整理 | 鄭麗媛
出品 | CSDN（ID：CSDNnews）
在這場由 ChatGPT 掀起的 AI 熱潮下，越來越多人開始看到如今 AI 的強悍：AI 作圖、AI 寫論文、AI 編代碼、AI 預(yù)測完整人類蛋白質(zhì)組結(jié)構(gòu)、AI 發(fā)現(xiàn)速度提升 70% 的新排序算法……
既然 AI 看似“無所不能”，許多人便提出了疑問：“那 AI 真的能像人類一樣進行設(shè)計工作嗎？”在預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和生成編碼等方面，AI 確實表現(xiàn)卓越，但在設(shè)計這些物體時，總體而言 AI 的搜索空間還相對較校
為了探尋 AI 設(shè)計能力的極限，近日中國中科院計算所等機構(gòu)將目標(biāo)放在了芯片設(shè)計上，因為“它是計算機的大腦，也是目前人類所設(shè)計的世界上最復(fù)雜的設(shè)備之一。”
結(jié)果，最終數(shù)據(jù)出人意料：中國中科院計算所等機構(gòu)利用 AI 技術(shù)，設(shè)計出了全球首個無人工干預(yù)、全自動生成的 CPU 晶片“啟蒙 1 號”整個訓(xùn)練過程不到 5 小時，驗證測試準(zhǔn)確性卻能達到 >99.999999999%！
在無人干預(yù)的情況下，讓 AI設(shè)計出工業(yè)級 CPU
根據(jù)相關(guān)論文《突破機器設(shè)計的極限：利用 AI 進行自動化 CPU 設(shè)計（Pushing the Limits of Machine Design: Automated CPU Design with AI）》介紹，這場研究的目的是：賦予機器自主設(shè)計 CPU 的能力，以此探索機器設(shè)計的邊界。
“如果機器能夠在無人干預(yù)的情況下設(shè)計出工業(yè)級 CPU，不僅可以顯著提高設(shè)計效率，還能將機器設(shè)計的極限推向接近人類性能的水平，從而推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的革命。”論文中還補充道：“自行設(shè)計機器的能力，即自我設(shè)計，可以作為建立自我進化機器的基礎(chǔ)步驟。”
有了基本方向后，即要在沒有人工編程的情況下自動化 CPU 設(shè)計，團隊研究人員決定通過 AI 技術(shù)，直接從“輸入-輸出（IO）”自動生成 CPU 設(shè)計，無需人類工程師手動提供任何代碼或自然語言描述。
簡單來說，傳統(tǒng) CPU 設(shè)計需要投入大量人力，包括編寫代碼、設(shè)計電路邏輯、功能驗證和優(yōu)化工作等等。但通過將 CPU 自動設(shè)計問題轉(zhuǎn)化為“滿足輸入-輸出規(guī)范的電路邏輯生成問題”后，只需要測試用例，便可以直接生成滿足需求的電路邏輯這使得傳統(tǒng) CPU 設(shè)計流程中極其耗時的“邏輯設(shè)計”和“驗證環(huán)節(jié)”，都被省去了。
CPU 的學(xué)習(xí)流程，電路邏輯表示以及詳細的學(xué)習(xí)過程
想順利開啟這樣的自動化 CPU 設(shè)計流程，需要提前對 AI 進行訓(xùn)練，包括觀察一系列 CPU 輸入和輸出，因此論文中才強調(diào)該 CPU 的設(shè)計是“僅從外部輸入-輸出觀察中形成的，并非正式的程序代碼”。
從這些輸入和輸出中，研究人員生成了一個 BSD 二元猜測圖（Binary Speculation Diagram，簡稱 BSD）算法，并利用基于蒙特卡羅的擴展和布爾函數(shù)的原理，大幅提高了基于 AI 進行 CPU 設(shè)計的準(zhǔn)確性和效率。
可與Intel 486 系列媲美
通過以上逐步地推敲，一個 CPU 的自動化 AI 設(shè)計流程就成型了：僅用 5 小時就生成 400 萬邏輯門，全球首款無需人工干預(yù)、全自動生成的 CPU 芯片也就此誕生啟蒙 1 號。
啟蒙 1 號的芯片布局
據(jù)論文介紹，啟蒙 1 號基于 RISC-V的 32 位架構(gòu)，采用 65nm 工藝，頻率可達 300MHz，且可運行 Linux 操作系統(tǒng)。另據(jù)媒體報道，相較于現(xiàn)階段 GPT-4能設(shè)計的電路規(guī)模，啟蒙 1號要大 4000 倍。
包含啟蒙 1號芯片的印刷電路板，用于功能和性能評估
此外在 Drystone 基準(zhǔn)測試中，啟蒙 1 號的性能不僅可比肩由人類設(shè)計的 Intel 486 系列 CPU，還比 Acorn Archimedes A3010 更快一些。
不過，有些人可能對于這款由 AI 設(shè)計的啟蒙 1 號并不在意，畢竟與它性能相近的 Intel 486 系列 CPU（Intel 80486SX），早已是誕生于上世紀(jì) 1991 年的“老芯片”了。但研究人員對于啟蒙 1 號的開發(fā)依舊很自豪：在整個 AI 自動化設(shè)計過程中，他們生成的 BSD 算法，甚至還自主發(fā)現(xiàn)了馮諾伊曼架構(gòu)（一種將程序指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合并在一起的電腦設(shè)計概念結(jié)構(gòu)）。
完全由 AI 生成的 CPU 有望超過人類？
平心而論，作為全球首款 AI 自動生成的芯片，啟蒙 1 號的性能和規(guī)模根本無法與當(dāng)前頂級的主流 CPU 相比，但正如論文開篇所說，這場實驗本身就不是為了開發(fā)高性能芯片，而是“探索機器設(shè)計的邊界”。
讓 AI 從頭開始構(gòu)建一個新 RISC-V CPU，其背后的真實意義在于：研究 AI 未來能否用于減少現(xiàn)有半導(dǎo)體行業(yè)的設(shè)計和優(yōu)化周期。
如果從這個角度來看，此次中國中科院計算所等機構(gòu)進行的這項實驗，就有了初步的結(jié)論：與傳統(tǒng)人類設(shè)計的 CPU 相比，啟蒙 1 號的研發(fā)周期縮短了近1000 倍，因為傳統(tǒng) CPU 設(shè)計流程中耗時極長的手動編程和驗證過程完全被省略了。
“我們的方法改變了傳統(tǒng)的CPU 設(shè)計流程，并有可能改革半導(dǎo)體行業(yè)。”在論文的最后，研究人員對于由 AI 完全設(shè)計芯片的未來做出展望：“除了提供人性化的設(shè)計能力，這種方法還發(fā)現(xiàn)了人類知識的馮諾伊曼架構(gòu)，未來更有可能產(chǎn)生積極的（甚至未知的）架構(gòu)優(yōu)化，這為建立一個自我進化的機器、并最終擊敗人類設(shè)計的最新 CPU 提供了一些啟示。”
即研究人員認(rèn)為，未來通過不斷迭代AI 的芯片設(shè)計方式，完全由 AI生成的 CPU，或許有望達到甚至超越由人類設(shè)計的 CPU。那么對于這個說法，你又是否有什么看法嗎？
參考鏈接：
https://www.tomshardware.com/news/chinese-researchers-usedai-to-design-industrial-scale-risc-v-cpu-in-under-5-hours
https://arxiv.org/pdf/2306.12456.pdf
