Tekoälypiirit

Full-custom-suunnittelu tekoälypiireille.

Tekoälypiiri käyttää energiansa ja pinta-alansa muutamaan kytkentään, jotka toistuvat hyvin monta kertaa, ja juuri siellä full-custom-suunnittelusta on eniten hyötyä. TSMC Direct Account -asiakkaana tarjoamme räätälöityjä soluja, kirjaston karakterisointia, käsin laadittuja netlistoja, räätälöityjä kellopuita sekä manuaalista sijoittelua ja reititystä tekoälyn päättely-, koulutus-, suurten mallien, reuna- ja konenäköpiireille.

Prosessi
TSMC Direct Account -asiakas; lupa 7 nm:n FinFET-suunnitteluun; 6 nm:n full-custom-tekoälypiirisuunnittelu
Full-custom-tekniikat
Räätälöidyt solut, kirjaston karakterisointi ja uudelleenkarakterisointi, käsin laaditut netlistat, manuaalinen sijoittelu ja reititys, räätälöidyt kellopuut
Laskentalohkot
MAC-matriisit, kertojat, summainpuut ja liukuhihnarekisterit
Yhteistyön muodot
Tekninen arviointi, optimointisuunnitelma, suunnittelukonsultointi ja full-custom-suunnittelu

Tekoälypiirityypit

Tekoälypiirit, joita full-custom-tekniikat voivat palvella.

Kaikkien näiden piirien laskentaytimessä on suuria, säännöllisiä ja toistuvia rakenteita, ja juuri niissä full-custom-suunnittelusta on eniten hyötyä.

  • Tekoälyn päättelypiirit

    Nämä piirit ajavat koulutettuja malleja ja vastaavat pyyntöihin pilvessä tai laitteissa. Ostajille tärkeintä ovat pyyntökohtainen kustannus, teho ja viive.

    Manuaalinen sijoittelu ja reititys
    • Energia päättelyä kohden
    • Muistikaista
    • MAC-matriisin pinta-alatehokkuus
  • Tekoälyn koulutuspiirit

    Nämä piirit sovittavat mallin painot datasta, yleensä suurissa klustereissa. Yhteydet ja muisti ovat yhtä tärkeitä kuin laskenta.

    Full-custom-suunnittelu
    • Tehokkaat liukulukutensoriytimet
    • Suurikaistainen muisti ja piirien väliset yhteydet
    • Teho räkkitasolla
  • Suurten kielimallien päättelypiirit

    Nämä piirit tuottavat transformer-malleille tokeneita yksi kerrallaan. Työ jakautuu laskentaintensiiviseen prefill-vaiheeseen ja muistin rajoittamaan decode-vaiheeseen.

    Käsin laaditut netlistat
    • Energia ja kustannus tokenia kohden
    • KV-välimuistin muistikaista
    • Aika ensimmäiseen tokeniin
  • Reuna- ja laitetekoälypiirit

    Nämä piirit ajavat malleja laitteiden tai yhdyskäytävien sisällä ja yhä useammin myös suuria malleja paikallisesti.

    Kirjaston karakterisointi
    • Tiukka tehobudjetti
    • LPDDR-kaista
    • Materiaalikustannus
  • NPU-piirit

    Neuroverkkoprosessori on neuroverkkojen laskutoimituksiin rakennettu lohko tai piiri. Se on nykyään vakiovaruste puhelinten ja tietokoneiden suorittimissa.

    Manuaalinen sijoittelu ja reititys
    • MAC-matriisin energiatehokkuus
    • Jatkuvan käytön lämpörajat
    • Yhteensopivuus ohjelmistopinon kanssa
  • Konenäön tekoälypiirit

    Nämä piirit yhdistävät kuvankäsittelyn, videokoodauksen ja NPU:n kameroihin ja konenäkölaitteisiin. Uudemmat piirit ajavat transformer-malleja CNN-mallien rinnalla.

    Kirjaston karakterisointi
    • Teho videovirtaa kohden
    • Lämpö suljetuissa koteloissa
    • Kustannus
  • Räätälöidyt pilven tekoäly-ASICit (XPU:t)

    Tekoälykiihdyttimet, jotka pilvipalvelujen tarjoajat määrittelevät omille työkuormilleen.

    Full-custom-suunnittelu
    • Tehokkaat tensoriytimet
    • Suurikaistainen muisti
    • Kehitysaikataulu
  • Tekoälytietokoneiden ja -puhelinten piirit

    NPU, GPU ja CPU jakavat mallien laskennan, ja nämä piirit päätyvät kuluttajille erittäin suurina määrinä.

