شرائح الذكاء الاصطناعي

تصميم مخصص بالكامل لشرائح الذكاء الاصطناعي.

تنفق شريحة الذكاء الاصطناعي طاقتها ومساحتها على دوائر قليلة تتكرر مرات كثيرة جدًا، وهنا يحقق التصميم المخصص بالكامل أكبر أثر. وبحسابنا المباشر لدى TSMC، نقدّم الخلايا المخصصة وتوصيف المكتبات وقوائم التوصيلات اليدوية وأشجار الساعة المخصصة والوضع والتوجيه اليدويين لشرائح الاستدلال والتدريب والنماذج الكبيرة والذكاء الاصطناعي الطرفي والرؤية.

عملية التصنيع
حساب مباشر لدى TSMC؛ وتصريح بتصميم 7 nm FinFET؛ وتصميم شرائح ذكاء اصطناعي مخصص بالكامل على 6 nm
تقنيات التصميم المخصص بالكامل
الخلايا المخصصة، وتوصيف المكتبات وإعادة توصيفها، وقوائم التوصيلات اليدوية، والوضع والتوجيه اليدويان، وأشجار الساعة المخصصة
كتل الحوسبة
مصفوفات MAC والمضاعِفات وأشجار الجمع ومسجلات خط الأنابيب
طرق التعاون
التقييم الفني، وخطة التحسين، والاستشارات التصميمية، والتصميم المخصص بالكامل

أنواع شرائح الذكاء الاصطناعي

شرائح الذكاء الاصطناعي التي يمكن أن تخدمها تقنيات التصميم المخصص بالكامل.

تضم نواة الحوسبة في كلٍّ من هذه الشرائح هياكل كبيرة ومنتظمة ومتكررة، وهنا يحقق التصميم المخصص بالكامل أكبر أثر.

  • شرائح استدلال الذكاء الاصطناعي

    تشغّل هذه الشرائح النماذج المدرَّبة وتجيب عن الطلبات، في السحابة أو في الأجهزة. وأكثر ما يهم المشترين التكلفة والطاقة وزمن الاستجابة لكل طلب.

    عرض الوضع والتوجيه اليدويين
    • الطاقة لكل عملية استدلال
    • عرض نطاق الذاكرة
    • كفاءة مساحة مصفوفة MAC
  • شرائح تدريب الذكاء الاصطناعي

    تضبط هذه الشرائح أوزان النماذج انطلاقًا من البيانات، وعادةً في عناقيد كبيرة. وتهم الوصلات البينية والذاكرة بقدر ما تهم الحوسبة.

    عرض التصميم المخصص بالكامل
    • أنوية موترات عالية الكفاءة بالفاصلة العائمة
    • ذاكرة عالية عرض النطاق ووصلات بين الشرائح
    • الطاقة على مستوى الخزانة
  • شرائح استدلال النماذج اللغوية الكبيرة

    تولّد هذه الشرائح الرموز (tokens) واحدًا تلو الآخر لنماذج Transformer. وينقسم العمل بين مرحلة prefill كثيفة الحوسبة ومرحلة decode المقيَّدة بالذاكرة.

    عرض قوائم التوصيلات اليدوية
    • الطاقة والتكلفة لكل رمز
    • عرض نطاق ذاكرة KV-cache
    • زمن الوصول إلى أول رمز
  • شرائح الذكاء الاصطناعي الطرفي وعلى الأجهزة

    تشغّل هذه الشرائح النماذج داخل الأجهزة أو البوابات الشبكية، وتشغّل على نحو متزايد نماذج كبيرة محلية.

    الاطلاع على توصيف المكتبات
    • ميزانية طاقة صارمة
    • عرض نطاق LPDDR
    • تكلفة قائمة المواد
  • شرائح NPU

    وحدة المعالجة العصبية كتلة أو شريحة مبنية للعمليات الحسابية في الشبكات العصبية. وقد أصبحت الآن عنصرًا قياسيًا في معالجات الهواتف والحواسيب الشخصية.

