IBM公司的PCM計(jì)算機(jī)能夠告訴您是否有雨

IBM公司已經(jīng)公布了一種新的內(nèi)存計(jì)算機(jī)制：在相變存儲(chǔ)器之內(nèi)完成處理，而無需借助于外部CPU。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)制要求利用存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)保存，而其中的數(shù)據(jù)將被傳遞至外部處理器進(jìn)行運(yùn)算，得出的結(jié)果最初再被寫入回存儲(chǔ)器。這就是最基本的馮-諾依曼計(jì)算機(jī)架構(gòu)，而明顯可以看到存儲(chǔ)器與計(jì)算資源之間存在著性能瓶頸。

如果某些計(jì)算任務(wù)能夠在內(nèi)存之中完成，則這一瓶頸將不復(fù)存在，計(jì)算速度也將更上一層樓。

不過內(nèi)存當(dāng)中并不包含處理器，因此必須利用存儲(chǔ)器中的某些組件，具體取決于存儲(chǔ)器中容納的實(shí)際數(shù)據(jù)內(nèi)容。此外，這種計(jì)算能力也將相當(dāng)原始。

究竟要如何實(shí)現(xiàn)?

在本周發(fā)表于《自然通訊》雜志上的論文當(dāng)中，IBM蘇黎世研究院的工作人員們表示，可以在相變存儲(chǔ)器（簡(jiǎn)稱PCM）器件當(dāng)中執(zhí)行部分計(jì)算任務(wù)--這是因?yàn)榇祟惼骷诩{米尺度層面擁有豐富且光明的物理應(yīng)用前景。PCM器件的單元會(huì)隨OCM材料的內(nèi)部狀態(tài)變化而發(fā)生電阻降低，而當(dāng)這些硫族化合物晶體由無定型晶體重新轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則晶體后，電阻將再次上升。

這種狀態(tài)變化可由施加電流的方式實(shí)現(xiàn)，而測(cè)量單元電阻即可完成對(duì)二進(jìn)制數(shù)值的讀取。

藍(lán)色巨人指出："其基本思路在于不再將存儲(chǔ)器視為被動(dòng)的存儲(chǔ)實(shí)體，而是利用存儲(chǔ)器件的物理屬性立足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置精確實(shí)現(xiàn)計(jì)算。"

關(guān)于PCM，IBM方面解釋稱"在應(yīng)用電信號(hào)時(shí)，這些器件的導(dǎo)電電平動(dòng)態(tài)演變將可用于執(zhí)行計(jì)算任務(wù)……器件的導(dǎo)電能力根據(jù)電流輸入變化而發(fā)生演變，而計(jì)算結(jié)果則將被記錄在存儲(chǔ)器陣列當(dāng)中。"

研究人員們表示，當(dāng)對(duì)PCM晶體狀態(tài)或者相位施加足夠高的電流（RESET脈沖）時(shí)，大部分材料因電流通過產(chǎn)生的熱量而熔化; 但當(dāng)電流停止后，其以淬火形式保持為非晶體狀態(tài)。非晶體狀態(tài)材料的量取決于RESET脈沖的幅度與持續(xù)時(shí)間，且單元之內(nèi)存在溫度變化梯度。

將單元轉(zhuǎn)變?yōu)榫w狀態(tài)的SET脈沖則同樣需要升高其溫度以實(shí)現(xiàn)結(jié)晶，但這一溫度低于材料本身的熔點(diǎn)。這種具體狀態(tài)變化方法被稱為晶體動(dòng)態(tài)。存儲(chǔ)器單元中的非定型物質(zhì)的量影響其實(shí)際導(dǎo)電率。

IBM公司還設(shè)計(jì)出一種算法，能夠利用100萬個(gè)PCM設(shè)備（單元）陣列檢測(cè)PCM存儲(chǔ)器設(shè)備之內(nèi)各基于事件的數(shù)據(jù)流間的時(shí)間相關(guān)性，例如檢測(cè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的信號(hào)是否存在。

其中采用的數(shù)學(xué)方法極度復(fù)雜，涉及諸如"非中心協(xié)方差矩陣"以及"集體勢(shì)能"等術(shù)語，我們?cè)诒酒恼轮芯筒辉敿诱撌隽恕?/p>

根據(jù)我們的設(shè)想，存儲(chǔ)器中會(huì)進(jìn)行一些隨機(jī)分布的二進(jìn)制計(jì)算進(jìn)程，其中部分相關(guān)，部分不相關(guān)。這些進(jìn)程以固定長(zhǎng)度的連續(xù)間隔中表達(dá)為二進(jìn)制中的1或者0。我們希望了解其中哪些相關(guān)而哪些不相關(guān)，從而在統(tǒng)計(jì)學(xué)層面對(duì)其加以分析。

每個(gè)進(jìn)程會(huì)被分配給單一相變存儲(chǔ)器單元。當(dāng)進(jìn)程取值為1時(shí)，則設(shè)置脈沖以施加到對(duì)應(yīng)的PCM設(shè)備。選擇SET脈沖的幅度或者時(shí)長(zhǎng)與所有進(jìn)程的瞬時(shí)和正成正比。通過監(jiān)測(cè)存儲(chǔ)器件的導(dǎo)電率，我們即可確定其中存在的相關(guān)組。

如此一來，我們即可計(jì)算各進(jìn)程間的統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)性，并將結(jié)果存儲(chǔ)在與存儲(chǔ)器內(nèi)數(shù)據(jù)駐留位置相同的PCM單元當(dāng)中。

如何使用這項(xiàng)新技術(shù)？

研究人員們提出了這項(xiàng)技術(shù)的潛在適用場(chǎng)景：處理真實(shí)世界中的數(shù)據(jù)集，例如天氣數(shù)據(jù)。其能夠從氣象站讀取數(shù)據(jù)并作為一組包含時(shí)間序列的進(jìn)程（值）。如果氣象臺(tái)宣布將在1小時(shí)內(nèi)發(fā)生降雨，則賦值為1，否則則賦值為0。

藍(lán)色巨人設(shè)計(jì)出的PCM計(jì)算設(shè)備可以通過一組氣象站進(jìn)程值隨時(shí)間推移的關(guān)聯(lián)情況來判斷是否會(huì)發(fā)生降雨。

他們得出的結(jié)論是，通過使用此類PCM計(jì)算存儲(chǔ)器模塊，相較于使用4套最先進(jìn)的GPU設(shè)備，春能夠?qū)⑾嚓P(guān)檢測(cè)任務(wù)加速200倍。另外，這套方案還能夠?qū)⒛茉聪穆式档蛢蓚€(gè)數(shù)量級(jí)。

研究人員們宣稱，這種納米級(jí)計(jì)算與存儲(chǔ)共同體將能夠?qū)崿F(xiàn)超高密度、低功耗與大規(guī)模并行計(jì)算系統(tǒng)。

備注: 此項(xiàng)研究成果由IBM蘇黎世研究院的Abu Sebastian、Tomas Tuma、Nikolaos Papandreou、Manuel Le Gallo、Lukas Kull、Thomas Parnell以及Evangelos Eleftheriou共同完成，論文發(fā)表在《自然通訊》雜志之上。