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芯片是指內(nèi)含集成電路的硅片，是集成電路經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、制造、封裝、測(cè)試后的結(jié)果。因此，芯片設(shè)計(jì)一般是指以集成電路或者超大型集成電路為目標(biāo)的設(shè)計(jì)流程。在過(guò)往，芯片的設(shè)計(jì)工作主要是一項(xiàng)設(shè)計(jì)人員借助工具，憑借經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)來(lái)完成的艱巨任務(wù)。而現(xiàn)在，EDA工具廠商和芯片設(shè)計(jì)公司都在嘗試通過(guò)AI取代設(shè)計(jì)人員的工作，以此來(lái)提升芯片設(shè)計(jì)的效率，并減小冗余資源的浪費(fèi)。

目前，谷歌、三星、英偉達(dá)、Cadence和新思科技都已經(jīng)加入AI設(shè)計(jì)芯片的大潮。6月份，谷歌在《自然》雜志上發(fā)表論文表示，該公司新的AI技術(shù)能夠在不到6小時(shí)內(nèi)完成人類需幾個(gè)月才能完成的芯片設(shè)計(jì)工作，并且該技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于開(kāi)發(fā)谷歌TPU（Tensor Processing Unit，張量處理單元）。

高級(jí)研究科學(xué)家兼高級(jí)軟件工程師Anna Goldie 的Azalia Mirhoseini提出了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)學(xué)會(huì)了進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)中一個(gè)特別耗時(shí)的部分——“布局”。據(jù)外媒報(bào)道，英偉達(dá)也在通過(guò)AI技術(shù)來(lái)完成先進(jìn)制程芯片的布局。英偉達(dá)通過(guò)NVcell自動(dòng)化布局器和強(qiáng)化學(xué)習(xí)布局算法完成了對(duì)標(biāo)準(zhǔn)單元的自動(dòng)化布局，并應(yīng)用于3nm和5nm的芯片設(shè)計(jì)中。

三星在近期也傳出使用AI技術(shù)設(shè)計(jì)芯片的消息。根據(jù)韓國(guó)媒體的報(bào)道，三星電子正在使用AI技術(shù)設(shè)計(jì)其Exynos芯片組，這些芯片組將用在三星和其它廠商的下一代智能手機(jī)當(dāng)中。

在三星的新聞里，新思科技的身影出現(xiàn)了。在該新聞的細(xì)節(jié)中，三星Exynos芯片組的設(shè)計(jì)能夠采用AI技術(shù)，還要?dú)w功于新思科技的AI軟件。對(duì)此，新思科技首席執(zhí)行官 Aart de Geus表示，使用人工智能，一個(gè)結(jié)果可以在幾周內(nèi)實(shí)現(xiàn)，而使用合格的工程師則需要幾個(gè)月。

三星使用的這款工具名稱為DSO.ai，是新思科技在2020年年初推出的工具方案，目標(biāo)是提供更好、更快、更便宜的半導(dǎo)體產(chǎn)品。DSO.ai解決方案的創(chuàng)新靈感來(lái)源于DeepMind的AlphaZero，后者曾在圍棋和象棋領(lǐng)域展現(xiàn)出超過(guò)人類的棋力。在設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)上，DSO.ai采用新思科技研發(fā)團(tuán)隊(duì)發(fā)明的尖端機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來(lái)執(zhí)行大規(guī)模搜索任務(wù)，自主運(yùn)行成千上萬(wàn)的探索矢量，并實(shí)時(shí)獲取千兆字節(jié)的高速設(shè)計(jì)分析數(shù)據(jù)。

Linley Group 跟蹤芯片設(shè)計(jì)軟件的高級(jí)分析師Mike Demler表示，人工智能非常適合在芯片上排列數(shù)十億個(gè)晶體管。“它適用于這些已經(jīng)變得非常復(fù)雜的問(wèn)題，”他說(shuō)，“它將成為計(jì)算工具包的標(biāo)準(zhǔn)部分?！?/div>

