深度|芯片工程师也要失业？谷歌AlphaChip入局AI设计

近日，谷歌DeepMind在Nature上正式公布了其最新的芯片设计算法AlphaChip，该方法致力于加速和优化计算机芯片的开发，已经历经多款TPU的产品考验，可在短短数小时内完成人类专家需要数周甚至数月的芯片布局设计。

虽然近年来各大EDA公司都在积极将AI引入到自己的芯片设计工具当中，但是早在2020年，谷歌发表了一篇具有里程碑意义、题为《Chip Placement with Deep Reinforcement Learning》预印本论文，首次向世界展示了其采用新型强化学习方法设计的芯片布局。随后在2021年，谷歌又在Nature上发表了论文并将其开源了。

2022年，谷歌进一步开源了该论文中描述的算法代码，使得全球的研究人员都能够利用这一资源对芯片块进行预训练。

如今，这一由AI驱动的学习方法已经经历了TPU v5e、TPU v5p和Trillium等多代产品的考验，并在谷歌内部取得了显著成就。更令人瞩目的是，谷歌DeepMind团队最近在Nature上发表了该方法的附录，详细介绍了其用于芯片设计布局的强化学习方法，并将该模型命名为“AlphaChip”。据称AlphaChip有望大大加快芯片布局规划的设计，并使它们在性能、功耗和面积方面更加优化。目前AlphaChip已发布在Github上与公众共享，同时谷歌还开放了一个在20个TPU模块上预训练的检查点。

谷歌TPU发展历程

据介绍，AlphaChip在设计谷歌的张量处理单元（TPU） 方面发挥了重要作用，并已被包括联发科（MediaTek）在内的其他公司采用。同时，谷歌还开放了一个基于20个TPU模块预训练的检查点，分享了模型权重。

谷歌首席科学家Jeff Dean表示，开放预训练AlphaChip模型检查点以后，外部用户可以更容易地使用AlphaChip来启动自己的芯片设计。

AlphaChip的问世，不仅预示着AI在芯片设计领域的应用将变得更加广泛，也标志着我们正迈向一个由“芯片设计芯片”的全新时代。

从数月缩短至数小时

通常芯片设计布局或平面图是芯片开发中时间最长、劳动强度最高的阶段。近年来，EDA三巨头之一新思科技（Synopsys）开发了AI辅助芯片设计工具，可以加速开发并优化芯片的布局规划。但是，这些工具非常昂贵。谷歌希望在一定程度上使这种AI辅助芯片设计方法大众化。

如今，如果由人类来为GPU等复杂芯片设计平面图大约需要24个月。不太复杂的芯片的平面规划可能也至少需要几个月的时间，而这意味着数百万美元的成本，因为维持一个设计团队通常需要一大笔费用。

谷歌表示，AlphaChip加快了这一时间表，可以在短短几个小时内创建芯片布局。此外，据说它的设计非常出色，因为它们优化了电源效率和性能。谷歌还展示了一张图表，显示与人类开发人员相比，各种版本的 TPU 和 Trillium 的平均线长（wirelength）都有所减少。

上图展示了AlphaChip在三代Google张量处理单元 (TPU) 中的平均线长（wirelength）减少量，并与TPU物理设计团队生成的位置进行了比较

作为谷歌DeepMind的巅峰之作，AlphaChip正以其在芯片设计领域的革命性进展，捕获全球科技界的瞩目。

芯片设计是一项位于现代科技之巅的领域，其复杂性在于将无数精密元件通过极其细微的导线巧妙连接。作为首批应用于解决现实世界工程问题的强化学习技术之一，AlphaChip能够在短短数小时内完成与人类相媲美甚至更优的芯片布局设计，无需耗费数周或数月的人力劳动。这一划时代的进展，为我们打开了超越传统极限的想象之门。

AlphaChip是如何工作的？

芯片设计难度极大，部分原因在于计算机芯片由许多相互连接的块组成，这些块具有多层电路元件，所有元件都通过极细的导线连接。此外，芯片还有很多复杂且相互交织的设计约束，设计时必须同时满足所有约束。由于这些复杂性，芯片设计师们在 60 多年来一直在努力实现芯片布局规划过程的自动化。

与AlphaGo和AlphaZero类似，谷歌构建AlphaChip时，也将芯片的布局规划视为一种博弈。

AlphaChip的秘诀在于其采用的强化学习原理，将芯片布局设计视为一场游戏。从一个空白的网格出发，AlphaChip一次放置一个电路元件，直至全部就位。随后，根据布局的优劣，系统会给予相应的奖励。

更重要的是，谷歌创新性地提出了一种“基于边”的图神经网络，使得AlphaChip能够学习芯片元件之间的相互关系，并将其应用于整个芯片的设计中，从而在每一次设计中实现自我超越。与AlphaGo类似，AlphaChip可以通过「游戏」学习，掌握设计卓越芯片布局的艺术。

左图：AlphaChip在没有任何经验的情况下放置开源处理器Ariane RISC-V CPU的电路元件；右图：AlphaChip在对20个TPU相关设计进行练习后放置相同的电路元件

