最近人工智能因為在ChatGPT等自然語言處理器方面的驚人能力而受到更多關(guān)注，但除此之外，AI還在其他多個領(lǐng)域慢慢產(chǎn)生影響，譬如將AI用于芯片設(shè)計。由于芯片設(shè)計復(fù)雜度和精度要求的不斷提高，傳統(tǒng)設(shè)計方法已經(jīng)難以滿足需求。人工智能技術(shù)的快速發(fā)展為芯片設(shè)計帶來了新的可能性。現(xiàn)在越來越多的芯片產(chǎn)業(yè)鏈的廠商開始探索借助AI的方法來幫助芯片設(shè)計，那么芯片工程師該何去何從？
本文將介紹一些芯片巨頭利用AI技術(shù)在芯片布局中的突破，AI可以在芯片布局中發(fā)揮重要作用的原因在于其優(yōu)異的圖像識別能力。
芯片布局越來越耗時
在超大規(guī)模集成電路(VLSI)中，布局（Layout）是芯片設(shè)計流程中的重要步驟之一。芯片的布局決定了物理布局中標(biāo)準(zhǔn)單元的位置，所有不同的子系統(tǒng)都必須以特定的方式布局，還要使信號和數(shù)據(jù)以理想的速率在這些區(qū)域之間傳播。傳統(tǒng)上，這項工作往往由工程師手工來完成，芯片工程師們通常會花費數(shù)周或數(shù)月的時間來不斷改進(jìn)和優(yōu)化他們的設(shè)計，試圖找到標(biāo)準(zhǔn)單元的最佳配置。
分析布局（Analytical placement）是目前超大規(guī)模集成電路布局的最先進(jìn)技術(shù)，它可以幫助設(shè)計師在最小的芯片面積內(nèi)實現(xiàn)高性能、低功耗和高可靠性的電路設(shè)計。分析布局通常包括三個步驟：全局布局（Global Placement，GP）、合理化布局（Legalization，LG）和詳細(xì)布局（Detailed Placement，DP）。
全局布局（GP）是指將電路元件在芯片上放置的初始階段，其目的是在不考慮細(xì)節(jié)的情況下，使得所有元件的位置相對合理，以便后續(xù)布局步驟進(jìn)行。在全局布局中，采用各種算法和技術(shù)來解決面積、功耗、時序和連通性等方面的問題。在這三個步驟中，全局布局是分析布局中最耗時的部分。
合理化布局（LG）是指對全局布局的元件位置進(jìn)行微調(diào)，以滿足一些硬性的約束條件，例如電路元件之間的最小距離、與芯片邊緣的距離、相鄰元件的方向等。合理化布局的目的是確保電路元件的位置符合設(shè)計規(guī)范，并且在不違反設(shè)計限制的情況下盡可能接近全局布局的解。
詳細(xì)布局（DP）是指對元件位置進(jìn)行更加精細(xì)的調(diào)整，以進(jìn)一步提高電路性能和減少功耗。詳細(xì)布局通常涉及更為復(fù)雜的算法和技術(shù)，例如網(wǎng)格化布局、全局優(yōu)化和局部優(yōu)化等。
但是現(xiàn)在隨著芯片的復(fù)雜度和密集度不斷攀升，一個先進(jìn)的芯片集成了數(shù)百億個甚至數(shù)千億個晶體管，例如蘋果的M1 Ultra中集成了1140億個晶體管，AMD的instinct MI300加速器芯片中集成了1460億個晶體管，以及由此產(chǎn)生的功率、性能和面積 (PPA) 之間的現(xiàn)代復(fù)雜關(guān)系，使得芯片的布局愈發(fā)費時費力。
為了加快和優(yōu)化IC設(shè)計流程，行業(yè)的芯片廠商正在探索利用深度學(xué)習(xí)方法來比人類更快、更高效地設(shè)計芯片。通過使用AI技術(shù)，芯片設(shè)計師可以將設(shè)計要求輸入到計算機(jī)中，計算機(jī)可以自動識別和處理圖像，并根據(jù)指定的規(guī)則和限制進(jìn)行布局。AI技術(shù)可以更快、更準(zhǔn)確地生成芯片布局，同時可以避免設(shè)計師在重復(fù)和繁瑣的任務(wù)中的錯誤。許多公司（包括科技行業(yè)的一些最大公司）現(xiàn)在都在投資AI 工具來完成一些繁重的工作。
谷歌用AI進(jìn)行芯片布局
早在2021年9月，谷歌在《自然》雜志上發(fā)表了一篇文章《一種用于快速芯片設(shè)計的圖形放置方法》，聲稱利用機(jī)器學(xué)習(xí)軟件可以比人類更快地設(shè)計出更好的芯片，谷歌表示，它正在使用這款人工智能軟件設(shè)計其自主研發(fā)的TPU芯片。
