本文來(lái)自微信公眾號(hào)“學(xué)術(shù)頭條”。
一直以來(lái)，人類使用芯片來(lái)訓(xùn)練強(qiáng)大的人工智能（AI）模型；如今，AI也可以反過(guò)來(lái)用于加速并優(yōu)化芯片設(shè)計(jì)了，且可在數(shù)小時(shí)內(nèi)生成超越人類設(shè)計(jì)或同類芯片布局，而無(wú)需耗費(fèi)數(shù)周或數(shù)月的人力。
日前，Google DeepMind在一篇Nature增刊文章中詳細(xì)介紹了他們用于設(shè)計(jì)芯片布局的新型強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法——AlphaChip，及其對(duì)芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域的影響。此外，他們也發(fā)布了一個(gè)預(yù)訓(xùn)練的檢查點(diǎn)，公開(kāi)了模型的權(quán)重。
據(jù)介紹，AlphaChip是首批用于解決實(shí)際工程問(wèn)題的強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法之一，可以更加快速、低廉、節(jié)能的生成超越人類設(shè)計(jì)的芯片布局，目前已經(jīng)被用于設(shè)計(jì)谷歌定制AI加速器張量處理單元（TPU）的最近三代超人芯片布局，以及全球多地從數(shù)據(jù)中心到手機(jī)的芯片。
半導(dǎo)體公司聯(lián)發(fā)科高級(jí)副總裁SR Tsai認(rèn)為，AlphaChip的開(kāi)創(chuàng)性AI方法徹底改變了芯片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵階段。
AlphaChip是如何工作的？
芯片布局設(shè)計(jì)并不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)。計(jì)算機(jī)芯片由許多相互連接的模塊組成，包含多層電路組件，所有這些組件都通過(guò)極細(xì)的導(dǎo)線連接。同時(shí)，設(shè)計(jì)過(guò)程中有許多復(fù)雜且交織的設(shè)計(jì)約束需要同時(shí)滿足。由于其復(fù)雜性，芯片設(shè)計(jì)人員在過(guò)去60年中一直難以實(shí)現(xiàn)芯片平面規(guī)劃流程的自動(dòng)化。
類似于AlphaGo和AlphaZero學(xué)習(xí)圍棋、國(guó)際象棋和將棋的方式，Google DeepMind推出了AlphaChip，將芯片平面規(guī)劃視為一種游戲。
從一個(gè)空白的網(wǎng)格開(kāi)始，AlphaChip逐個(gè)放置電路元件，直到完成所有元件的布局。然后，根據(jù)最終布局的質(zhì)量，模型會(huì)獲得相應(yīng)的獎(jiǎng)勵(lì)。AlphaChip通過(guò)一種新穎的“基于邊緣”的圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，學(xué)習(xí)芯片組件之間的關(guān)系，并能夠在不同的芯片上進(jìn)行泛化，從而使AlphaChip能夠改進(jìn)其設(shè)計(jì)的每一個(gè)布局。
使用AI設(shè)計(jì)AI加速器芯片
據(jù)官方博客介紹，自AlphaChip首次被提出以來(lái)，其生成的超人類芯片布局已被用于每一代谷歌的TPU。這些芯片使得基于谷歌Transformer架構(gòu)的AI模型能夠大規(guī)模擴(kuò)展。
從大語(yǔ)言模型到圖像和視頻生成器，TPU是生成式AI系統(tǒng)的核心。在設(shè)計(jì)TPU布局時(shí)，AlphaChip首先在前幾代的芯片模塊上進(jìn)行練習(xí)，如片上和芯片間網(wǎng)絡(luò)模塊、內(nèi)存控制器和數(shù)據(jù)傳輸緩沖區(qū)。這一過(guò)程稱為預(yù)訓(xùn)練。
圖｜谷歌數(shù)據(jù)中心內(nèi)的一排Cloud TPU v5p AI加速器超級(jí)計(jì)算機(jī)。
與以前的方法不同，AlphaChip是一種基于學(xué)習(xí)的方法，這意味著它會(huì)隨著解決芯片放置問(wèn)題的更多實(shí)例而變得更好、更快。這種預(yù)訓(xùn)練顯著提高了其速度、可靠性和放置質(zhì)量。
隨著每一代TPU的演化，AlphaChip設(shè)計(jì)了更好的芯片布局，加速了設(shè)計(jì)周期，并帶來(lái)了性能更高的芯片。
圖｜條形圖顯示了AlphaChip設(shè)計(jì)的芯片塊在三代Google TPU中的數(shù)量，包括v5e、v5p和Trillium。
圖｜條形圖顯示了AlphaChip在谷歌三代TPU中平均減少的線長(zhǎng)，并與TPU物理設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)生成的布局進(jìn)行了比較。
AlphaChip的影響力如何？
據(jù)介紹，AlphaChip的影響不僅限于谷歌內(nèi)部，還擴(kuò)展到了整個(gè)Alphabet公司、研究界以及芯片設(shè)計(jì)行業(yè)。除了設(shè)計(jì)像TPU這樣的專用AI加速器，AlphaChip還為Alphabet旗下的其他芯片生成布局，如谷歌Axion處理器，這是谷歌首個(gè)基于Arm的通用數(shù)據(jù)中心CPU。
外部組織也在采用并擴(kuò)展AlphaChip。例如，聯(lián)發(fā)科利用AlphaChip加速其最先進(jìn)芯片的開(kāi)發(fā)，如三星手機(jī)中使用的Dimensity Flagship 5G，在提升性能的同時(shí)，也優(yōu)化了功耗和芯片面積。
AlphaChip引發(fā)了AI芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域的工作熱潮，并已擴(kuò)展到芯片設(shè)計(jì)的其他關(guān)鍵階段，如邏輯綜合和宏塊選擇。
創(chuàng)造未來(lái)的芯片
谷歌方面認(rèn)為，AlphaChip有潛力優(yōu)化芯片設(shè)計(jì)周期的每一個(gè)階段，從計(jì)算機(jī)架構(gòu)到制造，并將徹底改變智能手機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、農(nóng)業(yè)傳感器等日常設(shè)備中的定制硬件芯片設(shè)計(jì)。
他們也透露，新版本的AlphaChip正在開(kāi)發(fā)中，他們期待與整個(gè)社區(qū)合作，繼續(xù)革新這一領(lǐng)域，迎接更加快速、低廉、節(jié)能的芯片未來(lái)。
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