在设计TPU布局的具体过程中，AlphaChip首先会在前几代芯片的各类模块上进行预训练，包括芯片上和芯片间的网络模块、内存控制器和数据传输缓冲区等。这一预训练阶段为AlphaChip提供了丰富的经验。随后，谷歌利用AlphaChip为当前TPU模块生成高质量的布局。

与传统方法不同，AlphaChip通过解决更多的芯片布局任务，不断优化自身，如同人类专家不断通过实践提升技能一样。正如DeepMind联合创始人兼CEO Demis Hassabis所言，谷歌已经围绕AlphaChip建立了一个强大的反馈循环：首先，训练先进的芯片设计模型 (AlphaChip）；其次，使用AlphaChip设计更优秀的AI芯片；然后，利用这些AI芯片训练更出色的模型；最后，利用这些模型再去设计更出色的芯片。

如此反复，实现了模型与AI芯片的同步升级，Demis Hassabis表示，“这正是谷歌TPU堆栈表现如此好的部分原因。”

谷歌TPU及联发科均已采用

自2020年以来，AlphaChip一直被用于设计谷歌自己的TPU AI加速器，这些加速器驱动着谷歌的许多大规模AI模型和云服务。这些处理器运行基于Transformer的模型，为谷歌的Gemini和Imagen提供支持。

为了设计TPU布局，AlphaChip首先在前几代的各种芯片块上进行练习，例如片上和芯片间网络块、内存控制器和数据传输缓冲区。这个过程称为预训练。然后谷歌在当前的TPU块上运行AlphaChip以生成高质量的布局。与之前的方法不同，AlphaChip解决了更多芯片布局任务实例，因此变得更好、更快，就像人类专家所做的那样。

到目前为止，AlphaChip已被用于开发各种处理器，包括谷歌的TPU和联发科旗舰级天玑5G SoC芯片，这些处理器广泛用于各种智能手机。此外，还包括谷歌首款基于Arm的通用数据中心CPU Axion。因此，AlphaChip能够在不同类型的处理器中进行泛化。

可以说AlphaChip改进了每一代TPU的设计，包括最新的第6代Trillium芯片，确保了更高的性能和更快的开发。尽管如此，谷歌和联发科目前仍都只是依赖AlphaChip来制作芯片当中有限的一些区块，而人类开发人员仍然承担了大部分的设计工作。不过，随着持续AlphaChip的持续迭代，其所承担的区块也越来越多，已经从TPU v5e的10个区块提升到了Trillium的25个区块。

谷歌最近三代张量处理单元 (TPU)（包括v5e、v5p和Trillium）中AlphaChip设计的芯片块的数量

谷歌表示，AlphaChip已经在各种芯片模块上进行了预训练，这使得AlphaChip能够在实践更多设计时生成越来越高效的设计布局。虽然人类专家可以学习，而且许多人学得很快，但机器的学习速度要高出几个数量级。与人类专家相比，AlphaChip不仅放置的模块数量更多，而且布线长度也大大减少。随着每一代新TPU的推出，AlphaChip设计出了更优秀的芯片布局，提供了更完善的整体平面图，从而缩短了设计周期并提升了芯片性能。

扩展AI在芯片开发中的应用，探索全流程自动化

AI在芯片设计领域的深度介入，引发了一个大胆的设想：我们能否用AI设计一颗完整的芯片？事实上，英伟达已经在这一领域进行了尝试。通过深度强化学习代理设计电路，英伟达的H100中就有近13,000条电路由AI设计。中国科学院计算所也利用AI在5小时内生成了一个名为“启蒙一号”的RISC-V处理器芯片，拥有400万个逻辑门，性能与Intel 80486相当。

谷歌表示，AlphaChip的成功激发了一波新的研究浪潮，将人工智能用于芯片设计的不同阶段。这包括将AI技术扩展到逻辑综合、宏选择和时序优化等领域，Synopsys和Cadence已经提供了这些技术，尽管需要很多钱。据谷歌称，研究人员还在探索如何将AlphaChip的方法应用于芯片开发的更进一步阶段。

“AlphaChip激发了芯片设计强化学习的全新研究路线，跨越了从逻辑综合到布局规划、时序优化等的设计流程，”谷歌的一份声明中写道。

展望未来，谷歌看到了AlphaChip彻底改变整个芯片设计生命周期的潜力：从架构设计到布局再到制造，人工智能驱动的优化可能会带来更快的芯片、更小（即更便宜）和更节能的芯片。虽然目前谷歌的服务器和基于联发科天玑5G的智能手机受益于AlphaChip，但未来应用程序可能会扩展到几乎所有领域。

AlphaChip的未来版本已经在开发中，因此或许未来在AI的驱动下，芯片设计将会变得更加的简单。在不断的研究和迭代中，AlphaChip有望覆盖芯片设计的每一个阶段，从架构设计到制造工艺。这样的技术发展将为行业带来更多机会，同时也为工程师和开发者们提供了全新的工具，使得芯片设计的门槛不断降低，鼓励更多创新的涌现。

当前，AI设计完整芯片的能力依然有限，但这无疑是未来芯片发展的一个重要机遇。随着技术的不断进步，AI在芯片设计领域的潜力必将得到进一步挖掘和利用，并最终改变整个芯片的设计过程。

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