何飛勇

摘要：隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展以及科學技術水平的不斷提高，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術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)生轉變，由原先的以計算為中心逐漸轉變?yōu)橐詳?shù)據(jù)為中心。近年來，存算一體（IMC）架構逐漸興起，但受到諸多技術因素的限制，這一架構的應用廣泛性并不是很高，因此國內外很多專業(yè)人員基于技術相對成熟的SRAM來對IMC架構開展探索與設計。本文就針對基于SRAM的通用存算一體架構平臺在物聯(lián)網(wǎng)中的應用進行研究與分析。

關鍵詞：SRAM;物聯(lián)網(wǎng); 存算一體架構

1計算原理

于傳統(tǒng)SRAM而言，在1個讀操作空間內共用同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果。SRAM列內實現(xiàn)計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，若將存儲節(jié)點計為A與B，當A=B=1時，在這種情況下對任一SRAM存儲單元進行讀取，則會促使已經(jīng)預充電的一側位線放電，而另一側位線的點位則維持不變;如果將兩個存儲模塊的字線同時打開，一側位線則可以同時通過兩個通路進行放電操作，此時另一側位線會保持高電平。由此我們可以發(fā)現(xiàn)其中的邏輯，即一側位線與另一側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果。

2基于SRAM的通用IMC架構平臺

2.1平臺構成

此架構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個存內計算協(xié)處理器、若干SRAM模塊組成的數(shù)據(jù)存儲器。在這些構件之中，數(shù)據(jù)存儲器是由若干個常規(guī)SRAM模塊與計算型SRAM——IMC-SRAM組成。IMC-SRAM同時具備融合存儲與計算的功能，它對傳統(tǒng)的電路原理基礎做出了一些改變，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，還對部分邏輯門進行了額外增加，這部分邏輯門的主要作用是實現(xiàn)除了“與”和“或非”邏輯之外的其他一系列運算。相比于其他的計算型SRAM，IMC-SRAM在算法類型上支持面更廣，不僅如此，IMC-SRAM還能夠支持存內向量計算。IMC-CP是一個為存內計算設計的輕量協(xié)處理器，其作用主要為對處理器核傳送來的IMC指令進行譯碼處理，在此基礎之上，將處理完成之后的信息對IMC-SRAM進行模式配置以及控制存內計算操作。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計算的矢量長度信息進行保存;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)的列地址進行保存;Rm主要是用來對系統(tǒng)當前的工作模式進行保存;Rn用于對系統(tǒng)之中用以存內計算的IMC-SRAM模塊數(shù)量信息進行保存;Rv是對當前IMC計算指令之中的剩余矢量長度信息進行保存的狀態(tài)寄存器;而Roc則是用于保存存內計算的操作碼信息。

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計算所設計的指令集。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算指令兩大類，在這這個大類下又可以做出進一步的細分。配置指令可以細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)存儲器中用于存內計算的IMC-SRAM宏模塊數(shù)量進行配置，而后者則主要用于對存內計算的源操作數(shù)以及目的操作數(shù)的行地址信息進行配置。對于計算指令而言，其作用主要是對IMC-SRAM進行控制，并在此基礎之上實現(xiàn)對于存內計算功能類型與向量長度的有效計算。

2.3DM-IMCA在物聯(lián)網(wǎng)中的應用

OTP加密：對于OTP技術而言，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指令予以實現(xiàn)。哈希函數(shù)實現(xiàn)：對于哈希算法而言，從本質上來看實際上指的是一類算法，而并非單指某一個算法，其在基準系統(tǒng)之中實現(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，只需要將字符串數(shù)組映射于IMC-SRAM之中，并在此基礎之上按照存內計算的存儲要求進行排列，并分批次的進行運算。

3.結束語

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

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項目名稱：基于微服務架構的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算網(wǎng)關技術研究。