谷歌在文章中寫道：“盡管經(jīng)過了50年的研究，芯片布局仍然無法實現(xiàn)自動化，物理設(shè)計工程師需要數(shù)月的艱苦努力才能制作出可制造的布局。在不到6小時的時間里，我們的方法自動生成的芯片布局在所有關(guān)鍵指標(biāo)上都優(yōu)于或可與人類繪制的設(shè)計圖相媲美。”
谷歌將芯片布局規(guī)劃看作為一個強化學(xué)習(xí)（RL）問題，并開發(fā)了一個基于邊緣的圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，能夠?qū)W習(xí)芯片的豐富和可轉(zhuǎn)移表示。具體的評估工作流程見圖1。該流程允許每個方法訪問相同的聚類網(wǎng)絡(luò)列表超圖，在所有方法中(盡可能地)使用相同的超參數(shù)。每種方法完成放置后(包括RePlAce的合法步驟)，將宏捕捉到電網(wǎng)格中，凍結(jié)宏位置，并使用商業(yè)EDA工具放置標(biāo)準(zhǔn)單元并報告最終結(jié)果。
將谷歌的方法與最先進(jìn)的方法(RePlAce14)以及使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)EDA工具的手動放置進(jìn)行比較。具體比較的指標(biāo)有花費的時間、總的面積、功耗、線長等等，對于該表中的所有指標(biāo)，越低越好。可以看出，谷歌的強化學(xué)習(xí)方法均優(yōu)于其他兩種。
谷歌的研究團(tuán)隊表示，隨著人工智能接觸到更多數(shù)量和種類的芯片，它可以通過不斷地培訓(xùn)學(xué)習(xí)，會更快更好地為新芯片塊生成優(yōu)化布局，雖然我們主要在谷歌加速器芯片 (TPU) 上生成優(yōu)化的布局，但我們的方法適用于任何類型ASIC芯片。
英偉達(dá)DREAMPlace商業(yè)化推進(jìn)有望
在加速布局方面，現(xiàn)有的并行化工作主要是使用分區(qū)的多線程CPU。隨著線程數(shù)量的增加，速度在5倍左右就飽和了，而且典型的質(zhì)量下降2-6%。英偉達(dá)的工程師探索了利用GPU來加速分析位置布局。
傳統(tǒng)的分析布局引擎開發(fā)需要花費大量的精力用C++構(gòu)建整個軟件堆棧，因此，由于開發(fā)成本的問題，設(shè)計和驗證新布局算法的門檻非常高。于是，英偉達(dá)利用深度學(xué)習(xí)工具包PyTorch，通過少量的軟件開發(fā)工作，開發(fā)了一個新的具有GPU加速的開源布局引擎——DREAMPlace，這是一個比較出名的開源布局器。它通過高效的GPU實現(xiàn)的關(guān)鍵內(nèi)核的分析布局，如電線長度和密度計算等。
該框架是用Python開發(fā)的，PyTorch用于優(yōu)化優(yōu)化程序和API, C++ /CUDA用于低級操作人員。DREAMPlace程序運行在基于Volta架構(gòu)的40核Intel E5-2698 v4 @2.20GHz和一個NVIDIA Tesla V100 GPU的Linux服務(wù)器上，它通過拋出分析布局問題來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
在與最先進(jìn)的全球布局算法家族ePlace/RePlAce的對比中，DREAMPlace在全局布局和合理化方面實現(xiàn)了30倍以上的加速，且沒有理論和工業(yè)基準(zhǔn)的質(zhì)量下降。更具體的來說，它能使100萬個單元的設(shè)計在1分鐘內(nèi)就能完成。英偉達(dá)探索了用于向前和向后傳播的低級操作符的不同實現(xiàn)（前向傳播來計算目標(biāo)，后向傳播來計算梯度），以提高整體效率。
此外，DREAMPlace是高度可擴(kuò)展的，可以通過簡單地編寫高級編程語言(如Python)來合并新的算法/求解器和新的目標(biāo)，其工業(yè)設(shè)計可達(dá)1000萬個單元。英偉達(dá)計劃進(jìn)一步研究單元膨脹的可路由性和時間優(yōu)化的凈加權(quán)，以及GPU加速的詳細(xì)布局。它還可以擴(kuò)展到利用多GPU平臺來進(jìn)一步加速。由于DREAMPlace分離了高級算法設(shè)計符號和低級加速工作，因此它顯著降低了開發(fā)和維護(hù)開銷。英偉達(dá)的這項工作將為重新審視經(jīng)典的EDA問題開辟新的方向。
