AIチップ

AIチップのフルカスタム設計。

AIチップのエネルギーと面積の多くは、非常に多く繰り返される少数の回路で消費されます。フルカスタム設計が最も効果を発揮するのは、まさにその部分です。当社はTSMCの直接取引先として、AI推論、学習、大規模モデル、エッジ、ビジョン向けチップに、カスタムセル、ライブラリキャラクタライズ、手作業ネットリスト、カスタムクロックツリー、手動配置配線を提供します。

プロセス
TSMCの直接取引先。7 nm FinFETの設計許諾。大手AI企業向けの6 nm AIフルカスタムチップ設計
フルカスタム技術
カスタムセル、ライブラリキャラクタライズと再キャラクタライズ、手作業ネットリスト、手動配置配線、カスタムクロックツリー
演算ブロック
MACアレイ、乗算器、加算器ツリー、パイプラインレジスター
協業の形
技術評価、最適化プラン、設計コンサルティング、フルカスタム設計

AIチップの種類

フルカスタム技術を活かせるAIチップ。

これらのチップの演算コアには、大規模で規則的な繰り返し構造があります。フルカスタム設計が最も効果を発揮するのは、その部分です。

  • AI推論チップ

    学習済みモデルを実行してリクエストに応答するチップで、クラウドでもデバイスでも使われます。導入する側が最も重視するのは、リクエストあたりのコスト、電力、レイテンシーです。

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    • 推論あたりのエネルギー
    • メモリ帯域幅
    • MACアレイの面積効率
  • AI学習チップ

    データからモデルの重みを学習するチップで、通常は大規模クラスターで使われます。演算と同じくらい、インターコネクトとメモリが重要です。

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    • 効率の高い浮動小数点テンソルコア
    • 広帯域メモリとチップ間リンク
    • ラック単位の電力
  • 大規模言語モデル推論チップ

    Transformerモデルのトークンを一つずつ生成するチップです。処理は、演算負荷の高いプリフィルと、メモリに制約されるデコードに分かれます。

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    • トークンあたりのエネルギーとコスト
    • KVキャッシュのメモリ帯域幅
    • 最初のトークンまでの時間
  • エッジ・オンデバイスAIチップ

    デバイスやゲートウェイの内部でモデルを実行するチップで、ローカルの大規模モデルを実行する例も増えています。

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    • 厳しい電力バジェット
    • LPDDRの帯域幅
    • 部品コスト
  • NPUチップ

    ニューラルプロセッシングユニットは、ニューラルネットワークの演算のために作られたブロックまたはチップです。今ではスマートフォンやPCのプロセッサーに標準で搭載されています。

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    • MACアレイのエネルギー効率
    • 持続動作時の熱の上限
    • ソフトウェアスタックとの適合
  • ビジョンAIチップ

    カメラやビジョン機器向けに、画像処理、映像符号化、NPUを組み合わせたチップです。新しい製品では、CNNと並んでTransformerも実行します。

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    • 映像ストリームあたりの電力
    • 密閉筐体内の熱
    • コスト
  • クラウド向けカスタムAI ASIC(XPU)

    クラウド事業者が自社のワークロード向けに仕様を定めるAIアクセラレーターです。

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    • 効率の高いテンソルコア
    • 広帯域メモリ
    • 開発スケジュール
  • AI PC・AIスマートフォン向けチップ

    NPU、GPU、CPUがモデルの処理を分担します。これらのチップは、非常に多くの数量が消費者向けに出荷されます。

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    • 持続性能と熱
    • バッテリー駆動時間
    • LPDDRの帯域幅
  • 車載・ロボット向けチップ

    リアルタイム性と安全性が求められる認識と計画を担います。ヒューマノイドロボットやドローンでは、電力の制約がさらに厳しくなります。

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    • 機能安全
    • 熱
    • センサーインターフェース
  • AIグラス・ウェアラブル向けチップ

    小型バッテリー向けの超低消費電力チップで、常時動作のコプロセッサーと組み合わせることも多くあります。

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    • 常時動作時の電力
    • フレーム内の熱
    • 部品コスト
  • 音声AIチップ

    ウェイクワード、音声コマンド、ノイズ低減のための常時動作プロセッサーです。

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    • 待機電力
    • コスト
    • モデルサイズ
  • インメモリコンピューティングチップ

    メモリアレイの内部または隣で演算し、データの移動を減らすチップで、デジタル方式とアナログ方式があります。

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    • 加算器ツリーとビットセル
    • 大規模モデルに対応できる容量
    • ソフトウェアサポート

