无人干预, AI 设计出工业级CPU

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发表时间:2023-07-05 14:55

在无人干预的情况下,让 AI 设计出工业级 CPU


根据相关论文《突破机器设计的极限:利用 AI 进行自动化 CPU 设计(Pushing the Limits of Machine Design: Automated CPU Design with AI)》介绍,这场研究的目的是:赋予机器自主设计 CPU 的能力,以此探索机器设计的边界。

“如果机器能够在无人干预的情况下设计出工业级 CPU,不仅可以显著提高设计效率,还能将机器设计的极限推向接近人类性能的水平,从而推动半导体产业的革命。”论文中还补充道:“自行设计机器的能力,即自我设计,可以作为建立自我进化机器的基础步骤。”

有了基本方向后,即要在没有人工编程的情况下自动化 CPU 设计,团队研究人员决定通过 AI 技术,直接从“输入-输出(IO)”自动生成 CPU 设计,无需人类工程师手动提供任何代码或自然语言描述。

简单来说,传统 CPU 设计需要投入大量人力,包括编写代码、设计电路逻辑、功能验证和优化工作等等。但通过将 CPU 自动设计问题转化为“满足输入-输出规范的电路逻辑生成问题”后,只需要测试用例,便可以直接生成满足需求的电路逻辑——这使得传统 CPU 设计流程中极其耗时的“逻辑设计”和“验证环节”,都被省去了。

想顺利开启这样的自动化 CPU 设计流程,需要提前对 AI 进行训练,包括观察一系列 CPU 输入和输出,因此论文中才强调该 CPU 的设计是“仅从外部输入-输出观察中形成的,并非正式的程序代码”。

从这些输入和输出中,研究人员生成了一个 BSD 二元猜测图(Binary Speculation Diagram,简称 BSD)算法,并利用基于蒙特卡罗的扩展和布尔函数的原理,大幅提高了基于 AI 进行 CPU 设计的准确性和效率。


可与 Intel 486 系列媲美


通过以上逐步地推敲,一个 CPU 的自动化 AI 设计流程就成型了:仅用 5 小时就生成 400 万逻辑门,全球首款无需人工干预、全自动生成的 CPU 芯片也就此诞生——启蒙 1 号。

据论文介绍,启蒙 1 号基于 RISC-V的 32 位架构,采用 65nm 工艺,频率可达 300MHz,且可运行 Linux 操作系统。另据媒体报道,相较于现阶段 GPT-4 能设计的电路规模,启蒙 1 号要大 4000 倍。

此外在 Drystone 基准测试中,启蒙 1 号的性能不仅可比肩由人类设计的 Intel 486 系列 CPU,还比 Acorn Archimedes A3010 更快一些。


更值得一提的是,这颗完全由 AI 设计的 32 位 RISC-V CPU,其设计周期比人类团队完成类似 CPU 设计的速度,快了近 1000 倍,验证测试准确性也能达到 >99.999999999%。

不过,有些人可能对于这款由 AI 设计的启蒙 1 号并不在意,毕竟与它性能相近的 Intel 486 系列 CPU(Intel 80486SX),早已是诞生于上世纪 1991 年的“老芯片”了。但研究人员对于启蒙 1 号的开发依旧很自豪:在整个 AI 自动化设计过程中,他们生成的 BSD 算法,甚至还自主发现了冯·诺伊曼架构(一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的电脑设计概念结构)。


完全由 AI 生成的 CPU 有望超过人类?


平心而论,作为全球首款 AI 自动生成的芯片,启蒙 1 号的性能和规模根本无法与当前顶级的主流 CPU 相比,但正如论文开篇所说,这场实验本身就不是为了开发高性能芯片,而是“探索机器设计的边界”。

让 AI 从头开始构建一个新 RISC-V CPU,其背后的真实意义在于:研究 AI 未来能否用于减少现有半导体行业的设计和优化周期。

如果从这个角度来看,此次中国中科院计算所等机构进行的这项实验,就有了初步的结论:与传统人类设计的 CPU 相比,启蒙 1 号的研发周期缩短了近 1000 倍,因为传统 CPU 设计流程中耗时极长的手动编程和验证过程完全被省略了。

“我们的方法改变了传统的 CPU 设计流程,并有可能改革半导体行业。”在论文的最后,研究人员对于由 AI 完全设计芯片的未来做出展望:“除了提供人性化的设计能力,这种方法还发现了人类知识的冯·诺伊曼架构,未来更有可能产生积极的(甚至未知的)架构优化,这为建立一个自我进化的机器、并最终击败人类设计的最新 CPU 提供了一些启示。”

即研究人员认为,未来通过不断迭代 AI 的芯片设计方式,完全由 AI 生成的 CPU,或许有望达到甚至超越由人类设计的 CPU。



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