革命性芯片“液硅”：弥补计算和存储之间的鸿沟

（图片来源于：威斯康星大学麦迪逊分校）

引言

目前的计算机系统中，要同时完成这存储和计算这两项任务，需要完全不同的硬件类型。这种分隔使得机器效率低下。然而，威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员开发了具有革命性意义的计算机芯片，构建了统一的硬件，弥补了存储和计算之间的鸿沟，它有望让未来的计算机更加的强大高效。

研究简介

在美国国防部先进研究项目局（DARPA）的赞助下，青年科学家奖获得者、威斯康星大学麦迪逊分校的助理教授 Jing Li，设计了一款完全可配置的计算机芯片，可以在同一集成单元中完成复杂计算、存储大量的信息的任务，也可以在单元之间进行有效通信。

研究人员简介

Li 是威斯康星大学麦迪逊分校获取2016年的DARPA的青年科技人员奖的首个计算研究员，她和其他25个青年科技人员一起获取了该奖项，他们的研究题目涵盖的范围从基因疗法到机器学习。这个奖项为期两年一共50万美元。

Jing Li

芯片为什么称为“液硅”？

她给这款新型芯片起了个名字，称为“液硅”。Li 是如此解释这个名字的含义：

“液：代表软件，硅：代表硬件。它结合了软硬件技术。”

芯片可以有哪些应用？

“如果你希望，你就可以将一个超级计算机装在盒子里。我们的目标包括许多有趣的数据密集型应用，包括人脸或者语音识别、神经语言处理、图形分析。”

什么是计算和存储之间的鸿沟？

芯片具有强大的计算能力，同时也能够存储海量数据。在目前的计算机系统中，要同时完成这两项任务，需要完全不同的硬件类型。然而，正是这种分隔让机器变得效率低下。

对此，Li 认为：

“经典计算机在内存和处理器之间传输数据时，具有巨大的瓶颈。我们正在构建统一的硬件，以弥补计算和存储之间的鸿沟。”

目前，处理器和存储芯片分别由属于不同行业的不同的代工厂生产。然而，它们由系统工程师集成到印刷电路板上，从而制成电脑和智能手机。计算和存储之间的巨大鸿沟，使得即便很简单的操作例如搜索，也需要多个步骤才能完成：首先从内存中获取数据，然后将数据从深层的存储器体系发送至处理器内核。

新芯片是如何弥补这一鸿沟的？

相比之下，Li 开发的芯片将存储、计算、通信的功能集中到一个器件上。它使用了单块集成电路的三维集成技术：位于下方的硅CMOS电路和位于上方的固态存储器阵列之间使用了致密金属连接。终端用户能够根据系统需要运行的实际应用类型，对于器件进行配置，分配更多或者更少的资源用于储器或者计算。

（图片来源于：威斯康星大学麦迪逊分校）

加强芯片的柔性

Li 认为：

“它可以是动态而且柔性的。我们一开始担心它可能太硬，因为其中有太多的器件。但是，经过适当的优化后，它变得具有高度柔性，任何人都可以利用。”

加强芯片的可编程性和应用性

为了 52 28465 52 14940 0 0 1413 0 0:00:20 0:00:10 0:00:10 3094助人们进一步利用这款新型芯片的潜能，Li 的研究小组也开发了一款软件，将目前市面上流行的编程语言，转化为芯片的机器代码，这种过程称为“编译”，从而加强了芯片硬件和编程应用之间的兼容性。

Li 又说：

“如果我刚刚递给你某件东西，并且说‘盒子里是一个超级计算机，’你可能无法使用它，因为编程接口太难了。你无法想象人们使用二进制的0和1，进行编程。这实在是太痛苦了。”

然而，由于她发明的编译软件，程序员能够将他们的应用程序直接移植到这种新型硬件上，而无需要改变他们的编程习惯。

强大的自动化测试平台

为了评估这种液硅芯片的性能，Li 和她学生搭建了一个由scratch构建的自动化测试系统。这个平台十分灵活多用，可以测试可靠性问题。可靠性问题是目前最先进的工业测试系统都无法观察到的，所以最近多个公司将芯片发给 Li 进行评估。

因为测试占用了计算机芯片半数以上的消费成本，所以威斯康星大学麦迪逊分校拥有这样先进的设施不仅帮助了液硅计算机芯片的实现，也促进了未来的研究。

Li 说：

“我们可以说我们的平台可以进行所有器件级、电路级和系统级的测试。工业伙伴告诉我们，我们的测试系统可以自动化完成测试工程师所要进行的所有任务。”

参考资料

【1】https://www.engr.wisc.edu/liquid-silicon-multi-duty-computer-chips-bridge-gap-computation-storage/

---