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 aufstrebendes Paradigma, das Speicher- und Verarbeitungseinheiten eng integriert, um den Zeit- und Energieaufwand für Datenbewegungen innerhalb digitaler Architekturen zu minimieren. Unter den verschiedenen neuartigen Gerätetechnologien sind nichtflüchtige Speichertechnologien (Non-Volatile Memory, NVM) – wie Spin-Transfer-Torque (STT) MRAM, Resistive RAM (ReRAM) und Phasenwechselspeicher (PCM) – besonders vielversprechend für die Umsetzung von CIM. Diese memristiven und spintronischen Bauelemente dienen sowohl als Speicher- als auch als Recheneinheiten, wodurch sie eine höhere Systemkomplexität und Leistung ermöglichen und gleichzeitig den Energieverbrauch erheblich reduzieren. Trotz des wachsenden Interesses an CIM bleiben mehrere grundlegende Herausforderungen bestehen. Die architektonische Gestaltung von CIM-Systemen und ihre Integration in Speicherhierarchien sind weiterhin offene Forschungsfragen. Darüber hinaus zeigen In-Memory-Computing-Architekturen, die auf neuen NVM-Technologien basieren, großes Potenzial, jedoch müssen viele Probleme im Zusammenhang mit der Gerätezuverlässigkeit, der technischen Reife und der Doppelfunktion (Speicherung und Berechnung) gelöst werden. Im Gegensatz zur etablierten CMOS-Technologie – die von über fünf Jahrzehnten der Optimierung profitiert hat – weisen diese neuartigen Speicherbauelemente inhärente stochastische Effekte und Prozessvariationen auf. Dies erschwert es, die strengen Zuverlässigkeitsanforderungen moderner Rechensysteme zu erfüllen. Dieses Projekt zielt darauf ab, die Lücke zwischen technologischen Fortschritten im Bereich neuartiger nichtflüchtiger Speicher und architekturbezogener Designforschung für zuverlässige und energieeffiziente CIM-Systeme zu schließen. Konkret werden wir eine Bibliothek zuverlässiger und energieeffizienter CIMSchaltungsprimitive auf Basis verschiedener memristiver und spintronischer Technologien entwickeln. Diese verfolgt zwei zentrale Ziele: 1- Praktische CIM-Architekturen ermöglichen, indem ein NVMCIM-Speicher-Compiler auf Hardware-Ebene sowie eine Application Programming Interface (API) für CIM-fähige Architekturen auf Software-Ebene entwickelt wird. 2- Präzise, technologiebezogene Architekturmodelle bereitstellen, um das Potenzial verschiedener NVM-Technologien (MRAM, PCM, ReRAM) für CIM-Architekturen zu bewerten und zu benchmarken. Durch die Entwicklung dieser technologiebewussten Modelle und architektonischen Erkenntnisse wird das Projekt weitere Fortschritte in den Bereichen Software, Compiler-Design und CIM Systemforschung ermöglichen. Dies wird letztendlich die Adoption energieeffizienter und zuverlässiger CIMComputing-Paradigmen beschleunigen.

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