AIチップへのフルカスタム技術の適用

当社の手法のすべての技術が、AIチップで役割を持ちます。

AIチップの演算コアは、レジスター、組み合わせロジック、レジスターの繰り返しです。スイッチングが多く構造が規則的なため、フルカスタム設計に適しています。

  1. カスタムセル

    MACアレイとパイプライン向けに、レジスター、ラッチ、全加算器、コンプレッサーセルを設計します。レジスターが多いほど、カスタム順序セルの効果は大きくなります。

  2. マルチビット・ダイナミック順序セル

    マルチビットレジスターは複数ビットで一つのクロックピンを共有してクロック電力を下げます。スタティックセルかダイナミックセルか、フリップフロップかラッチかは、アーキテクチャによって決まります。

  3. ライブラリキャラクタライズと再キャラクタライズ

    カスタムセルをキャラクタライズし、ライブラリを実際の動作電圧まで拡張します。モデルはファウンドリのセルとあわせてサインオフできます。

  4. 手作業ネットリスト

    RTL内の乗算器、加算器ツリー、パイプライン段をカスタムセルにマッピングし、スクリプトと配置に適した規則的な命名を行います。

  5. 手動配置配線

    MACアレイを規則的なビットスライスで配置し、配線を短くして面積を削減します。アレイが大きいほど、効果は大きくなります。

  6. カスタムクロックツリー

    規則的なアレイ向けにクロック分配を設計し、スキューとクロック電力を制御します。

  7. 低電圧設計

    ダイナミック電力は電圧の二乗に比例します。フルカスタム設計により演算コアをより低い電圧で動作させ、ワットあたりの演算性能を高めます。

  8. 混在しきい値セル

    手動配置により、一つのセルの中でしきい値タイプを混在させ、クリティカルパスと電力を深く最適化できます。

  9. 電源供給とIRドロップ

    高密度な演算のための電源ネットワークを配置とあわせて設計し、スタティックおよびダイナミックIRドロップを解析します。

技術プラン

NPU向けフルカスタム技術プラン。

大手AI企業のAIプロセッサー向けに行ったフルカスタムNPU設計の知見から、顧客情報を除いてご紹介します。

  1. 二段階のカスタマイズ

    ライトカスタマイズでは、カスタムセルライブラリを論理合成と自動配置配線で使用します。ディープカスタマイズでは、カスタムセルからブロックを構築し、より大きな効果を得るとともに、サインオフの独立性を高めます。

  2. MACアレイのカスタマイズ

    INT8などの固定小数点乗算器、加算器ツリー、パイプラインレジスターをブロック単位でカスタム設計します。MACアレイが大きいほど、カスタマイズの効果は高まります。

  3. ベースラインとの比較評価

    スタンダードセルと自動配置配線をベースラインとし、カスタムセル、手作業ネットリスト、手動クロックツリー、手動配置配線のそれぞれについて、面積、電力、速度を評価します。

  4. 順序セルの選択

    ダイナミックフリップフロップ、ダイナミックラッチ、スタティックセルを、アーキテクチャとクロック方式に応じて選びます。ラッチ設計では三相ノンオーバーラップクロックを使用できます。

  5. ブロックレベルのサインオフ

    カスタムブロックは単独でサインオフし、トップレベルのスタティックタイミング解析がそのブロックモデルを読み込みます。デジタルバックエンドフローと歩調を合わせて進めます。

