在全球芯片產(chǎn)業(yè)競爭日益白熱化的當(dāng)下，芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的創(chuàng)新成為決定各國在這一領(lǐng)域地位的關(guān)鍵因素。近日，中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所處理器芯片全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合軟件研究所，帶來了一項(xiàng)震撼性的突破 —— 推出全球首個(gè)基于人工智能技術(shù)的處理器芯片軟硬件全自動設(shè)計(jì)系統(tǒng) ——“啟蒙”。這一系統(tǒng)的問世，標(biāo)志著我國在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域借助人工智能實(shí)現(xiàn)了重大跨越，開啟了芯片設(shè)計(jì)的全新范式。

處理器芯片，作為現(xiàn)代科技當(dāng)之無愧的 “皇冠明珠”，其設(shè)計(jì)流程堪稱復(fù)雜精密的典范。傳統(tǒng)的芯片設(shè)計(jì)模式，高度依賴經(jīng)驗(yàn)豐富的專家團(tuán)隊(duì)。從最初的架構(gòu)構(gòu)思，到電路邏輯的細(xì)致規(guī)劃，再到物理層面的布局布線，每個(gè)環(huán)節(jié)都需專業(yè)人員精心雕琢。通常，這樣的設(shè)計(jì)過程需要數(shù)百名專業(yè)人士參與，耗費(fèi)數(shù)月甚至數(shù)年的時(shí)間，投入的成本更是動輒數(shù)億美元，設(shè)計(jì)周期漫長且成本高昂。而隨著人工智能、云計(jì)算、邊緣計(jì)算等新興技術(shù)如雨后春筍般蓬勃發(fā)展，市場對芯片的需求呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長，并且需求愈發(fā)多樣化和定制化。不同的應(yīng)用場景，如智能安防、自動駕駛、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等，對芯片的性能、功耗、面積等指標(biāo)有著獨(dú)特要求，這使得傳統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)模式難以滿足快速變化的市場需求。與此同時(shí)，我國在處理器芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域面臨著人才短缺的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，專業(yè)從業(yè)人員數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法匹配行業(yè)的增長速度。在這樣的背景下，“啟蒙” 系統(tǒng)的誕生猶如一場及時(shí)雨，為解決芯片設(shè)計(jì)難題提供了創(chuàng)新性的解決方案。

“啟蒙” 系統(tǒng)的核心競爭力在于其深度融合了大模型等前沿人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從芯片硬件到基礎(chǔ)軟件的全流程自動化設(shè)計(jì)，真正做到了讓 AI 自己設(shè)計(jì)芯片。在硬件設(shè)計(jì)方面，“啟蒙” 系統(tǒng)展現(xiàn)出了令人驚嘆的實(shí)力。利用該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 CPU 芯片 “啟蒙 1 號”，成為全球首款由 AI 全自動生成的 32 位 RISC-V CPU。它僅用 5 小時(shí)就完成了全部前端設(shè)計(jì)，這一速度相較于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，提升了數(shù)倍甚至數(shù)十倍?！皢⒚?1 號” 集成了超 400 萬邏輯門，性能達(dá)到了 Intel 486 的水平，并且已經(jīng)成功完成流片，這意味著它已經(jīng)具備了進(jìn)入實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)的條件。其升級版 “啟蒙 2 號” 更是將設(shè)計(jì)能力提升到了新的高度，實(shí)現(xiàn)了 1700 萬邏輯門超標(biāo)量處理器的自動設(shè)計(jì)，性能對標(biāo)主流智能手機(jī)處理器 ARM Cortex A53，能夠很好地滿足高性能邊緣計(jì)算場景對芯片的嚴(yán)苛需求。

在基礎(chǔ)軟件適配方面，“啟蒙” 系統(tǒng)同樣表現(xiàn)卓越。在操作系統(tǒng)內(nèi)核設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)能夠自動生成定制優(yōu)化后的內(nèi)核配置，經(jīng)測試，其性能相比行業(yè)專家手工優(yōu)化最高可提升 25.6%。在編譯工具鏈設(shè)計(jì)領(lǐng)域，“啟蒙” 系統(tǒng)推出了國際首個(gè)自動跨平臺張量程序轉(zhuǎn)譯工具 QiMeng-Xpiler，它能夠在不同的處理器芯片，如英偉達(dá) GPU、寒武紀(jì) MLU、AMD MI 加速器、Intel DL Boost，以及不同編程模型，如 SIMT、SIMD 之間自動進(jìn)行程序轉(zhuǎn)譯，生成的代碼性能最高達(dá)到廠商手工優(yōu)化算子庫的 2 倍，極大地提高了程序在不同芯片平臺上的運(yùn)行效率。在高性能庫設(shè)計(jì)方面，系統(tǒng)提出了國際首個(gè)基于大模型的高性能矩陣乘代碼自動生成框架 QiMeng-GEMM 和高性能張量算子指令級自動生成框架 QiMeng-TensorOp，在 RISC-V CPU 上，其最高性能分別達(dá)到 OpenBLAS 的 211% 和 251%，在 NVIDIA GPU 上，最高性能分別達(dá)到 cuBLAS 的 115% 和 124%，顯著提升了芯片在復(fù)雜計(jì)算任務(wù)中的處理能力。

