基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的AI設(shè)計(jì)微波集成電路

創(chuàng)天科技、清華大學(xué)、西安電子科技大學(xué)和杭州電子科技大學(xué)剛剛聯(lián)合發(fā)布的一篇論文，提出了一種新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，讓AI在不聲不響間，又掌握了新的技能：設(shè)計(jì)微波集成電路。

這個(gè)全新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)名叫“關(guān)系歸納神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，能夠總結(jié)和歸納微波集成電路內(nèi)在的電磁規(guī)律，自己學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)和調(diào)試，結(jié)果顯示，AI設(shè)計(jì)的集成電路性能完全可以媲美最好的人類(lèi)設(shè)計(jì)師。

我國(guó)的集成電路產(chǎn)業(yè)在國(guó)家的大力扶持下經(jīng)歷了高速的發(fā)展，但與世界先進(jìn)水平還有著差距，從2013年至今我國(guó)每年集成電路的進(jìn)口額超過(guò)了石油，成為第一大宗進(jìn)口商品。歐美各國(guó)為鞏固其優(yōu)勢(shì)地位，尤其為了削弱我國(guó)在新一代電子信息技術(shù)、半導(dǎo)體集成電路領(lǐng)域的快速發(fā)展的能力，不約而同的采取措施，力求最大限度的制約我國(guó)研發(fā)或生產(chǎn)高端芯片及元器件。

同時(shí)，美國(guó)為了保證自己在芯片產(chǎn)業(yè)的核心地位，2018年7月，美國(guó)首次“電子復(fù)興計(jì)劃”峰會(huì)（ERI Summit）在舊金山拉開(kāi)帷幕。由美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局DARPA組織。這次大會(huì)上，美國(guó)的電子復(fù)興五年計(jì)劃，選出了第一批入圍扶持項(xiàng)目：電子裝置的智能設(shè)計(jì)（IDE Automation）。IDEA旨在創(chuàng)建一個(gè)“無(wú)需人工參與”（no human in the loop）的芯片布局規(guī)劃（layout）生成器，讓沒(méi)什么專業(yè)知識(shí)的用戶也能在一天內(nèi)完成硬件設(shè)計(jì)。而DARPA的愿景，是最終讓機(jī)器取代人類(lèi)進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)。

現(xiàn)在高水準(zhǔn)的集成電路AI已經(jīng)在中國(guó)出現(xiàn)了。

看點(diǎn)

01

集成電路AI難在哪里？

在最新披露的論文里，創(chuàng)天科技表示雖然AlphaGo已經(jīng)是AI里程碑，但下圍棋與現(xiàn)實(shí)世界相比，仍然是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的問(wèn)題。

更復(fù)雜的問(wèn)題是微波集成電路，微波集成電路是在電路板上采用特定的工藝制造大量高精度微米納米級(jí)的電路，電路之間存在復(fù)雜的電磁效應(yīng)，微觀下的微小的擾動(dòng)往往會(huì)帶來(lái)宏觀特性的巨大差異。圍棋的動(dòng)作空間約為10^250。集成電路的狀態(tài)空間超過(guò)10^10000。

微波集成電路（MWIC）的自動(dòng)化設(shè)計(jì)一直以來(lái)都被視為人工智能的一個(gè)基本挑戰(zhàn)，因?yàn)樗慕饪臻g和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度都比圍棋要大的多。在這里，我們開(kāi)發(fā)了一種新型的人工智能體(稱為關(guān)系歸納神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))，它可以實(shí)現(xiàn)微波集成電路的自動(dòng)化設(shè)計(jì)，避免暴力計(jì)算每一個(gè)可能的解決方案，這是電子領(lǐng)域的一個(gè)重大突破。通過(guò)對(duì)微波傳輸線電路、濾波電路和天線電路設(shè)計(jì)任務(wù)的實(shí)驗(yàn)，分別得出了具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的結(jié)果。與傳統(tǒng)的強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法相比，該學(xué)習(xí)曲線表明，該人工智能體能夠快速收斂到符合要求的集成電路模型，斂速度可達(dá)4個(gè)數(shù)量級(jí)。這項(xiàng)研究首次展示了一個(gè)智能體在沒(méi)有任何人類(lèi)先驗(yàn)知識(shí)的情況下，通過(guò)訓(xùn)練或?qū)W習(xí)，自動(dòng)歸納微波集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。值得注意的是，智能體自行歸納和總結(jié)的規(guī)律在電路的結(jié)構(gòu)原理和電磁場(chǎng)原理等方面是可解釋的。。我們的工作跨越了人工智能和集成電路之間的鴻溝，未來(lái)可以擴(kuò)展到機(jī)械波、力學(xué)和其他相關(guān)領(lǐng)域。

看點(diǎn)

02

來(lái)看看AI是怎么設(shè)計(jì)集成電路的

微波集成電路是人類(lèi)工程師的智力勞動(dòng)，是智慧、經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)碰撞出的火花。對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題進(jìn)而尋找最優(yōu)解決方案，這個(gè)過(guò)程是及其繁瑣枯燥的，更重要的是受限于人類(lèi)生理結(jié)構(gòu)，即使焦頭爛額地使忙于各種方案分析、設(shè)計(jì)、優(yōu)化也沒(méi)辦法達(dá)到最優(yōu)解決方案。如何使人類(lèi)工程師徹底擺脫這項(xiàng)繁瑣的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作是一項(xiàng)非常有意義的挑戰(zhàn)。

