[發明專利]三維計算封裝

在審

• 申請號: 201710869309.8
• 申請日: 2017-09-23
• 公開（公告）號: CN109558370A
• 公開（公告）日: 2019-04-02
• 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: G06F15/78
• 分類號: G06F15/78
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提出一種三維計算（3D?COM）封裝，它含有至少一計算芯片和至少一存儲芯片，它們相互垂直堆疊并通過芯片間連接電耦合。3D?COM封裝將海量的計算參數存儲在封裝內部的存儲芯片中。3D?COM封裝為微尺度下的三維集成，可實現超大規模平行計算，有望大幅提高計算效能。

技術領域

本發明涉及集成電路領域，更確切地說，涉及處理器封裝。

背景技術

“計算”就是對輸入施加一種對應法則得到輸出。圖1A是計算的一種表達式。f是計算的對應法則，也稱為函數；P是定義計算的參數；X是輸入數據；Y是輸出數據。X、Y合稱為計算數據D。計算參數P可以有多種形式，如在人工智能中，計算參數是神經元的突觸權重；在網絡安全中，計算參數是病毒庫（包括檢索的關鍵詞庫、網絡規范庫等）；在超算中，函數的查找表也可以認為是計算參數。由于參數P用于定義計算，處理器在計算時需要能高速地獲取參數。因此，在讀取速度上，參數P的存儲器的要求要高于數據D的存儲器。

在傳統計算中，數據量遠遠大于參數量。計算數據的存儲一直是業界的重點，以前的存儲器主要用于存儲計算數據（圖1B）。不幸的是，計算參數的存儲則長久地被忽視了。隨著計算的進步，參數量越來越大，甚至有超過數據量的趨勢。這在人工智能、網絡安全、超算等高性能計算領域尤其明顯：在人工智能領域中，神經元的參數量（如突觸權重）可達到GB級，遠大于輸入數據量；在網絡安全領域，病毒庫的量也極為龐大，病毒庫可以含有百萬條級的病毒；在超算領域，為了增加超算芯片支持的函數種類，查找表庫可以變得非常巨大。在馮·諾依曼架構中，這些海量的計算參數也和計算數據一樣存儲在外部存儲器（如DRAM或固態硬盤）中。但這些外部存儲器的速度較慢，不適合海量計算參數的讀取，這對處理器實現高性能計算非常不利。海量計算參數的存儲正日益成為困惑業界的問題。

發明內容

本發明的主要目的是促使含有海量參數的高性能計算的進步。

本發明的另一目的是提供一種能高速實現含有海量參數計算的處理器封裝。

本發明的另一目的是提供一種能高效查殺毒（包括關鍵詞檢索和網絡規范實施）的網絡安全處理器封裝。

本發明的另一目的是提供一種能高效實現卷積計算的人工智能處理器封裝。

本發明的另一目的是提供一種能高效地對復雜函數求值或對復雜方程求解的超算處理器封裝。

為了實現這些以及別的目的，本發明提出一種三維計算（three-dimensionalcomputation，簡稱為3D-COM）封裝，它含有至少一計算芯片和至少一存儲芯片，它們相互垂直堆疊并通過芯片間連接電耦合。3D-COM封裝將海量的計算參數存儲在封裝內部的存儲芯片中。從3D-COM封裝正面看，它含有數量眾多的儲算單元，儲算單元是3D-COM封裝的最小重復單元。每個儲算單元含有一微計算核（為計算芯片的一部分）和至少一存儲陣列（為存儲芯片的一部分）。微計算核含有計算邏輯電路；存儲陣列存儲計算參數。存儲陣列通過多個微焊點（micro-bump）或穿透硅片通道（TSV）與微計算核電耦合，使微計算核利用存儲陣列存儲的計算參數進行計算。由于存儲芯片中的存儲單元形成在單晶硅（或其它單晶半導體）襯底上，存儲芯片的速度很快。此外，由于微焊點（或穿透硅片通道）數量眾多且長度較短，存儲陣列和微計算核之間的帶寬很高。另外，數量眾多的儲算單元保證大規模平行計算。總的說來，3D-COM封裝在微尺度下實現存儲陣列和微計算核之間的三維集成，可實現超大規模平行計算，有望大幅提高計算效能。