    Kirjaston karakterisointi
    • Jatkuva suorituskyky ja lämpö
    • Akun kesto
    • LPDDR-kaista
  • Autojen ja robotiikan piirit

    Nämä piirit huolehtivat havainnoinnista ja toiminnan suunnittelusta reaaliaika- ja turvallisuusvaatimusten mukaan. Humanoidirobotit ja droonit toimivat tiukemmalla tehobudjetilla.

    Full-custom-suunnittelu
    • Toiminnallinen turvallisuus
    • Lämpö
    • Anturiliitännät
  • Tekoälylasien ja puettavien laitteiden piirit

    Erittäin vähävirtaisia piirejä pienille akuille, usein aina päällä olevan apuprosessorin parina.

    Kirjaston karakterisointi
    • Aina päällä -tilan teho
    • Lämpö kehyksessä
    • Materiaalikustannus
  • Puheen tekoälypiirit

    Aina päällä olevat prosessorit herätesanoille, äänikomennoille ja kohinanvaimennukselle.

    Kirjaston karakterisointi
    • Valmiustilan teho
    • Kustannus
    • Mallin koko
  • Muistissa laskevat piirit

    Nämä piirit laskevat muistimatriisien sisällä tai vieressä datan siirron vähentämiseksi, digitaalisina ja analogisina toteutuksina.

    Räätälöidyt solut
    • Summainpuut ja bittisolut
    • Kapasiteetti suurille malleille
    • Ohjelmistotuki

Miten full-custom-tekniikat soveltuvat tekoälypiireihin

Menetelmämme jokaisella tekniikalla on paikkansa tekoälypiirissä.

Tekoälypiirin laskentaydin toistaa rakennetta rekisteri, kombinaatiologiikka, rekisteri. Se kytkeytyy usein ja on rakenteeltaan säännöllinen, mikä sopii full-custom-suunnitteluun.

  1. Räätälöidyt solut

    Rekisterit, salvat, kokosummaimet ja kompressorisolut suunnitellaan MAC-matriisia ja liukuhihnaa varten. Mitä enemmän rekistereitä, sitä enemmän räätälöidyistä sekventiaalisoluista hyötyy.

  2. Monibittiset ja dynaamiset sekventiaalisolut

    Monibittiset rekisterit jakavat yhden kellonastan useiden bittien kesken, mikä pienentää kellotehoa. Arkkitehtuuri ratkaisee valinnan staattisten ja dynaamisten solujen sekä kiikkujen ja salpojen välillä.

  3. Kirjaston karakterisointi ja uudelleenkarakterisointi

    Räätälöidyt solut karakterisoidaan ja kirjastot laajennetaan todelliseen käyttöjännitteeseen, ja mallit hyväksytään yhdessä sopimusvalmistajan solujen kanssa.

  4. Käsin laaditut netlistat

    RTL-kuvauksen kertojat, summainpuut ja liukuhihnavaiheet kuvataan räätälöidyille soluille, ja säännöllinen nimeäminen palvelee skriptejä ja sijoittelua.

  5. Manuaalinen sijoittelu ja reititys

    MAC-matriisi sijoitellaan säännöllisinä bittiviipaleina, mikä lyhentää johtimia ja pienentää pinta-alaa. Mitä suurempi matriisi, sitä suurempi hyöty.

  6. Räätälöidyt kellopuut

    Säännölliselle matriisille suunniteltu kellonjako, joka hallitsee skew'ta ja kellotehoa.

  7. Matalan jännitteen suunnittelu

    Dynaaminen teho seuraa jännitteen neliötä. Full-custom-suunnittelun ansiosta laskentaydin voi toimia matalammalla jännitteellä, mikä kasvattaa laskentaa wattia kohden.

  8. Sekakynnyssolut

    Käsin tehdyssä sijoittelussa yksi solu voi yhdistää eri kynnystyyppejä, mikä mahdollistaa kriittisten polkujen ja tehon syvän optimoinnin.

  9. Tehonsyöttö ja IR-pudotus

    Tiheän laskennan tehoverkko suunnitellaan yhdessä sijoittelun kanssa, ja staattinen ja dynaaminen IR-pudotus analysoidaan.

Tekniset suunnitelmat

Tekniset full-custom-suunnitelmat NPU-piireille.

Johtavan tekoälyalan asiakkaan tekoälyprosessorille tekemästämme full-custom-NPU-työstä, ilman asiakkaan tietoja.

