什麼是 AI 晶片？

如今，各界熱烈討論 AI 及其如何轉變從勞動力、醫療、太空探索到生活方式的一切。AI 正在滲透技術的方方面面。它正在提升資料中心的容量，以更高的效率執行規模龐大且複雜度大幅提升的工作負載。同時，它也催生了邊緣運算並轉變了物聯網。然而，究竟什麼是 AI 晶片，為什麼它們對於我們邁向新時代的能力如此重要？

當今的 AI 晶片在 FPGA、GPU 和 ASIC 加速器上執行機器學習工作負載等 AI 技術。它們能夠處理比傳統處理器更多的變數與運算細微差別，並能處理呈指數級增長的資料。事實上，對於資料密集型應用，它們的速度和效率比傳統積體電路 (IC) 快上幾個數量級。

為了實現 AI 晶片，半導體架構經歷了一場革命。最新的進展是將 AI 晶片架構化為許多獨立的異質元件——針對其獨特功能進行最佳化——並整合在單一封裝中。這些多晶粒系統打破了傳統單晶片 SoC 設計的限制，而傳統單晶片設計正迅速接近其效能極限。事實上，這些多晶粒系統是實現深度學習功能的基石。

AI 晶片旨在以高速和高效率處理複雜、資料密集型的運算任務。它們支援資料中心、伺服器、汽車、智慧型手機和高階繪圖等領域中嚴苛的應用。

AI 晶片架構還能提供更高的處理密度與更快的記憶體存取速度，有助於加速 AI 訓練和其他運算密集型工作負載。這些功能可以降低資料中心成本，或賦予團隊更多靈活性來試驗其自身的運算資源。

如今，AI 不僅被用於晶片的功能性工作，還被用於設計晶片，從而大幅提升工程生產力。AI 技術現已整合到整個半導體開發過程中，以協助設計、驗證和測試 IC。最重要的是，強化學習能夠快速識別最佳化目標。此外，業界正開始在晶片設計中探索生成式 AI，以更好地支援客製化並提高生產力。在晶片設計中使用 AI 的好處包括：

• 功耗、效能和面積 (PPA) 的顯著改善

• 重複使用在其他設計中取得（並從中學到）的效率之能力

• 更高的生產力與更快的上市時間 

• 更快的節點到節點設計移轉

這些優勢結合了該技術處理繁瑣重複任務的能力，使工程師能夠騰出精力專注於能實現競爭優勢的設計問題上。

AI 加速器是多晶片系統中的一種元件晶粒。AI 加速器能夠實現工作負載更高的擴充性和處理速度。這些專門的架構可以為適當的工作負載提高能源效率。這至關重要，特別是在資料中心，因為其中很大一部分的電力預算都用於保持系統冷卻。這在邊緣運算中也同樣重要，因為低功耗對於連線裝置的運算處理不可或缺。AI 加速器也能降低系統延遲。它們不僅能實現擴充性，還能實現系統的異質品質。

AI 晶片的電源管理是一項全端挑戰——涵蓋架構、RTL、實作和簽核——旨在維持高效能，同時保持在功耗、熱能和可靠性的限制之內。毛刺是其中一個成因：不必要的切換活動會浪費能源，並可能引發局部電流尖峰、電壓降（IR 降）、雜訊，以及長期的可靠性風險（例如電遷移）。其影響範圍從微小的效率損失到時序失效，或在峰值負載下發生災難性的不穩定。管理這項挑戰需要預防與量測並重：準確的延遲與切換資料、具備電源意識的分析以識別異常活動，以及在實際工作負載暫態下驗證供電網路。由於 AI 晶片將利用率和功耗密度推向極限，因此透過電源意圖和微架構決策進行「左移」（shift left）至關重要——採用時脈/電源閘控、支援 DVFS 與電壓島的分區，以及具備工作負載意識的設計等技術——以減少可避免的切換，並防範電壓降與熱點。

如同所有事物一樣，AI 正擴展至 EDA 工具與驗證領域。Synopsys.ai™ 是業界首款 AI 驅動的全端 EDA 設計套件，可協助從架構到簽核的設計所有階段。它具有革命性，因為它能讓設計人員：

• 擴充設計流程中的選擇，以實現無與倫比的 PPA。
• 透過自主收斂至可進行下線（tape-out）的解決方案，以最快速度達成設計目標。
• 擴充其能力，以專家級水準進行運作。
• 以更高的涵蓋品質更快地驗證其設計，避免漏洞未被偵測到。

您可以透過以下文章深入瞭解 AI 在 EDA 與驗證工具中的角色：AI 如何增強 EDA 工具與晶片設計、運用 AI 與機器學習增強晶片驗證，以及 運用 AI 進行 SoC 設計驗證與晶片除錯。

AI 晶片是超大規模資料中心的理想選擇。其處理能力正開始從中心向邊緣邁進，無論是您的智慧型手機、智慧住宅，還是任何智慧裝置。目前產生的資料比以往任何時候都多。AI 晶片在高效能運算等領域扮演著關鍵角色，超級電腦會在這些領域處理龐大的資料集，幫助我們更深入了解全球暖化、大流行病以及我們在宇宙中的定位。在資料中心中，AI 晶片將幫助我們達到效率的新境界，在最高效能水準下使用更少的能源。在邊緣上，AI 晶片將使我們能夠在萬物互聯的世界中將運算能力去中心化。此外，還有許多尚未誕生的應用程式。我們才剛開始意識到 AI 晶片能做到什麼。

雖然 AI 晶片已經在改善您使用科技的體驗，但您如今最常在需要最高效能水準的領域看到它。未來，光子學和多晶片系統將有助於實現更高的能源效率，隨著時間推移，使該技術更容易應用於更多對功耗敏感的應用中，變得日益普及。

AI 晶片與 AI 晶片設計正帶領我們實現超乎想像的能力。AI 晶片將持續從超大規模資料中心普及到邊緣，融入我們生活的方方面面，幫助我們更好地建立連結，並讓我們能夠解決以前無法解決的問題。我們將繼續為 AI 晶片尋找新的用途，這不僅能讓我們的旅程更加輕鬆，還能為我們開啟全新的世界以供探索並解放想像力。

Synopsys 藉由針對日益複雜的運算架構之半導體設計、驗證和 IP 技術，來支援 AI 晶片開發。Synopsys.ai 將 AI 驅動的最佳化引入晶片設計工作流程中，協助工程團隊在開發先進 AI 系統的同時，探索實作選擇並改善功耗、效能和面積。

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