整理| 鄭麗媛
出品| CSDN（ID：CSDNnews）
圖片來源：由無界AI生成
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 預測完整人類蛋白質組結構、AI 發現速度提升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計工作嗎？”在預測蛋白質結構和生成編碼等方面，AI 確實表現卓越，但在設計這些物體時，總體而言AI 的搜索空間還相對較小。
為了探尋AI 設計能力的極限，近日中國中科院計算所等機構將目標放在了芯片設計上，因為“它是計算機的大腦，也是目前人類所設計的世界上最複雜的設備之一。”
結果，最終數據出人意料：中國中科院計算所等機構利用AI 技術，設計出了全球首個無人工干預、全自動生成的CPU 晶片“啟蒙1 號”——整個訓練過程不到5 小時，驗證測試準確性卻能達到>99.999999999%
在無人干預的情況下，讓AI 設計出工業級CPU
根據相關論文《突破機器設計的極限：利用AI 進行自動化CPU 設計（Pushing the Limits of Machine Design: Automated CPU Design with AI）》介紹，這場研究的目的是：賦予機器自主設計CPU 的能力，以此探索機器設計的邊界。
“如果機器能夠在無人干預的情況下設計出工業級CPU，不僅可以顯著提高設計效率，還能將機器設計的極限推向接近人類性能的水平，從而推動半導體產業的革命。”論文中還補充道：“自行設計機器的能力，即自我設計，可以作為建立自我進化機器的基礎步驟。”
有了基本方向後，即要在沒有人工編程的情況下自動化CPU 設計，團隊研究人員決定通過AI 技術，直接從“輸入-輸出（IO）”自動生成CPU 設計，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CPU 設計需要投入大量人力，包括編寫代碼、設計電路邏輯、功能驗證和優化工作等等。但通過將CPU 自動設計問題轉化為“滿足輸入-輸出規範的電路邏輯生成問題”後，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CPU 設計流程中極其耗時的“邏輯設計”和“驗證環節”，都被省去了。
CPU 的學習流程，電路邏輯表示以及詳細的學習過程
想順利開啟這樣的自動化CPU 設計流程，需要提前對AI 進行訓練，包括觀察一系列CPU 輸入和輸出，因此論文中才強調該CPU 的設計是“僅從外部輸入-輸出觀察中形成的，並非正式的程序代碼”。
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，並利用基於蒙特卡羅的擴展和布爾函數的原理，大幅提高了基於AI 進行CPU 設計的準確性和效率。
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、全自動生成的CPU 芯片也就此誕生——啟蒙1 號。
啟蒙1 號的芯片佈局
據論文介紹，啟蒙1 號基於RISC-V的32 位架構，採用65nm 工藝，頻率可達300MHz，且可運行Linux 操作系統。另據媒體報導，相較於現階段GPT-4 能設計的電路規模，啟蒙1 號要大4000 倍。
包含啟蒙1 號芯片的印刷電路板，用於功能和性能評估
此外在Drystone 基準測試中，啟蒙1 號的性能不僅可比肩由人類設計的Intel 486 系列CPU，還比Acorn Archimedes A3010 更快一些。
更值得一提的是，這顆完全由AI 設計的32 位RISC-V CPU，其設計週期比人類團隊完成類似CPU 設計的速度，快了近1000 倍，驗證測試準確性也能達到>99.999999999%。
不過，有些人可能對於這款由AI 設計的啟蒙1 號並不在意，畢竟與它性能相近的Intel 486 系列CPU（Intel 80486SX），早已是誕生於上世紀1991 年的“老芯片”了。但研究人員對於啟蒙1 號的開發依舊很自豪：在整個AI 自動化設計過程中，他們生成的BSD 算法，甚至還自主發現了馮·諾伊曼架構（一種將程序指令存儲器和數據存儲器合併在一起的電腦設計概念結構）。
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 號的性能和規模根本無法與當前頂級的主流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高性能芯片，而是“探索機器設計的邊界”。
讓AI 從頭開始構建一個新RISC-V CPU，其背後的真實意義在於：研究AI 未來能否用於減少現有半導體行業的設計和優化週期。
如果從這個角度來看，此次中國中科院計算所等機構進行的這項實驗，就有了初步的結論：與傳統人類設計的CPU 相比，啟蒙1 號的研發週期縮短了近 1000 倍，因為傳統CPU 設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的 CPU 設計流程，並有可能改革半導體行業。”在論文的最後，研究人員對於由AI 完全設計芯片的未來做出展望：“除了提供人性化的設計能力，這種方法還發現了人類知識的馮·諾伊曼架構，未來更有可能產生積極的（甚至未知的）架構優化，這為建立一個自我進化的機器、並最終擊敗人類設計的最新CPU 提供了一些啟示。”
即研究人員認為，未來通過不斷迭代 AI 的芯片設計方式，完全由AI 生成的CPU，或許有望達到甚至超越由人類設計的CPU。那麼對於這個說法，你又是否有什麼看法嗎？
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
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