  1. Kaksi räätälöinnin syvyyttä

    Kevyt räätälöinti käyttää räätälöityä solukirjastoa, synteesiä sekä automaattista sijoittelua ja reititystä. Syvä räätälöinti rakentaa lohkot räätälöidyistä soluista, mikä tuo suuremman hyödyn ja itsenäisemmän hyväksynnän.

  2. MAC-matriisin räätälöinti

    Kiinteän pilkun kertojien, kuten INT8, summainpuiden ja liukuhihnarekisterien lohkotason räätälöity suunnittelu. Mitä suurempi MAC-matriisi, sitä enemmän räätälöinti kannattaa.

  3. Arviointi vertailukohtaa vasten

    Vertailukohtana ovat standardisolut sekä automaattinen sijoittelu ja reititys. Räätälöidyt solut, käsin laaditut netlistat, käsin tehdyt kellopuut sekä manuaalinen sijoittelu ja reititys arvioidaan kukin pinta-alan, tehon ja nopeuden osalta.

  4. Sekventiaalisolujen valinta

    Dynaamiset kiikut, dynaamiset salvat tai staattiset solut valitaan arkkitehtuurin ja kellotuksen mukaan. Salpapohjainen suunnitelma voi käyttää kolmivaiheisia, toisiaan limittämättömiä kelloja.

  5. Lohkotason hyväksyntä

    Räätälöidyt lohkot hyväksytään itsenäisesti, ja ylätason staattinen ajoitusanalyysi lukee lohkojen mallit digitaalisen back-end-vuon tahdissa.

  6. Laskentaytimen testaus

    Laskentaytimessä voi olla sisäänrakennettu toiminnallinen testi, jonka toiminnalliset vektorit tarkistavat sen tulokset.

  7. Yhteistyö front endin kanssa

    Selkeä RTL-hierarkia ja datavuo sekä tarkat solutiedot tehosimulointia varten.

  8. Matalan jännitteen tavoitteet

    Kirjaston karakterisointi tai uudelleenkarakterisointi tavoitejännitteellä, ja kytkentäsimulointi kalibroi räätälöityjen solujen ajoitus- ja tehomallit.

  9. Toimitussisältö

    Full-custom-vuon kuvaus sekä raportit räätälöidyistä soluista, porttitason netlistoista ja sijoittelusta ja reitityksestä.

Yhteistyön muodot

Neljä vaihetta, askel kerrallaan.

  1. Tekninen arviointi

    Lähetätte tekniset kysymyksenne; vastaamme niihin yksityiskohtaisesti ja arvioimme full-custom-suunnittelun perusteet.

  2. Optimointisuunnitelma

    Analysoimme suunnitelmanne ja ehdotamme suuntia, teknisiä ratkaisuja ja odotettavaa PPA-parannusta.

  3. Suunnittelukonsultointi

    Suunnitteluvuon ohjeistusta, suunnitelmakatselmuksia ja toteutustukea tiimillenne.

  4. Full-custom-suunnittelu

    Koko suunnittelupalvelu optimoidusta suunnitelmasta tape-outiin, ja täydellinen suunnitteluaineisto toimitetaan.

Tekoälypiirien ajankohtaiset teknologiat

MAC-matriisi
Monista kerro ja summaa -yksiköistä koostuva laskentamatriisi, NPU-piirien ja päättelypiirien ydin.
HBM (suurikaistainen muisti)
Pinottua DRAM-muistia, joka koteloidaan prosessorin kanssa. Nykyiset tuotteet käyttävät HBM3E- ja HBM4-muistia, ja seuraavaksi tulee HBM4E.
CoWoS ja 2.5D-kotelointi
Kehittynyt kotelointi, joka yhdistää prosessorin ja HBM-muistin interposerilla. Sen kapasiteetti vaikuttaa huippuluokan tekoälypiirien saatavuuteen.
3D-pinoaminen ja hybridiliitos
Sirut pinotaan päällekkäin ja yhdistetään hybridiliitoksella johdotuksen lyhentämiseksi.
Chipletit ja UCIe
Suuri piiri jaetaan useaksi siruksi. UCIe on avoin standardi niiden yhdistämiseen.
Yhteiskoteloitu optiikka (CPO)
Optiset moottorit koteloidaan kytkin- tai laskentapiirin viereen, mikä pienentää pitkien yhteyksien tehoa.
Muistissa laskenta
Laskenta muistimatriisien sisällä tai vieressä datan siirron vähentämiseksi.
Pienen tarkkuuden kvantisointi
Painot ja aktivoinnit esitetään pienemmällä bittimäärällä, kuten INT8, INT4, FP8 tai FP4, mikä pienentää kertojien ja muistin kustannuksia.
Transformer-kiihdytys
Attention-laskentaan ja matriisilaskentaan optimoidut datapolut.
KV-välimuisti ja tokenikustannus
Suurten mallien päättelyn KV-välimuisti kasvaa kontekstin pituuden mukana, ja kustannus tokenia kohden on noussut päättelypiirien keskeiseksi mittariksi.
Suuri SRAM
Mallin painot tai konteksti pidetään piirillä, mikä pienentää käyttöenergiaa ja viivettä.
Piirin sisäinen verkko (NoC)
Piirin sisäinen yhteys laskentayksiköiden ja muistin välillä.
RISC-V tekoälylle
Avoimeen käskykantaan perustuvat tekoälyprosessorit ja -kiihdyttimet.
Matalan jännitteen ja lähellä kynnystä toimiva suunnittelu
Laskentaydintä ajetaan lähellä transistorin kynnysjännitettä energiatehokkuuden vuoksi. Matalan jännitteen suunnittelu nojaa tarkkoihin kirjastomalleihin.
Taustapuolen tehonsyöttö
Tehoverkko siirretään kiekon taustapuolelle, mikä pienentää IR-pudotusta.
GAA ja 2 nm
Gate-all-around-transistorit, jotka korvaavat FinFETin 2 nm:n sukupolvessa.

