取数据进行处理,再将结果写回内存。由于处理器所执行的程序和待处理的数据都被存在内存中,这样处理器在运行过程中需要频繁访问内存。随着微电子技术的发展,处理器性能的进步速度逐渐快于内存性能。

近30年来,处理器性能每年提升55%,而内存访问速度每年仅提升7%。这使得处理器的处理速度远远快于内存的读取速度,直接导致了“存储墙”的出现,严重拖慢了程序执行速度。

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