ICCAD2021落幕，AI设计芯片趋势明显，港中文Front-End最佳论文奖

机器之心专栏

作者：余备

目前芯片是备受关注的研究领域，EDA 是重点方向之一。中国在 EDA 领域薄弱，但港中文在 EDA 研究方面很有实力，CS Ranking 近年来都位居前列，今年更是跃居第一。本文是港中文余备教授参加 ICCAD 2021 的见闻和有感，以专业视角给出了值得关注的趋势，也即 ML for EDA（或者EDA的人工智能化趋势）。他们也获得今年前端 track 最佳论文。

为了方便读者更为细致的了解 ML for EDA，11月10日-11日，我们请到港中文EDA团队带来线上分享，介绍 4 篇他们在 ICCAD 2021 的最新工作。

一、会议概括

近日，EDA领域的世界顶级会议之一 ICCAD 2021 大会以线上形式成功举办。

International Conference on Computer-Aided Design (ICCAD)是 IEEE 和 ACM 两大组织联合发起的电子设计自动化（Electronic Design Automation, EDA）领域的顶级会议。自 1982 年创办以来，迄今已经举办了 40 届。

由于疫情原因，今年的 ICCAD 依然采用线上会议的方式举办，会议从 11月1日 至 4日 共四天。ICCAD 2021 收到了全球范围内的 514 篇投稿，最终 121 篇论文被收录（23.5%的录取率），竞争十分激烈。

在 ICCAD 2021 讨论热点的词云中，可以看到此次大会频率较高的关键词：神经网络、EDA关键步骤研究、加速器。另据会议官方数据统计，相比往年，神经网络和深度学习、仿真设计验证、神经形态计算、生物芯片等领域投稿论文数量激增。

最佳论文奖

为了纪念 William J. McCalla 博士对计算机辅助电路设计及仿真技术的发展以及 ICCAD 会议的开创性贡献，会议官方特别设立了 William J. McCalla 最佳论文奖。
该奖项由 IEEE 电子设计自动化委员会（IEEE CEDA）和 ACM 设计自动化特别兴趣小组（ACM SIGDA）联合发起，由 ICCAD 最佳论文和最具影响力奖评选委员会评选，于 2000 年首次颁发。

William J. McCalla 最佳论文奖共设立年度最佳论文奖两名（Front-end和Back-end），以及十年回顾最具影响力论文奖一名。其中，年度最佳论文奖将分别授予涵盖集成电路设计流程前端和后端的研究论文。

2021年ICCAD Front-End最佳论文奖授予了《BOOM-Explorer: RISC-V BOOM Microarchitecture Design Space Exploration Framework》，第一作者是就读于香港中文大学计算机科学与工程系的博士生白晨，导师为余备教授和黄定发教授。

论文链接：

http://www.cse.cuhk.edu.hk/~byu/papers/C122-ICCAD2021-DSE-BOOM.pdf

这篇获奖论文研究了基于机器学习技术进行 CPU 微架构设计空间探索的方法，实现了在同一工艺下寻找一系列在功耗和性能上实现帕累托最优的微架构。在后摩尔时代 CPU 设计中，工艺演进对提高 CPU 性能、降低其功耗的红利愈来愈有限，因此，CPU 设计人员希望能寻找到理想的微架构来更好地平衡性能和功耗。微架构是对指令集（ISA）的实现，包含了诸如 CPU 取指前端，解码，计算单元，载入储存单元等模块。这些模块可以在 CPU 设计时进行参数化，如对缓存结构，解码宽度，乘除单元并行数，分支预测器等。由于现代 CPU 设计变得愈加复杂，架构师的经验不能很好用来迁移到新设计上以确定这些参数。为了在一个确定的微架构设计空间中快速寻找帕累托设计，因此，本文基于 RISC-V微处理器提出一种能嵌入目标设计的微架构先验知识的设计空间探索算法用来解决这一问题。

从左至右：白晨、余备教授、黄定发教授。
本次的Back-End最佳论文奖授予了《Analytical Modeling of Transient Electromigration Stree based on Boundary Reflections》，第一作者是来自明尼苏达大学的 Mohammad Abdullah Al Shohel。

