[發明專利]基于背面查找表的可編程處理器

在審

• 申請號: 201710314741.0
• 申請日: 2017-05-06
• 公開（公告）號: CN107346232A
• 公開（公告）日: 2017-11-14
• 發明（設計）人: 張國飆
• 申請（專利權）人: 成都海存艾匹科技有限公司
• 主分類號: G06F7/57
• 分類號: G06F7/57;G06F9/30
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及集成電路領域，更確切地說，涉及處理器。

背景技術

傳統處理器采用基于邏輯的計算（logic-based computation，簡稱為LBC），它主要通過邏輯電路（如與非門等）來計算。邏輯電路適合實現算術運算（如加法、減法和乘法），但對于非算術函數（如初等函數、特殊函數等）無能為力。非算術函數的高速高效實現面臨巨大的挑戰。

在傳統處理器中，僅少量基本非算術函數（如基本代數函數、基本超越函數）能通過硬件直接實現，這些函數被稱為內置函數（built-in functions）。內置函數一般通過算術運算和查找表的組合來實現。實現內置函數的例子很多，例如：美國專利US 5,954,787（發明人：Eun；授權日：1999年9月21日）披露了一種利用查找表實現正弦/余弦（sine/cosine）函數的方法；美國專利US 9,207,910（發明人：Azadet；授權日：2015年12月8日）披露了一種利用查找表實現冪函數的方法。

圖1A具體描述了內置函數的一種實現方法。傳統處理器00X通常含有邏輯電路100X和存儲電路200X。邏輯電路100X含有算術邏輯單元（ALU），它用于實現算術運算。存儲電路200X含有查找表電路（LUT）。為了達到足夠的計算精度，需將代表內置函數的多項式展開到足夠高的階數。這時，LUT 200X存儲多項式系數，ALU 100X計算相應的多項式。由于ALU 100X和LUT 200X并肩排列在同一平面上（均形成在襯底00S中），這種集成是一種二維集成。

二維集成對處理器的制造工藝要求較高。存儲電路200X由存儲晶體管構成，邏輯電路100X由邏輯晶體管構成。熟悉本專業的人士都知道，存儲晶體管和邏輯晶體管的性能指標有很大不同。比如說，存儲晶體管更注重降低漏電流，而邏輯晶體管更注重增加導通電流。在同一襯底上00S的同一表面上同時形成高性能的存儲晶體管和邏輯晶體管對于制造工藝來說是一種挑戰。

二維集成還會限制計算密度和計算復雜度的進一步發展。計算正向更高的計算密度和更大的計算復雜度發展。計算密度是指單位芯片面積的計算能力（如每秒的浮點數運算次數），它是平行計算的一個重要指標。計算復雜度是指內置函數的種類和數量，它是科學計算的一個重要指標。由于采用二維集成，LUT 200X的存在將增加傳統處理器00X的芯片面積，降低其計算密度，這對平行計算不利。同時，在傳統處理器00X的設計過程中，由于ALU 100X是傳統處理器00X的核心部件并占用了大部分芯片面積，故LUT 200X能利用的芯片面積有限。因此，傳統處理器00X僅支持少量內置函數。圖1B列出英特爾公司的Itanium處理器（IA-64）能實現的所有內置超越函數（參考Harrison等所著《The Computation of Transcendental Functions on the IA-64 Architecture》, Intel Technical Journal, Q4, 1999年）。IA-64處理器共支持7種超越函數，每種超越函數使用了相對較小的查找表（從0到24kb），并需要進行相對較多的泰勒級數（5階到22階）計算。

基于LBC的處理器00X有一個缺陷。由于實現不同內置函數使用的邏輯電路完全不同，處理器00X是完全定制的，不能通用。換句話說，一旦處理器00X的設計完成，它只能實現一套預先定義的內置函數。很明顯，用戶希望用同一硬件實現不同計算，即實現計算的編程。這可以從現場可編程門陣列（FPGA）中得到啟發。FPGA能實現邏輯的編程。美國專利4,870,302（發明人：Freeman；授權日：1989年9月26日）披露了一種FPGA。它含有多個可編程邏輯單元（configurable logic element）和可編程連接（configurable interconnect）。目前，FPGA只能實現邏輯的編程，即同一硬件在設置信號控制下選擇性地實現不同的邏輯。遺憾的是，FPGA尚無法實現計算的編程，即同一硬件在設置信號控制下選擇性地實現不同的計算（即實現不同的函數）。

發明內容

本發明的主要目的是實現計算的編程。

本發明的另一目的是實現計算的現場編程。

本發明的另一目的是實現可重構計算。

本發明的主要目的是實現多變量函數的編程。

本發明的另一目的是提供一種能實現更高計算復雜度的可編程處理器。