    عرض الوضع والتوجيه اليدويين
    • كفاءة الطاقة في مصفوفة MAC
    • الحدود الحرارية عند التشغيل المتواصل
    • الملاءمة مع حزمة البرمجيات
  • شرائح الرؤية بالذكاء الاصطناعي

    تجمع هذه الشرائح بين معالجة الصور وترميز الفيديو وNPU للكاميرات وأجهزة الرؤية. وتشغّل القطع الأحدث نماذج Transformer إلى جانب CNN.

    الاطلاع على توصيف المكتبات
    • الطاقة لكل تدفق فيديو
    • الحرارة داخل الهياكل المحكمة الإغلاق
    • التكلفة
  • دوائر ASIC مخصصة للذكاء الاصطناعي السحابي (XPU)

    مسرّعات ذكاء اصطناعي يحدد مزودو الخدمات السحابية مواصفاتها لأحمال عملهم الخاصة.

    عرض التصميم المخصص بالكامل
    • أنوية موترات عالية الكفاءة
    • ذاكرة عالية عرض النطاق
    • الجدول الزمني للتطوير
  • شرائح حواسيب وهواتف الذكاء الاصطناعي

    تتقاسم NPU وGPU وCPU عمل النموذج، وتصل هذه الشرائح إلى المستهلكين بأعداد كبيرة جدًا.

    الاطلاع على توصيف المكتبات
    • الأداء المتواصل والحرارة
    • عمر البطارية
    • عرض نطاق LPDDR
  • شرائح السيارات والروبوتات

    تتولى هذه الشرائح الإدراك والتخطيط وفق متطلبات الزمن الحقيقي والسلامة. وتعمل الروبوتات الشبيهة بالبشر والطائرات المسيّرة بطاقة أكثر محدودية.

    عرض التصميم المخصص بالكامل
    • السلامة الوظيفية
    • الحرارة
    • واجهات المستشعرات
  • شرائح نظارات الذكاء الاصطناعي والأجهزة القابلة للارتداء

    شرائح منخفضة الطاقة جدًا للبطاريات الصغيرة، وكثيرًا ما تقترن بمعالج مساعد دائم التشغيل.

    الاطلاع على توصيف المكتبات
    • طاقة التشغيل الدائم
    • الحرارة في الإطار
    • تكلفة قائمة المواد
  • شرائح الذكاء الاصطناعي الصوتي

    معالجات دائمة التشغيل لكلمات التنبيه والأوامر الصوتية وخفض الضوضاء.

    الاطلاع على توصيف المكتبات
    • طاقة وضع الاستعداد
    • التكلفة
    • حجم النموذج
  • شرائح الحوسبة داخل الذاكرة

    تجري هذه الشرائح الحوسبة داخل مصفوفات الذاكرة أو بجانبها لتقليل نقل البيانات، في صيغ رقمية وتناظرية.

    عرض الخلايا المخصصة
    • أشجار الجمع وخلايا البت
    • السعة اللازمة للنماذج الكبيرة
    • الدعم البرمجي

كيف تُطبَّق تقنيات التصميم المخصص بالكامل على شرائح الذكاء الاصطناعي

لكل تقنية في منهجيتنا مكان في شريحة الذكاء الاصطناعي.

تكرر نواة الحوسبة في شريحة الذكاء الاصطناعي نمط مسجِّل ثم منطق توافقي ثم مسجِّل. وهي كثيرة التبديل ومنتظمة البنية، وهذا ما يناسب التصميم المخصص بالكامل.

  1. الخلايا المخصصة

    مسجلات وماسكات ودوائر جمع كاملة وخلايا ضغط مصممة لمصفوفة MAC وخط الأنابيب. وكلما زادت المسجلات، زاد المكسب من الخلايا التتابعية المخصصة.

  2. الخلايا التتابعية متعددة البتات والديناميكية

    تتشارك المسجلات متعددة البتات طرف ساعة واحدًا عبر عدة بتات لخفض طاقة الساعة، وتحدد المعمارية الاختيار بين الخلايا الساكنة والديناميكية، وبين القلّابات والماسكات.

