基于SRAM的通用存算一體架構(gòu)平臺在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

何飛勇

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)得到了很大程度的發(fā)展，人類已經(jīng)大步邁入大數(shù)據(jù)時代。在這一背景之下數(shù)據(jù)處理的中心逐漸發(fā)生轉(zhuǎn)變，由原先的以計(jì)算為中心逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐詳?shù)據(jù)為中心。近年來，存算一體（IMC）架構(gòu)逐漸興起，但受到諸多技術(shù)因素的限制，這一架構(gòu)的應(yīng)用廣泛性并不是很高，因此國內(nèi)外很多專業(yè)人員基于技術(shù)相對成熟的SRAM來對IMC架構(gòu)開展探索與設(shè)計(jì)。本文就針對基于SRAM的通用存算一體架構(gòu)平臺在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究與分析。

關(guān)鍵詞：SRAM;物聯(lián)網(wǎng); 存算一體架構(gòu)

1計(jì)算原理

于傳統(tǒng)SRAM而言，在1個讀操作空間內(nèi)共用同1對位線的若干個存儲單元中，僅有一個會被讀取，而如果對位于SRAM同一列的兩個或者多個存儲單元同時進(jìn)行讀取，最后位線上電平所代表的邏輯值將是被打開的單元所存儲比特的相與結(jié)果。SRAM列內(nèi)實(shí)現(xiàn)計(jì)算的基本原理主要如下：首先是有位于同1對位線上的兩個6管SRAM存儲單元，而這兩個存儲單元分別是由6根晶體管組成;在存儲單元之上又存在存儲節(jié)點(diǎn)，若將存儲節(jié)點(diǎn)計(jì)為A與B，當(dāng)A=B=1時，在這種情況下對任一SRAM存儲單元進(jìn)行讀取，則會促使已經(jīng)預(yù)充電的一側(cè)位線放電，而另一側(cè)位線的點(diǎn)位則維持不變;如果將兩個存儲模塊的字線同時打開，一側(cè)位線則可以同時通過兩個通路進(jìn)行放電操作，此時另一側(cè)位線會保持高電平。由此我們可以發(fā)現(xiàn)其中的邏輯，即一側(cè)位線與另一側(cè)位線上的邏輯值分別為打開兩個存儲單元中值的“與”和“或非”結(jié)果。在這種情況下如果在位線之上增加一個靈敏放大器，且同時將位線其中一端接至合適的公共參考電壓，則可以在輸出端獲得兩個邏輯結(jié)果。

2基于SRAM的通用IMC架構(gòu)平臺

2.1平臺構(gòu)成

此架構(gòu)平臺是由多個部分共同組成，分別為由1個6級流水精簡指令集處理器核、1個指令存儲器、1個存內(nèi)計(jì)算協(xié)處理器、若干SRAM模塊組成的數(shù)據(jù)存儲器。在這些構(gòu)件之中，數(shù)據(jù)存儲器是由若干個常規(guī)SRAM模塊與計(jì)算型SRAM——IMC-SRAM組成。IMC-SRAM同時具備融合存儲與計(jì)算的功能，它對傳統(tǒng)的電路原理基礎(chǔ)做出了一些改變，用9管單元代替了原先的6管單元，這樣一來，原先6管單元存在的讀寫互擾與在存計(jì)算時所存在的一系列問題得到了很大程度上的緩解;不僅如此，在IMC-SRAM之中，還對部分邏輯門進(jìn)行了額外增加，這部分邏輯門的主要作用是實(shí)現(xiàn)除了“與”和“或非”邏輯之外的其他一系列運(yùn)算。相比于其他的計(jì)算型SRAM，IMC-SRAM在算法類型上支持面更廣，不僅如此，IMC-SRAM還能夠支持存內(nèi)向量計(jì)算。IMC-CP是一個為存內(nèi)計(jì)算設(shè)計(jì)的輕量協(xié)處理器，其作用主要為對處理器核傳送來的IMC指令進(jìn)行譯碼處理，在此基礎(chǔ)之上，將處理完成之后的信息對IMC-SRAM進(jìn)行模式配置以及控制存內(nèi)計(jì)算操作。對于IMC-CP而言，其中還包含了如下幾個可配置的重要狀態(tài)寄存器：R0的主要作用是對下一次存內(nèi)計(jì)算的矢量長度信息進(jìn)行保存;R1-R3主要用于IMC-CP對IMC指令譯碼后得到的源操作數(shù)和目的操作數(shù)的列地址進(jìn)行保存;Rm主要是用來對系統(tǒng)當(dāng)前的工作模式進(jìn)行保存;Rn用于對系統(tǒng)之中用以存內(nèi)計(jì)算的IMC-SRAM模塊數(shù)量信息進(jìn)行保存;Rv是對當(dāng)前IMC計(jì)算指令之中的剩余矢量長度信息進(jìn)行保存的狀態(tài)寄存器;而Roc則是用于保存存內(nèi)計(jì)算的操作碼信息。

