如何使用AI打造更好的芯片

隨著如此眾多的初創(chuàng)公司和大型半導(dǎo)體公司爭(zhēng)相將新的AI芯片推向市場(chǎng)，Synopsys，Cadence和Mentor Graphics等電子工具和設(shè)計(jì)服務(wù)公司正在尋找新的方法來(lái)幫助設(shè)計(jì)師加快產(chǎn)品上市時(shí)間。具有諷刺意味的是，正在采取的方法之一是使用AI來(lái)幫助構(gòu)建更好的AI芯片。設(shè)計(jì)過程的后端(稱為物理設(shè)計(jì))對(duì)于支持AI的工具尤為成熟，并且早期采用者正在實(shí)現(xiàn)出色的結(jié)果。對(duì)于對(duì)更多細(xì)節(jié)感興趣的讀者，請(qǐng)?jiān)诖颂幉榭次谊P(guān)于此主題的研究論文。

對(duì)于那些不熟悉芯片制造的人，請(qǐng)?jiān)试S我提出問題。一旦確定了芯片的邏輯(可能要花費(fèi)數(shù)月或數(shù)年)，物理設(shè)計(jì)過程便開始了，工程師必須確定將每塊晶體管放在何處以及如何互連。此過程稱為布局布線。由于現(xiàn)代芯片上有數(shù)十億個(gè)晶體管，因此這種設(shè)計(jì)布局和測(cè)試通常需要數(shù)名工程師花費(fèi)大約20至30周的時(shí)間才能完成。如果他們弄錯(cuò)了，該芯片可能會(huì)比設(shè)計(jì)的速度慢，功耗更多，成本比計(jì)劃的高，并且/或者根本無(wú)法工作。但是，沒有一種“正確”的布局芯片的方法。有成千上萬(wàn)種可能的選擇，其中包括權(quán)衡芯片的三個(gè)主要設(shè)計(jì)目標(biāo)：性能，功耗和面積(或PPA)。

實(shí)際上，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)面臨著巨大的“搜索”問題：僅平面布置圖探索就可以包含10種90,000種驚人的可能性。放眼來(lái)看，國(guó)際象棋比賽只有10123個(gè)州，而GO比賽包括大約10360個(gè)州。游戲類比很有用，因?yàn)楝F(xiàn)在可以通過AI軟件“玩”物理設(shè)計(jì)和游戲。盡管AI可能需要大量的計(jì)算資源，但它可以通過大量難以想象的選擇進(jìn)行分類，以優(yōu)化參數(shù)以實(shí)現(xiàn)一組目標(biāo)，這在芯片設(shè)計(jì)的情況下是PPA的最佳組合。

通過強(qiáng)化學(xué)習(xí)贏得比賽

AI中有一個(gè)無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)的分支，稱為強(qiáng)化學(xué)習(xí)(RL)，用于通過試錯(cuò)學(xué)習(xí)來(lái)解決這類游戲問題：讓計(jì)算機(jī)“嘗試”一個(gè)解決方案，然后通過以下方式增強(qiáng)該解決方案的參數(shù)：結(jié)果。它會(huì)變好還是變壞?然后重復(fù)數(shù)萬(wàn)億次，直到解決方案收斂或“取勝”。

圖2總結(jié)了Synopsys及其客戶承擔(dān)的一系列復(fù)雜芯片設(shè)計(jì)的四個(gè)項(xiàng)目。平均而言，這些項(xiàng)目完成的時(shí)間要快86%，由一個(gè)數(shù)據(jù)科學(xué)家而不是4-5個(gè)工程師組成，并且全部達(dá)到或超過了項(xiàng)目PPA的目標(biāo)。有趣的是，由AI生產(chǎn)的一些設(shè)計(jì)有些違反直覺，以非常規(guī)的形狀散布晶體管塊，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)極不可能嘗試。但是結(jié)果不言而喻。它們可以更快，更高效，并且可以更快地投放市場(chǎng)。

結(jié)論

與Synopsys的團(tuán)隊(duì)交談時(shí)，我清楚地意識(shí)到，在物理設(shè)計(jì)中使用RL只是冰山一角，并且AI和機(jī)器學(xué)習(xí)可用于設(shè)計(jì)集成電路的許多常見工作流中。我還想起了NVIDIA首席執(zhí)行官黃仁勛(Jensen Huang)在2016年首次發(fā)布Saturn V時(shí)的一些評(píng)論，這是NVIDIA內(nèi)部基于GPU的超級(jí)計(jì)算機(jī)，當(dāng)時(shí)它在全球排名前30位的超級(jí)計(jì)算機(jī)中名列前茅。黃先生然后預(yù)測(cè)，土星V將成為公司的有力競(jìng)爭(zhēng)者，這將幫助NVIDIA設(shè)計(jì)工程師提高生產(chǎn)力并生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品?？吹絊ynopsys在RL方面的早期項(xiàng)目成果，我可以開始理解，為什么黃先生如此興奮!