  6. 演算コアのテスト

    演算コアに組み込み機能テストを持たせ、機能ベクターで結果を確認できます。

  7. フロントエンドとの連携

    明確なRTL階層とデータフロー、および電力シミュレーション用の正確なセルデータ。

  8. 低電圧の目標

    目標電圧でライブラリキャラクタライズまたは再キャラクタライズを行い、回路シミュレーションでカスタムセルのタイミングモデルと電力モデルを校正します。

  9. 成果物

    フルカスタムフローの文書と、カスタムセル、ゲートレベルネットリスト、配置配線に関するレポート。

協業の形

四つの段階を、一歩ずつ。

  1. 技術評価

    技術的なご質問をお送りいただくと、詳しくお答えし、フルカスタム設計の適否を評価します。

  2. 最適化プラン

    お客様の設計を分析し、方向性、技術プラン、期待されるPPAの改善をご提案します。

  3. 設計コンサルティング

    お客様のチームに向けた、フローの指導、デザインレビュー、実装支援。

  4. フルカスタム設計

    最適化設計からテープアウトまでの設計サービス全体を提供し、完全な設計データを納品します。

AIチップの注目技術

MACアレイ
多数の積和演算ユニットからなる演算アレイで、NPUや推論チップの中核です。
HBM(広帯域メモリ)
プロセッサーと一緒にパッケージされる積層DRAMです。現行製品はHBM3EとHBM4を使用しており、次はHBM4Eです。
CoWoSと2.5Dパッケージング
プロセッサーとHBMをインターポーザー上で接続する先進パッケージングです。その生産能力が、ハイエンドAIチップの供給を左右します。
3D積層とハイブリッドボンディング
ダイを垂直に積層し、ハイブリッドボンディングで接合してインターコネクトを短くする技術です。
チップレットとUCIe
大きなチップを複数のダイに分割する技術です。UCIeはそれらを接続するオープン規格です。
コパッケージドオプティクス(CPO)
光エンジンをスイッチや演算チップの隣にパッケージし、長距離リンクの電力を下げる技術です。
インメモリコンピューティング
メモリアレイの内部または隣で演算し、データの移動を減らす技術です。
低精度量子化
重みと活性化をINT8、INT4、FP8、FP4などの少ないビット数で保持し、乗算器とメモリのコストを減らす技術です。
Transformerアクセラレーション
アテンションと行列演算に最適化したデータパスです。
KVキャッシュとトークンあたりコスト
大規模モデル推論のKVキャッシュはコンテキスト長に応じて増大し、トークンあたりコストは推論チップの重要な指標になっています。
大容量SRAM
モデルの重みやコンテキストをチップ上に保持し、アクセスのエネルギーとレイテンシーを下げます。
ネットワークオンチップ(NoC)
演算ユニットとメモリを結ぶオンチップインターコネクトです。
AI向けRISC-V
オープンな命令セットに基づくAIプロセッサーとアクセラレーターです。
低電圧・ニアスレッショルド設計
エネルギー効率のために、演算コアをトランジスターのしきい値電圧近くで動作させます。低電圧設計は、ライブラリの正確なモデルに支えられています。
裏面電源供給
電源ネットワークをウエハーの裏面に移し、IRドロップを下げる技術です。
GAAと2 nm
ゲートオールアラウンドトランジスターです。2 nm世代でFinFETに代わります。

用途

AIチップの用途

  • 大規模モデル推論
  • エージェント型AI
  • 生成AI
  • 音声対話
  • 自動運転
  • ヒューマノイドロボットとフィジカルAI
  • ドローン
  • AI PC
  • AIスマートフォン
  • AIグラス
  • スマートカメラ
  • データセンター
  • エッジサーバー

AIチップに関するご質問

推論チップと学習チップの違いは何ですか?

学習チップはデータからモデルの重みを学習するため、浮動小数点演算、メモリ帯域幅、クラスターのインターコネクトが最も重要です。推論チップは学習済みモデルを実行するため、リクエストあたりのコスト、電力、レイテンシーが最も重要です。

LLM推論チップとAI推論チップはどう違いますか?

LLM推論チップはAI推論チップの一種で、Transformerモデルのトークンを生成します。トークンあたりコストと、KVキャッシュのメモリ帯域幅が最も重要です。

エッジAIチップとは何ですか?

エッジ・オンデバイスAIチップは、スマートフォン、PC、グラス、カメラなどのデバイス内部で、クラウドに頼らずモデルを実行します。主な制約は、電力バジェット、LPDDRの帯域幅、部品コストです。

NPUチップとは何ですか?

NPUはニューラルネットワークの演算のために作られたプロセッサーで、MACアレイとローカルメモリを中核とします。単独のチップの場合も、SoC内のブロックの場合もあります。

インメモリコンピューティングチップとは何ですか?

メモリアレイの内部または隣で演算し、メモリと演算ユニットの間で移動するデータを減らすチップです。デジタル方式とアナログ方式があります。

AIチップのどの部分がフルカスタム設計に適していますか?

最も適しているのは、MACアレイ、乗算器、加算器ツリー、パイプラインレジスターなど、スイッチングが多く規則的なブロックです。制御ロジックとインターフェースは標準のツールフローのままです。

ライブラリキャラクタライズと手動配置配線は、AIチップにどう役立ちますか?

ライブラリキャラクタライズはカスタムセルと低電圧ライブラリに正確なモデルを与え、手動配置配線はMACアレイをより規則的にして配線を短くします。これらにより、演算コアをより低い電圧で動作させることができます。

どのプロセスに対応していますか?

当社はTSMCの直接取引先であり、設計作業は16 nm、12 nm、7 nm、6 nmのFinFETにわたります。

AIチップのプロジェクトをお持ちですか?

モデル、演算性能の目標、電力バジェット、目標プロセスをお知らせください。折り返しご連絡します。