一直以來(lái)，芯片設(shè)計(jì)的難度絲毫不亞于芯片制造工藝。直到八十年代EDA技術(shù)誕生以后，芯片自動(dòng)化設(shè)計(jì)的出現(xiàn)幫助芯片設(shè)計(jì)以及超大規(guī)模集成電路的難度大大降低，工程師只需要將芯片的功能用編程語(yǔ)言進(jìn)行描述并輸入計(jì)算機(jī)，再由EDA工具軟件將語(yǔ)言編譯成邏輯電路，然后再進(jìn)行調(diào)試即可。但現(xiàn)在的芯片越來(lái)越高端，動(dòng)輒上百億個(gè)晶體管布局，即使依靠EDA工具進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)，如此浩瀚的工程往往也需要幾個(gè)月的時(shí)間來(lái)完成。在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)芯片時(shí)，一個(gè)更費(fèi)力但也非常重要的任務(wù)是在所謂的芯片平面圖中放置零部件。所有物理部件的放置會(huì)產(chǎn)生巨大的影響，影響功耗、性能和芯片面積，需要人類(lèi)設(shè)計(jì)師花費(fèi)數(shù)月時(shí)間來(lái)完成。

近日，來(lái)自美國(guó)加州谷歌研究院的科學(xué)家，通過(guò)一種深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法完成了芯片的布局設(shè)計(jì)。原本人類(lèi)專(zhuān)家需要花費(fèi)數(shù)周時(shí)間完成的過(guò)程，現(xiàn)在平均6小時(shí)內(nèi)就能完成，速度超過(guò)28倍。

一般情況下，微芯片的面積約為幾十到數(shù)百毫米平方，在一塊指甲蓋大小的硅片上排列并互連了數(shù)十億個(gè)晶體管。每個(gè)芯片上包含數(shù)了千萬(wàn)個(gè)邏輯門(mén)(稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)單元)，以及數(shù)千個(gè)存儲(chǔ)塊(稱(chēng)為宏塊或宏)。到目前為止，尤其是在布局規(guī)劃方面還沒(méi)有任何自動(dòng)化嘗試，它常常是由專(zhuān)業(yè)的人類(lèi)工程師在數(shù)周或數(shù)月內(nèi)努力工作而出。在芯片的設(shè)計(jì)過(guò)程中，全局布線(xiàn)是最復(fù)雜和耗時(shí)的階段之一，也是決定芯片整體性能的關(guān)鍵。針對(duì)這一板塊的缺失，谷歌的研究團(tuán)隊(duì)研究開(kāi)發(fā)出一種機(jī)器學(xué)習(xí)工具，用來(lái)加速布局規(guī)劃的流程。

芯片布局無(wú)論是手動(dòng)還是自動(dòng)化，都需要計(jì)算、電子工程和設(shè)備物理方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。這些技能需要時(shí)間來(lái)學(xué)習(xí)，在一個(gè)生產(chǎn)微芯片以外許多其他產(chǎn)品的行業(yè)中，同樣非常需要這些技能?？茖W(xué)家們將芯片的布局規(guī)劃部分設(shè)計(jì)為一個(gè)強(qiáng)化學(xué)習(xí)問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出可完成的芯片設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

將芯片的布局規(guī)劃看作一個(gè)深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)問(wèn)題，谷歌大腦團(tuán)隊(duì)希望用 AI 來(lái)提升芯片設(shè)計(jì)效率。基于 AI 的最新設(shè)計(jì)方案可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成人類(lèi)設(shè)計(jì)師耗費(fèi)數(shù)月才能完成的芯片布局，這將有可能引領(lǐng)一場(chǎng)新的芯片效率革命。2020 年 4 月，包括 Google AI 負(fù)責(zé)人 Jeff Dean 在內(nèi)的谷歌大腦研究者描述了一種基于 AI 的芯片設(shè)計(jì)方法，該方法可以從過(guò)往經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)并隨時(shí)間推移不斷改進(jìn)，從而能夠更好地生成不可見(jiàn)(unseen)組件的架構(gòu)。

近日，谷歌大腦團(tuán)隊(duì)聯(lián)合斯坦福大學(xué)的研究者對(duì)這一基于 AI 的芯片設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了改進(jìn)，并將其應(yīng)用于不久前 Google I/O 2021 大會(huì)上正式發(fā)布的、下一代張量處理單元(TPU v4)加速器的產(chǎn)品中。谷歌此前表示，TPUv4 可以在目標(biāo)檢測(cè)、圖像分類(lèi)、自然語(yǔ)言處理、機(jī)器翻譯和推薦基準(zhǔn)等工作負(fù)載上優(yōu)于上一代 TPU 產(chǎn)品。

相關(guān)論文研究已經(jīng)在 Nature 上發(fā)表，Jeff Dean 為核心作者之一。據(jù)介紹，在不到六小時(shí)的時(shí)間內(nèi)，谷歌 AI 芯片設(shè)計(jì)方法自動(dòng)生成的芯片布局在功耗、性能和芯片面積等所有關(guān)鍵指標(biāo)上都優(yōu)于或媲美人類(lèi)，而工程師需要耗費(fèi)數(shù)月的艱苦努力才能達(dá)到類(lèi)似效果。

這項(xiàng)基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的快速芯片設(shè)計(jì)方法對(duì)于資金緊張的初創(chuàng)企業(yè)大有裨益，如果谷歌公開(kāi)相關(guān)技術(shù)的話(huà)，這些初創(chuàng)企業(yè)可以開(kāi)發(fā)自己的 AI 和其他專(zhuān)用芯片。并且，這種方法有助于縮短芯片設(shè)計(jì)周期，從而使得硬件可以更好地適應(yīng)快速發(fā)展的技術(shù)研究。

谷歌工程師在論文中指出，這項(xiàng)工作對(duì)芯片行業(yè)有“重大影響”。這可以讓公司在設(shè)計(jì)芯片時(shí)探索架構(gòu)可能性的速度更快，為特定工作負(fù)載定制芯片也更便捷。

谷歌工程師利用芯片版面規(guī)劃數(shù)據(jù)集來(lái)訓(xùn)練一種強(qiáng)化的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，其中有1萬(wàn)個(gè)不同質(zhì)量的芯片版面規(guī)劃圖，一些規(guī)劃是隨機(jī)生成的。每個(gè)規(guī)劃圖所需電線(xiàn)長(zhǎng)度和功耗有所不同。然后，訓(xùn)練后的算法利用這些數(shù)據(jù)來(lái)區(qū)分版面規(guī)劃的好壞，并相應(yīng)生成新的設(shè)計(jì)。

當(dāng)人工智能在棋類(lèi)游戲中挑戰(zhàn)人類(lèi)時(shí)，機(jī)器并不一定像人類(lèi)那樣思考，而且經(jīng)常會(huì)對(duì)熟悉問(wèn)題提出意想不到的解決方案。DeepMind的AlphaGo與圍棋冠軍李世石對(duì)弈時(shí)就是如此，人工智能看似不合邏輯的一步棋卻最終取得了勝利。

但這遠(yuǎn)不是人工智能輔助芯片設(shè)計(jì)的唯一應(yīng)用。谷歌還在“架構(gòu)探索”等芯片設(shè)計(jì)過(guò)程的其他部分使用人工智能，而英偉達(dá)等競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手也在研究其他方法來(lái)加快芯片研發(fā)工作流程。用人工智能設(shè)計(jì)人工智能芯片的良性循環(huán)似乎才剛剛開(kāi)始。