Chip AI
Thiết kế full-custom cho chip AI.
Một con chip AI tiêu tốn năng lượng và diện tích cho một vài mạch được lặp lại rất nhiều lần, và đó là nơi thiết kế full-custom phát huy tác dụng nhiều nhất. Là khách hàng trực tiếp của TSMC, chúng tôi cung cấp cell tùy chỉnh, đặc tính hóa thư viện, netlist thủ công, cây xung nhịp tùy chỉnh và đặt cell, đi dây thủ công cho chip suy luận AI, chip huấn luyện, chip mô hình lớn, chip biên và chip thị giác.
- Tiến trình
- Khách hàng trực tiếp của TSMC; được ủy quyền thiết kế FinFET 7 nm; thiết kế chip AI full-custom 6 nm
- Kỹ thuật full-custom
- Cell tùy chỉnh, đặc tính hóa và đặc tính hóa lại thư viện, netlist thủ công, đặt cell và đi dây thủ công, cây xung nhịp tùy chỉnh
- Khối tính toán
- Mảng MAC, bộ nhân, cây cộng và thanh ghi pipeline
- Hình thức hợp tác
- Đánh giá kỹ thuật, phương án tối ưu hóa, tư vấn thiết kế và thiết kế full-custom
Các loại chip AI
Những loại chip AI mà kỹ thuật full-custom có thể phục vụ.
Lõi tính toán của mỗi loại chip này có những cấu trúc lớn, đều đặn và lặp lại, và đó là nơi thiết kế full-custom phát huy tác dụng nhiều nhất.
Chip suy luận AI
Các chip này chạy mô hình đã huấn luyện và trả lời yêu cầu, trên đám mây hoặc trong thiết bị. Người mua quan tâm nhất đến chi phí, công suất và độ trễ trên mỗi yêu cầu.
Xem đặt cell và đi dây thủ công- Năng lượng trên mỗi lần suy luận
- Băng thông bộ nhớ
- Hiệu quả diện tích của mảng MAC
Chip huấn luyện AI
Các chip này khớp trọng số mô hình từ dữ liệu, thường trong các cụm lớn. Kết nối và bộ nhớ quan trọng không kém khả năng tính toán.
Xem thiết kế full-custom- Lõi tensor dấu phẩy động hiệu quả
- Bộ nhớ băng thông cao và kết nối giữa các chip
- Công suất ở cấp rack
Chip suy luận mô hình ngôn ngữ lớn
Các chip này tạo từng token cho mô hình transformer. Công việc chia thành giai đoạn prefill nặng về tính toán và giai đoạn decode bị giới hạn bởi bộ nhớ.
Xem netlist thủ công- Năng lượng và chi phí trên mỗi token
- Băng thông bộ nhớ cho KV cache
- Thời gian đến token đầu tiên
Chip AI biên và AI trên thiết bị
Các chip này chạy mô hình bên trong thiết bị hoặc gateway, và ngày càng chạy được cả mô hình lớn cục bộ.
Xem đặc tính hóa thư viện- Ngân sách công suất nghiêm ngặt
- Băng thông LPDDR
- Chi phí danh mục vật tư
Chip NPU
Bộ xử lý nơ-ron là một khối hoặc một con chip được xây dựng cho các phép tính của mạng nơ-ron. Hiện nay đây là thành phần tiêu chuẩn trong bộ xử lý của điện thoại và PC.
Xem đặt cell và đi dây thủ công- Hiệu suất năng lượng của mảng MAC
- Giới hạn nhiệt khi chạy liên tục
- Mức tương thích với ngăn xếp phần mềm
Chip AI thị giác
Các chip này kết hợp xử lý hình ảnh, mã hóa video và NPU cho camera và thiết bị thị giác. Các dòng mới hơn chạy transformer bên cạnh CNN.
Xem đặc tính hóa thư viện- Công suất trên mỗi luồng video
- Nhiệt trong vỏ kín
- Chi phí
ASIC AI đám mây tùy chỉnh (XPU)
Bộ tăng tốc AI do các nhà cung cấp đám mây đặc tả cho khối lượng công việc của chính họ.
Xem thiết kế full-custom- Lõi tensor hiệu quả
- Bộ nhớ băng thông cao
- Tiến độ phát triển
Chip cho PC AI và điện thoại AI
NPU, GPU và CPU cùng chia sẻ công việc của mô hình, và các chip này đến tay rất đông người tiêu dùng.
