Chips de IA

Diseño full-custom para chips de IA.

Un chip de IA gasta su energía y su área en unos pocos circuitos que se repiten muchísimas veces, y ahí es donde el diseño full-custom aporta más. Con cuenta directa en TSMC, ofrecemos celdas a medida, caracterización de bibliotecas, netlists manuales, árboles de reloj a medida y colocación y enrutado manuales para chips de inferencia, entrenamiento, grandes modelos, borde y visión de IA.

Proceso
Cuenta directa de TSMC; autorización de diseño FinFET de 7 nm; diseño full-custom de chips de IA en 6 nm
Técnicas full-custom
Celdas a medida, caracterización y recaracterización de bibliotecas, netlists manuales, colocación y enrutado manuales, árboles de reloj a medida
Bloques de cómputo
Matrices MAC, multiplicadores, árboles de sumadores y registros de pipeline
Formas de colaborar
Evaluación técnica, plan de optimización, consultoría de diseño y diseño full-custom

Tipos de chips de IA

Los chips de IA a los que pueden servir las técnicas full-custom.

El núcleo de cómputo de cada uno de estos chips tiene estructuras grandes, regulares y repetitivas, y ahí es donde el diseño full-custom aporta más.

  • Chips de inferencia de IA

    Ejecutan modelos entrenados y responden a solicitudes, en la nube o en dispositivos. A los compradores les importan sobre todo el costo, la potencia y la latencia por solicitud.

    Ver colocación y enrutado manuales
    • Energía por inferencia
    • Ancho de banda de memoria
    • Eficiencia de área de la matriz MAC
  • Chips de entrenamiento de IA

    Ajustan los pesos de los modelos a partir de datos, normalmente en grandes clústeres. La interconexión y la memoria importan tanto como el cómputo.

    Ver el diseño full-custom
    • Núcleos tensoriales de coma flotante eficientes
    • Memoria de gran ancho de banda y enlaces entre chips
    • Potencia a nivel de rack
  • Chips de inferencia de grandes modelos de lenguaje

    Generan tokens uno a uno para modelos Transformer. El trabajo se divide en un prefill intensivo en cómputo y una decodificación limitada por la memoria.

    Ver las netlists manuales
    • Energía y costo por token
    • Ancho de banda de memoria para la caché KV
    • Tiempo hasta el primer token
  • Chips de IA en el borde y en el dispositivo

    Ejecutan modelos dentro de dispositivos o pasarelas, y cada vez más ejecutan grandes modelos locales.

    Ver la caracterización de bibliotecas
    • Un presupuesto de potencia estricto
    • Ancho de banda LPDDR
    • Costo de la lista de materiales
  • Chips NPU

    Una unidad de procesamiento neuronal es un bloque o un chip creado para la aritmética de redes neuronales. Hoy es estándar en los procesadores de teléfonos y PC.

    Ver colocación y enrutado manuales
    • Eficiencia energética de la matriz MAC
    • Límites térmicos sostenidos
    • Adecuación a la pila de software
  • Chips de IA de visión

    Combinan procesamiento de imagen, codificación de video y una NPU para cámaras y dispositivos de visión. Los chips más recientes ejecutan Transformers junto a CNN.

    Ver la caracterización de bibliotecas
    • Potencia por flujo de video
    • Calor en carcasas selladas
    • Costo
  • ASIC de IA a medida para la nube (XPU)

    Aceleradores de IA que los proveedores de nube especifican para sus propias cargas de trabajo.

    Ver el diseño full-custom
    • Núcleos tensoriales eficientes
    • Memoria de gran ancho de banda
    • Calendario de desarrollo
  • Chips para PC con IA y teléfonos con IA

    La NPU, la GPU y la CPU se reparten el trabajo de los modelos, y estos chips llegan a los consumidores en volúmenes muy grandes.

    Ver la caracterización de bibliotecas
    • Rendimiento sostenido y calor
    • Duración de la batería
    • Ancho de banda LPDDR
  • Chips para automoción y robótica

    Se encargan de la percepción y la planificación con requisitos de tiempo real y de seguridad. Los robots humanoides y los drones trabajan con una potencia más ajustada.

    Ver el diseño full-custom
    • Seguridad funcional
    • Calor
    • Interfaces de sensores
  • Chips para gafas con IA y dispositivos vestibles

    Chips de muy baja potencia para baterías pequeñas, a menudo acompañados de un coprocesador siempre activo.

    Ver la caracterización de bibliotecas
    • Potencia en modo siempre activo
    • Calor en la montura
    • Costo de la lista de materiales
  • Chips de IA de voz

    Procesadores siempre activos para palabras de activación, comandos de voz y reducción de ruido.

    Ver la caracterización de bibliotecas
    • Potencia en espera
    • Costo
    • Tamaño del modelo
  • Chips de computación en memoria

    Calculan dentro de las matrices de memoria o junto a ellas para reducir el movimiento de datos, en formas digitales y analógicas.

