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引言
1 X. i3 a% L! y1 Q人工智能(AI)正在深刻改變半導(dǎo)體行業(yè),特別是在芯片設(shè)計過程中。本文探討AI如何重塑芯片設(shè)計的各個方面,包括分析、優(yōu)化和設(shè)計輔助,幫助逍遙設(shè)計自動化的讀者了解不同的AI技術(shù)及其在提高設(shè)計性能和生產(chǎn)力方面的應(yīng)用[1]。- q( u8 f3 m1 A
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人工智能在芯片設(shè)計中的應(yīng)用簡介
4 m! p2 B% k8 K* N' K/ ~AI正在芯片設(shè)計行業(yè)掀起波瀾,提升設(shè)計過程的多個階段。AI主要影響以下關(guān)鍵領(lǐng)域:分析:AI實現(xiàn)更快速、預(yù)測性和跨階段的芯片設(shè)計分析。優(yōu)化:AI驅(qū)動的優(yōu)化技術(shù)帶來更快速、更可擴(kuò)展和更優(yōu)質(zhì)的結(jié)果。輔助:AI為芯片設(shè)計師提供專業(yè)知識、編碼支持和任務(wù)自動化。
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圖1:此圖展示了AI在芯片設(shè)計中影響的主要領(lǐng)域:分析、優(yōu)化和輔助。
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芯片設(shè)計中的AI技術(shù)9 R- i( k0 ?% \ n) S* o7 g0 Z
多種AI技術(shù)被應(yīng)用于芯片設(shè)計,每種技術(shù)適用于設(shè)計過程的不同方面:經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)(ML):適用于小型結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),線性回歸、支持向量機(jī)和決策樹等技術(shù)用于初步分析。深度學(xué)習(xí):卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)適合物理設(shè)計數(shù)據(jù),而圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GNN)適合線路網(wǎng)表數(shù)據(jù)。貝葉斯優(yōu)化:此技術(shù)用于構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)的概率模型,并選擇最有希望的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行采樣。強(qiáng)化學(xué)習(xí)(RL):RL代理通過與環(huán)境交互并獲得改進(jìn)獎勵來學(xué)習(xí)優(yōu)化設(shè)計。生成式AI:這些模型,包括變分自編碼器(VAE)和Transformer,用于生成最佳設(shè)計點(diǎn)和學(xué)習(xí)優(yōu)化表示。大型語言模型(LLM):LLM用途廣泛,可應(yīng)用于問答、編碼、提取、重寫、分類、總結(jié)和推理等多種任務(wù)。
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圖2:NVIDIA芯片設(shè)計中使用的不同AI技術(shù),包括經(jīng)典ML、深度學(xué)習(xí)和各種優(yōu)化方法。
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AI在芯片設(shè)計中的應(yīng)用3 s& E X+ j- {# G8 H# G& b3 i
讓我們探討AI在芯片設(shè)計中的一些具體應(yīng)用:5 g! I1 n' a* x1 ?+ S
1. IR壓降估算
6 C7 g1 m6 y- u/ c. D n& CIR壓降估算對物理設(shè)計非常重要,但傳統(tǒng)方法需要數(shù)小時。基于AI的方法可以從單元級特征預(yù)測IR壓降,在3秒內(nèi)實現(xiàn)94%的準(zhǔn)確率,而商業(yè)工具需要3小時。+ T, Q! ~. e6 G( |& P" J+ C
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圖3:使用AI進(jìn)行IR壓降估算的過程,顯示了功率圖和系數(shù)圖。) m% |3 l L- w8 j3 d) y" q
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2. 寄生參數(shù)預(yù)測# x5 V1 ~( \' z; {, l6 L
AI用于從原理圖預(yù)測布局寄生參數(shù)。通過將原理圖轉(zhuǎn)換為圖形并使用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GNN),設(shè)計師可以高精度估算寄生參數(shù),將仿真誤差降低到10%以下。
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圖4:此圖說明了將線路原理圖轉(zhuǎn)換為異構(gòu)圖以進(jìn)行寄生參數(shù)預(yù)測的過程。! @- i$ |; q0 ~8 D, g# u' ~
) K' k4 k( _( ^0 D5 V4 E" M3. 宏單元布局優(yōu)化
7 ~" I; l8 {, M) a" O3 D1 h" Y宏單元布局對物理設(shè)計非常關(guān)鍵。多目標(biāo)貝葉斯優(yōu)化被用于改進(jìn)宏單元布局,考慮線長、擁塞度和密度等因素。9 I3 v* m) F$ O" e
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% v) c/ O0 z% X圖4:此圖比較了基準(zhǔn)宏單元布局與使用AutoDMP(自動化DREAMPlace基礎(chǔ)宏單元布局)優(yōu)化后的布局。
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4. 設(shè)計規(guī)則檢查(DRC)修復(fù)) y6 ^% @2 N3 ?9 i
強(qiáng)化學(xué)習(xí)代理被訓(xùn)練用于自動修復(fù)單元布局中的設(shè)計規(guī)則檢查(DRC)違規(guī)。代理學(xué)習(xí)逐步減少DRC錯誤,最終得到干凈的布局。
