當(dāng)前，越來(lái)越多的初創(chuàng)企業(yè)與大型半導(dǎo)體公司正爭(zhēng)相推出新型AI芯片。Synopsys、Cadence以及Mentor Graphics等電子工具與設(shè)計(jì)服務(wù)廠商，則希望尋求更多前所未有的方案，幫助設(shè)計(jì)師們加快產(chǎn)品投產(chǎn)速度。
有趣的點(diǎn)來(lái)了：目前各家公司采取的主流研發(fā)提速手段之一，就是利用AI技術(shù)協(xié)助構(gòu)建更強(qiáng)大的AI芯片。其中，設(shè)計(jì)流程后端（即物理設(shè)計(jì)階段）對(duì)AI工具的支持表現(xiàn)得尤為成熟，而各早期采用者也得到了相當(dāng)可觀的收益。
圖一：這是一塊英偉達(dá)Drive AGX Orin芯片，其結(jié)構(gòu)極度復(fù)雜，包含多達(dá)170億個(gè)晶體管。有趣的是，目前業(yè)界正利用AI技術(shù)為此類芯片提供更高效的設(shè)計(jì)支持。
相關(guān)問(wèn)題
很多朋友可能并不熟悉芯片制造的具體方式，這里我就用幾個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行說(shuō)明。在確定了芯片的基本邏輯（往往需要耗費(fèi)數(shù)月甚至數(shù)年時(shí)間）之后，接下來(lái)就是物理設(shè)計(jì)流程了——更具體地講，工程師們需要確定每個(gè)晶體管應(yīng)放置在何處、不同晶體管之間又要如何互連。這個(gè)過(guò)程，被稱為布局與布線?，F(xiàn)代芯片上往往包含數(shù)十億個(gè)晶體管，因此布局與布線的設(shè)計(jì)與測(cè)試往往需要耗費(fèi)數(shù)名工程師長(zhǎng)達(dá)20到30周的時(shí)間才能完成。一旦不小心出了錯(cuò)，芯片的實(shí)際運(yùn)行效率可能要比設(shè)計(jì)要求更低、功耗更高、成本增加或者壓根無(wú)法正常使用。但遺憾的是，并不存在一種百試百靈的“正確”芯片布局方法。面對(duì)這小小方寸，我們擁有成千上萬(wàn)種可能的選擇，而研發(fā)人員的任務(wù)就是在芯片的三大主要設(shè)計(jì)指標(biāo)中做出權(quán)衡：性能、功耗與面積（統(tǒng)稱PPA）。
實(shí)際上，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)相當(dāng)于面對(duì)著一個(gè)規(guī)模龐大的“搜索”難題：?jiǎn)问瞧矫鎴D形搜索，就涵蓋驚人的1090,000 萬(wàn)種可能性。與之對(duì)應(yīng)，國(guó)際象棋中“只”包含10123種可能性，而圍棋則包含10360種可能狀態(tài)。之所以要用棋類作類比，是因?yàn)槟壳暗腁I軟件完全能夠以下棋的方式“玩轉(zhuǎn)”物理設(shè)計(jì)。雖然AI方案往往需要耗費(fèi)巨量計(jì)算資源，但同時(shí)也能夠快速對(duì)多到難以想象的選項(xiàng)做出分類，優(yōu)化參數(shù)實(shí)現(xiàn)一系列既定目標(biāo)，從而高效為芯片設(shè)計(jì)找到最理想的PPA組合。
強(qiáng)化學(xué)習(xí)——攻克芯片設(shè)計(jì)難題的關(guān)鍵
AI領(lǐng)域存在一個(gè)無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)分支，被稱為強(qiáng)化學(xué)習(xí)（RL），能夠以試錯(cuò)方式探索并掌握解決問(wèn)題的方法。具體來(lái)講，計(jì)算機(jī)會(huì)不斷“嘗試”一個(gè)個(gè)解決方案，并通過(guò)結(jié)果的趨好/趨壞來(lái)不斷增強(qiáng)該解決方案中的參數(shù)。在經(jīng)過(guò)數(shù)萬(wàn)億次的重復(fù)之后，解決方案終將收斂——這就代表著“最佳實(shí)踐”。
電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）廠商Synopsys公司一直在與客戶聯(lián)手推進(jìn)這方面試驗(yàn)，并獲得了令人欣喜的結(jié)果。
圖二：設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)加快網(wǎng)絡(luò)芯片、移動(dòng)芯片、車載芯片以及AI加速芯片等物理設(shè)計(jì)項(xiàng)目，并取得了驚人的成果。
圖二所示，總結(jié)了Synopsys及其客戶在復(fù)雜芯片設(shè)計(jì)當(dāng)中完成的四個(gè)試驗(yàn)性項(xiàng)目。平均來(lái)看，這些項(xiàng)目的完成速度比以往人工方式要快86%，一位數(shù)據(jù)科學(xué)家即可替代原本的四到五名專業(yè)設(shè)計(jì)工程師，且各個(gè)項(xiàng)目全部達(dá)到或者超過(guò)了既定的PPA目標(biāo)。有趣的是，由AI生成的某些設(shè)計(jì)結(jié)果頗有反直覺(jué)的效果，會(huì)以人類設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)幾乎不可能想到的非常規(guī)形式進(jìn)行晶體管部署。但結(jié)果不言而喻，這些成果更快、更高效，也讓企業(yè)能夠更快將產(chǎn)品投放市場(chǎng)。
總結(jié)
在與Synopsys研發(fā)團(tuán)隊(duì)的交流當(dāng)中，我清楚地意識(shí)到，在物理設(shè)計(jì)當(dāng)中采用RL技術(shù)僅僅是AI應(yīng)用的冰山一角。未來(lái)，AI與機(jī)器學(xué)習(xí)將被廣泛引入集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的各類常見(jiàn)工作流程當(dāng)中。我還想到英偉達(dá)公司CEO黃仁勛在2016年首次發(fā)布Saturn V時(shí)的評(píng)論——順帶一提，Saturn V是英偉達(dá)內(nèi)部開(kāi)發(fā)的基于GPU的超級(jí)計(jì)算機(jī)，當(dāng)時(shí)在全球超算排行榜中占據(jù)第30名。黃先生預(yù)測(cè)稱，Saturn V將成為英偉達(dá)手中一張強(qiáng)有力的王牌，幫助內(nèi)部設(shè)計(jì)工程師們提高生產(chǎn)力并推出更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。再結(jié)合Synopsys在強(qiáng)化學(xué)習(xí)方面的早期研究成果，相信大家更能夠理解AI輔助設(shè)計(jì)的重要份量，以及黃仁勛對(duì)這一方案的認(rèn)可與期望。
