Hot Chips 2024 | 利用大語(yǔ)言模型代理推進(jìn)先進(jìn)芯片設(shè)計(jì)

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
+ B9 f. q6 S3 U隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，大語(yǔ)言模型（LLM）和人工智能代理在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。本文旨在探討LLM代理在芯片設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，重點(diǎn)介紹其優(yōu)勢(shì)、關(guān)鍵概念和實(shí)際實(shí)現(xiàn)。我們將研究各種規(guī)劃策略、內(nèi)存管理技術(shù)和工具集成，這些都使得LLM代理成為復(fù)雜芯片設(shè)計(jì)世界中的強(qiáng)大助手[1]。
  Y& }  D+ s7 @: z2 A( o& U
3 C7 ?$ J; V& N+ r1 u/ I代理優(yōu)勢(shì)
LLM代理在芯片設(shè)計(jì)任務(wù)中展現(xiàn)出顯著的改進(jìn)。


) v  O) M0 t! b. M' q圖1展示了使用LLama3和GPT4turbo在VerilogEval（人工）基準(zhǔn)測(cè)試中，非代理方法和代理方法的通過(guò)率比較。

如圖1所示，代理方法始終優(yōu)于非代理方法。例如，使用GPT4turbo時(shí)，代理方法（VerilogCoder）實(shí)現(xiàn)了94.2%的驚人通過(guò)率，而非代理方法僅為60.3%。這一顯著改進(jìn)突顯了LLM代理在解決復(fù)雜芯片設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)方面的潛力。
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6 z# z1 n; Z0 s9 ]! c3 ]" a代理概念
: T0 {: w) L1 V要理解LLM代理的強(qiáng)大功能，了解非代理方法和代理方法之間的基本差異非常重要。


圖2比較了非代理和代理概念，展示了代理系統(tǒng)增強(qiáng)的復(fù)雜性和功能。
# p) x' Q' M, _0 z6 }! S
% C1 q: w! J6 i8 g. U% i3 A# Q非代理系統(tǒng)通常涉及用戶(hù)和LLM之間的簡(jiǎn)單問(wèn)答交互。相比之下，代理系統(tǒng)結(jié)合了規(guī)劃、工具、內(nèi)存，甚至多代理協(xié)作。這種增強(qiáng)的架構(gòu)使LLM代理能夠處理更復(fù)雜的芯片設(shè)計(jì)問(wèn)題和任務(wù)。
& K4 S- Z3 _, x, P- o, \
3 b; L1 w: }. c+ y/ A規(guī)劃策略
有效的規(guī)劃對(duì)LLM代理將復(fù)雜的芯片設(shè)計(jì)任務(wù)分解為可管理的步驟非常重要。讓我們探討各種規(guī)劃策略：

1. 無(wú)反饋規(guī)劃：
a) 思維鏈（CoT）：這種方法涉及一次性任務(wù)分解的逐步規(guī)劃。可以通過(guò)顯式指令、隱式指令或示例來(lái)實(shí)現(xiàn)。

b) 思維樹(shù)（ToT）：這種方法一次規(guī)劃一個(gè)步驟，在每個(gè)步驟中從多個(gè)選項(xiàng)中選擇最佳選項(xiàng)。可以使用廣度優(yōu)先搜索（BFS）、深度優(yōu)先搜索（DFS）或基于圖的方法進(jìn)行擴(kuò)展。

4 U. T- ^) {' y. X
圖3說(shuō)明了思維樹(shù)規(guī)劃策略，展示了如何在每個(gè)步驟評(píng)估多個(gè)選擇。
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2. 有反饋規(guī)劃：
2 w3 Y" C6 l) l) m( va) ReACT：這種方法通過(guò)思考、行動(dòng)和觀察的循環(huán)，將規(guī)劃與環(huán)境反饋相結(jié)合。

圖4描述了ReACT規(guī)劃策略，展示了思考、行動(dòng)和觀察之間的交互。

1 q9 Z4 E0 k! O# Wb) 自我反思：這種方法結(jié)合累積經(jīng)驗(yàn)的反饋，將短期軌跡與長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合。
  C) a+ w; B; m/ j1 n" U
圖5說(shuō)明了自我反思規(guī)劃策略，展示了如何整合短期和長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)。
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內(nèi)存管理
高效的內(nèi)存管理對(duì)LLM代理處理復(fù)雜的芯片設(shè)計(jì)任務(wù)至關(guān)重要。內(nèi)存管理的關(guān)鍵方面包括：

, n- z* i; z% r. d* _( d2 Y! Y1. 機(jī)制：
( ~6 E) b. ]2 Q# N

上下文內(nèi)存（受上下文大小限制）

外部文件存儲(chǔ)

用于檢索增強(qiáng)生成（RAG）的外部向量數(shù)據(jù)庫(kù)

結(jié)構(gòu)化內(nèi)存（如知識(shí)圖譜）用于高效搜索

% ^0 t: W3 l# w7 z8 W2. 范圍：
; o& E3 p* U- b9 |: \  C2 a

單個(gè)代理的本地內(nèi)存

多個(gè)代理共享的全局內(nèi)存
) M% b9 c, B2 f
9 w! D, E) r0 Q) n' C3. 時(shí)間框架：
; X8 Y& ^: Y, ^, Y) T

用于即時(shí)任務(wù)的短期內(nèi)存

用于持久知識(shí)的長(zhǎng)期內(nèi)存
" P" {. B+ V/ V; K! ]6 f" o
) |# ~  I1 l2 I" ^7 U4. 操作：

