Ein universeller Framework für zuverlässiges Computing-in-Memory basierend auf aufkommenden nicht-flüchtigen Speichern (CIMware)

• Antragsteller: Professor Mehdi B. Tahoori, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Rechnerarchitektur, eingebettete und massiv parallele Systeme
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 502196634

Computing in Memory (CIM) ist ein neu aufkommendes Konzept, das auf der engen Integration von traditionell getrennten Speicherelementen und Rechenkernen beruht und es ermöglicht, den Zeit- und Energieaufwand für den Datentransport in digitalen Architekturen zu minimieren. Unter den aufkommenden Bauteiltechnologien begünstigen nichtflüchtige Speichertechnologien wie resistive oder magnetoresistive Bauteile (STT, ReRAM und PCM), die sowohl als Speicher- als auch als Informationsverarbeitungseinheiten fungieren können, eine höhere Systemkomplexität und -leistung bei geringerem Stromverbrauch. Daher bieten sie der wissenschaftlichen Gemeinschaft Möglichkeiten für neue Innovationen in der Computerarchitektur, die mit den heutigen Einschränkungen Schritt halten können.Es gibt zwar verschiedene Varianten der Implementierung von CIM-Operationen unter Verwendung unterschiedlicher Speichertechnologien, aber die architektonische Gestaltung des CIM-Computerparadigmas und ihre Integration in die Speicherhierarchie sind offene Forschungsprobleme. Darüber hinaus müssen trotz der vielversprechenden Eigenschaften der auf In-Memory-Computing basierenden Architekturen, die mit neu entstehenden Geräten aufgebaut werden, noch viele Probleme im Zusammenhang mit den Geräten selbst und ihrer Doppelnutzung (Speicher- und Recheneinheit) gelöst werden. Aufgrund der Unausgereiftheit dieser neuen Speichertechnologien - im Vergleich zu der mehr als 50 Jahre alten CMOS-Technologie - sowie der inhärenten Stochastizität der Bauelemente ist es schwierig, die heutigen hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit der neuen Technologien zu erfüllen. Darüber hinaus können Leistung und Kosten durch Unsicherheiten bei der Zuverlässigkeit negativ beeinflusst werden. Diese Probleme stellen die CIM-Zuverlässigkeit vor große Herausforderungen, die neue Modelle der CIM-basierten Datenverarbeitung auf höheren Abstraktionsebenen erforderlich machen können. Dieses Projekt zielt darauf ab, eine Brücke zu schlagen zwischen den technologischen Entwicklungen für neu entstehende nichtflüchtige Speicher für eine zuverlässige und energieeffiziente CIM-Realisierung auf der einen Seite und der Entwurfsforschung auf Architekturebene und Rechenparadigmen auf der anderen Seite. Dies geschieht durch den Entwurf einer Bibliothek zuverlässiger und energieeffizienter primitiver Schaltungen auf der Grundlage verschiedener nichtflüchtiger Technologien (memristive und spintronische Bauelemente), nicht nur, um Computing-in-Memory-Architekturen zu ermöglichen, sondern auch, um genaue technologiebewusste Architekturmodelle zum Benchmarking und zur Erforschung des Potenzials der einzelnen Technologien (z. B. MRAM, PCM, ReRAM) und CIM-Architekturdesigns bereitzustellen, um die weitere Entwicklung von Software- und Compilerdesigns und die Erforschung des Computing-in-Memory-Paradigmas zu ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2377: Disruptive Hauptspeichertechnologien