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9 E( j# K, a& V! ^) t' c圖5:此圖顯示了RL代理在單元布局中修復(fù)DRC違規(guī)的逐步過程。* j3 w3 V0 Q8 l4 ~& X8 A$ q
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5. 數(shù)據(jù)通路優(yōu)化
# J( y w8 t% i! X- F4 w+ ?強(qiáng)化學(xué)習(xí)也被應(yīng)用于優(yōu)化數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu),如前綴加法器。RL代理探索不同的前綴圖結(jié)構(gòu),以實現(xiàn)比知名加法器架構(gòu)更好的性能。
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0 Q: K/ ^3 s, w; Q- A圖6:此圖說明了使用強(qiáng)化學(xué)習(xí)優(yōu)化前綴加法器結(jié)構(gòu)的過程。
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* t3 ^" G* e7 u2 j# d6. 門尺寸調(diào)整
: ~3 S+ c% h2 d: OTransformer被用于生成最佳門尺寸,以進(jìn)行時序和功耗優(yōu)化。通過將門路徑建模為序列,AI可以生成優(yōu)化的門尺寸,與傳統(tǒng)優(yōu)化方法相比,實現(xiàn)了100倍到1000倍的加速。( S3 r- z2 d$ w) M. E( o. |! L* J: g
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圖7:此圖顯示了Transizer方法在門尺寸優(yōu)化中實現(xiàn)的功耗/延遲權(quán)衡。
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7. 加速器設(shè)計; e; X+ h- X4 Q" W' ]% K
變分自編碼器(VAE)被用于學(xué)習(xí)硬件加速器設(shè)計的連續(xù)可重構(gòu)潛在空間。這種方法在探索設(shè)計空間時實現(xiàn)了6.8倍的樣本效率和5%的性能提升。4 G. E, r" V8 S- N
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' p9 ~. A+ u4 @. I4 w2 v圖8:此圖展示了在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器設(shè)計空間優(yōu)化中使用VAE的過程。
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5 n0 C e, E9 ?1 H: D大型語言模型在芯片設(shè)計中的應(yīng)用
$ r- w8 [2 X1 r% Z9 u9 h大型語言模型(LLM)在芯片設(shè)計中越來越重要。可以通過以下技術(shù)適應(yīng)各種任務(wù):
, Z3 p F- ^# r+ v參數(shù)訓(xùn)練檢索增強(qiáng)生成(RAG)上下文學(xué)習(xí)基于代理的方法
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LLM在芯片設(shè)計中用于多個目的:編碼輔助:為特定任務(wù)生成EDA腳本。專業(yè)知識輔助:回答關(guān)于設(shè)計、基礎(chǔ)設(shè)施、工具和流程的問題。分析輔助:總結(jié)錯誤報告并預(yù)測任務(wù)分配。
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圖9:此圖顯示了LLM在芯片設(shè)計中的各種應(yīng)用,包括編碼、專業(yè)知識、分析、優(yōu)化和調(diào)試輔助。
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4 v, M. g3 F3 u X( m6 g結(jié)論
# A& p- L# h# u' ~; p3 aAI正在通過提高分析速度、優(yōu)化質(zhì)量和設(shè)計輔助來革新芯片設(shè)計。隨著該領(lǐng)域的進(jìn)展,可以期待看到:持續(xù)使用貝葉斯優(yōu)化和強(qiáng)化學(xué)習(xí),以實現(xiàn)芯片設(shè)計中更好的PPA(功耗、性能、面積)。在優(yōu)化數(shù)據(jù)上訓(xùn)練的生成式AI模型,加速傳統(tǒng)優(yōu)化過程。LLM模型和代理通過聊天機(jī)器人、協(xié)作工具和任務(wù)自動化顯著提高芯片設(shè)計生產(chǎn)力。可靠高效的推理基礎(chǔ)設(shè)施的重要性日益增加。
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為進(jìn)一步推動該領(lǐng)域發(fā)展,需要更多數(shù)據(jù)集和基準(zhǔn),如VerilogEval、FVEval和LLM4HWDesign。隨著AI的不斷發(fā)展,其在芯片設(shè)計過程中的集成無疑將帶來更高效、更強(qiáng)大和更創(chuàng)新的半導(dǎo)體產(chǎn)品。
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( V) F3 g0 W4 P# }& Y' H0 F- F參考文獻(xiàn)4 p* X. \: Z+ Q8 a3 m
[1] H. Ren, "Introduction to AI for Chip Design," presented at Hot Chips, Aug. 25, 2024.
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6 w0 d9 [; J, D3 m2 z/ s- t) ^" _深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計自動化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。/ Z# B8 a' y" t; Z# o9 z6 |
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