Xem đặc tính hóa thư viện- Hiệu năng liên tục và nhiệt
- Thời lượng pin
- Băng thông LPDDR
Chip cho ô tô và robot
Các chip này xử lý nhận thức và lập kế hoạch với yêu cầu về thời gian thực và an toàn. Robot hình người và máy bay không người lái hoạt động với công suất hạn hẹp hơn.
Xem thiết kế full-custom- An toàn chức năng
- Nhiệt
- Giao tiếp cảm biến
Chip cho kính AI và thiết bị đeo
Chip công suất rất thấp cho pin nhỏ, thường đi cùng một bộ đồng xử lý luôn bật.
Xem đặc tính hóa thư viện- Công suất ở chế độ luôn bật
- Nhiệt trong gọng kính
- Chi phí danh mục vật tư
Chip AI giọng nói
Bộ xử lý luôn bật cho từ đánh thức, lệnh thoại và giảm nhiễu.
Xem đặc tính hóa thư viện- Công suất chờ
- Chi phí
- Kích thước mô hình
Chip tính toán trong bộ nhớ
Các chip này tính toán bên trong hoặc bên cạnh mảng bộ nhớ để giảm việc di chuyển dữ liệu, ở dạng số và dạng tương tự.
Xem cell tùy chỉnh- Cây cộng và cell bit
- Dung lượng cho mô hình lớn
- Hỗ trợ phần mềm
Cách áp dụng kỹ thuật full-custom cho chip AI
Mỗi kỹ thuật trong phương pháp của chúng tôi đều có chỗ trong chip AI.
Lõi tính toán của chip AI lặp lại chuỗi thanh ghi, logic tổ hợp, thanh ghi. Lõi này chuyển mạch thường xuyên và có cấu trúc đều đặn, rất phù hợp với thiết kế full-custom.
Cell tùy chỉnh
Thanh ghi, latch, bộ cộng đầy đủ và cell nén được thiết kế cho mảng MAC và pipeline. Càng nhiều thanh ghi, lợi ích từ cell tuần tự tùy chỉnh càng lớn.
Cell tuần tự nhiều bit và cell động
Thanh ghi nhiều bit dùng chung một chân xung nhịp cho nhiều bit để giảm công suất xung nhịp, và kiến trúc quyết định lựa chọn giữa cell tĩnh hoặc động, giữa flip-flop hoặc latch.
Đặc tính hóa và đặc tính hóa lại thư viện
Cell tùy chỉnh được đặc tính hóa và thư viện được mở rộng đến điện áp hoạt động thực tế, với các mô hình được ký duyệt cùng với cell của xưởng đúc.
Netlist thủ công
Bộ nhân, cây cộng và các tầng pipeline trong RTL được ánh xạ sang cell tùy chỉnh, với cách đặt tên đều đặn để phục vụ script và việc đặt cell.
Đặt cell và đi dây thủ công
Mảng MAC được đặt theo các lát bit đều đặn, giúp rút ngắn dây và giảm diện tích. Mảng càng lớn, lợi ích càng nhiều.
Cây xung nhịp tùy chỉnh
Mạng phân phối xung nhịp được thiết kế cho mảng đều đặn, kiểm soát skew và công suất xung nhịp.
Thiết kế điện áp thấp
Công suất động tỷ lệ với bình phương điện áp. Thiết kế full-custom cho phép lõi tính toán chạy ở điện áp thấp hơn, nâng cao năng lực tính toán trên mỗi watt.
Cell đa ngưỡng
Với cách đặt cell thủ công, một cell có thể kết hợp nhiều loại ngưỡng, để tối ưu sâu các đường then chốt và công suất.
Cấp nguồn và sụt áp IR
Mạng nguồn cho khối tính toán mật độ cao được thiết kế cùng với việc đặt cell, kèm phân tích sụt áp IR tĩnh và động.
Phương án kỹ thuật
Phương án kỹ thuật full-custom cho NPU.
Từ công việc full-custom NPU của chúng tôi cho bộ xử lý AI của một khách hàng AI hàng đầu, đã lược bỏ thông tin về khách hàng.
