AI芯片，迎來MRAM時代

三星電子將提供代工生產(chǎn)。

5月7日，半導(dǎo)體設(shè)計企業(yè)SemiFive正式宣布，已與中國AI芯片創(chuàng)新企業(yè)寒序科技(ICY Tech)達(dá)成深度技術(shù)合作，成功聯(lián)合研發(fā)出一款集成嵌入式磁阻隨機(jī)存取存儲器（eMRAM）的高性能人工智能芯片。這一突破性成果不僅融合了雙方在芯片設(shè)計與存儲技術(shù)領(lǐng)域的核心優(yōu)勢，更標(biāo)志著MRAM這一新興存儲技術(shù)在AI芯片領(lǐng)域的商業(yè)化應(yīng)用邁出關(guān)鍵一步。

MRAM（磁阻隨機(jī)存取存儲器）作為一種極具潛力的非易失性存儲技術(shù)，其核心工作原理是通過對磁性材料施加精準(zhǔn)控制的電流，激發(fā)電子自旋現(xiàn)象，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速讀寫操作。與當(dāng)前廣泛應(yīng)用的DRAM（動態(tài)隨機(jī)存取存儲器）相比，MRAM技術(shù)展現(xiàn)出三大顯著優(yōu)勢：其一，功耗表現(xiàn)更為出色，在相同數(shù)據(jù)處理量下，能耗可降低30%以上，這對于對續(xù)航敏感的邊緣計算設(shè)備至關(guān)重要；其二，讀寫速度更快，數(shù)據(jù)訪問延遲可縮短至DRAM的一半左右，能夠有效提升AI芯片的運(yùn)算效率；其三，具備更高的物理耐用性，擦寫次數(shù)可達(dá)101?次以上，遠(yuǎn)超DRAM的使用壽命。同時，MRAM的比特單元結(jié)構(gòu)設(shè)計更為緊湊，相比SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器）的單元體積縮小約40%，這使得在相同的芯片物理面積內(nèi)，MRAM能夠?qū)崿F(xiàn)更高的數(shù)據(jù)存儲密度，為芯片集成度的提升創(chuàng)造了有利條件。而此次研發(fā)中采用的 eMRAM（嵌入式磁阻隨機(jī)存取存儲器），則是將MRAM存儲單元直接嵌入片上系統(tǒng)（SoC）或微控制器（MCU）的核心設(shè)計方案，能夠?qū)崿F(xiàn)存儲與運(yùn)算單元的深度融合，進(jìn)一步優(yōu)化芯片性能。

此次聯(lián)合研發(fā)的eMRAM AI芯片屬于專用集成電路（ASIC）范疇，采用先進(jìn)的8納米工藝節(jié)點(diǎn)制造，專為具身智能（物理AI）與自動駕駛兩大高端應(yīng)用場景量身打造。在具身智能領(lǐng)域，該芯片可滿足機(jī)器人、智能終端等設(shè)備在復(fù)雜物理環(huán)境中實(shí)時感知、決策與執(zhí)行的需求；在自動駕駛場景下，則能夠?yàn)檐囕v的環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、決策控制等核心功能提供高效算力支持，助力提升自動駕駛系統(tǒng)的響應(yīng)速度與可靠性。

在技術(shù)研發(fā)分工方面，寒序科技充分發(fā)揮其在存儲架構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域的深厚積累，針對性地開發(fā)了適用于AI推理任務(wù)的定制化MRAM架構(gòu)。該架構(gòu)不僅在比特單元設(shè)計、外圍電路優(yōu)化方面實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破，更創(chuàng)新性地研發(fā)出面向加速器架構(gòu)的高帶寬讀出技術(shù)，能夠有效解決AI推理過程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捚款i問題，確保運(yùn)算單元與存儲單元之間的數(shù)據(jù)交互高效順暢。作為三星電子代工業(yè)務(wù)的核心設(shè)計方案合作伙伴，SemiFive在高端定制半導(dǎo)體領(lǐng)域擁有豐富的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，其技術(shù)團(tuán)隊(duì)已深度參與AI、高性能計算、邊緣AI等多個前沿領(lǐng)域的芯片設(shè)計項(xiàng)目，尤其在先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的芯片設(shè)計、系統(tǒng)集成優(yōu)化等方面具備行業(yè)領(lǐng)先的技術(shù)能力，為此次芯片的成功研發(fā)提供了關(guān)鍵的技術(shù)支撐。

值得關(guān)注的是，SemiFive與寒序科技在這款芯片中創(chuàng)新性地采用了近存計算（PNM）架構(gòu)。這種架構(gòu)的核心優(yōu)勢在于將數(shù)據(jù)運(yùn)算單元與存儲單元進(jìn)行物理層面的近距離集成，實(shí)現(xiàn)了“運(yùn)算靠近存儲”的設(shè)計理念，使得芯片無需依賴外部網(wǎng)絡(luò)連接即可完成邊緣計算任務(wù)。依托這一先進(jìn)架構(gòu)，該芯片能夠在端側(cè)設(shè)備環(huán)境中直接運(yùn)行參數(shù)規(guī)模高達(dá)20億的AI模型，這一性能指標(biāo)在當(dāng)前邊緣AI芯片領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平。

SemiFive相關(guān)技術(shù)負(fù)責(zé)人表示，在傳統(tǒng)基于SRAM的邊緣AI芯片設(shè)計中，由于受到芯片物理面積與功耗控制的雙重限制，想要實(shí)現(xiàn)20億參數(shù)模型的端側(cè)運(yùn)行幾乎難以達(dá)成。而MRAM技術(shù)的低功耗、高密度特性，與近存計算架構(gòu)的高效協(xié)同，成功突破了這一技術(shù)瓶頸，為邊緣AI芯片的性能升級開辟了新路徑。

目前，兩家公司已完成該芯片的全部設(shè)計工作，并正式將設(shè)計方案提交至三星電子代工部門。按照計劃，項(xiàng)目將首先進(jìn)入多項(xiàng)目晶圓（MPW）原型制造階段，通過原型芯片的測試與優(yōu)化，驗(yàn)證技術(shù)方案的可行性與穩(wěn)定性，之后再逐步推進(jìn)規(guī)模化量產(chǎn)工作。不過，關(guān)于該芯片的具體商業(yè)化量產(chǎn)時間表，雙方暫時未對外披露相關(guān)細(xì)節(jié)，行業(yè)內(nèi)預(yù)計將根據(jù)原型測試進(jìn)展適時公布。

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