引言
在半导体技术飞速发展的今天,人工智能(AI)正在成为优化芯片设计过程的关键工具,本文帮助读者了解AI,特别是强化学习(RL)和生成式AI,如何应对现代芯片设计的复杂挑战[1]。
芯片设计复杂性的挑战
现代芯片设计是涉及众多变量和权衡的复杂过程。随着半导体技术不断推进,设计空间的复杂性呈指数级增长。
图1展示了设计复杂性在时钟、库单元选择和电源管理等多个因素上的指数级增长。
这种日益增加的复杂性带来了几个主要挑战:
结果质量:解决方案空间不连续、噪声大且非凸,难以跳出局部最小值并识别因果关系。
吞吐量:设计人员一次只能评估少量变量,导致设计过程延迟长。
成本:设计过程常常导致计算资源利用率低下,跨项目复用有限。
图2显示了芯片设计过程中时间分配的breakdown,突出显示了当前方法的低效之处。
AI在芯片设计中的应用前景
为应对这些挑战,半导体行业正转向AI,特别是强化学习(RL),以优化芯片设计过程的各个方面。
理解强化学习
强化学习是机器学习的一个分支,其中代理通过与环境交互来学习决策。在芯片设计中,RL代理可以探索各种设计选项,学习实现所需性能指标的最佳策略。
图3描述了强化学习的基本概念,展示了代理与环境之间的交互。
将RL应用于芯片设计
将RL应用于芯片设计涉及将各种设计参数和约束映射到RL框架:
状态:当前设计配置
动作:对设计参数的更改
奖励:目标指标的改善(如功耗、性能、面积)
图4说明了如何将RL应用于芯片设计问题,将设计输入映射到动作和结果。
AI辅助优化贯穿设计流程
AI驱动的优化可应用于芯片设计过程的各个阶段,从架构到制造。
1.数字实现
AI可以辅助探索不同的平面图选项,优化芯片面积和最大频率等指标。
图5展示了AI优化设计的帕累托前沿,平衡了芯片面积和频率。
2.验证
AI可以通过智能选择测试用例和优化覆盖率,显著提高验证过程的效率。
图6演示了AI如何优化回归测试的分布,以实现更高效的验证。
3.测试和ATPG
AI可以优化测试生成的各个方面,包括非扫描设计、X处理和中止限制。
4.电路优化
对于模拟和混合信号电路,AI可以在复杂的器件参数空间和PVT(工艺、电压、温度)角落中导航。
5.3D集成
AI可以辅助多芯片配置的探索,优化性能和功耗效率。
6. 多抽象层次优化
AI在芯片设计中最有前途的应用之一是跨不同设计抽象层次进行优化。
图7阐述了跨多个设计抽象层次优化的概念,从高层架构到低层实例。
7.单抽象层次vs多抽象层次优化
最初的AI驱动优化集中在单一抽象层次,如布局优化。然而,当应用于多个抽象层次时,AI的真正威力才得以显现。
图8显示了基于RL的布局优化结果,展示了功耗和频率的改进。
图9比较了单抽象层次优化和多抽象层次优化,揭示了功耗-频率权衡的显著改进。
8.探索不同设计配置
AI可以高效地探索多种设计配置,每种配置具有不同的特性和权衡。
图10呈现了探索五种不同设计配置的前20个结果,展示了AI可以生成的解决方案的多样性。
图11突出显示了不同的RTL配置如何导致不同的布局特征,展示了AI识别和优化不同设计特征的能力。
基于RL优化的局限性
尽管功能强大,基于RL的优化面临两个主要挑战:
创建设计变体的工作量大
设计变体评估速度慢
为解决这些限制,业界正转向生成式AI作为补充方法。
用生成式AI增强RL
生成式AI,特别是大型语言模型,正在为芯片设计优化开辟新的可能性。
RL和生成式AI的比较
RL擅长在定义的搜索空间内找到最优解
生成式AI善于快速生成多样化的设计选项
图12比较了RL和生成式AI在芯片设计优化context中的优势。
硬件描述语言(HDL)生成
最近的研究在使用AI生成HDL代码方面显示出了令人鼓舞的结果。
图13显示了HDL-GPT(一个用于生成HDL代码的AI模型)在各种设计挑战中的表现。
功耗、性能和面积(PPA)推测
AI的另一个令人兴奋的应用是快速PPA推测。
图14说明了使用AI执行端到端PPA推测的工作流程,可能将设计评估速度提高10倍。
加速设计评估
图卷积网络(GCNs)正被用来大幅加速设计评估过程。
图15演示了GCNs如何将设计探索速度提高500多倍,相较于传统方法。
结论
AI辅助芯片设计代表着半导体行业的范式转变。通过利用强化学习和生成式AI,设计人员可以更高效地探索广阔的设计空间,跨多个抽象层次进行优化,并加速整个设计过程。
随着AI技术的不断进步,可以期待更深远的影响。RL优化与生成式AI快速设计空间探索的结合,有望在半导体设计中释放新的创新水平。
芯片设计的未来可能会看到AI工具在整个设计流程中的更深入集成,从高层架构决策到低层物理实现。这种AI驱动的方法不仅将提高芯片的质量和性能,还将显著缩短上市时间并降低开发成本。
参考文献
[1] S. Diamantidis, "AI-Assisted Chip Design Tutorial," in HotChips, Aug. 25, 2025.
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