讀取、寫(xiě)入和反思能力

引言工具集成
LLM代理可以通過(guò)與專(zhuān)業(yè)工具集成顯著增強(qiáng)功能。該過(guò)程通常包括：

定義具有明確輸入/輸出規(guī)格的工具

將工具定義納入LLM提示

將LLM響應(yīng)解釋為工具調(diào)用

執(zhí)行工具并將結(jié)果提供給LLM
# l+ K8 [4 p$ B9 k" ?' M[/ol]

7 H) n$ {$ D$ ~" Q0 y
圖6演示了工具集成過(guò)程，展示了LLM如何與外部工具交互以執(zhí)行計(jì)算。
7 N, D% f  t$ M- k! `' Y( m7 r
多代理協(xié)作
7 u# e# {0 P" o) y" k1 T  Z8 U* s復(fù)雜的芯片設(shè)計(jì)任務(wù)通常受益于多個(gè)專(zhuān)業(yè)代理之間的協(xié)作。多代理協(xié)作的兩種主要方法是：

7 R. l9 ^# `) Y8 z, b1. 雙代理對(duì)話(huà)：
) ]5 r2 g! b! @" Z這種方法涉及連接代理以形成對(duì)話(huà)，允許基于代理角色的隱式任務(wù)分解。
+ P- v8 A. r; M( c
2 Z1 T9 Y' R$ r& [. g2. 群聊：
聊天管理器協(xié)調(diào)多個(gè)代理之間的對(duì)話(huà)，每個(gè)代理都有特定的角色和功能。


) s1 e; b% p; J圖7說(shuō)明了群聊場(chǎng)景，展示了聊天管理器如何協(xié)調(diào)專(zhuān)業(yè)代理之間的交互。

2 o6 m& f9 q2 P任務(wù)流程
9 q# y  L) t. V) j, y! o對(duì)于復(fù)雜的芯片設(shè)計(jì)過(guò)程，可以使用代理聊天實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)的序列。這種方法允許顯式任務(wù)分解和高效的工作流管理。
; t2 e6 w; O5 O  [/ x

圖8顯示了任務(wù)流程圖，展示了多個(gè)代理如何在軟件開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中協(xié)作。
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7 `6 }; O, l( \, R) h9 v) C芯片設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用
1. 時(shí)序報(bào)告分析：
LLM代理可用于分析和比較不同設(shè)計(jì)運(yùn)行的時(shí)序報(bào)告。通過(guò)使用專(zhuān)業(yè)工具和提示，代理可以提供關(guān)鍵要點(diǎn)、設(shè)計(jì)QoR摘要和改進(jìn)建議。
) V8 \6 p" d1 Z% v1 \9 Z/ K8 V' R5 J
( c3 s5 b" l6 o/ |$ p: r: ^" g( x2. 器件聚類(lèi)優(yōu)化：
3 N, J1 Z% [8 n$ S- L& N$ G5 U代理可以?xún)?yōu)化單元布局生成器的器件聚類(lèi)約束。通過(guò)利用領(lǐng)域知識(shí)和ReACT規(guī)劃，這些代理可以識(shí)別重要的網(wǎng)絡(luò)、評(píng)估聚類(lèi)并實(shí)現(xiàn)顯著的面積減少。
, P% E- b+ p1 Y7 ?

6 i! P1 R* b* M4 G0 f& {圖9比較了由器件聚類(lèi)優(yōu)化產(chǎn)生的原始布局和改進(jìn)布局。
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3. VerilogCoder：
$ z$ C' O7 {  @這個(gè)先進(jìn)的代理系統(tǒng)在Verilog代碼生成方面顯示出顯著的改進(jìn)，在VerilogEval（人工）基準(zhǔn)測(cè)試中實(shí)現(xiàn)了94.2%的通過(guò)率。VerilogCoder采用任務(wù)流驅(qū)動(dòng)的多代理方法，配備專(zhuān)門(mén)用于任務(wù)規(guī)劃和代碼實(shí)現(xiàn)的工具。


( Z9 m7 }% G: \0 F* X: _6 o6 E圖10概述了VerilogCoder代理系統(tǒng)，展示了其任務(wù)規(guī)劃和代碼實(shí)現(xiàn)組件。
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結(jié)論
1 p8 T+ z+ s, w4 \0 oLLM代理正在通過(guò)提高效率和準(zhǔn)確性來(lái)革新芯片設(shè)計(jì)，解決復(fù)雜任務(wù)。代理分解問(wèn)題、利用專(zhuān)業(yè)工具和在多代理系統(tǒng)中協(xié)作的能力使其成為半導(dǎo)體行業(yè)中不可或缺的資產(chǎn)。隨著這些代理不斷發(fā)展，有望顯著提高設(shè)計(jì)師的生產(chǎn)力，并推動(dòng)芯片設(shè)計(jì)可能性的邊界。

目前的LLM代理擅長(zhǎng)處理可以分解為低到中等智力努力的任務(wù)，但未來(lái)可能會(huì)看到代理解決更具挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)問(wèn)題。然而，值得注意的是，這些代理的真正力量在于增強(qiáng)和提升人類(lèi)設(shè)計(jì)師的能力，而不是完全取代人類(lèi)。
# p2 [1 V6 k3 O: k/ d
7 N7 a4 e5 s' @
參考文獻(xiàn)
, G( E' }, s0 a# Y  J. V# t[1] H. Ren, "LLM Agents for Chip Design," NVIDIA, Aug. 25, 2024.

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