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作者 Simon Sabato為Cognichip公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席架構(gòu)師 | 前谷歌員工 | 前英特爾員工 | 前思科員工 | 前Cadence員工 | 方法論、架構(gòu)、設(shè)計(jì)。

以下是他剛剛發(fā)表的一篇關(guān)于AI的文章：

一圖勝千言……真的是這樣嗎？

我在20世紀(jì)90年代于加州大學(xué)伯克利分校學(xué)習(xí)芯片設(shè)計(jì)，那是一個(gè)芯片通過“門級(jí)設(shè)計(jì)”（與門、或門等）組合在一起的時(shí)代。我是一個(gè)愛好者和書呆子，從我記事起就開始擺弄電池和燈泡。在上大學(xué)的至少六年前，我就已經(jīng)開始使用隨處可見的“74xx”芯片構(gòu)建電子設(shè)計(jì)，這些芯片在任何一家信譽(yù)良好的電子商店都能買到。當(dāng)然，在大學(xué)里，事情變得更加嚴(yán)謹(jǐn)。我們學(xué)習(xí)如何將門電路組合在一起，以創(chuàng)建任意功能（如二進(jìn)制加法器、交通信號(hào)燈控制器等），使用臭名昭著的“卡諾圖”。然后，我們學(xué)習(xí)如何優(yōu)化這些設(shè)計(jì)，使用第一批邏輯優(yōu)化算法（比如伯克利分校自己的“Espresso”）。

想象一個(gè)電路，當(dāng)按下“開始”按鈕且我們沒有按下“停止”按鈕，并且處于“就緒”和“待命”狀態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“開始”信號(hào)。多年來，這種電路的門級(jí)設(shè)計(jì)是通過類似這樣的圖形用戶界面以原理圖的形式輸入的：

它看起來足夠簡(jiǎn)單，但在得出上述設(shè)計(jì)之前，其實(shí)已經(jīng)做出了一些選擇。我們可以將兩個(gè)與門合并以節(jié)省一些面積。我們也可以將“停止”信號(hào)進(jìn)一步推到下游，作為靠近輸出端的“最終檢查”。然后，在我們決定采用上述電路設(shè)計(jì)之后，我們還需要從每個(gè)門的幾十種功耗/性能/面積變化中進(jìn)行選擇。

為了做出所有這些選擇，“時(shí)序約束”被用來規(guī)定諸如“開始”導(dǎo)致“運(yùn)行”之間允許的時(shí)間、處理“停止”信號(hào)的最大時(shí)間，以及如果“停止”和“開始”信號(hào)幾乎同時(shí)接收時(shí)的預(yù)期行為等規(guī)則。

硬件描述語言（HDL）自20世紀(jì)80年代中期以來就已經(jīng)存在，并且最近被納入了伯克利分校的課程體系。HDL是一種類似于普通編程語言（如C或Python）的書面語言，但它增加了邏輯設(shè)計(jì)所需的額外概念——并行計(jì)算、嚴(yán)格的事件時(shí)序以及對(duì)任意數(shù)據(jù)類型的支持。在我的第一門計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程中，我們使用HDL來捕捉我們的門級(jí)設(shè)計(jì)——幾個(gè)門組合起來實(shí)現(xiàn)兩位數(shù)相加的電路被稱為“全加器”，然后32個(gè)這樣的全加器就構(gòu)成了一個(gè)“32位加法器”，以此類推。

在選擇了每個(gè)門的確切變體后，用硬件描述語言（HDL）編寫的上述設(shè)計(jì)可能看起來像這樣：

module launch_control ( input armed, ready, stop, go, output launch );   wire systems_go, not_stopped;   AND2_4X gate1 ( .IN1(armed), .IN1(ready), .OUT(systems_go) );   NOT_2X gate2 ( .IN(stop), .OUT(not_stopped) );   AND3_16X gate3 (.IN1(systems_go), .IN2(not_stopped), .IN3(go), .OUT(launch) );endmodule

