一文了解芯片設(shè)計(jì)上使用機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的布局

人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)正在滲透所有的行業(yè)。隨著人工智能算法的成熟，支持這些算法的硬件平臺也日趨成熟。目前，這些硬件平臺包括 ASIC，CPU，GPU以及 FPGA 。在 Plunify，盡管我們的強(qiáng)項(xiàng)是FPGA的設(shè)計(jì)優(yōu)化，但是我們中的很多人本質(zhì)上還是軟件工程師。當(dāng)然，這里所說的“軟件工程師”并不包括嵌入式工程師，固件工程師或者研發(fā)驅(qū)動(dòng)的工程師；我們所說的是使用 .NET， Java， Python， R， SQL， C++ 或者 JavaScript 來寫代碼的開發(fā)者們。

我們最近正在研究的項(xiàng)目是在芯片設(shè)計(jì)上使用機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的布局。我們用成千上萬不同的布局來訓(xùn)練，并使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，在布線之前預(yù)測設(shè)計(jì)的最終時(shí)序性能。

使用哪一個(gè)框架來開啟機(jī)器學(xué)習(xí)項(xiàng)目？

市面上有很多選擇，但是我們最終的答案是Tensorflow。這似乎有些難以置信，畢竟我們已經(jīng)開發(fā)了賽靈思 Vivado 的插件 Plunify Cloud 以及設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件 InTime，難道不應(yīng)該選擇一個(gè)可以輕易把FPGA作為硬件的框架嗎？我們已經(jīng)對FPGA有所了解，而Tensorflow和FPGA的關(guān)系并不是很密切。

請不要誤解。我們雖然對FPGA的加速性能充滿信心，但是，在每一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)項(xiàng)目開始的時(shí)候，挑選一個(gè)合適開發(fā)環(huán)境首先要考慮的應(yīng)該是自己的已有技能和可供學(xué)習(xí)的資源。對于已有技能，我們了解上述所有語言和其他的一些語言；至于可供學(xué)習(xí)的資源，Tensor Flow+Keras 教程和文檔可以輕易的擊敗所有的對手。有這么多選擇，您一定想馬上開啟項(xiàng)目來測試您的方法是否可行。

應(yīng)該選擇哪個(gè)加速平臺？

在生成了成千上萬個(gè)擁有不同布局和資源要求的設(shè)計(jì)時(shí)，我們應(yīng)該如何加速機(jī)器學(xué)習(xí)的訓(xùn)練和推理？關(guān)于加速的問題終于來了-究竟是用GPA，TPU還是FPGA呢？很明顯，F(xiàn)PGA由于對用戶不友好勝算不大。合理的選擇仍然是谷歌的云平臺或者GPU。

對我們來說，我們已經(jīng)解決了如何將正在進(jìn)行的項(xiàng)目轉(zhuǎn)換成基于FPGA的加速環(huán)境。這里所說的“轉(zhuǎn)換”并不是完全的重寫。也許我們已經(jīng)開啟了Caffe，但是軟件工程師在開始階段不會(huì)考慮加速平臺。

“不了解發(fā)動(dòng)機(jī)，也可以選一臺好車？”

這里有一種替代方法 – 高層綜合（High LevelSynthesis）。用C/C++寫代碼然后轉(zhuǎn)換成Verilog或者VHDL（這個(gè)方法已經(jīng)存在很久并且也有很多批評）。在Hastlayer有一群工程師提供一個(gè).NET的軟件開發(fā)工具包可以把.NET程序轉(zhuǎn)換成VHDL.。這個(gè)開發(fā)包當(dāng)然有一些局限性，但是從軟件工程師的角度上來說，這已經(jīng)是一個(gè)從試圖理解時(shí)鐘，頻率，器件類型的極大飛躍。我們這些軟件工程師比較自我，大多只關(guān)心機(jī)器學(xué)習(xí)的訓(xùn)練可以有多快。如果眼下的程序在CPU上需要運(yùn)行一天，而在FPGA上只需要兩個(gè)小時(shí)，我是不是可以用一個(gè)更優(yōu)化的版本（比如同樣的.NET程序但是被InTime優(yōu)化過）30分鐘就完成運(yùn)行呢？

采用自然習(xí)慣還是稍后再轉(zhuǎn)換？

讓軟件工程師采用他們早期的自然習(xí)慣肯定是有幫助的?？纯催@個(gè)領(lǐng)域擴(kuò)展地有多快吧，編寫機(jī)器學(xué)習(xí)算法的程序員絕大多數(shù)都不會(huì)成為擁有數(shù)學(xué)博士的數(shù)據(jù)科學(xué)家或者FPGA/ASIC設(shè)計(jì)工程師。他們大多是像你我這樣擁有一個(gè)計(jì)算機(jī)學(xué)位的普通人，使用已經(jīng)編寫好的庫。在沒有一個(gè)大公司或團(tuán)隊(duì)的支持下，很難創(chuàng)造一個(gè)屬于自己的機(jī)器學(xué)習(xí)框架。這條路行不通的話，擁有一個(gè)簡單自動(dòng)的轉(zhuǎn)換路徑似乎就是一個(gè)最好的選擇了。

所以別再說“你需要一開始就學(xué)習(xí)FPGA”這樣的話了，我們應(yīng)該說“將Tensorflow / Pytorch轉(zhuǎn)換成適用于FPGA的代碼”?；蛘咧苯幼屛覀儊韼湍贔PGA上運(yùn)行吧。

這兩種選擇，都需要逾越一條鴻溝。如果您是一個(gè)已經(jīng)遇見這些問題的軟件工程師，我們十分希望能聽見您的心聲。

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