目前，研究者都是人為抽象出電路的參數(shù)，再基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)優(yōu)化這些參數(shù)。但是這樣的方法存在兩個(gè)問(wèn)題：首先人為抽象的參數(shù)是一項(xiàng)耗時(shí)、費(fèi)力的工作，且抽象出的參數(shù)還有可能不夠準(zhǔn)確，掩蓋電路的一些重要特征；其次，使用人為抽象的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化會(huì)大大限制機(jī)器的想象力和探索空間，最終得到的結(jié)果往往很難超越人類(lèi)的水平。

近年來(lái)，人工智能在數(shù)據(jù)挖掘、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、自然語(yǔ)言處理等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域取得了成功。作為AI的一個(gè)子領(lǐng)域，基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)已逐漸從單純的學(xué)術(shù)研究轉(zhuǎn)向應(yīng)用，如經(jīng)典視頻游戲、棋盤(pán)游戲、機(jī)器翻譯和藥物設(shè)計(jì)。然而，人工智能與集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的結(jié)合仍然是一個(gè)空白。由于集成電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，求解空間大，需要大量的數(shù)據(jù)來(lái)學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)決策過(guò)程，傳統(tǒng)的強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法難以收斂。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)稱為關(guān)系歸納神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，它可以快速有效地學(xué)習(xí)集成電路內(nèi)部數(shù)據(jù)之間的規(guī)律，從而達(dá)到設(shè)計(jì)任意復(fù)雜集成電路的目的。更具體地說(shuō)，集成電路形狀被定義為一組參數(shù)化網(wǎng)格，當(dāng)每個(gè)網(wǎng)格發(fā)生變化時(shí)，由標(biāo)準(zhǔn)的CAE軟件包（如ADS或ANSYS EM）計(jì)算出結(jié)果，然后，使用聚類(lèi)算法對(duì)這些結(jié)果的變化進(jìn)行分類(lèi)，最后交由強(qiáng)化學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行決策。

看點(diǎn)

03

集成電路AI背后的算法

AI學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)集成電路，靠的是什么手段？答案是，一個(gè)基于聚類(lèi)和異步的優(yōu)勢(shì)行動(dòng)者評(píng)論家算法模型。

圖 1 | 關(guān)系歸納神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu). a, 聚類(lèi)算法的數(shù)據(jù)集，即網(wǎng)格模型的S參數(shù)變化矩陣。B，聚類(lèi)算法。C、網(wǎng)格化的模型和S參數(shù)矩陣訓(xùn)練深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型。d，以c為輸入，以動(dòng)作的概率向量π和價(jià)值標(biāo)量v為輸出的深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型。

基于關(guān)系歸納神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的微波集成電路模型設(shè)計(jì)框架如圖1所示，其包含兩部分：聚類(lèi)算法（圖1b）和強(qiáng)化學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（圖1d）。在本框架中，聚類(lèi)算法用來(lái)對(duì)網(wǎng)格化的集成電路的設(shè)計(jì)動(dòng)作進(jìn)行劃分，即對(duì)集成電路的多個(gè)設(shè)計(jì)動(dòng)作聚成幾個(gè)典型的動(dòng)作類(lèi)，類(lèi)似于經(jīng)驗(yàn)豐富的集成電路模型設(shè)計(jì)師對(duì)模型的參數(shù)化設(shè)置；強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型(采用A3C算法)基于聚類(lèi)算法劃分的典型動(dòng)作簇作為策略網(wǎng)絡(luò)輸出的動(dòng)作類(lèi)別，預(yù)測(cè)當(dāng)前集成電路模型的設(shè)計(jì)動(dòng)作，然后再由價(jià)值網(wǎng)絡(luò)評(píng)估該設(shè)計(jì)動(dòng)作的好壞，以找出最優(yōu)策略，從而達(dá)到自動(dòng)設(shè)計(jì)微波集成電路的技術(shù)功效。

看點(diǎn)

04

最后看下：

人類(lèi)的設(shè)計(jì)和AI的設(shè)計(jì)有何區(qū)別吧！

通過(guò)對(duì)人類(lèi)工程師設(shè)計(jì)的集成電路模型與AI設(shè)計(jì)的集成電路模型的對(duì)比（見(jiàn)圖2），可以看出人類(lèi)工程師設(shè)計(jì)的集成電路是規(guī)則的，其參數(shù)數(shù)量是有限的。AI設(shè)計(jì)的電路是不規(guī)則的，參數(shù)多，自由度高，形狀更趨近于自然形成。實(shí)際上，AI能夠?qū)W習(xí)抽象出影響電路性能的關(guān)鍵參數(shù)，并掌握各種各樣的設(shè)計(jì)任務(wù)。因此，AI僅接收網(wǎng)格化電路模型和S參數(shù)矩陣作為其輸入就能夠達(dá)到與專業(yè)工程師相當(dāng)?shù)乃健?/p>

圖2人類(lèi)設(shè)計(jì)的集成電路與AI設(shè)計(jì)的集成電路