用“代碼”來表達(dá)設(shè)計(jì)可以節(jié)省大量原本會(huì)花在圖形用戶界面中繪制導(dǎo)線上的時(shí)間（相信我，我兩種方式都試過！）。如果你覺得“我覺得看圖更容易理解”，你并沒有錯(cuò)！只是代碼更容易編寫，而且維護(hù)起來更是難以估量地便捷。硬件描述語言（HDL）利用了為軟件代碼編寫的全部基礎(chǔ)設(shè)施——編輯器、版本控制系統(tǒng)、補(bǔ)丁格式等。在那門課程中，每個(gè)小型學(xué)生團(tuán)隊(duì)都構(gòu)建了一個(gè)32位RISC CPU內(nèi)核：一個(gè)具有算術(shù)邏輯單元、寄存器文件和緩存的全流水線設(shè)計(jì)。

在20世紀(jì)90年代初，硬件描述語言（HDL）開始被用于測(cè)試設(shè)計(jì)。HDL具備像C這樣的軟件語言的所有功能：讀寫文件、生成隨機(jī)輸入、計(jì)算預(yù)期輸出等。除此之外，它們還增加了用于建模高度并行系統(tǒng)（如上述電路放大數(shù)百萬倍）所需的硬件特定功能。

HDL還被用于在更高層次上對(duì)硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行原型開發(fā)。大多數(shù)硬件模塊執(zhí)行的算法相對(duì)簡(jiǎn)單，只是執(zhí)行速度非常快。通常很容易在高層次上編寫所需的函數(shù)。我們的火箭發(fā)射控制器可以被原型化為：

module launch_control ( input armed, ready, stop, go, output launch );   assign launch = (go && !stop && armed && ready);endmodule

這相當(dāng)簡(jiǎn)單！它沒有捕捉到具體的門電路組織和門類型的選擇，但它確實(shí)代表了最終版本將要做的事情。這在編寫測(cè)試用例、用原型化的部件構(gòu)建并測(cè)試更大型系統(tǒng)等方面非常有用。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)師會(huì)根據(jù)這種高層次的描述以及“時(shí)序約束”開始進(jìn)行門級(jí)設(shè)計(jì)。通常，兩種版本都會(huì)被保留下來——高層次的代碼會(huì)運(yùn)行得更快、更容易閱讀，也更容易調(diào)試……而門級(jí)設(shè)計(jì)才是你實(shí)際要構(gòu)建的物理對(duì)象。

1994年：機(jī)器在芯片設(shè)計(jì)中擊敗人類？

我清楚地記得我第一次聽到“綜合”這個(gè)詞的情景。在那門計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程快結(jié)束時(shí)，我和一位助教出去喝了一杯。我們討論了用代碼構(gòu)建設(shè)計(jì)比用原理圖要方便得多，以及從“高級(jí)”代碼開始，然后在看到整個(gè)CPU工作之后再將其轉(zhuǎn)換為門電路是多么酷的一件事。他隨口提到：“你知道嗎，現(xiàn)在有一家公司開發(fā)了一種工具，可以自動(dòng)將高級(jí)代碼轉(zhuǎn)換為門電路……他們叫Synopsys，他們把這叫作‘綜合’……它有個(gè)很無聊的名字，叫‘設(shè)計(jì)編譯器’……”

我的第一反應(yīng)是震驚，緊接著意識(shí)到這其實(shí)很有道理（“我怎么沒想到呢？這其實(shí)就是一個(gè)‘編譯器’……”）。下一個(gè)想法是，機(jī)器在將“高級(jí)”描述轉(zhuǎn)換為特定情境下的完美解決方案方面超越人類，肯定還需要很長(zhǎng)時(shí)間。

在當(dāng)時(shí)，大約是1994年，人們?nèi)匀恢饕渴止ぞ帉懘蠖鄶?shù)對(duì)性能要求極高的軟件代碼，盡管高級(jí)語言和編譯器已經(jīng)存在了幾十年。我以為芯片設(shè)計(jì)是最“性能敏感”的領(lǐng)域，所以也許我們會(huì)永遠(yuǎn)在門級(jí)設(shè)計(jì)芯片！一般來說，硬件，尤其是芯片，建造成本極高——難道有人會(huì)為了節(jié)省一些工資而最終得到一個(gè)劣質(zhì)產(chǎn)品嗎？

