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wepoker安卓蘋果下載:讓AI自己設(shè)計(jì)芯片!中國科學(xué)院發(fā)布「啟蒙」,芯片全流程自動(dòng)設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2025-06-22  來源:

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實(shí)驗(yàn)室近年來獲得了處理器芯片領(lǐng)域首個(gè)國家自然科學(xué)獎(jiǎng)等6項(xiàng)國家級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì);在處理器芯片領(lǐng)域國際頂級(jí)會(huì)議發(fā)表論文的數(shù)量長期列居中國第一;在國際上成功開創(chuàng)了深度學(xué)習(xí)處理器等熱門研究方向;孵化了總市值數(shù)千億元的國產(chǎn)處理器產(chǎn)業(yè)頭部企業(yè)。

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[12] Chang, K. et al. Large processor chip model. In arXiv, https://arxiv.org/abs/2505.06302 (2025)

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芯片設(shè)計(jì)向來是科技界的「皇冠明珠」,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程需要頂尖專家團(tuán)隊(duì)耗時(shí)數(shù)月甚至數(shù)年攻堅(jiān),極具挑戰(zhàn)性。

處理器芯片大模型需要充分結(jié)合領(lǐng)域特點(diǎn),掌握處理器芯片設(shè)計(jì)的領(lǐng)域知識(shí),具備軟硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)能力。

在自動(dòng)操作系統(tǒng)配置優(yōu)化方面,實(shí)現(xiàn)國際首個(gè)基于大模型的操作系統(tǒng)內(nèi)核配置自動(dòng)優(yōu)化方法AutoOS [6],可自動(dòng)生成定制優(yōu)化后的操作系統(tǒng)內(nèi)核配置,性能相比行業(yè)專家手工優(yōu)化最高可提升25.6%。

[8] Zhang, S. et al. Introducing compiler semantics into large language models as programming language translators: A case study of c to x86 assembly. In Findings of the Association for Computational Linguistics: EMNLP, 996–1011 (2024)

雖然「啟蒙」系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是自底而上的,但由于芯片軟硬件設(shè)計(jì)領(lǐng)域的專業(yè)數(shù)據(jù)極為缺乏,

大模型、智能體、應(yīng)用三個(gè)層級(jí)

同時(shí)實(shí)現(xiàn)國際首個(gè)基于大模型的端到端編譯器 [8],成功實(shí)現(xiàn)真實(shí)編譯數(shù)據(jù)集ExeBench中91%的編譯任務(wù)。

依托中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所建立的處理器芯片全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,是中國科學(xué)院批準(zhǔn)正式啟動(dòng)建設(shè)的首批重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室之一,并被科技部遴選為首批 20個(gè)標(biāo)桿全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,2022年5月開始建設(shè)。

圖1 啟蒙1號(hào)實(shí)物圖,啟蒙1號(hào)和啟蒙2號(hào)的性能對(duì)比

圖3 「啟蒙」系統(tǒng)中的反饋式推理,包括正確性反饋和性能反饋

[4] Zhao, Y. et al. CodeV: Empowering llms for verilog generation through multi-level summarization. In arXiv, https://arxiv.org/abs/2407.10424 (2024)

在硬件代碼自動(dòng)生成方面,實(shí)現(xiàn)硬件代碼自動(dòng)生成大模型CodeV系列 [4,5],能同時(shí)完成Chisel、Verilog語言的代碼自動(dòng)生成與代碼片段補(bǔ)全。其中,CodeV-R1在Verilog硬件代碼生成領(lǐng)域達(dá)到7B量級(jí)國際最優(yōu)水平,在RTLLM Benchmark上超越671B滿血版DeepSeek-R1。

然而,由于處理器芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域的特殊性,實(shí)現(xiàn)處理器芯片軟硬件全自動(dòng)設(shè)計(jì)主要面臨數(shù)據(jù)稀缺、正確性和求解規(guī)模等方面的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