Hai mức độ tùy chỉnh
Tùy chỉnh nhẹ dùng thư viện cell tùy chỉnh với tổng hợp và đặt cell, đi dây tự động. Tùy chỉnh sâu xây dựng các khối từ cell tùy chỉnh, cho lợi ích lớn hơn và việc ký duyệt độc lập hơn.
Tùy chỉnh mảng MAC
Thiết kế tùy chỉnh ở cấp khối cho bộ nhân dấu phẩy tĩnh như INT8, cây cộng và thanh ghi pipeline. Mảng MAC càng lớn, tùy chỉnh càng đáng giá.
Đánh giá so với mốc cơ sở
Lấy cell chuẩn và đặt cell, đi dây tự động làm mốc cơ sở, từng hạng mục cell tùy chỉnh, netlist thủ công, cây xung nhịp thủ công và đặt cell, đi dây thủ công được đánh giá về diện tích, công suất và tốc độ.
Lựa chọn cell tuần tự
Flip-flop động, latch động hoặc cell tĩnh, được chọn theo kiến trúc và sơ đồ xung nhịp. Thiết kế dùng latch có thể dùng xung nhịp ba pha không chồng lấn.
Ký duyệt cấp khối
Các khối tùy chỉnh được ký duyệt riêng, và phân tích định thời tĩnh ở cấp cao nhất đọc các mô hình khối, đồng bộ với quy trình back-end số.
Kiểm thử lõi tính toán
Lõi tính toán có thể tích hợp kiểm thử chức năng, với các vector chức năng để kiểm tra kết quả.
Phối hợp với front-end
Phân cấp RTL và luồng dữ liệu rõ ràng, cùng dữ liệu cell chính xác cho mô phỏng công suất.
Mục tiêu điện áp thấp
Đặc tính hóa hoặc đặc tính hóa lại thư viện ở điện áp mục tiêu, với mô phỏng mạch để hiệu chỉnh các mô hình định thời và công suất của cell tùy chỉnh.
Sản phẩm bàn giao
Tài liệu quy trình full-custom, cùng các báo cáo về cell tùy chỉnh, netlist mức cổng và đặt cell, đi dây.
Hình thức hợp tác
Bốn giai đoạn, từng bước một.
Đánh giá kỹ thuật
Khách hàng gửi các câu hỏi kỹ thuật; chúng tôi trả lời chi tiết và đánh giá khả năng áp dụng thiết kế full-custom.
Phương án tối ưu hóa
Chúng tôi phân tích thiết kế của khách hàng và đề xuất hướng đi, phương án kỹ thuật và mức cải thiện PPA dự kiến.
Tư vấn thiết kế
Hướng dẫn quy trình, rà soát thiết kế và hỗ trợ triển khai cho đội ngũ của khách hàng.
Thiết kế full-custom
Dịch vụ thiết kế trọn gói từ thiết kế tối ưu đến tape-out, bàn giao đầy đủ dữ liệu thiết kế.
Các công nghệ nổi bật trong chip AI
- Mảng MAC
- Mảng tính toán gồm nhiều đơn vị nhân-cộng tích lũy, là trung tâm của NPU và chip suy luận.
- HBM (bộ nhớ băng thông cao)
- DRAM xếp chồng được đóng gói cùng bộ xử lý. Các sản phẩm hiện tại dùng HBM3E và HBM4, tiếp theo là HBM4E.
- CoWoS và đóng gói 2.5D
- Công nghệ đóng gói tiên tiến nối bộ xử lý và HBM trên một lớp trung gian (interposer). Năng lực của công nghệ này định hình nguồn cung chip AI cao cấp.
- Xếp chồng 3D và hybrid bonding
- Các die được xếp chồng theo chiều dọc và nối bằng hybrid bonding, để rút ngắn đường kết nối.
- Chiplet và UCIe
- Một con chip lớn được chia thành nhiều die. UCIe là tiêu chuẩn mở để kết nối chúng.
- Quang học đóng gói chung (CPO)
- Các engine quang được đóng gói bên cạnh chip chuyển mạch hoặc chip tính toán, để giảm công suất của các liên kết tầm xa.
- Tính toán trong bộ nhớ
- Tính toán bên trong hoặc bên cạnh mảng bộ nhớ để giảm việc di chuyển dữ liệu.
