O que é PIM (Processing in Memory)?
Os computadores sempre trabalharam assim: a memória guarda, o processador resolve. Um vai e volta constante. Processing in memory, ou PIM, quebra essa lógica. A memória não espera mais ordens; ela arregaça as mangas e faz o serviço. Menos trânsito de dados, mais velocidade. É o tipo de avanço que muda o jogo sem alarde, mas com impacto gigante.
O que é e como funciona o processamento na memória?
Processing in memory (PIM) é uma tecnologia que modifica a arquitetura tradicional dos computadores ao integrar processamento e memória em um único chip. Enquanto nos modelos clássicos o processador e a memória funcionam separados, trocando dados continuamente, o PIM reduz essa troca ao mínimo necessário, permitindo que operações complexas sejam realizadas diretamente no módulo de memória.
Funciona assim: em vez de a memória apenas armazenar dados e esperar que o processador faça os cálculos, ela mesma realiza parte do processamento. Isso é possível graças à inclusão de unidades computacionais na estrutura do chip de memória. O resultado? Menos tráfego de dados, menor consumo de energia e um desempenho incrivelmente rápido.
Reprodução/Dae-han Kwno, Ph. D. e lider de projeto de design personalizado na SK hynix
A abordagem resolve um antigo problema chamado “gargalo de von Neumann”, que descreve a lentidão causada pela necessidade de mover informações entre a memória e o processador.
Com o PIM, o chip trabalha como uma linha de montagem eficiente, onde os dados não precisam “viajar” para serem processados. É uma mudança de paradigma que combina velocidade, eficiência e inovação, pronta para atender às demandas de um mundo movido por grandes volumes de dados.
Quando surgiu o PIM?
A ideia de aproximar processamento e memória não é nova. Desde os primórdios da computação, pioneiros como Charles Babbage, com sua Máquina Analítica no século XIX, já vislumbravam máquinas capazes de realizar cálculos complexos de forma mais eficiente. No entanto, foi apenas com os avanços tecnológicos das últimas décadas que o conceito de Processing in Memory (PIM) ganhou forma prática.
Nos anos 1990, pesquisadores começaram a explorar a integração de unidades de processamento diretamente nos módulos de memória, objetivando reduzir a latência e o consumo de energia associados à transferência de dados entre CPU e memória. Projetos como o Computational RAM (C-RAM) emergiram nesse período, propondo arquiteturas que combinavam memória e processamento em um único chip.
Com o advento das memórias 3D e a possibilidade de empilhar camadas de memória e lógica, o PIM tornou-se uma solução viável para os desafios de desempenho e eficiência energética enfrentados pelos sistemas computacionais modernos.
Hoje, empresas e instituições de pesquisa continuam a desenvolver tecnologias PIM, impulsionando inovações em áreas como inteligência artificial, Big Data e computação de alto desempenho.
Empresas que utilizam PIM e suas principais aplicações
Empresas como Samsung, NVIDIA, SK hynix e Kioxia estão na linha de frente, mostrando que o PIM não é apenas uma promessa tecnológica.
Contudo, hoje a Samsung é a atual no desenvolvimento de tecnologias de processamento em memória (PIM). Em 2024, a empresa consolidou seu pioneirismo com o lançamento do HBM3E “Shinebolt”, que oferece largura de banda de até 1.280 GB/s e capacidade de até 36 GB.
Contudo, a Samsung não está sozinha na corrida pelo desenvolvimento de tecnologias de ponta em processamento em memória. A SK hynix, uma das principais concorrentes do setor, também avançou significativamente com o anúncio de sua memória HBM3E de 16 camadas, totalizando impressionantes 48GB por stack.
A inovação apenas permite configurações de até 384GB em sistemas com oito stacks e promete ganhos de até 18% em treinamento de máquina e 32% em inferência.
As inovações atendem às recentes e crescentes demandas de inteligência artificial (IA) em larga escala, aprendizado de máquina e Big Data. Além disso, a empresa desenvolveu o MCRDIMM, um módulo de memória revolucionário que duplica os canais de transmissão de dados em comparação com os RDIMMs, tornando-se uma escolha ideal para aplicações de computação de alto desempenho (HPC).
Há ainda outras empresas também estão avançando na tecnologia PIM. Como citamos acima, a NVIDIA, por exemplo, utiliza conceitos de processamento avançado em suas GPUs de última geração, fundamentais para treinar modelos de IA gigantes.
Já a Kioxia, conhecida por suas memórias flash, apresentou inovações em DRAM e estruturas 3D na IEDM 2024, mostrando o potencial do PIM para eficiência energética e desempenho.
Diferença entre memória e armazenamento: como o PIM transforma essa relação
Quando pensamos em computadores e dispositivos, termos como “memória” e “armazenamento” frequentemente se confundem.
Embora ambos lidem com dados, eles têm funções distintas, e é exatamente nessa diferença que o processing in memory (PIM) encontra seu papel transformador.
