IBM公司的PCM計算機能夠告訴您是否有雨

IBM公司已經公布了一種新的內存計算機制：在相變存儲器之內完成處理，而無需借助于外部CPU。

傳統計算機制要求利用存儲器進行數據保存，而其中的數據將被傳遞至外部處理器進行運算，得出的結果最初再被寫入回存儲器。這就是最基本的馮-諾依曼計算機架構，而明顯可以看到存儲器與計算資源之間存在著性能瓶頸。

如果某些計算任務能夠在內存之中完成，則這一瓶頸將不復存在，計算速度也將更上一層樓。

不過內存當中并不包含處理器，因此必須利用存儲器中的某些組件，具體取決于存儲器中容納的實際數據內容。此外，這種計算能力也將相當原始。

究竟要如何實現?

在本周發表于《自然通訊》雜志上的論文當中，IBM蘇黎世研究院的工作人員們表示，可以在相變存儲器（簡稱PCM）器件當中執行部分計算任務--這是因為此類器件在納米尺度層面擁有豐富且光明的物理應用前景。PCM器件的單元會隨OCM材料的內部狀態變化而發生電阻降低，而當這些硫族化合物晶體由無定型晶體重新轉變為規則晶體后，電阻將再次上升。

這種狀態變化可由施加電流的方式實現，而測量單元電阻即可完成對二進制數值的讀取。

藍色巨人指出："其基本思路在于不再將存儲器視為被動的存儲實體，而是利用存儲器件的物理屬性立足數據存儲位置精確實現計算。"

關于PCM，IBM方面解釋稱"在應用電信號時，這些器件的導電電平動態演變將可用于執行計算任務……器件的導電能力根據電流輸入變化而發生演變，而計算結果則將被記錄在存儲器陣列當中。"

研究人員們表示，當對PCM晶體狀態或者相位施加足夠高的電流（RESET脈沖）時，大部分材料因電流通過產生的熱量而熔化; 但當電流停止后，其以淬火形式保持為非晶體狀態。非晶體狀態材料的量取決于RESET脈沖的幅度與持續時間，且單元之內存在溫度變化梯度。

將單元轉變為晶體狀態的SET脈沖則同樣需要升高其溫度以實現結晶，但這一溫度低于材料本身的熔點。這種具體狀態變化方法被稱為晶體動態。存儲器單元中的非定型物質的量影響其實際導電率。

IBM公司還設計出一種算法，能夠利用100萬個PCM設備（單元）陣列檢測PCM存儲器設備之內各基于事件的數據流間的時間相關性，例如檢測物聯網設備中的信號是否存在。

其中采用的數學方法極度復雜，涉及諸如"非中心協方差矩陣"以及"集體勢能"等術語，我們在本篇文章中就不詳加論述了。

根據我們的設想，存儲器中會進行一些隨機分布的二進制計算進程，其中部分相關，部分不相關。這些進程以固定長度的連續間隔中表達為二進制中的1或者0。我們希望了解其中哪些相關而哪些不相關，從而在統計學層面對其加以分析。

每個進程會被分配給單一相變存儲器單元。當進程取值為1時，則設置脈沖以施加到對應的PCM設備。選擇SET脈沖的幅度或者時長與所有進程的瞬時和正成正比。通過監測存儲器件的導電率，我們即可確定其中存在的相關組。

如此一來，我們即可計算各進程間的統計學相關性，并將結果存儲在與存儲器內數據駐留位置相同的PCM單元當中。

如何使用這項新技術？

研究人員們提出了這項技術的潛在適用場景：處理真實世界中的數據集，例如天氣數據。其能夠從氣象站讀取數據并作為一組包含時間序列的進程（值）。如果氣象臺宣布將在1小時內發生降雨，則賦值為1，否則則賦值為0。

藍色巨人設計出的PCM計算設備可以通過一組氣象站進程值隨時間推移的關聯情況來判斷是否會發生降雨。

他們得出的結論是，通過使用此類PCM計算存儲器模塊，相較于使用4套最先進的GPU設備，春能夠將相關檢測任務加速200倍。另外，這套方案還能夠將能源消耗率降低兩個數量級。

研究人員們宣稱，這種納米級計算與存儲共同體將能夠實現超高密度、低功耗與大規模并行計算系統。

備注: 此項研究成果由IBM蘇黎世研究院的Abu Sebastian、Tomas Tuma、Nikolaos Papandreou、Manuel Le Gallo、Lukas Kull、Thomas Parnell以及Evangelos Eleftheriou共同完成，論文發表在《自然通訊》雜志之上。