近日，中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所處理器芯片全國重點實驗室聯(lián)合軟件研究所，推出全球首個基于人工智能技術(shù)的處理器芯片軟硬件全自動設(shè)計系統(tǒng)——“啟蒙”。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)從芯片硬件到基礎(chǔ)軟件的全流程自動化設(shè)計，在多項關(guān)鍵指標(biāo)上達到人類專家手工設(shè)計水平，標(biāo)志著我國在人工智能自動設(shè)計芯片方面邁出堅實一步。

處理器芯片被譽為現(xiàn)代科技的“皇冠明珠”，其設(shè)計過程復(fù)雜精密、專業(yè)門檻極高。芯片設(shè)計包含多個關(guān)鍵步驟，硬件設(shè)計方面包括邏輯設(shè)計、電路設(shè)計、物理設(shè)計等，基礎(chǔ)軟件方面包括操作系統(tǒng)內(nèi)核設(shè)計、編譯工具鏈設(shè)計、高性能庫設(shè)計等。

傳統(tǒng)處理器芯片設(shè)計高度依賴經(jīng)驗豐富的專家團隊，往往需要數(shù)百人參與、耗時數(shù)月甚至數(shù)年，成本高昂、周期漫長。隨著人工智能、云計算和邊緣計算等新興技術(shù)的發(fā)展，專用處理器芯片設(shè)計和相關(guān)基礎(chǔ)軟件適配優(yōu)化需求日益增長。而我國處理器芯片從業(yè)人員數(shù)量嚴重不足，難以滿足日益增長的芯片設(shè)計需求。

面對這一挑戰(zhàn)，“啟蒙”系統(tǒng)應(yīng)運而生。該系統(tǒng)依托大模型等先進人工智能技術(shù)，可實現(xiàn)自動設(shè)計CPU，并能為芯片自動配置相應(yīng)的操作系統(tǒng)、轉(zhuǎn)譯程序、高性能算子庫等基礎(chǔ)軟件，性能可比肩人類專家手工設(shè)計水平。

具體而言，在CPU自動設(shè)計方面，實現(xiàn)國際首個全自動化設(shè)計的CPU芯片“啟蒙1號”，5小時內(nèi)完成32位RISC-V CPU的全部前端設(shè)計，達到Intel 486性能，規(guī)模超過400萬個邏輯門，已完成流片。其升級版“啟蒙2號”為國際首個全自動設(shè)計的超標(biāo)量處理器核，達到ARM Cortex A53性能，規(guī)模擴大至1700萬個邏輯門。在基礎(chǔ)軟件方面，“啟蒙”系統(tǒng)同樣取得顯著成果，可自動生成定制優(yōu)化后的操作系統(tǒng)內(nèi)核配置，性能相比專家手工優(yōu)化提升25.6%；可實現(xiàn)不同芯片和不同編程模型之間的自動程序轉(zhuǎn)譯，性能最高達到廠商手工優(yōu)化算子庫的2倍；可自動生成矩陣乘等高性能算子，在RISC-V CPU和NVIDIA GPU上的性能分別提高110%和15%以上。

這項研究有望改變處理器芯片軟硬件的設(shè)計范式，不僅有望減少芯片設(shè)計過程的人工參與、提升設(shè)計效率、縮短設(shè)計周期，同時有望針對特定應(yīng)用場景需求實現(xiàn)快速定制化設(shè)計，靈活滿足芯片設(shè)計日益多樣化的需求。

審核編輯 黃宇