半导体与芯片

存算一体芯片:颠覆冯·诺依曼架构的新范式

2026年07月01日  ·  约5000字  ·  ¥3.00

1945年,冯·诺依曼在一份101页的报告中描述了现代计算机的逻辑架构:存储器存放数据和指令,运算器从存储器中取数据,算完再存回去。这个架构统治了计算世界80年,但它的阿喀琉斯之踵也越来越明显,数据在存储器和运算器之间来回搬运所消耗的能量和时间远远超过了计算本身。

这个问题在AI时代被急剧放大。大语言模型的一次推理,KV Cache的读写占据了超过60%的总延迟和超过40%的总功耗。换句话说,你的GPU有近一半的功耗不是花在"算"上,而是花在"搬数据"上。这就是著名的"内存墙"和"功耗墙"问题。

存算一体(Computing in Memory,简称CIM)提供了一种从架构层面破解这个难题的思路。它的核心思想非常简单:既然数据搬运是瓶颈,那就在存储器内部直接完成计算。把一部分计算逻辑嵌入到存储阵列中,让数据不需要离开存储器就能被处理。

存算一体的实现方案主要分为两条技术路线:数字存内计算和模拟存内计算。数字方案在SRAM或DRAM阵列中嵌入数字乘法器和累加器,保持数字计算的精度优势,但面积开销较大。模拟方案利用存储单元的物理特性(如基尔霍夫电流定律)直接完成乘累加运算,面积效率极高,但受到模拟噪声的影响,计算精度通常在6到8位。

2026年是存算一体芯片从实验室走向产业化的分水岭。多家公司的产品已经开始在特定场景中产生实际收入。中国的后摩智能在2025年底发布了基于SRAM存算一体的鸿途H30芯片,面向智能驾驶场景,INT8算力达到256 TOPS,能效比超过4 TOPS/W。美国的Mythic推出了基于模拟闪存的M1076处理器,面向边缘AI推理,单芯片功耗不到3W。三星在2025年的ISSCC上展示了一款基于HBM2的存内处理(PIM)芯片,将计算逻辑直接嵌入到了HBM内存堆叠中。

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数字存算一体 vs. 模拟存算一体

数字和模拟两条路线各有致命优势和致命缺陷,选择哪条路取决于具体应用场景。

数字存算一体(Digital CIM):在SRAM的每一列位线末端嵌入一个乘法累加器(MAC)。当存储阵列被激活时,多个字线上的数据同时进入MAC进行并行计算。优势是精度无损,可以支持INT8甚至FP16计算,结果可复现。劣势是面积开销大,每个MAC单元占用的面积约等于256个SRAM存储单元。数字CIM更适合对精度要求高的场景,如AI训练中的梯度计算、科学计算等。

模拟存算一体(Analog CIM):利用存储单元本身作为可编程电阻,通过欧姆定律和基尔霍夫电流定律直接在模拟域完成乘法和加法。优势是能效比极高。后摩智能的鸿途H30在INT8下达到4.2 TOPS/W,是同等制程下传统数字AI芯片的5到8倍。劣势是精度受限,模拟噪声、器件不一致性和温度漂移都会引入误差。公开数据显示,基于RRAM的模拟CIM在4位精度下可以保持99%的计算准确率,但到8位精度就下降到约95%。

一个值得关注的技术趋势是数模混合方案。用模拟CIM完成大矩阵乘法(这是AI计算中占比最高的操作,约占85%),在精度不敏感的场景下发挥能效优势;用数字逻辑完成激活函数、归一化等对精度要求高的操作。这种混合架构可能是近期最实际的商业方案。

存储介质的选择:SRAM、RRAM、MRAM与闪存

CIM的存储介质选择直接影响芯片的性能、功耗和可靠性。

  • SRAM:最成熟的方案。工艺成熟,读写速度快,耐久性无限。但面积大(6T单元),漏电流高。适合对可靠性和速度要求高的场景,潜力上限在28nm到7nm制程。
  • RRAM(阻变存储器):基于金属氧化物薄膜的电阻切换效应。存储单元可以做到4F²(F为制程特征尺寸),密度远高于SRAM。模拟计算特性优秀,多值存储可以实现每个单元存储3到4位。但耐久性有限(约10的6次方次写循环),器件一致性控制困难。台积电在2025年将RRAM嵌入到了其22nm ULL工艺平台中。
  • MRAM(磁阻存储器):基于磁性隧道结的电阻状态。耐久性极高(超过10的12次方),辐射耐受性强。但写入功耗较高,单元面积比RRAM大。三星在2025年量产了28nm嵌入式MRAM。
  • NOR Flash:已经在成熟的MCU工艺中被广泛使用。Mythic的方案就是基于模拟闪存。优势是工艺成熟成本低,劣势是写入速度慢且耐久性有限。

商业化落地场景与投资机会

2026年是存算一体芯片的商业化元年,但市场正在向两个方向分化。

云端AI推理与训练:这是市场空间最大但也最难攻入的方向。三星的HBM-PIM将计算嵌入HBM堆叠中,理论上可以大幅降低数据搬运开销。英伟达已经对这条技术路线表达了兴趣,但目前的HBM-PIM在灵活性和通用性上还远不如传统GPU。一个可能的路径是:HBM-PIM与大模型推理中的特定算子(如注意力机制)深度绑定,作为一种专用加速器挂载在GPU旁边。

端侧AI推理:这是存算一体芯片最适合的战场。智能手表、TWS耳机、AR眼镜、智能家居设备需要在极低功耗下实现"Always On"的AI能力。Mythic和后摩智能都在瞄准这个方向。端侧AI的市场规模可能在2028年达到200亿美元,存算一体芯片如果能拿到10%的份额,对应的就是20亿美元的市场空间。

从投资角度看,存算一体芯片目前处于Gartner曲线的"稳步爬升期"的早期。技术可行性已被验证,首批产品已经产生实际收入,但距离大规模商业化还有两到三年的距离。关键跟踪指标包括:大客户的采用情况、芯片在某一体量市场的出货量突破百万颗、能效比能否在量产中保持实验室水平。

国内值得关注的公司包括后摩智能(SRAM路线)、知存科技(闪存路线)、忆阻科技(RRAM路线)。三家公司都已经完成多轮融资,处于产品商业化落地的关键阶段。风险方面,最大的不确定性来自竞争格局:英伟达、AMD和英特尔如果推出集成存算一体功能的下一代产品,初创公司的窗口可能迅速收窄。

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