Digital processing-in-memory (PIM) architectures are rapidly emerging to overcome the memory-wall bottleneck by integrating logic within memory elements. Such architectures provide vast computational power within the memory itself in the form of parallel bitwise logic operations. We develop novel algorithmic techniques for PIM that, combined with new perspectives on computer arithmetic, extend this bitwise parallelism to the four fundamental arithmetic operations (addition, subtraction, multiplication, and division), for both fixed-point and floating-point numbers, and using both bit-serial and bit-parallel approaches. We propose a state-of-the-art suite of arithmetic algorithms, demonstrating the first algorithm in the literature for a majority of cases - including cases previously considered impossible for digital PIM, such as floating-point addition. Through a case study on memristive PIM, we compare the proposed algorithms to an NVIDIA RTX 3070 GPU and demonstrate massive throughput and energy improvements. Overall, this paper provides a fundamental foundation for high-throughput arithmetic in PIM, thereby also exposing PIM algorithmic research to the wider computer-science community as all fundamental arithmetic operations can now be abstractly used, on both fixed and floating-point numbers.


翻译:将记忆元素中的逻辑结合到记忆元素中的逻辑,从而迅速出现数字处理(PIM)架构,以克服记忆-墙的瓶颈。这些架构以平行的比点逻辑操作的形式,在记忆中提供巨大的计算能力。我们为PIM开发了新型算法技术,这种技术,加上计算机算学的新视角,将这种小点与固定点和浮动点数字的四种基本算术操作(添加、减减、倍化、倍化和分化)的比位点和浮点数字的比点和浮点数字的平行操作(添加、减、倍化、倍化和分解)扩展到四个基本的计算操作(增加、减减、倍化、倍化和分点数),同时使用位空点数方法,克服了记忆中最先进的算法和位数。我们提议了一套最先进的算法和位和位方和位方差法方法。我们提出一套最先进的算算算法和比导方法。我们提出一套最先进的算算算算法,从而将大部分文献中的PIM算算算算算算算法的首次算算算算算算算算算算算算算算算算算算法显示基础基础基础基础基础基础基础基础基础基础基础,从而将现在将PIM的PIM的PIM算法研究同时将现在的PIM算算算法和浮动算法研究都将现在将PIM的PIM的PIM算法研究的PIM算法研究的PIM算法和浮动计算法都揭示的PIM的计算法研究法和浮动计算法都的流流点点点点点点点点的计算法学研究所算法向更宽的流流点点点点点点点点点的PIM的PIM的计算学研究,将现在的PIM的PIM的计算法学研究,将现在的计算学研究的计算法学研究的计算学研究、现在的计算学研究的PIM的计算学研究的PIM的PIM的PIM的PIM的计算系和浮动码系和浮动码学研究的流点点点的计算系和浮动计算系的计算系系系系系系系,作为基本数字系系系和浮动计算系系系系系系系系,作为基本数字系系系系系系系系系

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