2.2IMC指令集

IMC指令集是DM-IMCA之中所包含的一個專門為存內(nèi)計(jì)算所設(shè)計(jì)的指令集。在IMC指令之中，高5位為識別碼，前三位為1級識別碼，其主要作用是對IMC指令與傳統(tǒng)MIPS32指令進(jìn)行有效的區(qū)分。需要說明的是，1級識別碼在DM-IMCA處理器核流水線中的預(yù)譯碼級被處理，并不會被傳送至協(xié)處理器IMC-CP中。所以處理器核傳送至IMC-CP的指令實(shí)際為29位，即IMC指令的低29位。在識別碼中，后兩位為2級識別碼，其作用主要是對某條IMC指令的類型予以有效的區(qū)分。以功能作為劃分類型，IMC指令可以被分為配置指令與計(jì)算指令兩大類，在這這個大類下又可以做出進(jìn)一步的細(xì)分。配置指令可以細(xì)分為存儲配置指令以及地址配置指令，前者的主要作用是對數(shù)據(jù)存儲器中用于存內(nèi)計(jì)算的IMC-SRAM宏模塊數(shù)量進(jìn)行配置，而后者則主要用于對存內(nèi)計(jì)算的源操作數(shù)以及目的操作數(shù)的行地址信息進(jìn)行配置。對于計(jì)算指令而言，其作用主要是對IMC-SRAM進(jìn)行控制，并在此基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)對于存內(nèi)計(jì)算功能類型與向量長度的有效計(jì)算。

2.3DM-IMCA在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

OTP加密：對于OTP技術(shù)而言，其秘鑰長度需要保持與被加密的信息一致，因此這種加密技術(shù)一般只適用于短信息的加密，對于相對較大的文件則存在效率低的問題。而DM-IMCA原生支持異或操作，在這一條件之下OTP加密過程可以直接通過使用IMC指令予以實(shí)現(xiàn)。哈希函數(shù)實(shí)現(xiàn)：對于哈希算法而言，從本質(zhì)上來看實(shí)際上指的是一類算法，而并非單指某一個算法，其在基準(zhǔn)系統(tǒng)之中實(shí)現(xiàn)需要以串行的方式逐個累加，所消耗的時間較長，存在效率較低的問題。而在DM-IMCA之中，只需要將字符串?dāng)?shù)組映射于IMC-SRAM之中，并在此基礎(chǔ)之上按照存內(nèi)計(jì)算的存儲要求進(jìn)行排列，并分批次的進(jìn)行運(yùn)算。

3.結(jié)束語

本文主要針對基于SRAM的通用存算一體架構(gòu)平臺在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究與分析。首先對基于SRAM的存內(nèi)邏輯計(jì)算原理進(jìn)行了一定程度上的闡述，然后在此基礎(chǔ)之上從平臺構(gòu)成、IMC指令集以及DM-IMCA在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用三個方面具體分析了基于SRAM的通用IMC架構(gòu)平臺。

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項(xiàng)目名稱：基于微服務(wù)架構(gòu)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)技術(shù)研究。