最近，來自清華大學(xué)等單位的研究團隊發(fā)表了使用基于強化學(xué)習(xí)人工智能做自動化毫米波電路（論文中的例子是濾波器）的設(shè)計。根據(jù)論文結(jié)果，使用人工智能算法實現(xiàn)的濾波器設(shè)計能達到和真人工程師相近的指標(biāo)，而有趣的是人工智能算法得到的濾波器的形狀則較為不規(guī)則（下圖中的a和d是真人工程師的設(shè)計，b和e是人工智能算法的設(shè)計）。

相關(guān)報道得到了電路設(shè)計領(lǐng)域的關(guān)注，不少朋友對于算法能自動設(shè)計出指標(biāo)和真人設(shè)計接近的濾波器表示驚訝，并希望未來能有更多這樣基于人工智能的自動化算法來加速電路設(shè)計。

在筆者看來，這樣的強化學(xué)習(xí)人工智能算法用于濾波器設(shè)計確實是一種學(xué)術(shù)上的突破，而在未來我們可望看到更多這樣的突破。另一方面，事實上人工智能已經(jīng)在EDA領(lǐng)域得到了高度重視，甚至我們目前已經(jīng)在用的一些工具中已經(jīng)在算法上加入了人工智能的成分。但是，我們同時也認(rèn)為，人工智能離真正自動設(shè)計中等規(guī)模以上的復(fù)雜電路還有很長的路要走，未來人工智能在EDA領(lǐng)域主要還是以輔助工程師設(shè)計，簡化流程以及提高設(shè)計質(zhì)量為主。

人工智能的本質(zhì)

要理解人工智能對于EDA的影響，我們首先要理解這一波人工智能算法的本質(zhì)。這一波人工智能算法歸根到底是基于大數(shù)據(jù)挖掘的機器學(xué)習(xí)算法，能夠從海量數(shù)據(jù)中把握高維數(shù)據(jù)之間的統(tǒng)計規(guī)律，并根據(jù)該統(tǒng)計規(guī)律來實現(xiàn)更多的應(yīng)用。

實際上，人工智能最擅長的其實是和高維數(shù)據(jù)相關(guān)的分析和優(yōu)化的任務(wù)。什么是“高維數(shù)據(jù)”？用簡單一點的方式來解釋，可以大致理解為“受很多種因素影響的變量”。

舉例來說，如果我們把“用戶購買某款網(wǎng)紅口紅的概率”作為一個變量，那么我們會發(fā)現(xiàn)該變量會與用戶的性別、年齡、學(xué)歷、收入、居住地、是否喜歡網(wǎng)購等大量因素有關(guān)，把所有這些相關(guān)因素組成一個向量，就是一個高維數(shù)據(jù)。人類天生很難定量處理這種高維數(shù)據(jù)，所以往往要降維處理，例如根據(jù)數(shù)據(jù)總結(jié)出“滿足女性，年齡20-25，大學(xué)以上學(xué)歷，月收入5000以上，居住在二線以上城市，喜歡網(wǎng)購這些條件的人最可能買這款網(wǎng)紅口紅”，但這遠遠做不到定量，因為變量和影響因素之間的關(guān)系人類難以找到一個擬合的數(shù)量關(guān)系。

例如用戶A年齡為26（超出前述20-25范圍），但是對網(wǎng)購有遠超常人熱情的女性，雖然沒有落在前述規(guī)律的范圍里，但是甚至?xí)嚷湓谇笆鲆?guī)律范圍里的人有更大的可能去買該款口紅。但是如果用機器學(xué)習(xí)就能找出變量與各個影響因素之間的擬合數(shù)量關(guān)系，這樣對于用戶A的例子，雖然其年齡項的得分略低，但是其網(wǎng)購熱情得分極高，因此其購買口紅傾向的總分也會較高，系統(tǒng)就可以順利將其歸納為該口紅的潛在消費者。

如果我們看前面人工智能設(shè)計濾波器的例子，也能看到類似的情況。濾波器的走線事實上是一個高維數(shù)據(jù)，因為每一個像素點都存在自由度讓工程師去決定走線要不要覆蓋到這里。對于人類工程師來說，由于難以處理這么高的數(shù)據(jù)維度，所以設(shè)計的時候會采取降維的方法，即以畫直線為主，可調(diào)整的變量簡化到了直線的粗細(xì)、直線之間的間距以及直線的數(shù)量等等。而人工智能則不受數(shù)據(jù)維度的限制，因此會探索出更自由的設(shè)計模式，相應(yīng)地其設(shè)計結(jié)果在人類看起來也會顯得更不規(guī)則——因為一旦按照規(guī)則，就意味著數(shù)據(jù)維度的降低。

當(dāng)然，這一代的人工智能雖然具有處理高維數(shù)據(jù)的強大能力，與此同時也有很強的局限性，即缺乏抽象推理、因果歸因和歸納的能力，同時其生成的能力也偏弱。另外，由于人工智能是基于大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)挖掘，因此在數(shù)據(jù)量不夠大的時候，就難以工作。因此，人工智能目前還沒發(fā)學(xué)習(xí)到一套抽象的、普適性較強的設(shè)計方法，也就限制了其自動完成復(fù)雜設(shè)計的能力。

人工智能在電路設(shè)計中的應(yīng)用

根據(jù)之前的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)人工智能對于電路設(shè)計最適合的應(yīng)用是對于高維數(shù)據(jù)空間的探索，包括擁有海量影響因素導(dǎo)致人類設(shè)計師難以把握的問題，以及啟發(fā)式的優(yōu)化問題。