在酒吧的那次談話之后不久，我開始了我在3Com公司的第一份全職工作，負(fù)責(zé)構(gòu)建一款LAN+調(diào)制解調(diào)器接口卡。這項(xiàng)工作涉及設(shè)計(jì)一塊密布芯片的印刷電路板（PCB），以及設(shè)計(jì)一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（“FPGA”）中的邏輯電路，以協(xié)調(diào)我們卡片的兩項(xiàng)功能。FPGA本質(zhì)上是一種可編程芯片。它比“真正的”芯片更昂貴、速度更慢，但它是一種現(xiàn)成的部件，可以直接購(gòu)買，而不需要花費(fèi)大量的時(shí)間和金錢去制造定制芯片。在許多情況下，F(xiàn)PGA正是你所需要的。在3Com，我們的情況就是這樣——我們不需要太多的門電路，也不需要它們運(yùn)行得很快。我們只需要一個(gè)交通警察，來引導(dǎo)流量通過一個(gè)三岔路口。

我知道我可以使用FPGA設(shè)計(jì)工具在圖形用戶界面中連接門電路，從而在門級(jí)完成這個(gè)設(shè)計(jì)。另一位設(shè)計(jì)師被分配來指導(dǎo)我。他來自走廊盡頭的ASIC團(tuán)隊(duì)，他們最近剛剛完成了Etherlink III中的芯片設(shè)計(jì)，那是一款開始瘋狂暢銷的卡片……“互聯(lián)網(wǎng)泡沫”已經(jīng)開始了。

那個(gè)產(chǎn)品中的ASIC是使用Synopsys設(shè)計(jì)編譯器構(gòu)建的，這個(gè)名字讓我想起了什么。我的導(dǎo)師問我是否已經(jīng)學(xué)過Verilog——“學(xué)校現(xiàn)在都在教這個(gè)，這是一種用代碼而不是繪制門電路來設(shè)計(jì)硬件的方法”——我回答說我用這種方法構(gòu)建過一個(gè)32位CPU。“太好了，”他回答道，接著說“那你就不需要培訓(xùn)了。”說完，他拿走了我最初精心繪制的幾張?jiān)韴D，開始用Verilog將它們“重寫”。代碼看起來完全陌生，但我太不好意思承認(rèn)這一點(diǎn)了（又過了一年我才意識(shí)到，伯克利分校教的是VHDL，一種不同的語言）。

我仍然沒有被說服這個(gè)工具能設(shè)計(jì)得比我好，而且我不喜歡這種陌生的語言。我非常想放棄使用硬件描述語言（HDL）——我可以直接畫出門電路，然后就完成了。我的導(dǎo)師一直勸我不要這樣做；我記得有一次在掙扎的時(shí)候，我建議干脆放棄整個(gè)東西，花整個(gè)周末用原理圖重新繪制設(shè)計(jì)，我還記得他的話（“我不會(huì)希望任何人那樣做。我寧愿去打籃球”）。

隨著產(chǎn)品的演變，F(xiàn)PGA變得越來越復(fù)雜，空間也越來越緊張。高效設(shè)計(jì)變得越來越重要——也許我們對(duì)緊湊、高效設(shè)計(jì)的需求能讓我在這場(chǎng)與這個(gè)可惡的工具的較量中獲勝？！

我決定手工構(gòu)建一個(gè)關(guān)鍵的狀態(tài)機(jī)。它只有幾十個(gè)門電路，但它必須運(yùn)行得非常快，以便在罕見情況下捕捉到一個(gè)短暫的事件。它必須被放置在FPGA的一個(gè)小的、未被使用的角落里。我精心設(shè)計(jì)了我的電路。我的導(dǎo)師總是喜歡接受挑戰(zhàn)，他很快就回來展示了一個(gè)更好的版本。我沒有氣餒，進(jìn)一步完善了我的設(shè)計(jì)，直到我確信不可能做得更好為止。然而，這個(gè)工具又找到了一個(gè)更好的解決方案。我開始懷疑綜合生成的版本可能無法正常工作，因?yàn)樗闪艘恍╇y以辨認(rèn)的門電路。我浪費(fèi)了寶貴的時(shí)間去檢查它，希望它犯了錯(cuò)誤，結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)它只是非常巧妙。盡管我對(duì)此表示欽佩，但另一個(gè)改進(jìn)版本又出現(xiàn)了。我放棄了檢查它的成果，轉(zhuǎn)而繼續(xù)優(yōu)化自己的設(shè)計(jì)。然而，又一個(gè)新版本出現(xiàn)了。

我放棄了，得出結(jié)論：“這玩意兒遲早會(huì)搶走我們的所有工作……”