[3] Cheng, S. et al. QiMeng-CPU-v2: Automated superscalar processor design by learning data dependencies. In arXiv, https://arxiv.org/abs/2505.03195 (2025)

具體而言,「啟蒙」系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)設(shè)計(jì)RISC-V CPU,達(dá)到ARM Cortex A53性能,并能為芯片自動(dòng)配置操作系統(tǒng)、轉(zhuǎn)譯程序、高性能算子庫,性能優(yōu)于人類專家設(shè)計(jì)水平。

因此,「啟蒙」系統(tǒng)采用「三步走」的技術(shù)路線:

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)、高性能庫設(shè)計(jì)等。

[1] Bentley, B. Validating a modern microprocessor. In Proceedings of International Conference on Computer Aided Verification (CAV), 2–4 (2005).

(1)自頂而下:以通用大語言模型作為處理器芯片大模型的起點(diǎn),實(shí)現(xiàn)處理器芯片智能體并完成處理器芯片軟硬件各個(gè)步驟的自動(dòng)設(shè)計(jì)。將各個(gè)步驟串聯(lián)后自動(dòng)產(chǎn)生豐富的跨層協(xié)同設(shè)計(jì)領(lǐng)域數(shù)據(jù),用于訓(xùn)練處理器芯片大模型。

芯片硬件設(shè)計(jì)依賴工程師團(tuán)隊(duì)編寫等硬件描述代碼(如Verilog、Chisel等),通過電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)工具生成電路邏輯,并反復(fù)進(jìn)行功能驗(yàn)證和性能優(yōu)化。

處理器芯片軟硬件全自動(dòng)設(shè)計(jì)

「啟蒙」系統(tǒng)可以全自動(dòng)的實(shí)現(xiàn)芯片軟硬件設(shè)計(jì)各個(gè)步驟,達(dá)到或部分超越人類專家手工設(shè)計(jì)水平。

[7] Dong, S. et al. QiMeng-Xpiler: Transcompiling tensor programs for deep learning systems with a neural-symbolic approach. In arXiv, https://arxiv.org/abs/2505.02146 (2025)

基于「啟蒙」系統(tǒng),芯片軟硬件設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)都能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)完成,設(shè)計(jì)成果可比肩甚至超過人工專家設(shè)計(jì)水平。

[2] Cheng, S. et al. Automated cpu design by learning from input-output examples. In Proceedings of the Thirty-Third International Joint Conference on Artificial Intelligence, 3843–3853 (2024).

結(jié)合反饋式推理能力,芯片生成智能體自動(dòng)完成從功能需求到邏輯電路的設(shè)計(jì),基礎(chǔ)軟件智能體自主完成給定基礎(chǔ)軟件對(duì)目標(biāo)芯片的自動(dòng)功能適配和性能優(yōu)化。

(2)自底而上:基于訓(xùn)練后的處理器芯片大模型重新構(gòu)建智能體,并應(yīng)用于軟硬件設(shè)計(jì)的各個(gè)步驟,提升自動(dòng)設(shè)計(jì)效果,

未來,還將通過符號(hào)主義、行為主義及連接主義等不同人工智能路徑的交叉探索,不斷提升「啟蒙」系統(tǒng)的處理器芯片軟硬件全自動(dòng)設(shè)計(jì)能力,同時(shí)持續(xù)拓展「啟蒙」的應(yīng)用邊界,為更廣泛的處理器芯片設(shè)計(jì)應(yīng)用場(chǎng)景提供智能化支持。

中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所處理器芯片全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,聯(lián)合中國科學(xué)院軟件研究所,基于大模型等AI技術(shù),推出處理器芯片和相關(guān)基礎(chǔ)軟件全自動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)——「啟蒙」。

不同于傳統(tǒng)自動(dòng)設(shè)計(jì)方法,「啟蒙」系統(tǒng)旨在端對(duì)端的實(shí)現(xiàn)從功能需求到處理器芯片軟硬件的全自動(dòng)設(shè)計(jì)和適配優(yōu)化。

