不久前，存储大厂SK海力士宣布，已开发具备计算功能的下一代内存半导体技术「PIM（Processing-In-Memory，内存中处理）」，并计划在2022年ISSCC大会上发布PIM芯片技术的开发成果。

虽然PIM并不算是一个很新潮的技术，但对于不少人来说，仍不清楚PIM到底是什么，又是如何工作的。所以这期科普，我们就来讲讲它。

PIM是什么

PIM（内存中处理）是指将处理器与随机存储器（RAM）集成在单个芯片上，被称作PIM芯片。

PIM允许在计算机、服务器或类似设备的内存中执行计算和处理，该架构通过在内存模块内执行任务来加速任务的整体处理。

PIM是如何工作的

标准计算机体系结构存在延迟问题，这种延迟也称为冯诺依曼瓶颈，是所有处理都由处理器单独完成的结果。计算机的内存不参与处理，因为它仅用于存储程序和数据。PIM则是克服这种固有延迟问题的一种方法。

在计算系统或应用程序中，当数据量很大时，在内存和处理器之间移动数据会减慢处理速度。将处理直接添加到内存中可以帮助缓解这个问题，PIM可以完全在计算机内存中操作数据，在一台或多台计算机上运行应用软件管理内存中的处理和数据。

如果涉及多台计算机，软件会将处理划分为更小的任务，然后将这些任务分配给每台计算机并并行运行，以减少延迟并加快处理速度。

PIM与数据库处理的区别

数据库处理是指关系数据库管理系统（RDBMS），其结构允许使用SQL等查询语言。使用RDBMS处理，首先从磁盘加载数据，以便对其进行处理。

如果数据量很大，则处理速度可能会减慢，因为必须将数据换入和换出内存，这也可能会影响整体计算性能。通过将数据直接加载到同样具有计算能力的RAM或闪存中，内存中处理可以提高RDBMS的处理速度。

这两种方案的另一个区别在于数据库的使用。数据库处理针对基于行的数据库进行了优化，而PIM依赖于以列为中心的数据库。基于行的存储适用于事务处理，但不适用于商业智能（BI）等应用程序，在这些应用程序中，基于列的数据库更适合。这就是PIM对此类应用程序如此有用的原因。

PIM优点

在内存中处理的一些最重要的优点包括：

• 更快的数据处理。与标准的基于驱动器的处理相比，处理直接存储在RAM或闪存中的数据可以消除瓶颈并提高整体处理速度。它还提高了PIM芯片和存储之间的数据传输速度。
• PIM应用程序。由于提供高速处理，因此PIM通常被描述为实时，这使得它对实时或接近实时的应用程序和用例特别有益，例如：计算机视觉、流媒体视频、人工智能以及机器学习和深度学习。
• 其他需要高速处理的应用也是PIM的合适候选者，例如：预测性维护、交付过程、欺诈识别、算法交易。

在内存中实现高速处理的挑战

• 设计挑战。PIM需要采用新的芯片方法，也需要复杂的并行设计以适应近内存队列，以及更深入地了解如何使用各种类型的内存来设计PIM系统。
• 制造挑战。从制造的角度来看，减少信号必须在存储器和逻辑之间传播的物理距离至关重要，这可能会增加成本或产生热问题。
• 依赖存储。另一个缺点与PIM的特性有关，它对内存的依赖。如果计算系统，特别是其RAM或闪存损坏，可能会导致数据泄露。
• 成本。基于内存的系统比传统的计算架构更昂贵，对于小公司和意义不大的应用程序来说，成本可能令人望而却步，但对于拥有大量数据仓库或大量应用程序预算的大型组织来说，这应该不是问题。

PIM技术在存储产品的应用

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