從技術(shù)架構(gòu)來看，“啟蒙” 系統(tǒng)構(gòu)建了一套獨(dú)特且高效的體系。其底層是深入融合處理器芯片領(lǐng)域特點(diǎn)的大模型，該模型通過大量學(xué)習(xí)處理器芯片設(shè)計(jì)的專業(yè)知識，具備了扎實(shí)的軟硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)能力。基于此，系統(tǒng)利用大模型構(gòu)建了反饋式推理流程，包括正確性反饋和性能反饋。在設(shè)計(jì)過程中，通過自動功能驗(yàn)證，一旦發(fā)現(xiàn)生成結(jié)果存在問題，系統(tǒng)能夠基于功能正確性反饋迅速進(jìn)行自動修復(fù)，確保設(shè)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時(shí)，系統(tǒng)會自動進(jìn)行性能評估，并依據(jù)性能反饋在龐大的解空間中進(jìn)行高效搜索，對解空間進(jìn)行有效裁剪，從而快速找到高性能的設(shè)計(jì)結(jié)果。在處理器芯片大模型的基礎(chǔ)之上，“啟蒙” 系統(tǒng)分別構(gòu)建了芯片生成智能體和基礎(chǔ)軟件智能體。芯片生成智能體能夠結(jié)合反饋式推理能力，自動完成從功能需求到邏輯電路的設(shè)計(jì)過程；基礎(chǔ)軟件智能體則可以自主完成給定基礎(chǔ)軟件對目標(biāo)芯片的自動功能適配和性能優(yōu)化。針對多樣化的實(shí)際應(yīng)用場景，基于芯片生成智能體和基礎(chǔ)軟件智能體，“啟蒙” 系統(tǒng)能夠在最上層全自動完成處理器芯片軟硬件設(shè)計(jì)的各個(gè)步驟。

“啟蒙” 系統(tǒng)的出現(xiàn)，對我國乃至全球芯片產(chǎn)業(yè)都具有深遠(yuǎn)的影響和重要意義。對于我國芯片產(chǎn)業(yè)而言，它有望極大緩解目前面臨的芯片設(shè)計(jì)人才短缺問題。以往需要大量專業(yè)人才耗費(fèi)數(shù)年時(shí)間完成的設(shè)計(jì)工作，現(xiàn)在借助 “啟蒙” 系統(tǒng)，少數(shù)人員便能在短時(shí)間內(nèi)高效完成，將寶貴的人力資源從繁瑣的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工作中解放出來，投入到更具創(chuàng)造性和挑戰(zhàn)性的工作中，如芯片架構(gòu)創(chuàng)新、新型應(yīng)用場景探索等。同時(shí)，該系統(tǒng)將芯片設(shè)計(jì)周期從以往的數(shù)月甚至數(shù)年，大幅壓縮至數(shù)小時(shí)，顯著降低了研發(fā)成本，提高了企業(yè)的市場響應(yīng)速度，有助于我國芯片企業(yè)在全球市場競爭中占據(jù)更有利的地位。從全球芯片產(chǎn)業(yè)的角度來看，“啟蒙” 系統(tǒng)的成功研發(fā)，為芯片設(shè)計(jì)提供了全新的思路和方法，推動了芯片設(shè)計(jì)范式從傳統(tǒng)的高度依賴人工經(jīng)驗(yàn)向 AI 驅(qū)動的自動化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，引領(lǐng)了全球芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展潮流。

當(dāng)然，“啟蒙” 系統(tǒng)目前也面臨一些挑戰(zhàn)和需要進(jìn)一步完善的地方。例如，雖然在 CPU 和基礎(chǔ)軟件設(shè)計(jì)方面取得了巨大成功，但對于更為復(fù)雜的 GPU、AI 加速器等芯片的設(shè)計(jì)，還需要進(jìn)一步探索和優(yōu)化。此外，如何將 “啟蒙” 系統(tǒng)與現(xiàn)有的龐大芯片設(shè)計(jì)生態(tài)，如 EDA 工具鏈、IP 庫等進(jìn)行無縫融合，也是需要解決的關(guān)鍵問題。在大規(guī)模工程化落地和商業(yè)化推廣方面，還需要進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)在不同應(yīng)用場景下的穩(wěn)定性和可靠性，與更多的企業(yè)開展合作，共同推動技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

中科院團(tuán)隊(duì)研發(fā)的 “啟蒙” 系統(tǒng)，在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了重大技術(shù)突破，為我國芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入了強(qiáng)大動力。盡管面臨一些挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)的不斷完善和優(yōu)化，相信 “啟蒙” 系統(tǒng)將在未來的芯片設(shè)計(jì)中發(fā)揮越來越重要的作用，助力我國芯片產(chǎn)業(yè)在全球競爭中實(shí)現(xiàn)彎道超車，推動全球芯片產(chǎn)業(yè)邁向智能化設(shè)計(jì)的新時(shí)代。讓我們共同期待 “啟蒙” 系統(tǒng)在未來創(chuàng)造更多的輝煌，為人類科技進(jìn)步做出更大的貢獻(xiàn)。

審核編輯 黃宇