機器學(xué)習(xí)和人工智能在EDA領(lǐng)域最普遍的應(yīng)用例子就是數(shù)字電路后端的布局布線。數(shù)字電路的布局布線屬于典型的啟發(fā)式（heuristic）探索問題，即由于變量空間過大，難以找到全局最優(yōu)解，因此實際的方法都是從一個試探型的初始解開始，慢慢探索嘗試，最終收斂到一個較好的解上面。對于數(shù)字后端布局布線流程比較熟悉的朋友們一定會知道通常布線流程會包括trial route、global route、detailed route以及反復(fù)的incremental optimization，這也就是一個典型的通過啟發(fā)式算法找到較優(yōu)解的流程。

對于較大的設(shè)計，布線算法的每一步都要跑非常久（數(shù)小時到數(shù)天），但是最后又不一定會真正收斂到較好的解，有時候甚至?xí)霈F(xiàn)跑optimization結(jié)果反而變差的現(xiàn)象，這其實也是傳統(tǒng)的啟發(fā)式算法的典型現(xiàn)象，因為啟發(fā)式算法的探索只是大概率會得到更好的解，但是不能保證每次探索都能找到更好的解。

那么機器學(xué)習(xí)和人工智能如何幫助布局布線呢？

事實上，這里的機器學(xué)習(xí)的幫助主要來自于從大數(shù)據(jù)中的學(xué)習(xí)能力。傳統(tǒng)的啟發(fā)式算法本質(zhì)上并未考慮算法應(yīng)用的具體語境，每次在探索的過程中理論上會以等概率去探索各種方向。雖然在長達數(shù)十年的工程實踐中，人們會在布線的啟發(fā)式算法中加入各種優(yōu)化，但是人類工程師對于布線這個高維度的復(fù)雜問題的把握程度畢竟有限。舉例來說，當(dāng)運行布線的時候發(fā)現(xiàn)本地布線非常擁擠，而右邊若干距離的地方布線較為寬松，那么應(yīng)該把多少本地走線移動到右邊？

如果移動過少難以完全緩解布線擁擠問題，而移動過多無非就是把本地的擁擠移動到了右邊，也并非最優(yōu)。這種變量維度過高的問題對于人類是很難把握的，而機器學(xué)習(xí)則可以從大量布局布線的實際案例中去學(xué)習(xí)如何最優(yōu)化啟發(fā)式算法的探索過程，從而使布線過程優(yōu)化結(jié)果更好，同時也能減少探索次數(shù)，也就是減低了算法運行時間。Cadence在去年宣布已經(jīng)在布局布線引擎中加入了機器學(xué)習(xí)的元素，其結(jié)果是能夠?qū)⑦\行結(jié)果的total negative slack改善15%，這可以說是一個很不錯的起步。

在布局布線領(lǐng)域，人工智能的另一個重要應(yīng)用就是能為流程加入預(yù)測能力，從而減少迭代次數(shù)。眾所周知，數(shù)字電路布局布線是一個反復(fù)迭代的過程，流程前后的環(huán)節(jié)會互相影響。布局的過程會影響布線的結(jié)果，而如果布線的結(jié)果太差又會導(dǎo)致工程師去再次優(yōu)化布局以獲得改善。這樣的反復(fù)迭代流程顯然會對設(shè)計時間帶來影響，那么能否在布局的時候就去預(yù)測其對于布線的影響，從而不要等到真的布線結(jié)果出來之后再去優(yōu)化布局呢？

之前也有不少嘗試，而使用機器學(xué)習(xí)通過學(xué)習(xí)大量的布局和布線擁擠程度之間的關(guān)系去做預(yù)測可以大大提升預(yù)測的精準(zhǔn)度，從而減少迭代次數(shù)。在ISSCC 2017，臺積電的研發(fā)副總裁Cliff Hou就在其演講中重點介紹了這種基于機器學(xué)習(xí)的后端設(shè)計方法，并認(rèn)為它將會為未來的集成電路研發(fā)帶來更多效率提升。

人工智能與電路設(shè)計師

在之前的分析中，我們可以看到目前人工智能的主要優(yōu)勢還是在于高維數(shù)據(jù)的處理和定量統(tǒng)計分析能力。這一波的人工智能在抽象推理方面仍然較弱，因此難以全面勝任復(fù)雜的設(shè)計任務(wù)。我們?nèi)祟愒谔幚韽?fù)雜設(shè)計的任務(wù)時，普遍的方法是將其降維處理，分解成多個較簡單的子任務(wù)并分而治之，當(dāng)子任務(wù)全部都完成時復(fù)雜的設(shè)計任務(wù)自然就完成了。而人工智能目前尚缺乏這種自適應(yīng)將復(fù)雜任務(wù)分而治之的分解能力。

如果說這種從復(fù)雜的客觀中抽象出簡單的規(guī)律的能力稱之為“降維”，而從復(fù)雜世界中把握高維數(shù)據(jù)之間的復(fù)雜關(guān)系的能力就可以說是“升維”了。人類的降維能力較強，而人工智能的升維能力較強，因此人類與人工智能最好的合作方法就是人類負(fù)責(zé)降維，抽象出設(shè)計框架，并將復(fù)雜的設(shè)計分解成較簡單的子任務(wù)，而人工智能則在每個子任務(wù)中充分探索高維設(shè)計空間，幫助完成最優(yōu)化設(shè)計。

從這種意義上來說，人工智能在短期內(nèi)并不會替代真人工程師，而是會在設(shè)計流程中幫助提升效率，減少算法和設(shè)計流程層面上不必要的迭代，而這一切對于真人設(shè)計師來說都是好事。因此，我們認(rèn)為，人工智能將會是電路工程師的好朋友。

2019-01-29  來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察

文章關(guān)鍵詞： 韋爾半導(dǎo)體股份  香港華清電子(集團)有限公司  人工智能  

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