本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）转载自北京大学集成电路学院

北京大学集成电路学院杨玉超教授团队在针对泛用数据库领域设计的忆阻器存算一体架构方面取得重要进展。

图1、数据库系统面临的三个挑战

为了解决这些关键问题，北京大学集成电路学院/集成电路高精尖创新中心杨玉超教授团队设计并提出了MeMCISA架构。这是一种专为泛用数据库算子设计的以忆阻器为存储介质和以存储器为计算中心的指令集架构，其示意图如图2所示。MeMCISA通过交叉阵列和近存电路的融合，成功实现了存内计算和近存计算在计算部分的结合。这样，MeMCISA不仅保留了存内计算的高并行度优势，还享有近存计算对算子的广泛支持。

团队为这种存内计算和近存计算结合的模式开发了新的多周期向量指令集，支持四种类型的指令：比特级、元素级、向量级和数据流控制指令。这些指令专门针对向量设计，满足以向量为主要数据格式的操作需求，从而实现高效的数据处理。基于向量指令集，团队还设计了在调度器中执行的乱序调度，该调度机制采用三阶段流水并行执行，相比顺序调度，极大提高了硬件资源的利用率，在单条跨模块命令上就可以达到1.72倍到7.46倍的速度提升。

为了评估MeMCISA架构的性能，团队设计了一个端到端的仿真框架，具有单命令模式和代码块模式两种操作模式。其中，代码块模式能够根据带有MeMCISA标签的PyTorch/SQL代码块生成相应的汇编格式指令，并在架构中调度和执行这些指令。如图3的实验结果显示，MeMCISA架构在执行单条命令时，处理速度较传统架构提升了33.86倍至3561.56倍，而在处理多种数据库工作负载时，提升了41.84倍至1767.70倍。此外，MeMCISA的能耗相较于传统架构同样有所降低。

图2、(a) MeMCISA整体架构，（b）调度器设计，（c）计算部分架构设计，（d）近存电路示意图

图3、（a）经典SQL单命令执行时间测试结果，复杂单命令测试（b）加速比和（c）能耗，应用代码块测试

通过对MeMCISA架构的深入研究，杨玉超教授团队的成果为解决现代数据库面临的挑战提供了切实可行的技术方案，展示了忆阻器存算一体架构在提升数据库性能中的重要作用。相关研究成果以“MeMCISA: Memristor-enabled Memory-Centric Instruction-Set Architecture for Database Workloads”为题，在国际微架构会议（57th IEEE/ACM International Symposium on Microarchitecture，MICRO 2024）上进行了报告。MICRO会议是计算机体系结构领域的四大顶会之一，会议内容涵盖微程序设计与微体系结构的各个方面，包括但不限于存储架构、并行/多核架构、专用架构等。这一论文的发表说明了在基于忆阻器的存算一体架构领域的突破。论文的第一作者是北京大学集成电路学院2022级博士研究生朱奕航，通讯作者是北京大学杨玉超教授和陶耀宇研究员。这项研究工作得到了是国家重点研发计划、国家杰青、国家自然科学基金重点项目、北京市自然科学基金以及111计划的支持。

如今，忆阻器作为一种新颖的存储器技术，具有非易失性、快速切换和低操作能耗等优异特性，成为面向新型人工智能的存内计算系统的候选之一。忆阻器的出现为传统的存储和计算技术带来了新的活力。其独特的性能和不断扩展的应用领域预示着它将在未来的电子产品中发挥重要作用。从高效能服务器到智能可穿戴设备，从自动驾驶汽车到人工智能系统，忆阻器的潜力正在被不断挖掘和实现。

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