这篇论文提出了一种瞬态电迁移应力建模算法。电迁移在多段互联上的传统失效测试方法是基于 Black 方程的 Blech 标准。考虑到应力在多个互联段上具有累积效应，而传统方法是独立地分析每个互联段，导致了不准确的分析结果。该论文创新性地引入了应力流边界反射的概念，认为在有限多互联段中的瞬态应力行为可以采用物理波动来解释。该论文基于应力流边界反射的概念，提供了一个用于推导出具有任意数量互联段的瞬态电迁移应力的分析表达式框架。在大型供电网络基准测试中，该方法对比于基于有限元法的求解器 COMSOL 具有更高的准确度和更快的求解速度。

二、EDA的科研趋势：AI x EDA

当前，集成电路产业已成为衡量国家综合国力的重要战略指标。其中 EDA 工具是集成电路产业的基础工业软件，也是我国集成电路中受美国制约最严重的环节之一，可谓是我国集成电路产业的「命门」。为了支撑我国目前正在如火如荼进行的「新基建」建设，以及实现未来科技实力大幅度提升的目标，作为集成电路产业最基础的支撑，发展独立自主可控的 EDA 工具已经迫在眉睫。
一方面，人工智能技术（包括算法上的改进，与计算平台的演进）给 EDA 带来了新的解决方案；另一方面，EDA 技术的发展，也促进了人工智能技术在芯片设计和制造上的不断迭代与改进。以下精选 5 篇论文，很好的反应了 AI 与 EDA 结合的大趋势。

Paper A：Overcoming the Memory Hierarchy Inefficiencies in Graph Processing Applications

作为大数据时代的重要应用，图计算在传统处理器和内存架构上的性能并不高效。其性能瓶颈通常体现在两个方面：对于片上内存而言，随机的访存模式大幅降低了缓存命中；对于片外内存而言，细粒度的数据读取也拉低了DRAM主存的带宽利用率。

为此，UCSB 谢源教授团队设计了专用于图的内存架构：G-MEM。一方面，其使用了scratchpad替代缓存，并相应的提出了针对图结构中“热点”数据的管理算法，在与缓存相同大小的情况下提升了约 10% 的命中率。另一方面，其重新设计了 DRAM 的通道架构，并使用了多个独立控制器以支持细粒度的访存。相比于传统处理器，G-MEM 在多个图任务下提升了 2.6 倍的性能。

Paper B: Automatic Routability Predictor Development Using Neural Architecture Search

机器学习技术的兴起激发了其在电子设计自动化 (EDA) 中的应用热潮，并有助于提高芯片设计的自动化程度。然而，手工制作的机器学习模型需要大量的专业知识和巨大的工程消耗。在这项工作中，Duke 大学陈怡然教授课题组和 Texas A&M 大学胡江教授课题组利用神经架构自动搜索 (NAS) 来自动开发用于可绕线性预测的高质量神经网络架构。该搜索方法支持各种卷积操作和高度灵活的连接，使得神经网络架构与以前所有的人工模型明显不同。在大型数据集上的实验结果表明，生成的自动生成的神经网络架构明显优于多个具有代表性的人工设计的模型架构。此外，与人工模型容易花费数周时间开发相比，高效的 NAS 方法仅用 0.3 天就完成了整个自动搜索过程。

Paper C: pGRASS-Solver: A Parallel Iterative Solver for Scalable Power Grid Analysis Based on Graph Spectral Sparsification

随着集成电路与系统的发展，供电网络的规模越来越庞大，使得对其分析、计算其节点电压成为一个严峻的挑战。求解供电网络的电路方程主要采用并行区域分解法和基于谱图稀疏化的迭代解法。区域分解法需要形成表示子区域间节点关系的稠密舒尔补矩阵，对其计算与分解的开销可能比求解原问题还大。对稀疏矩阵的迭代解法内存用量小，但迭代收敛速度与收敛性是主要的难点，近年来提出的谱图稀疏化技术构造预条件子，可以稳定地提高收敛速度，但现有工作均为串行算法的研究。

清华大学喻文健教授团队提出将区域分解与谱图稀疏化结合的方法，包括并行的谱图稀疏化、以及使用区域分解法对由稀疏子图得到预条件子进行并行求解的技术，它继承了谱图稀疏化带来的良好迭代收敛性，同时实现高效率并行计算。在一台 16 核 CPU、512GB 内存机器上的实验表明，该方法相比串行的谱图稀疏化迭代解法有 5.5 倍的平均加速，相比前人的并行供电网络仿真算法有 5.2 倍的平均加速。对一个实际的含 3.6 亿节点、42 亿条边的供电网络，它的求解用时仅为 23 分钟，比串行算法快 9.5 倍。这是首次报道在一台普通的 16 核计算机上仅用不到半小时的时间求解如此大规模的供电网络。
Paper D: A Unified Framework for Layout Pattern Analysis with Deep Causal Estimation