  3. توصيف المكتبات وإعادة توصيفها

    تُوصَّف الخلايا المخصصة وتُوسَّع المكتبات لتشمل جهد التشغيل الفعلي، بنماذج تُعتمد مع خلايا المسبك.

  4. قوائم التوصيلات اليدوية

    تُحوَّل المضاعِفات وأشجار الجمع ومراحل خط الأنابيب في RTL إلى خلايا مخصصة، بتسمية منتظمة تخدم النصوص البرمجية ووضع الخلايا.

  5. الوضع والتوجيه اليدويان

    تُوضع مصفوفة MAC في مقاطع بت منتظمة، فتقصر الوصلات وتقل المساحة. وكلما كبرت المصفوفة، زاد المكسب.

  6. أشجار الساعة المخصصة

    توزيع للساعة مصمم لمصفوفة منتظمة، يضبط skew وطاقة الساعة.

  7. التصميم بالجهد المنخفض

    تتناسب الطاقة الديناميكية مع مربع الجهد. ويتيح التصميم المخصص بالكامل لنواة الحوسبة العمل بجهد أقل، فترتفع الحوسبة لكل واط.

  8. الخلايا مختلطة العتبات

    مع الوضع اليدوي، يمكن للخلية الواحدة أن تمزج أنواعًا من جهد العتبة، لتحسين عميق للمسارات الحرجة والطاقة.

  9. توصيل الطاقة وهبوط الجهد IR

    تُصمَّم شبكة الطاقة للحوسبة الكثيفة بالتوازي مع وضع الخلايا، مع تحليل هبوط الجهد IR الساكن والديناميكي.

الخطط الفنية

خطط فنية للتصميم المخصص بالكامل لوحدات NPU.

مستمدة من أعمالنا في تصميم NPU مخصص بالكامل لمعالج ذكاء اصطناعي لدى أحد كبار العملاء في هذا المجال، بعد حذف تفاصيل العميل.

  1. مستويان من التخصيص

    يستخدم التخصيص الخفيف مكتبة خلايا مخصصة مع التركيب والوضع والتوجيه الآليين. أما التخصيص العميق فيبني الكتل من خلايا مخصصة، لمكسب أكبر واعتماد أكثر استقلالية.

  2. تخصيص مصفوفة MAC

    تصميم مخصص على مستوى الكتلة للمضاعِفات ذات الفاصلة الثابتة مثل INT8، وأشجار الجمع، ومسجلات خط الأنابيب. وكلما كبرت مصفوفة MAC، زادت جدوى التخصيص.

  3. التقييم مقارنةً بخط أساس

    باعتماد الخلايا القياسية والوضع والتوجيه الآليين خط أساس، يُقيَّم كلٌّ من الخلايا المخصصة وقوائم التوصيلات اليدوية وأشجار الساعة اليدوية والوضع والتوجيه اليدويين من حيث المساحة والطاقة والسرعة.

  4. اختيار الخلايا التتابعية

    قلّابات ديناميكية أو ماسكات ديناميكية أو خلايا ساكنة، تُختار بحسب المعمارية ومخطط الساعة. ويمكن لتصميم قائم على الماسكات أن يستخدم ساعات ثلاثية الطور غير متداخلة.

  5. الاعتماد على مستوى الكتلة

    تُعتمد الكتل المخصصة بصورة مستقلة، ويقرأ تحليل التوقيت الساكن على المستوى الأعلى نماذج الكتل، بالتوافق مع مسار التصميم الخلفي الرقمي.

  6. اختبار نواة الحوسبة

    يمكن أن تتضمن نواة الحوسبة اختبارًا وظيفيًا مدمجًا، بمتجهات وظيفية تتحقق من نتائجها.

  7. العمل مع الواجهة الأمامية

    هرمية واضحة في RTL وتدفق بيانات واضح، وبيانات خلايا دقيقة لمحاكاة الطاقة.