- Lượng tử hóa độ chính xác thấp
- Trọng số và giá trị kích hoạt được lưu với ít bit hơn, như INT8, INT4, FP8 hoặc FP4, để giảm chi phí của bộ nhân và bộ nhớ.
- Tăng tốc transformer
- Đường dữ liệu được tối ưu cho attention và các phép tính ma trận.
- KV cache và chi phí trên mỗi token
- KV cache của suy luận mô hình lớn tăng theo độ dài ngữ cảnh, và chi phí trên mỗi token đã trở thành thước đo quan trọng của chip suy luận.
- SRAM dung lượng lớn
- Trọng số mô hình hoặc ngữ cảnh được lưu ngay trên chip, để giảm năng lượng truy cập và độ trễ.
- Mạng trên chip (NoC)
- Kết nối trên chip giữa các đơn vị tính toán và bộ nhớ.
- RISC-V cho AI
- Bộ xử lý và bộ tăng tốc AI dựa trên tập lệnh mở.
- Thiết kế điện áp thấp và cận ngưỡng
- Lõi tính toán chạy gần điện áp ngưỡng của transistor để đạt hiệu suất năng lượng. Thiết kế điện áp thấp dựa vào các mô hình thư viện chính xác.
- Cấp nguồn mặt sau
- Mạng nguồn được chuyển sang mặt sau của wafer, để giảm sụt áp IR.
- GAA và 2 nm
- Transistor có cực cổng bao quanh toàn bộ kênh dẫn, thay thế FinFET ở thế hệ 2 nm.
Ứng dụng
Ứng dụng của chip AI
Câu hỏi về chip AI
Chip suy luận và chip huấn luyện khác nhau như thế nào?
Chip huấn luyện khớp trọng số mô hình từ dữ liệu, nên khả năng tính toán dấu phẩy động, băng thông bộ nhớ và kết nối cụm là quan trọng nhất. Chip suy luận chạy mô hình đã huấn luyện, nên chi phí, công suất và độ trễ trên mỗi yêu cầu là quan trọng nhất.
Chip suy luận LLM khác chip suy luận AI như thế nào?
Chip suy luận LLM là một loại chip suy luận AI tạo token cho mô hình transformer. Chi phí trên mỗi token và băng thông bộ nhớ cho KV cache là quan trọng nhất.
Chip AI biên là gì?
Chip AI biên hoặc AI trên thiết bị chạy mô hình bên trong một thiết bị như điện thoại, PC, kính hoặc camera, mà không phụ thuộc vào đám mây. Các giới hạn chính là ngân sách công suất, băng thông LPDDR và chi phí danh mục vật tư.
Chip NPU là gì?
NPU là bộ xử lý được xây dựng cho các phép tính của mạng nơ-ron, với mảng MAC và bộ nhớ cục bộ ở trung tâm. NPU có thể là một chip riêng hoặc một khối trong SoC.
Chip tính toán trong bộ nhớ là gì?
Chip này tính toán bên trong hoặc bên cạnh mảng bộ nhớ, giảm lượng dữ liệu di chuyển giữa bộ nhớ và đơn vị tính toán. Chip có dạng số và dạng tương tự.
Những phần nào của chip AI phù hợp với thiết kế full-custom?
Phù hợp nhất là các khối đều đặn chuyển mạch thường xuyên, như mảng MAC, bộ nhân, cây cộng và thanh ghi pipeline. Logic điều khiển và giao tiếp vẫn theo quy trình công cụ chuẩn.
Đặc tính hóa thư viện và đặt cell, đi dây thủ công giúp ích gì cho chip AI?
Đặc tính hóa thư viện mang lại mô hình chính xác cho cell tùy chỉnh và thư viện điện áp thấp, còn đặt cell, đi dây thủ công giúp mảng MAC đều đặn hơn với dây ngắn hơn. Kết hợp lại, chúng cho phép lõi tính toán chạy ở điện áp thấp hơn.
Chipchain hỗ trợ những tiến trình nào?
Chúng tôi là khách hàng trực tiếp của TSMC, và công việc thiết kế của chúng tôi bao gồm FinFET ở 16 nm, 12 nm, 7 nm và 6 nm.
Các trang liên quan
Có dự án chip AI?
Hãy cho chúng tôi biết mô hình, mục tiêu tính toán, ngân sách công suất và tiến trình mục tiêu, chúng tôi sẽ phản hồi.