特征尺寸的减小和制造过程的复杂性的增加导致半导体器件制造的缺陷越来越多。因此，识别缺陷布局模式的根本原因对于提高良率变得越来越重要。香港中文大学余备教授课题组联合华为诺亚方舟实验室和华为海思提出了一种基于布局感知诊断的布局模式分析框架，以有效地识别布局故障的根本原因。

在该框架的第一阶段，使用一个使用对比学习训练的编码器网络来提取布局片段的表示，这些布局片段对移位、旋转和镜像等转换是等价的，然后将其聚类形成布局模式。在第二阶段，该框架通过一个结构因果模型建立任何潜在的根本原因布局模式和系统缺陷之间的因果关系模型，然后使用该模型估计候选布局模式对系统缺陷的平均因果效应(ACE)，以识别真正的根本原因。在实际工业设计中的实验结果表明，此框架在精度和速度上都优于商业工具。
Paper E: HeteroCPPR: Accelerating Common Path Pessimism Removal with Heterogeneous CPU-GPU Parallelism

在芯片设计流程中，静态时序分析(STA)衡量了芯片设计的正确性和性能，是后端芯片设计和验证的核心任务之一，而静态时序分析中的公共路径悲观修正(CPPR)步骤，则保证了时序分析的准确性。缺少了 CPPR 会使分析结果过度悲观，产生虚假的错误报告，降低对芯片设计性能评估的准确性。然而，CPPR 非常缓慢，时间消耗往往以十倍到百倍计，因而限制了它的实际应用。现有的 CPPR 加速工作主要采用 CPU 上的多核并行策略。这些策略受到图算法计算模式以及 CPU 架构的限制，性能在 8-16 核心达到饱和，难以获得更大的性能提升。

北京大学林亦波教授课题组提出了 HeteroCPPR 算法，通过高效的计算任务分解策略和 GPU 算子设计，克服图算法的并行难题，在 CPU-GPU 异构计算平台上实现了 CPPR 中的图算法并行加速，首次实现多 GPU 处理大规模延时悲观量补偿和时序违例路径生成。实验结果显示，HeteroCPPR 在 4 个 GPU 上达到了 16 倍的加速，能够在 1 秒以内处理百万门级电路上的 10K-100K 路径生成问题。

三、机器之心走近全球顶尖实验室：香港中文大学EDA团队

香港中文大学 EDA 团队目前共有教授 7 人，其中IEEE院士、ACM院士 1 人（港中大工程学院院长黄定发教授），ACM杰出科学家 2 人（杨凤如教授，何宗易教授）。团队研究范围全栈式覆盖了系统设计、架构设计、逻辑物理综合、测试与验证、制造与封装等EDA领域。近六年来，团队在 EDA 领域国际顶级会议 DAC&ICCAD 共计发表论文 94 篇（系统设计 10 篇、架构设计 23 篇、逻辑物理综合 20 篇、测试与验证 21 篇、制造与封装 20 篇），位居世界前列。

除了数量众多的研究成果之外，港中文 EDA 团队还多次拿到了顶会和顶级期刊的最佳论文：

• 2012 DAC 最佳论文
• 2013 ICCAD 最佳论文
• 2015 TCAD（EDA的世界顶级期刊）最佳论文
• 2017 ICCAD 最佳论文
• 2021 ICCAD 最佳论文。

港中文自2015年以来在DAC/ICCAD发表论文的主题分布情况。
除了 EDA 两大顶级会议 DAC & ICCAD 之外，港中文 EDA 团队成员也获得 2004 年DATE、2012 年 ASPDAC、2017 年 ISPD、2020 年 ISLPED、2021 年 ASPDAC 等重要会议的年度最佳论文奖。
此外，在历年 ICCAD CAD 算法竞赛产生的 30 个冠军中，香港中文大学拿到了其中的 11 个，成绩遥遥领先于世界其他顶级高校。

依据世界广泛采用的计算机科学机构的排名 CS Ranking，港中文的世界排名常年保持前列，近两年名列世界第一：

在EDA（design automation）领域，港中文、UCSD和杜克大学位列世界排名前三。大部分上榜高校都是欧美名校，在表现比较好的亚洲高校中，港中文排名第一位，北大排名12，香港城市大学第排名17，中科院和新加坡国立大学并列20。