[發明專利]含有三維縱向存儲陣列的處理器

在審

• 申請號: 201910029530.1
• 申請日: 2019-01-14
• 公開（公告）號: CN111326191A
• 公開（公告）日: 2020-06-23
• 發明（設計）人: 張國飆
• 申請（專利權）人: 杭州海存信息技術有限公司
• 主分類號: G11C16/04
• 分類號: G11C16/04;H01L27/11578
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

三維處理器芯片(100)含有多個計算單元(100aa?100mn)，每個計算單元(100ij)含有至少一三維縱向存儲（3D?M_V）陣列(170)和一算術邏輯電路（ALC）(180)。3D?M_V陣列(170)存儲至少一非算術函數或一非算術模型的至少部分查找表（LUT），ALC(180)對LUT中的至少部分數據進行算術運算。ALC(180)位于半導體襯底(0)中，3D?M_V陣列(170)堆疊在ALC(180)之上并通過多個芯片內連接(160)電耦合。

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

為了實現數學計算，傳統處理器采用基于邏輯的計算（logic-basedcomputation，簡稱為LBC），它主要通過邏輯電路（即算術邏輯單元ALU）來計算。實際上，ALU能直接實現的算術運算僅為加法、減肥和乘法，這些算術運算被統稱為基礎算術運算。ALU適合實現算術函數，但對于非算術函數無能為力。在實現數學計算的處理器中，算術函數是一種可表達為其基礎算術運算一種組合的數學函數，而非算術函數則是一種不能表達為其基礎算術運算一種組合的數學函數。非算術函數的例子包括超越函數和特殊函數等。由于非算術函數包含的運算多于ALU支持的算術運算，非算術函數不能由ALU單獨實現，非算術函數的硬件實現一直面臨巨大的挑戰。

在傳統處理器中，僅少量基本函數（即單變量非算術函數，包括基本代數函數、基本超越函數等）能通過硬件直接實現，這些函數被稱為內置函數（built-in functions）。內置函數一般通過邏輯電路和查找表（LUT）的組合來實現。實現內置函數的現有技術很多。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LUT實現正弦/余弦（SIN/COS）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LUT實現冪函數的方法。

圖1AA具體描述了內置函數的實現方法。傳統處理器0X通常含有邏輯電路00L和存儲電路00M。邏輯電路00L含有ALU，它用于實現算術運算。存儲電路00M存儲函數的LUT。為了達到預定精度，需將代表內置函數的多項式展開到足夠高的階數。存儲電路00M存儲多項式系數，ALU 00L計算相應的多項式。由于ALU 00L和存儲電路00M并肩排列在同一平面上（均形成在襯底00S中），這種平面集成是一種二維集成。

計算目前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上的計算能力（如每秒的浮點數運算次數），它是平行計算的一個重要指標。計算復雜度是指芯片支持的內置函數數量，它是科學計算的一個重要指標。二維集成限制了計算密度和計算復雜度的進一步發展。

由于采用二維集成，存儲電路00M的引入將增加處理器0X的芯片面積，降低其計算密度，這對平行計算不利。此外，ALU 00L是處理器0X的核心部件，它占用了大部分芯片面積，故存儲電路00M能利用的芯片面積有限，它只能支持少量的內置函數。圖1AB列出英特爾公司的IA-64處理器能實現的所有內置超越函數（參考Harrison等所著《The Computationof Transcendental Functions on the IA-64 Architecture》, Intel TechnicalJournal, Q4, 1999年）。IA-64處理器總共僅支持七種內置函數，如此少的內置函數組對數學計算極其不利，因為大部分數學函數需要用軟件將其分解為內置函數的組合。傳統處理器0X對對大部分數學計算慢且低效。

處理器的另一個重要應用是計算機模擬，即對數學模型的計算。計算機模擬是數學計算的自然延伸，其基礎是傳統處理器支持的內置函數組（僅含有約十種內置函數）。傳統的計算機模擬含三個層次：基礎層、函數層和模型層。基礎層包含各種硬件能直接實現的內置函數；函數層包含各種硬件不能直接實現的數學函數；模型層包含各種用于描述各個系統部件性能（如輸入-輸出特性）的數學模型。