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
* ^9 _# s7 t% C' }6 W; M4 J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]。

. {: o& `& [: f& ~9 b  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)。


2 B5 c7 l$ z$ W9 j4 |7 p# Y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。

9 b/ O. L. M' x% |: n) j' E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。

6 q5 z' I+ ]  j" N6 {" b
( G- t4 m; [7 z1 f/ U代理概念
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。
' e7 ^: U% r+ F; t0 p

: s) w$ P: R$ `, D7 Y  u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。
' L# H5 E- N; m$ f% o4 I4 E
$ }$ f, {* k3 m* O9 a$ ~非代理系統(tǒng)通常涉及用戶和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)。

. \+ [: S) s1 F, Y' n. V規(guī)劃策略
7 }% h/ V$ m. O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：

0 m" p  s% C7 o. C  o1. 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)。
* k& K, H  v; q$ ~, N# g: y
0 g, r, u! g- H' y0 k+ i3 k# jb) 思維樹（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。

" V& ^& C, T  E
圖3說(shuō)明了思維樹規(guī)劃策略，展示了如何在每個(gè)步驟評(píng)估多個(gè)選擇。

2. 有反饋規(guī)劃：
7 j4 Z) M( j5 {; R. g0 na) 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。
5 @, Q7 D5 O, _& R& J2 k
1 d4 e' a7 O; u1 y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。

b) 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。
) k1 h1 G1 h* a) W1 D
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)。

5 m2 U7 U" N/ r  g9 L8 L內(nèi)存管理
0 l8 r% O) a" q9 J9 E" W& ~7 B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：

1. 機(jī)制：
5 k. M0 H% S  o

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

2. 范圍：

單個(gè)代理的本地內(nèi)存

多個(gè)代理共享的全局內(nèi)存
% r( d' G: T7 f8 Z! l
3. 時(shí)間框架：

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

; `# L: H  d: T$ r+ k4. 操作：
  [6 R. t4 I* E$ I. }* t

讀取、寫入和反思能力
. k; W0 U+ C# s0 t+ S4 s+ y: D
/ P) d& I( t/ k; E: v引言工具集成
LLM代理可以通過(guò)與專業(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
[/ol]


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。
8 ]5 O2 x& I) K8 @' h- ]; [7 G. r
8 T4 h/ T: a2 B6 a' M多代理協(xié)作
復(fù)雜的芯片設(shè)計(jì)任務(wù)通常受益于多個(gè)專業(yè)代理之間的協(xié)作。多代理協(xié)作的兩種主要方法是：
. A. `( q( Q6 @( m  R- @
1. 雙代理對(duì)話：
" _$ s+ i8 b2 Y" }2 E& N這種方法涉及連接代理以形成對(duì)話，允許基于代理角色的隱式任務(wù)分解。
7 G1 \+ L. l/ W2 u
2. 群聊：
& e, ?, H# n/ ]" l% Z- e5 V& N' D聊天管理器協(xié)調(diào)多個(gè)代理之間的對(duì)話，每個(gè)代理都有特定的角色和功能。
, r. z3 ^+ F* F, d, K! o0 \
4 R+ U7 H" r( F- |
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)專業(yè)代理之間的交互。
0 ?% O5 }5 K! T0 x) x, a& {* h  \
任務(wù)流程
1 Y6 s+ }; m( u/ Z$ ^0 a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。
. p  Q) Z, O2 u: a# V

圖8顯示了任務(wù)流程圖，展示了多個(gè)代理如何在軟件開發(fā)項(xiàng)目中協(xié)作。
; n7 E+ J' \9 S
, ?( d' P5 @* t. a0 ^- n$ Q芯片設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用
2 t0 s. W: ]! h# a1. 時(shí)序報(bào)告分析：
* L4 R: F- `6 D! nLLM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。

2. 器件聚類優(yōu)化：
代理可以優(yōu)化單元布局生成器的器件聚類約束。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)估聚類并實(shí)現(xiàn)顯著的面積減少。


圖9比較了由器件聚類優(yōu)化產(chǎn)生的原始布局和改進(jìn)布局。
. j; E' s% R4 I4 {) P7 G5 ~. `
3. VerilogCoder：
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，配備專門用于任務(wù)規(guī)劃和代碼實(shí)現(xiàn)的工具。


: x) s6 B: b$ g1 u* J7 D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。

4 h6 j5 |8 M" V* t# `
結(jié)論
3 h6 [: f  |/ u. e1 b5 qLLM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。
; r/ u2 p) o& z* T, O5 \
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)和提升人類設(shè)計(jì)師的能力，而不是完全取代人類。
! @3 J% W+ e2 q+ x1 c* m( G
' k) y( N, G- ]  G! p  z& k
% a1 P$ e0 `, l, X2 n, }參考文獻(xiàn)
8 C9 F5 A+ j5 |9 c6 u" \; N[1] H. Ren, "LLM Agents for Chip Design," NVIDIA, Aug. 25, 2024.

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