在全球芯片產業競爭日益白熱化的當下，芯片設計技術的創新成為決定各國在這一領域地位的關鍵因素。近日，中國科學院計算技術研究所處理器芯片全國重點實驗室聯合軟件研究所，帶來了一項震撼性的突破 —— 推出全球首個基于人工智能技術的處理器芯片軟硬件全自動設計系統 ——“啟蒙”。這一系統的問世，標志著我國在芯片設計領域借助人工智能實現了重大跨越，開啟了芯片設計的全新范式。

處理器芯片，作為現代科技當之無愧的 “皇冠明珠”，其設計流程堪稱復雜精密的典范。傳統的芯片設計模式，高度依賴經驗豐富的專家團隊。從最初的架構構思，到電路邏輯的細致規劃，再到物理層面的布局布線，每個環節都需專業人員精心雕琢。通常，這樣的設計過程需要數百名專業人士參與，耗費數月甚至數年的時間，投入的成本更是動輒數億美元，設計周期漫長且成本高昂。而隨著人工智能、云計算、邊緣計算等新興技術如雨后春筍般蓬勃發展，市場對芯片的需求呈現出爆發式增長，并且需求愈發多樣化和定制化。不同的應用場景，如智能安防、自動駕駛、工業互聯網等，對芯片的性能、功耗、面積等指標有著獨特要求，這使得傳統芯片設計模式難以滿足快速變化的市場需求。與此同時，我國在處理器芯片設計領域面臨著人才短缺的嚴峻挑戰，專業從業人員數量遠遠無法匹配行業的增長速度。在這樣的背景下，“啟蒙” 系統的誕生猶如一場及時雨，為解決芯片設計難題提供了創新性的解決方案。

“啟蒙” 系統的核心競爭力在于其深度融合了大模型等前沿人工智能技術，實現了從芯片硬件到基礎軟件的全流程自動化設計，真正做到了讓 AI 自己設計芯片。在硬件設計方面，“啟蒙” 系統展現出了令人驚嘆的實力。利用該系統設計的 CPU 芯片 “啟蒙 1 號”，成為全球首款由 AI 全自動生成的 32 位 RISC-V CPU。它僅用 5 小時就完成了全部前端設計，這一速度相較于傳統設計流程，提升了數倍甚至數十倍。“啟蒙 1 號” 集成了超 400 萬邏輯門，性能達到了 Intel 486 的水平，并且已經成功完成流片，這意味著它已經具備了進入實際生產環節的條件。其升級版 “啟蒙 2 號” 更是將設計能力提升到了新的高度，實現了 1700 萬邏輯門超標量處理器的自動設計，性能對標主流智能手機處理器 ARM Cortex A53，能夠很好地滿足高性能邊緣計算場景對芯片的嚴苛需求。

在基礎軟件適配方面，“啟蒙” 系統同樣表現卓越。在操作系統內核設計上，系統能夠自動生成定制優化后的內核配置，經測試，其性能相比行業專家手工優化最高可提升 25.6%。在編譯工具鏈設計領域，“啟蒙” 系統推出了國際首個自動跨平臺張量程序轉譯工具 QiMeng-Xpiler，它能夠在不同的處理器芯片，如英偉達 GPU、寒武紀 MLU、AMD MI 加速器、Intel DL Boost，以及不同編程模型，如 SIMT、SIMD 之間自動進行程序轉譯，生成的代碼性能最高達到廠商手工優化算子庫的 2 倍，極大地提高了程序在不同芯片平臺上的運行效率。在高性能庫設計方面，系統提出了國際首個基于大模型的高性能矩陣乘代碼自動生成框架 QiMeng-GEMM 和高性能張量算子指令級自動生成框架 QiMeng-TensorOp，在 RISC-V CPU 上，其最高性能分別達到 OpenBLAS 的 211% 和 251%，在 NVIDIA GPU 上，最高性能分別達到 cuBLAS 的 115% 和 124%，顯著提升了芯片在復雜計算任務中的處理能力。

從技術架構來看，“啟蒙” 系統構建了一套獨特且高效的體系。其底層是深入融合處理器芯片領域特點的大模型，該模型通過大量學習處理器芯片設計的專業知識，具備了扎實的軟硬件設計基礎能力。基于此，系統利用大模型構建了反饋式推理流程，包括正確性反饋和性能反饋。在設計過程中，通過自動功能驗證，一旦發現生成結果存在問題，系統能夠基于功能正確性反饋迅速進行自動修復，確保設計結果的準確性。同時，系統會自動進行性能評估，并依據性能反饋在龐大的解空間中進行高效搜索，對解空間進行有效裁剪，從而快速找到高性能的設計結果。在處理器芯片大模型的基礎之上，“啟蒙” 系統分別構建了芯片生成智能體和基礎軟件智能體。芯片生成智能體能夠結合反饋式推理能力，自動完成從功能需求到邏輯電路的設計過程；基礎軟件智能體則可以自主完成給定基礎軟件對目標芯片的自動功能適配和性能優化。針對多樣化的實際應用場景，基于芯片生成智能體和基礎軟件智能體，“啟蒙” 系統能夠在最上層全自動完成處理器芯片軟硬件設計的各個步驟。

“啟蒙” 系統的出現，對我國乃至全球芯片產業都具有深遠的影響和重要意義。對于我國芯片產業而言，它有望極大緩解目前面臨的芯片設計人才短缺問題。以往需要大量專業人才耗費數年時間完成的設計工作，現在借助 “啟蒙” 系統，少數人員便能在短時間內高效完成，將寶貴的人力資源從繁瑣的基礎設計工作中解放出來，投入到更具創造性和挑戰性的工作中，如芯片架構創新、新型應用場景探索等。同時，該系統將芯片設計周期從以往的數月甚至數年，大幅壓縮至數小時，顯著降低了研發成本，提高了企業的市場響應速度，有助于我國芯片企業在全球市場競爭中占據更有利的地位。從全球芯片產業的角度來看，“啟蒙” 系統的成功研發，為芯片設計提供了全新的思路和方法，推動了芯片設計范式從傳統的高度依賴人工經驗向 AI 驅動的自動化設計轉變，引領了全球芯片設計技術的發展潮流。

當然，“啟蒙” 系統目前也面臨一些挑戰和需要進一步完善的地方。例如，雖然在 CPU 和基礎軟件設計方面取得了巨大成功，但對于更為復雜的 GPU、AI 加速器等芯片的設計，還需要進一步探索和優化。此外，如何將 “啟蒙” 系統與現有的龐大芯片設計生態，如 EDA 工具鏈、IP 庫等進行無縫融合，也是需要解決的關鍵問題。在大規模工程化落地和商業化推廣方面，還需要進一步驗證系統在不同應用場景下的穩定性和可靠性，與更多的企業開展合作，共同推動技術的應用和發展。

中科院團隊研發的 “啟蒙” 系統，在芯片設計領域實現了重大技術突破，為我國芯片產業的發展注入了強大動力。盡管面臨一些挑戰，但隨著技術的不斷完善和優化，相信 “啟蒙” 系統將在未來的芯片設計中發揮越來越重要的作用，助力我國芯片產業在全球競爭中實現彎道超車，推動全球芯片產業邁向智能化設計的新時代。讓我們共同期待 “啟蒙” 系統在未來創造更多的輝煌，為人類科技進步做出更大的貢獻。

審核編輯 黃宇