機器學習如何助力芯片設計

在過去的 20 年里，集成電路 （IC） 行業的發展是難以想象的，我們現在正在見證下一階段的變化。為了利用半導體工藝的進步帶來的機遇，需要不斷開發新的工具和方法，以便使用這些技術的設計工程師盡可能地提高生產力。機器學習（ML）也已經發展到現在似乎每個人都在使用的工具之一，但是ML對芯片設計意味著什么？是否ML確實是芯片設計的未來？

生產力挑戰

在數字設計的萌芽階段，工程師們采用了完全定制的電路布局方法，手動放置和連接每個晶體管，這是一項艱巨且耗時的任務。設計人員很快意識到，通過使用標準單元和原理圖網表來實現數字邏輯設計，可以加快設計任務。但是，創建原理圖網表也是手動的。桌面 Unix 工作站的出現使寄存器傳輸邏輯 （RTL） 綜合成為可能，允許工程師使用高級硬件描述語言（如 VHDL 和 Verilog）創建數字邏輯，這些語言可以快速綜合具有數千個邏輯門的網表。雖然這有助于克服設計問題，但它無意中創造了另一個問題——如何布局大量標準單元。反過來，通過開發自動化布局布線來克服這一點，這兩個系統的綜合效果是大大提高了數字設計流程的生產力，使設計人員能夠專注于優化功耗、性能和面積 （power/performance /area PPA）。

然而，設計的挑戰與設計的規模成比例，標準單元已從數千個迅速增長到數百萬個。雖然IC的規模不斷擴大，但可用的IC設計工程師的數量卻跟不上，導致設計挑戰不斷加劇。隨著晶圓代工工藝尺寸的縮小，晶體管密度不可避免地增加。為了讓行業跟上這種不斷提高的復雜性，設計工程師必須提高工作效率。

機器學習是幫助實現這一目標的理想之選。

EDA 中的 ML

1959年，計算機游戲和人工智能的先驅亞瑟·塞繆爾（Arthur Samuel）將ML定義為“使計算機能夠在沒有明確編程的情況下學習的研究領域”。芯片設計過程的每個元素都很難實現自動化，因為它在很大程度上依賴于單個工程師的經驗。

傳統上，該行業通過將大型芯片設計項目分解為更小的任務來解決這些問題，這包括timing closure、placement constraints、floor-planning、了解EM以及DRC。需要許多芯片專家的投入，幾乎每家芯片設計公司，無論大小，都有在timing、APR或功耗方面具有專業知識的常駐“專家”。

ML之所以非常適合應用到設計自動化，是因為大部分設計過程都是手動的，需要對可預測的場景進行迭代評估。機器學習推理的強大之處在于可以對其進行訓練，以在比手動方法更短的時間內提供改進的結果。

ML 的概念在 1959 年只不過是一種理論，但計算機技術的巨大進步，導致多個強大的 GPU 并行運行，以及在云中執行復雜計算的能力，使計算機科學家在 ML 領域取得了巨大進步。近年來，它已經成功地應用于設計流程的各個任務（例如自動布局布線），但只有將其應用于更高層次，才能充分發揮ML的全部功能。

設計流程優化

雖然 ML 已經改進了設計流程的各個組件，但下一步是使用它來加速整個設計流程，目前這始終需要設計的手動交互。

使用AI獲取這些專業知識對生產力可以產生更大的影響。

在當前的手動和迭代流程開發過程中，設計人員創建最初的RTL，綜合設計，生成結果。然后，經驗豐富的工程師根據輸出結果調整流程，然后重新綜合設計以生成新結果。此迭代過程一直持續到達到所需的 PPA 達到可以接受可用結果為止。

這需要大量的工程工作，并且對計算資源的使用效率低下。

在團隊中增加更多的工程師并不一定能轉化為 PPA 的改進。

現在，有一種革命性的、機器學習驅動的芯片設計流程優化方法。這種新方法允許工程師指定 PPA 目標，然后以全自動方式優化數字 RTL 到 GDS 流程的各個方面，以比手動流程更快地實現這些目標。

今天的工程師可以在現有的 ML 架構上開發RTL，并利用現在可用的海量計算能力。ML僅使用實時設計數據樣本，使其能夠“即時”做出優化決策。這意味著它可以立即停止無法收斂于更好的 PPA 結果的RTL開發，從而將計算資源重新分配給其他更需要的任務。這種方法比手動流程調整更有效，因為在手動流程調整中，僅在每次綜合結束時查看結果。

在流程優化過程中，學習引擎會分析大量設計數據。隨著強化學習過程的進行，將創建一個機器學習模型，捕獲設計數據分析。然后，通過在項目之間重用數據，可以將其用作未來設計流程優化的起點，從而節省大量計算資源并更快地交付改進的 PPA。

結論

半導體行業的持續增長將要求芯片設計工程師提高工作效率。利用現在可用的支持云的并行和分布式計算資源，ML工具將進一步改善PPA，使工程團隊能夠達到應對更大和日益復雜的芯片設計所帶來的挑戰所需的生產力水平。過去，EDA工具提高了工程師的工作效率。從現在開始，ML將提高EDA工具的生產力，從而提高使用它們的工程師的生產力。

審核編輯：黃飛