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面向存算一体芯片的模拟计算阵列中存算一体芯片的存算一体存内计算编译器与指令集架构.docx
资料介绍
面向存算一体芯片的模拟计算阵列中存算一体芯片的存算一体存内计算编译器与指令集架构
摘要
存算一体芯片的独特计算模式——数据在存储域直接计算——对指令集架构（ISA）和编译器提出了全新的设计要求。传统ISA以"加载-计算-存储"为基本范式，而存算一体芯片将计算嵌入存储操作中，需要重新定义指令集的基本语义。本文针对存算一体芯片模拟计算阵列的需求，设计了一套面向存内计算的专用指令集架构（CIM-ISA），以及配套的编译器后端，实现了从深度学习框架到存算一体芯片的自动编译，编译效率达到手工优化方案的90%以上，代码密度降低30%。
一、存内计算指令集设计的原则
1.1 传统ISA的局限性
传统ISA（如x86、ARM、RISC-V）以寄存器-内存架构为基础，指令的基本模式是：从内存加载数据到寄存器、在寄存器中执行计算、将结果写回内存。在存算一体芯片中，计算直接在存储域执行，数据"加载"和"计算"两个阶段合二为一，传统ISA的加载-计算-存储模式无法有效表达这一计算范式，导致指令序列冗长，执行效率低下。
1.2 CIM-ISA的设计原则
CIM-ISA的设计遵循以下原则：存储即计算——将计算指令直接作用于存储地址空间，无需显式的数据加载操作。向量化——指令应支持SIMD（单指令多数据）模式，利用存算阵列的并行计算能力。精度可配置——指令应支持INT4/INT8/FP16等多种精度配置，适应不同应用场景的精度需求。异步执行——支持计算指令与数据传输指令的异步执行，通过流水线隐藏延迟。
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