[10] Zhang, X. et al. QiMeng-TensorOp: Automatically generating high-performance tensor operators with hardware primitives. In arXiv, https://arxiv.org/abs/2505.06302 (2025)

目前,研究人員已基本完成第一步中軟硬件各個(gè)步驟的自動(dòng)設(shè)計(jì)。并且以3D高斯?jié)姙R為驅(qū)動(dòng)范例,將各個(gè)步驟串聯(lián),組成完整的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)流程[12]。后續(xù)將繼續(xù)推進(jìn)跨層協(xié)同設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)集的建立和處理器芯片大模型的訓(xùn)練。

其升級(jí)版「啟蒙2號(hào)」[3]為國際首個(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17,000,000個(gè)邏輯門。

因此在具體實(shí)現(xiàn)時(shí),采用自頂而下的構(gòu)建方式更加容易切入。

自動(dòng)的電路邏輯設(shè)計(jì)長期以來都是計(jì)算機(jī)科學(xué)的核心問題之一[11]?,F(xiàn)有自動(dòng)設(shè)計(jì)方法通常將AI技術(shù)作為工具用于優(yōu)化芯片設(shè)計(jì)的某個(gè)具體步驟。

在處理器芯片大模型的基礎(chǔ)上,為自動(dòng)設(shè)計(jì)處理器芯片的軟硬件,「啟蒙」系統(tǒng)分別構(gòu)建了芯片生成智能體和基礎(chǔ)軟件智能體。

論文地址:https://arxiv.org/abs/2506.05007

研究人員將繼續(xù)實(shí)現(xiàn)從自頂而下到自底而上的設(shè)計(jì)路線,并組成迭代的循環(huán),最終朝著實(shí)現(xiàn)整個(gè)「啟蒙」系統(tǒng)自演進(jìn)的目標(biāo)邁進(jìn)。

而在面向芯片設(shè)計(jì)的人工智能方法上,計(jì)算所也已有十多年的積累,并且從未停止探索如何用人工智能方法使得芯片設(shè)計(jì)完全自動(dòng)化。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)范式下,軟件生態(tài)適配周期長、成本高,嚴(yán)重制約硬件算力釋放。以openEuler為例,其包含1萬余軟件倉庫、400余萬文件,需針對(duì)不同RISC-V指令組合逐一驗(yàn)證兼容性。

[6] Chen, H. et al. AutoOS: make your os more powerful by exploiting large language models. In Forty-first International Conference on Machine Learning (2024)

在芯片前端設(shè)計(jì)方面,

同時(shí),當(dāng)前芯片基礎(chǔ)軟件適配需求激增。AI、云計(jì)算和邊緣計(jì)算等技術(shù)推動(dòng)專用處理器設(shè)計(jì)多樣化,指令集組合呈指數(shù)級(jí)增長,每種組合均需適配龐大的基礎(chǔ)軟件棧。

為了減少芯片軟硬件設(shè)計(jì)的人力和資源投入,滿足芯片設(shè)計(jì)日益多樣化的需求,研究人員基于AI技術(shù),構(gòu)建國際首個(gè)全自動(dòng)的處理器芯片軟硬設(shè)計(jì)系統(tǒng)「啟蒙」。

為了應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn),建立處理器芯片軟硬件全自動(dòng)設(shè)計(jì)的新范式,「啟蒙」共包含三個(gè)層級(jí)。底層為處理器芯片領(lǐng)域大模型,中間層構(gòu)建芯片和軟件智能體,實(shí)現(xiàn)處理器芯片和基礎(chǔ)軟件的自動(dòng)設(shè)計(jì),在最上層應(yīng)用于芯片軟硬件設(shè)計(jì)的各個(gè)步驟。

基于芯片生成智能體和基礎(chǔ)軟件智能體,針對(duì)多樣化的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景,在最上層全自動(dòng)完成處理器芯片軟硬件設(shè)計(jì)各個(gè)步驟。

自2008年起,中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所便開始長期從事芯片設(shè)計(jì)和人工智能的交叉研究。其中一項(xiàng)為人熟知的產(chǎn)出就是人工智能芯片寒武紀(jì)。