Sovellukset

Tekoälypiirien sovellukset

  • Suurten mallien päättely
  • Agenttitekoäly
  • Generatiivinen tekoäly
  • Puhevuorovaikutus
  • Autonominen ajo
  • Humanoidirobotit ja fyysinen tekoäly
  • Droonit
  • Tekoälytietokoneet
  • Tekoälypuhelimet
  • Tekoälylasit
  • Älykamerat
  • Datakeskukset
  • Reunapalvelimet

Kysymyksiä tekoälypiireistä

Mitä eroa on päättelypiireillä ja koulutuspiireillä?

Koulutuspiirit sovittavat mallin painot datasta, joten liukulukulaskenta, muistikaista ja klusterin yhteydet ovat tärkeimpiä. Päättelypiirit ajavat koulutettuja malleja, joten pyyntökohtainen kustannus, teho ja viive ovat tärkeimpiä.

Miten LLM-päättelypiirit eroavat tekoälyn päättelypiireistä?

LLM-päättelypiiri on tekoälyn päättelypiirin alalaji, joka tuottaa tokeneita transformer-malleille. Tärkeimpiä ovat kustannus tokenia kohden ja KV-välimuistin muistikaista.

Mikä on reunatekoälypiiri?

Reuna- tai laitetekoälypiiri ajaa malleja laitteen, kuten puhelimen, tietokoneen, lasien tai kameran, sisällä ilman riippuvuutta pilvestä. Sen keskeiset rajat ovat tehobudjetti, LPDDR-kaista ja materiaalikustannus.

Mikä on NPU-piiri?

NPU on neuroverkkojen laskutoimituksiin rakennettu prosessori, jonka ytimessä ovat MAC-matriisi ja paikallinen muisti. Se voi olla erillinen piiri tai SoC-piirin lohko.

Mikä on muistissa laskeva piiri?

Se laskee muistimatriisien sisällä tai vieressä ja vähentää muistin ja laskentayksiköiden välillä siirrettävää dataa. Siitä on digitaalisia ja analogisia toteutuksia.

Mitkä tekoälypiirin osat sopivat full-custom-suunnitteluun?

Parhaiten sopivat säännölliset, usein kytkeytyvät lohkot, kuten MAC-matriisit, kertojat, summainpuut ja liukuhihnarekisterit. Ohjauslogiikka ja liitännät pysyvät tavanomaisessa työkaluvuossa.

Miten kirjaston karakterisointi sekä manuaalinen sijoittelu ja reititys auttavat tekoälypiiriä?

Kirjaston karakterisointi antaa räätälöidyille soluille ja matalan jännitteen kirjastoille tarkat mallit, ja manuaalinen sijoittelu ja reititys tekee MAC-matriisista säännöllisemmän ja johtimista lyhyempiä. Yhdessä ne antavat laskentaytimen toimia matalammalla jännitteellä.

Mitä prosesseja tuette?

Olemme TSMC Direct Account -asiakas, ja suunnittelutyömme kattaa FinFET-prosessit 16 nm:n, 12 nm:n, 7 nm:n ja 6 nm:n solmuilla.

Onko teillä tekoälypiiriprojekti?

Kertokaa malli, laskentatavoite, tehobudjetti ja kohdeprosessi, niin vastaamme.