谷歌6小时光速设计芯片？别被标题党骗了

芯片设计流程

了解谷歌的工作我们首先要知道芯片的设计过程

首先要确定项目需求，这个阶段主要工作室规划芯片的功能以及各项指标，接着进行系统级别的设计，对芯片的各个子模块进行建模，然后进入具体的设计流程，分为前端和后端，前端主要包括RTL设计与验证，硬件仿真验证，DFT还有电路综合，后端流程中主要包括版图设计、物理验证、版图后仿真等等，直到最后的GDS

下面是从网上找的一张流程图

那么谷歌的论文是做的哪部分呢？答案是后端中的版图任务，具体来说是布局规划任务。

谷歌工作介绍

标题

Superhuman floorplans for microchips/在芯片布局任务中超越人类

标题部分其实谷歌就已经告诉大家了，我们的研究集中在芯片布局这个任务

摘要

❝❝ A machine-learning system has been trained to place memory blocks in microchip designs. The system beats human experts at the task, and offers the promise of better, more-rapidly produced chip designs than are currently possible ❞ ❞

❝❝ 我们训练了一个机器学习系统用于在芯片布局中放置存储块。系统在这项任务中击败了人类专家，未来能够实现更快更好的芯片设计 ❞ ❞

芯片的布局任务究竟在做什么？

经过前端的RTL设计，再使用综合工具，将RTL代码转换为门级网表。最后在布局任务中，将门级网表作为输入，划分成不同的模块，对模块进行布局，布局的意义在于，通过合理的拓扑优化，减少信号的延迟，提高时钟的质量，保证芯片的工作频率。一颗高端芯片的晶体管数量可以达到上百亿，这么多晶体管分布在大大小小很多模块中，所以这部分工作，原本就是由EDA工具通过算法实现的，传统的布局布线算法采用模拟退火算法。

论文将布局规划问题总结为

❝❝ 芯片布局规划涉及将网表放置在芯片画布（二维网格）上，以便优化性能指标（例如，功耗、时序、面积和线长），同时遵守对密度的严格限制和路由拥塞。❞ ❞

这个问题的实现，完全不涉及芯片本身的功能设计，更加不涉及芯片的架构设计，是一个单纯的算法问题，抽象起来就是给很多方块，摆放在指定区域内，对他们的密度、走线、时序具有要求，这是一个搜索空间很大的图论问题。所以传统的EDA中才会使用模拟退火等算法去实现它。

谷歌做了什么

简要的概括就是在芯片设计的后端流程--布局规划中，提出使用强化学习的模型去取待传统的人工配合算法的方法，与媒体所宣称的AI自举完全对不上。

媒体的标题是

❝❝ 人类需要几个月才能设计出的芯片，谷歌的人工智能在不到六个小时的时间内设计出来。❞ ❞

可实际上是

❝❝ 在后端的布局布线任务中，谷歌的人工智能能够在不到六个小时的时间内完成，传统的版图工程师需要几个月时间 ❞ ❞

而整个芯片设计周期占据主导地位的架构规划、RTL实现、RTL验证等任务，谷歌并没有涉足，这些步骤的时间比后端所需要的时间可能会更加长，从半年到两三年不等。

系统具体如何工作

芯片布局规划类似于具有不同部分（例如，网表拓扑、宏计数、宏尺寸和纵横比）、棋盘（不同的画布尺寸和纵横比）和获胜条件（不同评估的相对重要性）的游戏指标或不同的密度和路由拥塞约束）

上面这张图是强化学习的一个简要表示，其实简单理解就是一个反复迭代系统，从当前的布局中根据密度、线长、延时等等计算出加权奖励，同时使用神经网络从布局中进行特征提取，最后智能体通过强化学习决策，得到调整布局的动作，然后去调整布局。反复的重复这个过程，就能不断地优化布局。

强化学习系统需要精心设计的奖励，谷歌的·布局规划系统的奖励设计为“线长、拥塞和密度的加权总和”。

值得注意的是，系统中使用的深度神经网络是使用监督学习开发的。监督机器学习需要标记数据在训练期间调整模型的参数。谷歌的科学家创建了“一个包含 10,000 个芯片placements的数据集，其中输入是与给定布局相关的状态，标签是该布局的奖励。”

总结

未来的EDA工具中，AI算法的介入肯定会越来越多，例如在综合阶段，利用AI实现更好的电路综合方案，在验证阶段，利用AI去搜索验证空间中更加可能出现bug的用例，时钟树综合的时候，也可能使用AI算法去优化时钟树，未来可期。

但是，媒体现在宣传的神经网络几个小时就能实现芯片设计，就是标题党，外行的总结，希望各位不要被这种观点迷惑了。

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