這種想法，夾雜著一絲羞愧，在我的腦海中揮之不去。就好像我的同事有一根魔法棒，可以對(duì)設(shè)計(jì)編譯器說：“專注于讓這個(gè)設(shè)計(jì)更快……現(xiàn)在讓它更小……”，而它就像施展魔法一樣，飛速地篩選出數(shù)千種可能的解決方案。這感覺就像是他并不是在設(shè)計(jì)，而是在告訴它該設(shè)計(jì)什么。我怎么可能與之競(jìng)爭(zhēng)呢？？最終，我逐漸冷靜了下來。畢竟，當(dāng)一個(gè)袖珍計(jì)算器比我乘法算得更快時(shí)，我也沒有自責(zé)過，不是嗎？你知道他們是怎么說的——如果你無法戰(zhàn)勝他們：那就全力以赴，轉(zhuǎn)到ASIC團(tuán)隊(duì)，成為一名全職的Verilog編碼員。

有趣的是，Synopsys使用Verilog作為其工具的輸入語言。Verilog并不是為編譯成門電路而設(shè)計(jì)的，它可以表達(dá)許多綜合工具無法轉(zhuǎn)換成門電路的內(nèi)容。我們最早學(xué)到的一件事就是語言的“可綜合子集”，這是一個(gè)不斷變化的邊界，并且包含一個(gè)相當(dāng)大的灰色地帶（“它也許能做到，但你并不希望它做到”）。Verilog的表達(dá)能力意味著Synopsys（以及后來的其他公司）可以逐步擴(kuò)展這個(gè)“可綜合子集”。Verilog逐漸演變?yōu)楦鼜?qiáng)大的SystemVerilog，就像C語言演變?yōu)镃++一樣。

總體而言，我認(rèn)為綜合技術(shù)將生產(chǎn)力提高了大約1000%。讓我們來思考一下，在這段時(shí)間里芯片設(shè)計(jì)發(fā)生了多大的變化，以及事情變得多么復(fù)雜。

現(xiàn)代芯片可不是鬧著玩的

芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)過去可能只有十幾個(gè)人，現(xiàn)在通常有大約一百人（范圍很廣——許多仍然由十幾個(gè)人的核心團(tuán)隊(duì)完成，而有些則需要數(shù)百人）。過去，制造一塊芯片的成本是5萬美元，現(xiàn)在這個(gè)數(shù)字大約是2000萬美元。我設(shè)計(jì)的第一塊FPGA有3000個(gè)門，我的第一塊ASIC有5萬個(gè)門——相比之下，現(xiàn)代芯片的門電路數(shù)量達(dá)到了數(shù)十億。

我們應(yīng)該把芯片視為一臺(tái)機(jī)器。這臺(tái)現(xiàn)代機(jī)器的齒輪被稱為“門”：

2輸入端與非門

上圖是一個(gè)簡(jiǎn)單的門，包含四個(gè)晶體管。在紙上，導(dǎo)線看起來大約有5毫米寬，不同顏色代表不同的“層”——現(xiàn)代芯片大約有15層這樣的結(jié)構(gòu)。

當(dāng)我們說一款新手機(jī)配備了“5納米芯片”時(shí)，我們說的就是這些導(dǎo)線。這意味著我們的圖是按照1,000,000:1的比例繪制的（5毫米：5納米）。一塊典型的CPU芯片大約是12毫米×12毫米，按照這個(gè)比例繪制的話，它將是一個(gè)12公里×12公里的門電路陣列。

為了感受這些芯片處理數(shù)字的速度有多快，請(qǐng)考慮以下情況。在2025年，我們的手機(jī)通常有6個(gè)CPU核心，每個(gè)核心在2.5GHz的時(shí)鐘頻率下每秒執(zhí)行約4條指令，這意味著它們每納秒可以處理60條指令。納秒是十億分之一秒，比光子以光速?gòu)氖謾C(jī)傳播到我們臉部所需的時(shí)間還要短……芯片是一臺(tái)超高速的機(jī)器。

