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Exploration et conception d'architectures de calcul de type in-memory à base de mémoires non volatiles émergentes

Département Architectures Conception et Logiciels Embarqués (LIST-LETI)

Laboratoire Intégration Silicium des Architectures Numériques

01-09-2018

SL-DRT-18-0258

jean-philippe.noel@cea.fr

L'objectif de cette thèse est d'explorer l'utilisation des mémoire non-volatiles émergentes pour les architectures de in-memory-computing afin d'ouvrir le champ d'application de ces mémoires limitées aujourd'hui à des implementations SRAM. L'utilisation des systèmes électroniques, des systèmes embarqués aux super-ordinateurs, devient de plus en plus centrée sur l'exploitation de leurs données. Parallèlement, l'écart de performance entre le processeur et sa mémoire n'a jamais cessé de croître au cours des dernières décennies (phénomène connu sous le nom de « memory wall »). La même tendance est également observée au niveau de l'écart de consommation d'énergie entre le calcul (GFlop/s) et le mouvement de données (GByte/s). Ainsi, une très grande proportion, sinon la plus grande, des efforts déployés par les industriels et les chercheurs du domaine se sont concentrées sur l'amélioration des caractéristiques des mémoires telles que la réduction de la taille physique, l'augmentation de la bande passante, la non-volatilité des données, etc. Malgré les avantages évidents de la hiérarchisation des mémoires (notamment des niveaux de cache), la latence des transferts de données entre ses différents niveaux reste un goulot d'étranglement important au niveau des performances. En termes de consommation d'énergie, les E/S dominent largement le coût global (70% à 90%). Enfin, en termes de sécurité, les transferts de données entre CPU et mémoire constituent le talon d'Achille d'un système informatique largement exploité par les pirates informatiques. Par conséquent, d'autres solutions sont apparues au fil des ans pour résoudre ces problèmes. Ils peuvent être regroupés sous les termes suivants: processing-in-memory, logic-in-memory et in-memory computing (ou computing-in-memory). Le processing-in-memory (PIM) est un concept basé sur le procédé de fabrication DRAM consistant à piloter des unités de calcul implémentées dans des modules DIMM à travers le bus mémoire existant. Dans des travaux plus récents, et avec le progrès des technologies 3D, les chercheurs proposent de concevoir des piles d'unité de calcul à côté de la pile DRAM, ce qui permet de créer un parallélisme massif des données. Logic-In-Memory (LiM) est le concept d'intégration de certaines capacités de calcul dans la mémoire. Cependant, il est plus utilisé pour implémenter des opérations logiques sur une couche mémoire spécifique ou une couche logique dédiée aux mémoires 3D. Dans ce sujet de thèse, le In-Memory-Computing (IMC), qui consiste à intégrer une partie des unités de calcul dans le périmètre de la mémoire, ce qui signifie que les données ne quittent pas la mémoire sera exploré. Cela a pour avantage d'offrir un gain significatif dans le temps d'exécution, en réduisant la consommation d'énergie et en améliorant la sécurité. Un premier concept d'IMC a été mis en ?uvre avec succès dans le laboratoire. Malgré les résultats prometteurs des travaux existants, toutes les applications ont été expérimentées uniquement à partir de matrices de cellules SRAM ce qui limite drastiquement les applications futures. Pour aller plus loin et cibler les applications nécessitant des mémoires hautes capacité (vidéo, ...), l'utilisation de mémoires non volatiles basées sur des technologies émergentes (ReRAM, PCM, MRAM, ...) fera l'objet d'une exploration approfondie dans le cadre de cette thèse. Basé sur une plateforme logicielle interne et une architecture matérielle existante, l'objectif principal sera d'évaluer les performances (consommation, timing, ...) et d'explorer de nouvelles solutions d'architectures et de conception.

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