斯坦福大学研发新型存储器：突破CPU和GPU性能瓶颈

斯坦福大学研发新型存储器：突破CPU和GPU性能瓶颈

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https://new.qq.com/rain/a/20241011A06RL300

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在计算机领域，CPU（中央处理器）和GPU（图形处理器）的性能一直受到内存管理效率的限制。斯坦福大学的研究团队正在开发一种名为“混合增益单元存储器”的新技术，有望彻底改变这一现状。

在当今的计算机系统中，CPU和GPU需要频繁地从主内存（通常为DRAM）中读取数据。然而，由于主内存的访问速度相对较慢，而处理器的运行速度却越来越快，这就导致了一个被称为“内存墙”的问题。处理器需要等待数据从内存中加载，这不仅消耗了大量时间，还增加了能耗。

为了解决这个问题，现代处理器通常会配备高速缓存（cache），这是一种速度更快但容量较小的内存。目前，大多数高速缓存都采用SRAM（静态随机存取存储器）技术，因为它具有较快的读写速度。然而，SRAM也存在一些缺点：

• 成本高：SRAM需要更多的晶体管来存储相同数量的数据，这使得其制造成本较高。
• 容量有限：由于SRAM占用更多芯片面积，因此其容量通常比DRAM小得多。
• 能耗大：虽然SRAM的读写速度较快，但其功耗也相对较高。

斯坦福大学的研究团队提出了一种创新的解决方案——混合增益单元存储器。这种技术巧妙地结合了SRAM和DRAM的优点，既保持了SRAM的高速度，又具备了DRAM的大容量和低功耗特性。

混合增益单元存储器的关键在于其独特的设计：

• 独立读写晶体管：每个存储单元都包含一个用于读取的晶体管和一个用于写入的晶体管，这样可以避免数据读取时的破坏性，同时增强读取信号。
• 无需电容器：传统的DRAM需要电容器来存储电荷，而混合增益单元通过晶体管的增益效应来放大读取信号，从而省去了电容器。
• 异质材料：研究团队使用了两种不同材料的晶体管：原子层沉积氧化铟锡（ALD ITO）用于写入，硅P沟道金属氧化物半导体（Si PMOS）用于读取。这种组合比使用单一材料的方案具有更好的性能。

测试结果显示，混合增益单元存储器具有非常出色的技术指标：

• 数据保留时间：可以保持数据状态超过一小时，而传统DRAM需要每64毫秒就刷新一次。
• 读取速度：比OS-OS晶体管增益单元快50倍，访问时间在1-10纳秒之间。
• 功耗：在关闭状态下消耗的电量非常少，具有很好的节能特性。

这种新型存储器技术有望彻底改变未来的CPU和GPU设计：

• 更大容量的缓存：由于其更高的存储密度，可以在相同面积内实现更大的缓存容量。
• 更低的延迟：减少从主内存加载数据的频率，从而降低延迟。
• 更低的能耗：相比传统SRAM，混合增益单元存储器在保持高性能的同时降低了功耗。
• 兼容3D堆叠技术：可以与现有的3D堆叠技术（如AMD的3D V-Cache）结合，进一步提升存储容量。

这项技术的主要应用场景将是数据中心和嵌入式系统中的GPU和CPU处理器SoC。如果一切按预期发展，这项研究可能会为计算机架构的新纪元铺平道路，解决一些长期存在的速度和效率问题，这些问题一直阻碍着现代系统的发展。

随着人工智能、大数据和高性能计算需求的不断增长，对更高效内存技术的需求也日益迫切。斯坦福大学研发的混合增益单元存储器技术，有望成为下一代处理器设计的关键突破，为未来的计算系统带来显著的性能提升和能耗降低。