如今回看芯片設(shè)計(jì)，很難想象如果沒有邏輯綜合這一革命性技術(shù)，它們是如何被設(shè)計(jì)出來的。老實(shí)說，綜合確實(shí)取代了大部分涉及原理圖級(jí)設(shè)計(jì)的工作：它不僅做得更好、更快，還讓我們能夠?qū)Ｗ⒂谠O(shè)計(jì)更大、功能更豐富的芯片。作為回報(bào)，它為我們帶來了如今蓬勃發(fā)展的半導(dǎo)體行業(yè)，該行業(yè)目前雇傭了33.8萬名員工，并且支持了300個(gè)下游經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，為美國(guó)提供了超過2600萬個(gè)工作崗位[^SIA^]。

急需新的“綜合”時(shí)刻

盡管取得了令人印象深刻的增長(zhǎng)和創(chuàng)新，半導(dǎo)體行業(yè)正面臨另一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。設(shè)計(jì)成本過高，且仍在上升。開發(fā)周期過長(zhǎng)，且仍在增加。與此同時(shí)，就業(yè)市場(chǎng)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，進(jìn)入這一行業(yè)的工程師數(shù)量將出現(xiàn)巨大缺口。令人意外的是，芯片設(shè)計(jì)師的短缺問題比人工智能數(shù)據(jù)科學(xué)家更為令人擔(dān)憂。

人們已經(jīng)多次嘗試尋找芯片設(shè)計(jì)生產(chǎn)力的下一個(gè)飛躍：

• 寄存器傳輸級(jí)（RTL）設(shè)計(jì)主要由SystemVerilog主導(dǎo)，但也有VHDL以及一些較小的“現(xiàn)代”語言，它們從根本上都處于“同一水平”——也就是說，編寫一個(gè)程序在它們之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換相對(duì)容易（與將RTL轉(zhuǎn)換為門電路不同）。

• 相比之下，高級(jí)綜合工具接受多種輸入語言（如C/C++、Python等），并將代碼“展開”，通常轉(zhuǎn)換為SystemVerilog。這種方法有其支持者和成功案例，但現(xiàn)實(shí)情況是，大多數(shù)主要芯片并不是這樣設(shè)計(jì)的。從根本上說，這種方法似乎能夠?qū)崿F(xiàn)更快的設(shè)計(jì)周期，但代價(jià)是犧牲性能。在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中，我們通常不會(huì)選擇犧牲性能。

現(xiàn)在是時(shí)候在設(shè)計(jì)中邁向更高層次的抽象了，如果你愿意的話，可以稱之為新的“綜合”時(shí)刻。最近在人工智能領(lǐng)域取得的進(jìn)步正在促使我們思考，自然語言是否可以成為我們的下一個(gè)“高級(jí)語言”。就像上次一樣，這將很快從同事隨意提及的事情，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粤钊穗y以置信的結(jié)果直面我們。

那么……人工智能會(huì)搶走我們的所有工作嗎？

回顧早期綜合工具的使用，我現(xiàn)在可以自信地回答：不會(huì)。

如果沒有綜合工具，確實(shí)我們需要更大的團(tuán)隊(duì)來設(shè)計(jì)當(dāng)今的芯片，但芯片市場(chǎng)的規(guī)模也會(huì)小得多——產(chǎn)品種類更少，成本更高，性能更低。大多數(shù)芯片設(shè)計(jì)工作將是單調(diào)、重復(fù)且薪酬較低的。一小部分人會(huì)負(fù)責(zé)高級(jí)設(shè)計(jì)工作，然后一大群人來完成剩下的工作——就像在好萊塢大片中，一群動(dòng)畫師團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)“按部就班地填充顏色”。

芯片設(shè)計(jì)師會(huì)更愿意一直從事門級(jí)設(shè)計(jì)，而不是綜合出定義了21世紀(jì)的驚人芯片嗎？不，他們不會(huì)。

綜合工具推動(dòng)了一個(gè)自1990年以來收入增長(zhǎng)數(shù)倍的行業(yè)。出于類似的原因，我預(yù)計(jì)人工智能增強(qiáng)的芯片設(shè)計(jì)將增加工作崗位數(shù)量，并使工作更具吸引力。很快，將會(huì)有更多芯片被設(shè)計(jì)出來，每個(gè)芯片都更精準(zhǔn)地針對(duì)其應(yīng)用場(chǎng)景，具備更多功能，且成本更低、功耗更少。人工智能模型將使我們能夠構(gòu)建更多我們想要的芯片，而不僅僅是那些我們能夠設(shè)計(jì)出來的芯片。