  8. أهداف الجهد المنخفض

    توصيف المكتبات أو إعادة توصيفها عند الجهد المستهدف، مع معايرة نماذج التوقيت والطاقة للخلايا المخصصة بمحاكاة الدوائر.

  9. المخرجات

    وثيقة لمسار التصميم المخصص بالكامل، وتقارير عن الخلايا المخصصة وقوائم التوصيلات على مستوى البوابات والوضع والتوجيه.

طرق التعاون

أربع مراحل، خطوة في كل مرة.

  1. التقييم الفني

    ترسلون أسئلتكم الفنية، فنجيب عنها بالتفصيل ونقيّم جدوى التصميم المخصص بالكامل.

  2. خطة التحسين

    نحلل تصميمكم ونقترح الاتجاهات والخطط الفنية والتحسن المتوقع في PPA.

  3. الاستشارات التصميمية

    إرشادات حول المسار، ومراجعات للتصميم، ودعم في التنفيذ لفريقكم.

  4. التصميم المخصص بالكامل

    خدمة التصميم الكاملة من التصميم المحسَّن إلى الإرسال للتصنيع، مع تسليم بيانات التصميم كاملة.

التقنيات الرائجة في شرائح الذكاء الاصطناعي

مصفوفة MAC
مصفوفة حوسبة من وحدات كثيرة للضرب والتجميع، وهي في صميم وحدات NPU وشرائح الاستدلال.
HBM (الذاكرة ذات عرض النطاق العالي)
ذاكرة DRAM مكدّسة تُغلَّف مع المعالج. وتستخدم المنتجات الحالية HBM3E وHBM4، ويليها HBM4E.
CoWoS والتغليف 2.5D
تغليف متقدم يجمع المعالج وHBM على طبقة وسيطة. وتؤثر سعته في توريد شرائح الذكاء الاصطناعي من الفئة العليا.
التكديس 3D والربط الهجين
شرائح مكدّسة رأسيًا ومتصلة بالربط الهجين، لتقصير الوصلات البينية.
الشرائح الصغيرة (Chiplet) وUCIe
شريحة كبيرة مقسَّمة إلى عدة شرائح أصغر. وUCIe معيار مفتوح لتوصيلها.
البصريات المغلّفة معًا (CPO)
محركات بصرية تُغلَّف بجانب شريحة تبديل أو حوسبة، لخفض طاقة الوصلات بعيدة المدى.
الحوسبة داخل الذاكرة
إجراء الحوسبة داخل مصفوفات الذاكرة أو بجانبها لتقليل نقل البيانات.
التكميم منخفض الدقة
تمثيل الأوزان وقيم التفعيل بعدد أقل من البتات، مثل INT8 أو INT4 أو FP8 أو FP4، لخفض تكلفة المضاعِفات والذاكرة.
تسريع Transformer
مسارات بيانات محسَّنة لعمليات الانتباه (attention) والعمليات الحسابية على المصفوفات.
ذاكرة KV-cache والتكلفة لكل رمز
تكبر ذاكرة KV-cache في استدلال النماذج الكبيرة مع طول السياق، وأصبحت التكلفة لكل رمز مقياسًا أساسيًا لشرائح الاستدلال.
ذاكرة SRAM الكبيرة
تخزين أوزان النموذج أو السياق داخل الشريحة، لخفض طاقة الوصول وزمنه.
الشبكة داخل الشريحة (NoC)
الوصلات البينية داخل الشريحة بين وحدات الحوسبة والذاكرة.
RISC-V للذكاء الاصطناعي
معالجات ومسرّعات ذكاء اصطناعي قائمة على مجموعة التعليمات المفتوحة.
التصميم بالجهد المنخفض وقرب جهد العتبة
تشغيل نواة الحوسبة قريبًا من جهد عتبة الترانزستور لتحقيق كفاءة الطاقة. ويعتمد التصميم بالجهد المنخفض على نماذج مكتبات دقيقة.
توصيل الطاقة من الخلف
نقل شبكة الطاقة إلى ظهر الرقاقة، لخفض هبوط الجهد IR.
GAA و2 nm
ترانزستورات البوابة المحيطة بالقناة من جميع الجهات، التي تحل محل FinFET في جيل 2 nm.