但是，由于其對線長和密度的關(guān)注有限，DREAMPlace的布局質(zhì)量無法與商業(yè)工具相比，這使得它很難適用于工業(yè)設(shè)計流程。為了解決這一問題，英偉達(dá)科學(xué)家近日的一項研究文章中提出了一種新方法-DREAM-GAN，這是一種使用生成對抗學(xué)習(xí)推進(jìn) DREAMPlace的布局優(yōu)化框架。DREAM-GAN的最大優(yōu)勢在于，它使DREAMPlace能夠朝著工具驗證(和優(yōu)化)的方向優(yōu)化底層位置，而無需明確了解商業(yè)工具的黑盒算法。DREAMPlace通過優(yōu)化鑒別器的輸出，提高了其商業(yè)化的位置。
實驗表明DREAM GAN不僅在放置階段立即改善了主要的PPA指標(biāo)，而且還證明了這些改進(jìn)一直持續(xù)到路由后階段，在路由后階段，無線長度提高了8.3%，總功率提高了7.4%。
DREAMPlace與DREAM-GAN在各主要PD階段的詳細(xì)PPA比較結(jié)果。在這項工作中，我們使用Synopsys ICC2執(zhí)行整個PD，除了全局放置由DREAMPlace(左列)或DREAM-GAN(右列)執(zhí)行。在所有商業(yè)和OpenCore基準(zhǔn)測試中，兩種方法在全局布局上的運行時差異不超過2分鐘。
此外，Nvidia科學(xué)家近日在國際物理設(shè)計研討會上展示了AutoDMP的研究論文，AutoDMP 是使用 TILOS AI 研究所的宏布局基準(zhǔn)進(jìn)行評估的，其中包括帶有大量宏的CPU和AI加速器設(shè)計。為了進(jìn)行評估，AutoDMP與商業(yè)EDA工具集成在一起，如下圖所示。首先，在NVIDIA DGX系統(tǒng)上運行多目標(biāo)貝葉斯優(yōu)化。該系統(tǒng)有4個A100 GPU，每個都配備了80Gb的HBM內(nèi)存。生成16個并行進(jìn)程以采樣參數(shù)并在優(yōu)化期間運行DREAMPlace。然后，從Pareto前端選擇的宏位置被提供給運行在CPU服務(wù)器上的TILOS提供的EDA Flow。在大多數(shù)設(shè)計中，AutoDMP的PPA指標(biāo)結(jié)果——線長、功率、最差負(fù)裕量 (WNS) 和總負(fù)裕量 (TNS)——等于或優(yōu)于商業(yè)流程。
寫在最后
技術(shù)的發(fā)展是把“雙刃劍”。一方面，人工智能可以通過學(xué)習(xí)已有的芯片設(shè)計數(shù)據(jù)來發(fā)現(xiàn)規(guī)律，并通過分析數(shù)據(jù)，提供更快速、更準(zhǔn)確的芯片設(shè)計方案。同時，人工智能技術(shù)還可以提高芯片設(shè)計的效率，縮短開發(fā)時間，減少成本。
但另一方面，隨著AI技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，一些沒有那么有創(chuàng)意的低級、平凡的工作可能會被人工智能取代。正如上文所述，在芯片布局這項工作中，過往主要是靠人工來完成，雖然目前的AI技術(shù)還有一些局限性，但隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)和突破，將或多或少的減少芯片設(shè)計過程中對手動方面的需求，雖然這提高了整體效率，但有可能會端掉部分工程師的飯碗。
不過我們也不必焦慮，回看四次工業(yè)革命，每一次工業(yè)革命都有一些工作、工人或工程師被取代，但是也會創(chuàng)造出新型工程師，最終提升了我們的生產(chǎn)力。回歸到芯片設(shè)計這一行業(yè)，AI的介入不會完全取代人工，因為就實際情況而言，行業(yè)仍需要能夠在設(shè)計過程中準(zhǔn)確驗證和利用 AI 工具和算法的個人。這一發(fā)展對于人才的深遠(yuǎn)影響是，提高IC設(shè)計人員在行業(yè)中的價值，使他們騰出更多的時間來專注于更復(fù)雜和更具創(chuàng)造性的設(shè)計方面，并最終生產(chǎn)出更好的產(chǎn)品。
利用人工智能技術(shù)來幫助設(shè)計和制造芯片已經(jīng)成為大勢所趨。不僅是谷歌和英偉達(dá)，EDA軟件工具提供商Synopsys、西門子和Cadence等公司也在其最新工具中使用了AI技術(shù)，三星將AI技術(shù)引入芯片制造等等。這些AI/ML技術(shù)方法的引入，將為推進(jìn)超大規(guī)模集成電路布局提供新的方向，也將成為摩爾定律再運行幾年的潛在途徑之一。
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