近日，中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所處理器芯片全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合軟件研究所，推出全球首個(gè)基于人工智能技術(shù)的處理器芯片軟硬件全自動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)——“啟蒙”。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)從芯片硬件到基礎(chǔ)軟件的全流程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，在多項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)上達(dá)到人類專家手工設(shè)計(jì)水平，標(biāo)志著我國(guó)在人工智能自動(dòng)設(shè)計(jì)芯片方面邁出堅(jiān)實(shí)一步。

處理器芯片被譽(yù)為現(xiàn)代科技的“皇冠明珠”，其設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜精密、專業(yè)門檻極高。芯片設(shè)計(jì)包含多個(gè)關(guān)鍵步驟，硬件設(shè)計(jì)方面包括邏輯設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、物理設(shè)計(jì)等，基礎(chǔ)軟件方面包括操作系統(tǒng)內(nèi)核設(shè)計(jì)、編譯工具鏈設(shè)計(jì)、高性能庫(kù)設(shè)計(jì)等。

傳統(tǒng)處理器芯片設(shè)計(jì)高度依賴經(jīng)驗(yàn)豐富的專家團(tuán)隊(duì)，往往需要數(shù)百人參與、耗時(shí)數(shù)月甚至數(shù)年，成本高昂、周期漫長(zhǎng)。隨著人工智能、云計(jì)算和邊緣計(jì)算等新興技術(shù)的發(fā)展，專用處理器芯片設(shè)計(jì)和相關(guān)基礎(chǔ)軟件適配優(yōu)化需求日益增長(zhǎng)。而我國(guó)處理器芯片從業(yè)人員數(shù)量嚴(yán)重不足，難以滿足日益增長(zhǎng)的芯片設(shè)計(jì)需求。

面對(duì)這一挑戰(zhàn)，“啟蒙”系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。該系統(tǒng)依托大模型等先進(jìn)人工智能技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)設(shè)計(jì)CPU，并能為芯片自動(dòng)配置相應(yīng)的操作系統(tǒng)、轉(zhuǎn)譯程序、高性能算子庫(kù)等基礎(chǔ)軟件，性能可比肩人類專家手工設(shè)計(jì)水平。

具體而言，在CPU自動(dòng)設(shè)計(jì)方面，實(shí)現(xiàn)國(guó)際首個(gè)全自動(dòng)化設(shè)計(jì)的CPU芯片“啟蒙1號(hào)”，5小時(shí)內(nèi)完成32位RISC-V CPU的全部前端設(shè)計(jì)，達(dá)到Intel 486性能，規(guī)模超過(guò)400萬(wàn)個(gè)邏輯門，已完成流片。其升級(jí)版“啟蒙2號(hào)”為國(guó)際首個(gè)全自動(dòng)設(shè)計(jì)的超標(biāo)量處理器核，達(dá)到ARM Cortex A53性能，規(guī)模擴(kuò)大至1700萬(wàn)個(gè)邏輯門。在基礎(chǔ)軟件方面，“啟蒙”系統(tǒng)同樣取得顯著成果，可自動(dòng)生成定制優(yōu)化后的操作系統(tǒng)內(nèi)核配置，性能相比專家手工優(yōu)化提升25.6%；可實(shí)現(xiàn)不同芯片和不同編程模型之間的自動(dòng)程序轉(zhuǎn)譯，性能最高達(dá)到廠商手工優(yōu)化算子庫(kù)的2倍；可自動(dòng)生成矩陣乘等高性能算子，在RISC-V CPU和NVIDIA GPU上的性能分別提高110%和15%以上。

這項(xiàng)研究有望改變處理器芯片軟硬件的設(shè)計(jì)范式，不僅有望減少芯片設(shè)計(jì)過(guò)程的人工參與、提升設(shè)計(jì)效率、縮短設(shè)計(jì)周期，同時(shí)有望針對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)景需求實(shí)現(xiàn)快速定制化設(shè)計(jì)，靈活滿足芯片設(shè)計(jì)日益多樣化的需求。

審核編輯 黃宇