    Ver las celdas a medida
    • Árboles de sumadores y celdas de bit
    • Capacidad para grandes modelos
    • Soporte de software

Cómo se aplican las técnicas full-custom a los chips de IA

Cada técnica de nuestra metodología tiene su lugar en un chip de IA.

El núcleo de cómputo de un chip de IA repite registro, lógica combinacional, registro. Conmuta con frecuencia y tiene una estructura regular, lo que se adapta bien al diseño full-custom.

  1. Celdas a medida

    Registros, latches, sumadores completos y celdas compresoras diseñados para la matriz MAC y el pipeline. Cuantos más registros, mayor es la ganancia de las celdas secuenciales a medida.

  2. Celdas secuenciales multibit y dinámicas

    Los registros multibit comparten un pin de reloj entre varios bits para reducir la potencia de reloj, y la arquitectura decide entre celdas estáticas o dinámicas, y entre flip-flops o latches.

  3. Caracterización y recaracterización de bibliotecas

    Las celdas a medida se caracterizan y las bibliotecas se amplían a la tensión real de funcionamiento, con modelos que pasan el sign-off junto con las celdas de la fundición.

  4. Netlists manuales

    Los multiplicadores, árboles de sumadores y etapas de pipeline del RTL se asignan a celdas a medida, con una nomenclatura regular para los scripts y la colocación.

  5. Colocación y enrutado manuales

    Una matriz MAC se coloca en bit-slices regulares, lo que acorta los cables y reduce el área. Cuanto mayor es la matriz, mayor es la ganancia.

  6. Árboles de reloj a medida

    Distribución de reloj diseñada para una matriz regular, que controla el skew y la potencia de reloj.

  7. Diseño de baja tensión

    La potencia dinámica sigue el cuadrado de la tensión. El diseño full-custom permite que un núcleo de cómputo funcione a menor tensión, lo que aumenta el cómputo por vatio.

  8. Celdas de umbral mixto

    Con la colocación manual, una misma celda puede combinar tipos de tensión umbral, para una optimización profunda de las rutas críticas y de la potencia.

  9. Distribución de alimentación y caída IR

    La red de alimentación para el cómputo denso se diseña junto con la colocación, con análisis de caída IR estática y dinámica.

Planes técnicos

Planes técnicos full-custom para NPU.

A partir de nuestro trabajo full-custom de NPU para el procesador de IA de un importante cliente de IA, sin los datos del cliente.

  1. Dos niveles de personalización

    La personalización ligera usa una biblioteca de celdas a medida con síntesis y colocación y enrutado automatizados. La personalización profunda construye bloques con celdas a medida, para una ganancia mayor y un sign-off más independiente.

  2. Personalización de la matriz MAC

    Diseño a medida a nivel de bloque de multiplicadores de coma fija como INT8, árboles de sumadores y registros de pipeline. Cuanto mayor es la matriz MAC, más compensa la personalización.

  3. Evaluación frente a una referencia

    Con las celdas estándar y la colocación y el enrutado automatizados como referencia, se evalúan el área, la potencia y la velocidad de cada técnica: celdas a medida, netlists manuales, árboles de reloj manuales y colocación y enrutado manuales.

  4. Elección de celdas secuenciales

    Flip-flops dinámicos, latches dinámicos o celdas estáticas, elegidos según la arquitectura y el esquema de reloj. Un diseño con latches puede usar relojes trifásicos sin solapamiento.

  5. Sign-off a nivel de bloque

    Los bloques a medida pasan su propio sign-off, y el análisis estático de temporización de nivel superior lee los modelos de los bloques, en sintonía con el flujo digital de back-end.

  6. Prueba del núcleo de cómputo

    Un núcleo de cómputo puede incluir una prueba funcional integrada, con vectores funcionales que comprueban sus resultados.

  7. Trabajo con el front-end

    Jerarquía de RTL y flujo de datos claros, y datos de celda precisos para la simulación de potencia.

  8. Objetivos de baja tensión

    Caracterización o recaracterización de bibliotecas a la tensión objetivo, con simulación de circuitos que calibra los modelos de temporización y potencia de las celdas a medida.

  9. Entregables

    Un documento del flujo full-custom e informes sobre celdas a medida, netlists a nivel de puerta y colocación y enrutado.

Formas de colaborar

Cuatro etapas, paso a paso.

  1. Evaluación técnica

    Usted envía sus preguntas técnicas; nosotros respondemos en detalle y valoramos la conveniencia del diseño full-custom.

  2. Plan de optimización

    Analizamos su diseño y proponemos orientaciones, planes técnicos y la mejora de PPA prevista.

  3. Consultoría de diseño

    Orientación sobre el flujo, revisiones de diseño y apoyo a la implementación para su equipo.

  4. Diseño full-custom

    El servicio de diseño completo, del diseño optimizado al tape-out, con entrega de todos los datos de diseño.