التطبيقات

تطبيقات شرائح الذكاء الاصطناعي

  • استدلال النماذج الكبيرة
  • الذكاء الاصطناعي الوكيلي
  • الذكاء الاصطناعي التوليدي
  • التفاعل الصوتي
  • القيادة الذاتية
  • الروبوتات الشبيهة بالبشر والذكاء الاصطناعي المادي
  • الطائرات المسيّرة
  • حواسيب الذكاء الاصطناعي
  • هواتف الذكاء الاصطناعي
  • نظارات الذكاء الاصطناعي
  • الكاميرات الذكية
  • مراكز البيانات
  • الخوادم الطرفية

أسئلة عن شرائح الذكاء الاصطناعي

ما الفرق بين شرائح الاستدلال وشرائح التدريب؟

تضبط شرائح التدريب أوزان النماذج انطلاقًا من البيانات، ولذلك فأكثر ما يهم فيها الحوسبة بالفاصلة العائمة وعرض نطاق الذاكرة والوصلات بين العناقيد. أما شرائح الاستدلال فتشغّل النماذج المدرَّبة، ولذلك فأكثر ما يهم فيها التكلفة والطاقة وزمن الاستجابة لكل طلب.

كيف تختلف شرائح استدلال LLM عن شرائح استدلال الذكاء الاصطناعي؟

شريحة استدلال LLM نوع من شرائح استدلال الذكاء الاصطناعي تولّد الرموز لنماذج Transformer. وأكثر ما يهم فيها التكلفة لكل رمز وعرض نطاق ذاكرة KV-cache.

ما شريحة الذكاء الاصطناعي الطرفي؟

شريحة الذكاء الاصطناعي الطرفي أو على الجهاز تشغّل النماذج داخل جهاز مثل الهاتف أو الحاسوب الشخصي أو النظارات أو الكاميرا، دون الاعتماد على السحابة. وأهم حدودها ميزانية الطاقة وعرض نطاق LPDDR وتكلفة قائمة المواد.

ما شريحة NPU؟

NPU معالج مبني للعمليات الحسابية في الشبكات العصبية، وفي صميمه مصفوفة MAC وذاكرة محلية. وقد يكون شريحة منفصلة أو كتلة داخل SoC.

ما شريحة الحوسبة داخل الذاكرة؟

تجري الحوسبة داخل مصفوفات الذاكرة أو بجانبها، فتقلل البيانات المنقولة بين الذاكرة ووحدات الحوسبة. وتأتي في صيغ رقمية وتناظرية.

ما أجزاء شريحة الذكاء الاصطناعي التي تناسب التصميم المخصص بالكامل؟

أنسبها الكتل المنتظمة كثيرة التبديل، مثل مصفوفات MAC والمضاعِفات وأشجار الجمع ومسجلات خط الأنابيب. أما منطق التحكم والواجهات فيبقيان في مسار أدوات قياسي.

كيف يفيد توصيف المكتبات والوضع والتوجيه اليدويان شريحة الذكاء الاصطناعي؟

يمنح توصيف المكتبات الخلايا المخصصة ومكتبات الجهد المنخفض نماذج دقيقة، ويجعل الوضع والتوجيه اليدويان مصفوفة MAC أكثر انتظامًا بوصلات أقصر. ويتيحان معًا لنواة الحوسبة العمل بجهد أقل.

ما عمليات التصنيع التي تدعمونها؟

لدينا حساب مباشر لدى TSMC، وتشمل أعمالنا في التصميم FinFET على 16 nm و12 nm و7 nm و6 nm.

هل لديكم مشروع شريحة ذكاء اصطناعي؟

أخبرونا بالنموذج وهدف الحوسبة وميزانية الطاقة وعملية التصنيع المستهدفة، وسنرد عليكم.