西门子数字化工业软件日前推出 Catapult™ AI NN 软件，可帮助神经网络加速器在专用集成电路 (ASIC) 和芯片级系统 (SoC) 上进行高层次综合 (HLS)。Catapult AI NN 是一个综合性解决方案，它能够获取 AI 框架中的神经网络描述，然后将其转换为 C++ 代码，并合成为 Verilog 或 VHDL 语言的 RTL 加速器，以便在芯片中实现。

Catapult AI NN 集成了用于机器学习硬件加速的开源软件包 hls4ml，以及用于高层次综合的西门子 Catapult™ HLS 软件。Catapult AI NN 由西门子与美国能源部费米实验室以及其他为 hls4ml 做出贡献的机构合作开发，能满足机器学习加速器设计对于定制芯片功耗、性能和面积 (PPA) 方面的独特要求。

西门子数字化工业软件副总裁兼高层次设计、验证和功耗总经理 Mo Movahed 表示：“无论是神经网络模型的交接过程，还是其向硬件实现的手动转换，效率都非常很低，并且耗时、容易出错，特别是在创建和验证针对特定性能、功耗和面积定制的硬件加速器变体时。通过让科学家和 AI 专家充分利用行业标准的 AI 框架 （例如神经网络模型设计），并将这些模型无缝综合到已经经过 PPA 优化的硬件设计中，我们能够为 AI/ML 软件工程师创造更多可能。使用西门子新的 Catapult AI NN 解决方案，开发人员能够在软件开发过程中自动实现神经网络模型，同时进行 PPA 优化，有效提升 AI 的开发效率，并实现加速创新。”

随着 runtime AI 和机器学习任务从数据中心迁移至消费电器、医疗设备等领域，客户对合适大小的 AI 硬件的需求也在快速增长，以减少功耗，降低成本，并实现终端产品差异化。然而，比起可综合的 C++、Verilog 或 VHDL，多数机器学习专家更习惯使用 TensorFlow、PyTorch 或 Keras 等工具。过去，AI 专家要在合适大小的 ASIC 或 SoC 实现中加快机器学习应用，其实并没有捷径可走。hls4ml 计划旨在将 TensorFlow、PyTorch 或 Keras 等 AI 框架中的神经网络描述生成 C++ 代码，帮助弥补这一缺陷。随后即可部署这些 C++ 代码，用于 FPGA、ASIC 或 SoC 实现。

Catapult AI NN 能够将 hls4ml 的功能扩展到 ASIC 和 SoC 设计，它包括针对 ASIC 设计量身定制的专用 C++ 机器学习功能资源库。使用这些功能，设计人员能够在各个 C++ 代码实现之间进行延时和资源方面的权衡，从而实现 PPA 的优化。此外，设计人员现在还能够评估不同神经网络设计的影响，以确定硬件的理想神经网络结构。

“粒子探测器有非常严格的边缘 AI 约束条件，”费米实验室的新兴技术主管 Panagiotis Spentzouris 表示，“我们与西门子合作开发 Catapult AI NN，这种综合性框架充分利用了我们的科学家和 AI 专家的知识，即便他们并不是 ASIC 设计人员。此外，这种框架也非常适合经验丰富的硬件专家使用。”

Catapult AI NN 目前已向早期采用者提供，并将于 2024 年第 4 季度向所有用户开放。