通過(guò)Aart de Geus的描述，我們發(fā)現(xiàn)AI技術(shù)還將被用于減少傳統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)中為了生產(chǎn)制造而留出來(lái)的設(shè)計(jì)裕量。設(shè)計(jì)裕量也就是設(shè)計(jì)人員在將電路放置在芯片上時(shí)會(huì)留出一定的誤差余量，以預(yù)測(cè)制造中的錯(cuò)誤，例如，可能會(huì)擾亂芯片周圍信號(hào)的時(shí)序。為此，設(shè)計(jì)人員會(huì)盡量留出誤差容量，以需求芯片的一次性流片成功。 Aart de Geus指出，設(shè)計(jì)裕量本質(zhì)上是一種風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算，這對(duì)人類來(lái)說(shuō)是一件完全不可能的事情，而機(jī)器將優(yōu)化這些。

作為新思科技的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，Cadence也在布局AI設(shè)計(jì)芯片方向。近日，Cadence發(fā)布了一個(gè)類似于DSO.ai 的基于 AI 的優(yōu)化平臺(tái)——Cerebrus 集成ML 設(shè)計(jì)工具。由于該工具直接集成到Cadence 的workflow ，產(chǎn)品級(jí)芯片已經(jīng)與關(guān)鍵合作伙伴合作投入生產(chǎn)，幫助客戶完善性能、功率和面積的PPA設(shè)計(jì)。

從當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀來(lái)看，AI工具主要亮點(diǎn)的工作是布局和布線。在此，引用一段瑞薩電子共享研發(fā)EDA部門(mén)數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)部總監(jiān)Satoshi Shibatani評(píng)論Cerebrus技術(shù)的話，他表示：“為了使采用最新流程節(jié)點(diǎn)的新產(chǎn)品性能極大化，我們工程團(tuán)隊(duì)使用的數(shù)字實(shí)現(xiàn)流程必須不斷更新。自動(dòng)化設(shè)計(jì)流程的優(yōu)化，對(duì)于在更高產(chǎn)量需求中完成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，至關(guān)重要。Cerebrus以其創(chuàng)新性的機(jī)器學(xué)習(xí)能力，和Cadence RTL-to-signoff工具，提供了自動(dòng)化流程優(yōu)化和布局規(guī)劃開(kāi)發(fā)，將設(shè)計(jì)性能提高10%以上。在取得這一成功之后，我們將能夠在最新設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，采用此新方法來(lái)開(kāi)發(fā)?！?/div>

當(dāng)然，正如Aart de Geus所言，AI技術(shù)已經(jīng)貫穿了整個(gè)芯片設(shè)計(jì)流程。

Cadence也實(shí)現(xiàn)了這樣的效果，該公司在介紹Cerebrus 時(shí)講到，“體驗(yàn) AI/ML 設(shè)計(jì)流程，這些流程提供從硅 IP 和高級(jí)綜合到大容量驗(yàn)證和 AI/ML 優(yōu)化實(shí)施和系統(tǒng)組裝的所有內(nèi)容?！?/div>

設(shè)計(jì)芯片是一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，涉及計(jì)算、內(nèi)存和存儲(chǔ)密集型的迭代步驟。隨著AI技術(shù)在EDA工具中的重要性不斷提升，會(huì)有越來(lái)越多擁有成熟經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)流程被“AI化”，減輕設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)。同時(shí)，AI工具的規(guī)模性應(yīng)用也會(huì)加速EDA工具上云的速度。通過(guò)本地+云的混合模式，EDA工具的配置和運(yùn)營(yíng)將更加靈活。同時(shí)，設(shè)計(jì)方法論的匯集和訓(xùn)練，將使得AI工具不斷進(jìn)化，解決復(fù)雜性、功耗和擴(kuò)展要求，最終實(shí)現(xiàn)1000倍性能的目標(biāo)。

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英偉達(dá)、三星、谷歌都在用，AI設(shè)計(jì)芯片的現(xiàn)狀和未來(lái)

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