Memória vs. armazenamento: o que cada um faz?
Memória (RAM): é o espaço temporário onde os dados necessários para as operações em andamento são mantidos. É rápida e volátil, ou seja, perde todas as informações quando o dispositivo é desligado. Sua função é dar suporte imediato ao processador, permitindo acesso rápido às informações em uso.
Armazenamento (disco rígido ou SSD): é o local onde os dados são gravados de forma permanente ou de longo prazo, mesmo quando o sistema é desligado. Ele existe para que arquivos, programas e sistemas operacionais sejam acessíveis a qualquer momento, mas sua velocidade é consideravelmente menor em comparação à memória.
O papel do PIM nessa dinâmica
No modelo tradicional de computação, o processador constantemente busca informações no armazenamento, carrega na memória e, só então, realiza o processamento. Isso cria o famoso “gargalo” entre memória e processador, já que a velocidade de leitura e escrita do armazenamento é muito mais lenta que a memória RAM. Tal trânsito consome tempo e energia.
Com o PIM, a abordagem muda completamente. Ele elimina a necessidade de enviar e trazer dados do armazenamento para a memória e, em seguida, para o processador.
Aqui, a memória ganha capacidades de processamento embutidas. Dados armazenados em memória de alta largura de banda (como HBM ou DRAM avançadas) podem ser processados diretamente, sem esperar que o processador principal entre em ação.
Como o PIM transforma a diferença?
Menos dependência do armazenamento: boa parte do processamento ocorre na própria memória, reduzindo a necessidade de acessar frequentemente o armazenamento, que é mais lento.
Aceleração de tarefas: a proximidade entre dados e processamento diminui a latência e melhora a eficiência em tarefas que demandam grande volume de dados, como inteligência artificial, big data e aprendizado de máquina.
Consumo reduzido de energia: a movimentação de dados entre memória e processador consome muita energia. O PIM resolve esse problema ao processar dados localmente.
Principais aplicações do PIM
O processing in memory (PIM) está alterando drasticamente diversas áreas da tecnologia graças à sua capacidade de acelerar o processamento e reduzir o consumo de energia.
A tecnologia é relevante em aplicações que exigem alto desempenho em tempo real ou próximo disso. Vejamos:
Aplicações em tempo real e intensivas em dados
Visão computacional: utilizada para carros autônomos e sistemas de vigilância, a visão computacional requer processamento rápido de imagens e vídeos para identificar objetos e responder a mudanças no ambiente em tempo real.
Streaming de vídeo: a tecnologia ajuda a comprimir e descomprimir vídeos de maneira eficiente, oferecendo qualidade superior e menor latência em plataformas de streaming.
Inteligência artificial e aprendizado profundo: redes neurais e algoritmos de aprendizado profundo, usados em reconhecimento facial, tradução automática e personalização de conteúdo, tiram grande proveito da capacidade do PIM de processar enormes volumes de dados diretamente na memória.
Reprodução/Samsung
Setores críticos que se beneficiam do PIM
Apesar das aplicações altamente técnicas, o PIM também é usado para resolver problemas em áreas críticas e de alta exigência, como:
Manutenção preditiva: identificação de falhas em máquinas antes que ocorram, garantindo maior eficiência em fábricas e indústrias.
Processamento de pagamentos: melhor desempenho e menor latência em sistemas financeiros que exigem altíssima confiabilidade.
Detecção de fraudes: capacidade de identificar padrões irregulares em transações em tempo real, reduzindo perdas financeiras.
Trading algorítmico: execução de estratégias de negociação complexas em frações de segundo, onde cada milissegundo pode fazer diferença no mercado financeiro.
Benefícios em análises e negócios
Mesmo em setores onde a alta velocidade não é crítica, o PIM também pode fazer a diferença. Exemplos incluem:
Painéis de BI (Business Intelligence): melhor desempenho ao lidar com consultas e análises em grandes volumes de dados.
Consultas de dados ad hoc: respostas rápidas a perguntas não estruturadas, úteis para relatórios e análises exploratórias.
Processos de ETL (Extract, Transform, Load): melhor manipulação de dados durante a carga em data warehouses, otimizando o fluxo de trabalho.
Isso posto, o impacto do PIM é claro: ele não só redefiniu o desempenho em áreas que exigem processamento intensivo como elevou a eficiência em aplicações cotidianas, tornando a tecnologia essencial para o futuro dos dados e da inteligência computacional.
A importância é tamanha que os Estados Unidos intensificaram as restrições à exportação de tecnologias avançadas para a China, visando conter o avanço tecnológico do país asiático em áreas sensíveis.
Assim, em dezembro de 2024, o governo norte-americano anunciou um novo pacote de sanções que proíbe a exportação de memórias de alta largura de banda (HBM) para os chineses.
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Fontes: Tech Target e Samsung