AI 破局！中科院团队自研大模型，设计超强芯片

在全球芯片产业竞争日益白热化的当下，芯片设计技术的创新成为决定各国在这一领域地位的关键因素。近日，中国科学院计算技术研究所处理器芯片全国重点实验室联合软件研究所，带来了一项震撼性的突破 —— 推出全球首个基于人工智能技术的处理器芯片软硬件全自动设计系统 ——“启蒙”。这一系统的问世，标志着我国在芯片设计领域借助人工智能实现了重大跨越，开启了芯片设计的全新范式。

处理器芯片，作为现代科技当之无愧的 “皇冠明珠”，其设计流程堪称复杂精密的典范。传统的芯片设计模式，高度依赖经验丰富的专家团队。从最初的架构构思，到电路逻辑的细致规划，再到物理层面的布局布线，每个环节都需专业人员精心雕琢。通常，这样的设计过程需要数百名专业人士参与，耗费数月甚至数年的时间，投入的成本更是动辄数亿美元，设计周期漫长且成本高昂。而随着人工智能、云计算、边缘计算等新兴技术如雨后春笋般蓬勃发展，市场对芯片的需求呈现出爆发式增长，并且需求愈发多样化和定制化。不同的应用场景，如智能安防、自动驾驶、工业互联网等，对芯片的性能、功耗、面积等指标有着独特要求，这使得传统芯片设计模式难以满足快速变化的市场需求。与此同时，我国在处理器芯片设计领域面临着人才短缺的严峻挑战，专业从业人员数量远远无法匹配行业的增长速度。在这样的背景下，“启蒙” 系统的诞生犹如一场及时雨，为解决芯片设计难题提供了创新性的解决方案。

“启蒙” 系统的核心竞争力在于其深度融合了大模型等前沿人工智能技术，实现了从芯片硬件到基础软件的全流程自动化设计，真正做到了让 AI 自己设计芯片。在硬件设计方面，“启蒙” 系统展现出了令人惊叹的实力。利用该系统设计的 CPU 芯片 “启蒙 1 号”，成为全球首款由 AI 全自动生成的 32 位 RISC-V CPU。它仅用 5 小时就完成了全部前端设计，这一速度相较于传统设计流程，提升了数倍甚至数十倍。“启蒙 1 号” 集成了超 400 万逻辑门，性能达到了 Intel 486 的水平，并且已经成功完成流片，这意味着它已经具备了进入实际生产环节的条件。其升级版 “启蒙 2 号” 更是将设计能力提升到了新的高度，实现了 1700 万逻辑门超标量处理器的自动设计，性能对标主流智能手机处理器 ARM Cortex A53，能够很好地满足高性能边缘计算场景对芯片的严苛需求。

在基础软件适配方面，“启蒙” 系统同样表现卓越。在操作系统内核设计上，系统能够自动生成定制优化后的内核配置，经测试，其性能相比行业专家手工优化最高可提升 25.6%。在编译工具链设计领域，“启蒙” 系统推出了国际首个自动跨平台张量程序转译工具 QiMeng-Xpiler，它能够在不同的处理器芯片，如英伟达 GPU、寒武纪 MLU、AMD MI 加速器、Intel DL Boost，以及不同编程模型，如 SIMT、SIMD 之间自动进行程序转译，生成的代码性能最高达到厂商手工优化算子库的 2 倍，极大地提高了程序在不同芯片平台上的运行效率。在高性能库设计方面，系统提出了国际首个基于大模型的高性能矩阵乘代码自动生成框架 QiMeng-GEMM 和高性能张量算子指令级自动生成框架 QiMeng-TensorOp，在 RISC-V CPU 上，其最高性能分别达到 OpenBLAS 的 211% 和 251%，在 NVIDIA GPU 上，最高性能分别达到 cuBLAS 的 115% 和 124%，显著提升了芯片在复杂计算任务中的处理能力。

从技术架构来看，“启蒙” 系统构建了一套独特且高效的体系。其底层是深入融合处理器芯片领域特点的大模型，该模型通过大量学习处理器芯片设计的专业知识，具备了扎实的软硬件设计基础能力。基于此，系统利用大模型构建了反馈式推理流程，包括正确性反馈和性能反馈。在设计过程中，通过自动功能验证，一旦发现生成结果存在问题，系统能够基于功能正确性反馈迅速进行自动修复，确保设计结果的准确性。同时，系统会自动进行性能评估，并依据性能反馈在庞大的解空间中进行高效搜索，对解空间进行有效裁剪，从而快速找到高性能的设计结果。在处理器芯片大模型的基础之上，“启蒙” 系统分别构建了芯片生成智能体和基础软件智能体。芯片生成智能体能够结合反馈式推理能力，自动完成从功能需求到逻辑电路的设计过程；基础软件智能体则可以自主完成给定基础软件对目标芯片的自动功能适配和性能优化。针对多样化的实际应用场景，基于芯片生成智能体和基础软件智能体，“启蒙” 系统能够在最上层全自动完成处理器芯片软硬件设计的各个步骤。

“启蒙” 系统的出现，对我国乃至全球芯片产业都具有深远的影响和重要意义。对于我国芯片产业而言，它有望极大缓解目前面临的芯片设计人才短缺问题。以往需要大量专业人才耗费数年时间完成的设计工作，现在借助 “启蒙” 系统，少数人员便能在短时间内高效完成，将宝贵的人力资源从繁琐的基础设计工作中解放出来，投入到更具创造性和挑战性的工作中，如芯片架构创新、新型应用场景探索等。同时，该系统将芯片设计周期从以往的数月甚至数年，大幅压缩至数小时，显著降低了研发成本，提高了企业的市场响应速度，有助于我国芯片企业在全球市场竞争中占据更有利的地位。从全球芯片产业的角度来看，“启蒙” 系统的成功研发，为芯片设计提供了全新的思路和方法，推动了芯片设计范式从传统的高度依赖人工经验向 AI 驱动的自动化设计转变，引领了全球芯片设计技术的发展潮流。

当然，“启蒙” 系统目前也面临一些挑战和需要进一步完善的地方。例如，虽然在 CPU 和基础软件设计方面取得了巨大成功，但对于更为复杂的 GPU、AI 加速器等芯片的设计，还需要进一步探索和优化。此外，如何将 “启蒙” 系统与现有的庞大芯片设计生态，如 EDA 工具链、IP 库等进行无缝融合，也是需要解决的关键问题。在大规模工程化落地和商业化推广方面，还需要进一步验证系统在不同应用场景下的稳定性和可靠性，与更多的企业开展合作，共同推动技术的应用和发展。

中科院团队研发的 “启蒙” 系统，在芯片设计领域实现了重大技术突破，为我国芯片产业的发展注入了强大动力。尽管面临一些挑战，但随着技术的不断完善和优化，相信 “启蒙” 系统将在未来的芯片设计中发挥越来越重要的作用，助力我国芯片产业在全球竞争中实现弯道超车，推动全球芯片产业迈向智能化设计的新时代。让我们共同期待 “启蒙” 系统在未来创造更多的辉煌，为人类科技进步做出更大的贡献。

审核编辑 黄宇