這一過程高度專業(yè)化且復(fù)雜,通常需上百人團(tuán)隊(duì)耗時(shí)數(shù)月甚至數(shù)年,成本極高[1]。

圖2 「啟蒙」系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖,包含三個(gè)層級(jí)

在自動(dòng)高性能庫設(shè)計(jì)方面,提出國際首個(gè)基于大模型的高性能矩陣乘代碼自動(dòng)生成框架QiMeng-GEMM [9]和國際首個(gè)基于大模型的高性能張量算子指令級(jí)自動(dòng)生成框架QiMeng-TensorOp [10],在RISC-V CPU上的最高性能分別達(dá)到OpenBLAS的211%和251%,在NVIDIA GPU上的最高性能分別達(dá)到cuBLAS的115%和124%。

[5] Zhu, Y. et al. CodeV-R1: Reasoning-Enhanced Verilog Generation. In arXiv, https://arxiv.org/abs/2505.24183 (2025)

(3)自演進(jìn):將自頂而下和自底而上的設(shè)計(jì)流程組成迭代的循環(huán),通過循環(huán)實(shí)現(xiàn)「啟蒙」系統(tǒng)的自演進(jìn),不斷提升「啟蒙」系統(tǒng)的處理器芯片軟硬件全自動(dòng)設(shè)計(jì)能力。

[11] Church, A. Applications of recursive arithmetic to the problem of circuit synthesis. Summaries of the Summer Institute of Symbolic Logic 1, 3-50 (1957)

這項(xiàng)研究有望改變處理器芯片軟硬件的設(shè)計(jì)范式,不僅有望大幅提升設(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。

其中,實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)主任為孫凝暉院士,實(shí)驗(yàn)室主任為陳云霽研究員。

在自動(dòng)編譯工具鏈設(shè)計(jì)方面,實(shí)現(xiàn)國際首個(gè)自動(dòng)跨平臺(tái)張量程序轉(zhuǎn)譯工具QiMeng-Xpiler [7],可在不同的處理器芯片如英偉達(dá)GPU、寒武紀(jì)MLU、AMD MI加速器、Intel DL Boost,和不同編程模型如SIMT、SIMD之間自動(dòng)程序轉(zhuǎn)譯,性能最高達(dá)到廠商手工優(yōu)化算子庫的2倍。

以最頂層的多種應(yīng)用實(shí)現(xiàn)為驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)芯片軟硬件各個(gè)步驟的自動(dòng)設(shè)計(jì)方法后,不僅可以為處理器芯片大模型提供豐富的軟硬件設(shè)計(jì)領(lǐng)域數(shù)據(jù),同時(shí)也可以為處理器芯片智能體提供與專業(yè)工具協(xié)同交互的流程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

【新智元導(dǎo)讀】近日,中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所聯(lián)合軟件研究所推出「啟蒙」系統(tǒng),基于AI技術(shù),實(shí)現(xiàn)處理器芯片軟硬件各個(gè)步驟的全自動(dòng)設(shè)計(jì),達(dá)到或部分超越人類專家手工設(shè)計(jì)水平。

此外,利用處理器芯片大模型構(gòu)建反饋式推理流程,包括正確性反饋和性能反饋。通過自動(dòng)功能驗(yàn)證和基于功能正確性反饋的自動(dòng)修復(fù),確保生成結(jié)果的正確性。同時(shí)通過自動(dòng)性能評(píng)估和基于性能反饋的自動(dòng)搜索,對(duì)解空間有效裁剪,實(shí)現(xiàn)對(duì)高性能設(shè)計(jì)結(jié)果的高效搜索。

眾所周知,芯片設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性、需要耗費(fèi)大量人力和資源的工作。

[9] Zhou, Q. et al. QiMeng-GEMM: Automatically generating high-performance matrix multiplication code by exploiting large language models. In Proceedings of the AAAI Conference on Artificial Intelligence, 22982–22990 (2025)

 
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