Tecnologías destacadas en los chips de IA

Matriz MAC
Matriz de cómputo formada por muchas unidades de multiplicación y acumulación, en el corazón de las NPU y los chips de inferencia.
HBM (memoria de gran ancho de banda)
DRAM apilada que se encapsula con el procesador. Los productos actuales usan HBM3E y HBM4, y HBM4E es la siguiente.
CoWoS y encapsulado 2.5D
Encapsulado avanzado que une un procesador y HBM sobre un interposer. Su capacidad condiciona el suministro de chips de IA de gama alta.
Apilado 3D y unión híbrida
Dados apilados verticalmente y unidos mediante unión híbrida (hybrid bonding), para acortar la interconexión.
Chiplets y UCIe
Un chip grande dividido en varios dados. UCIe es un estándar abierto para conectarlos.
Óptica coencapsulada (CPO)
Motores ópticos encapsulados junto a un chip de conmutación o de cómputo, para reducir la potencia de los enlaces de largo alcance.
Computación en memoria
Cálculo dentro de las matrices de memoria o junto a ellas para reducir el movimiento de datos.
Cuantización de baja precisión
Pesos y activaciones almacenados en menos bits, como INT8, INT4, FP8 o FP4, para reducir el costo de los multiplicadores y la memoria.
Aceleración de Transformer
Rutas de datos optimizadas para la atención y la aritmética matricial.
Caché KV y costo por token
La caché KV de la inferencia de grandes modelos crece con la longitud del contexto, y el costo por token se ha convertido en una medida clave de los chips de inferencia.
SRAM de gran capacidad
Pesos del modelo o contexto almacenados en el chip, para reducir la energía de acceso y la latencia.
Red en chip (NoC)
La interconexión dentro del chip entre las unidades de cómputo y la memoria.
RISC-V para IA
Procesadores y aceleradores de IA basados en este conjunto de instrucciones abierto.
Diseño de baja tensión y cercano al umbral
Un núcleo de cómputo que funciona cerca de la tensión umbral del transistor para ganar eficiencia energética. El diseño de baja tensión se apoya en modelos de biblioteca precisos.
Alimentación por la cara posterior
La red de alimentación se traslada a la parte posterior de la oblea, para reducir la caída IR.
GAA y 2 nm
Transistores de puerta envolvente (gate-all-around), que sustituyen a FinFET en la generación de 2 nm.

Aplicaciones

Aplicaciones de los chips de IA

  • Inferencia de grandes modelos
  • IA agéntica
  • IA generativa
  • Interacción por voz
  • Conducción autónoma
  • Robots humanoides e IA física
  • Drones
  • PC con IA
  • Teléfonos con IA
  • Gafas con IA
  • Cámaras inteligentes
  • Centros de datos
  • Servidores en el borde

Preguntas sobre los chips de IA

¿Qué diferencia hay entre los chips de inferencia y los de entrenamiento?

Los chips de entrenamiento ajustan los pesos de los modelos a partir de datos, por lo que importan sobre todo el cómputo de coma flotante, el ancho de banda de memoria y la interconexión de los clústeres. Los chips de inferencia ejecutan modelos entrenados, por lo que importan sobre todo el costo, la potencia y la latencia por solicitud.

¿En qué se diferencian los chips de inferencia de LLM de los chips de inferencia de IA?

Un chip de inferencia de LLM es un tipo de chip de inferencia de IA que genera tokens para modelos Transformer. Lo que más importa es el costo por token y el ancho de banda de memoria para la caché KV.

¿Qué es un chip de IA en el borde?

Un chip de IA en el borde o en el dispositivo ejecuta modelos dentro de un dispositivo, como un teléfono, un PC, unas gafas o una cámara, sin depender de la nube. Sus principales límites son el presupuesto de potencia, el ancho de banda LPDDR y el costo de la lista de materiales.

¿Qué es un chip NPU?

Una NPU es un procesador creado para la aritmética de redes neuronales, con una matriz MAC y memoria local en su núcleo. Puede ser un chip independiente o un bloque de un SoC.

¿Qué es un chip de computación en memoria?

Calcula dentro de las matrices de memoria o junto a ellas, lo que reduce los datos que se mueven entre la memoria y las unidades de cómputo. Existe en formas digitales y analógicas.

¿Qué partes de un chip de IA se adaptan al diseño full-custom?

Se adaptan mejor los bloques regulares que conmutan con frecuencia, como las matrices MAC, los multiplicadores, los árboles de sumadores y los registros de pipeline. La lógica de control y las interfaces siguen en un flujo de herramientas estándar.

¿Cómo ayudan a un chip de IA la caracterización de bibliotecas y la colocación y el enrutado manuales?

La caracterización de bibliotecas proporciona modelos precisos para las celdas a medida y las bibliotecas de baja tensión, y la colocación y el enrutado manuales hacen que una matriz MAC sea más regular y tenga cables más cortos. Juntos permiten que un núcleo de cómputo funcione a menor tensión.

¿Qué procesos admiten?

Tenemos cuenta directa en TSMC, y nuestro trabajo de diseño abarca FinFET en 16 nm, 12 nm, 7 nm y 6 nm.

¿Tiene un proyecto de chip de IA?

Indíquenos el modelo, el objetivo de cómputo, el presupuesto de potencia y el proceso objetivo, y le responderemos.