[發(fā)明專利]分離的三維處理器

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111484969.7
• 申請日: 2019-01-16
• 公開（公告）號: CN113918506A
• 公開（公告）日: 2022-01-11
• 發(fā)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: G06F15/78
• 分類號: G06F15/78;H01L25/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

分離的三維處理器(100)含有面對面堆疊的第一芯片(100a)和第二芯片(100b)。第一芯片(100a)含有三維存儲（3D?M）陣列(170),第二芯片(100b)含有處理電路(180)和3D?M陣列(170)的至少一片外周邊電路組件(190)。3D?M陣列(170)存儲數(shù)據(jù)，處理電路(180)對至少部分所述數(shù)據(jù)進行處理。第一芯片(100a)不含所述片外周邊電路組件(190)。第一芯片(100a)和第二芯片(100b)通過多個芯片間連接(160)電耦合。

本申請是申請?zhí)枮?01910038528.0，申請日為2019年1月16日的中國專利申請的分案申請。

技術領域

本發(fā)明涉及集成電路領域，更確切地說，涉及處理器。

背景技術

處理器（包括CPU、GPU、FPGA等）廣泛應用于數(shù)學計算、計算機模擬、可編程門陣列、模式處理、神經(jīng)網(wǎng)絡等領域。傳統(tǒng)處理器芯片基于二維集成，其處理電路（如算術邏輯單元、控制單元等）與存儲電路（內(nèi)部存儲器，包括用于緩存的RAM和存儲查找表的ROM等）處于同一平面（即半導體襯底表面）。由于處理器芯片的主要功能是算術邏輯運算，其內(nèi)部存儲器的容量很小。

傳統(tǒng)計算機基于馮·諾依曼架構，計算機中的處理器和存儲器分離：絕大部分存儲器為外部存儲器（如內(nèi)存、外存等），它們位于處理器芯片之外。處理器芯片在計算時如需要用到大量數(shù)據(jù)，則到外部存儲器中獲取數(shù)據(jù)。由于外部存儲器與處理器芯片物理距離過遠、它們之間數(shù)據(jù)總線較窄，外部存儲器與處理器芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸帶寬有限。隨著海量數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，傳統(tǒng)處理器及其馮·諾依曼架構逐漸力不從心。

以下對上述處理器應用領域的現(xiàn)狀和局限做一介紹。

[A] 數(shù)學計算。

處理器的一個重要應用是數(shù)學計算，包括數(shù)學函數(shù)的計算和數(shù)學模型的計算。為了實現(xiàn)數(shù)學計算，傳統(tǒng)處理器采用基于邏輯的計算（logic-based computation，簡稱為LBC），它主要通過處理電路（一般稱為算術邏輯單元，即ALU）來計算。實際上，ALU能直接實現(xiàn)的算術運算僅為加法、減肥和乘法，這些算術運算被統(tǒng)稱為基礎算術運算。ALU適合實現(xiàn)算術函數(shù)，但對于非算術函數(shù)無能為力。在實現(xiàn)數(shù)學計算的處理器中，算術函數(shù)是一種可表達為其基礎算術運算一種組合的數(shù)學函數(shù)，而非算術函數(shù)則是一種不能表達為其基礎算術運算一種組合的數(shù)學函數(shù)。非算術函數(shù)的例子包括超越函數(shù)和特殊函數(shù)等。由于非算術函數(shù)包含的運算多于ALU支持的算術運算，非算術函數(shù)不能由ALU單獨實現(xiàn)。非算術函數(shù)的硬件實現(xiàn)一直面臨巨大的挑戰(zhàn)。

在傳統(tǒng)處理器中，僅少量基本函數(shù)（即單變量非算術函數(shù)，包括基本代數(shù)函數(shù)、基本超越函數(shù)等）能通過硬件直接實現(xiàn)，這些函數(shù)被稱為內(nèi)置函數(shù)（built-in functions）。內(nèi)置函數(shù)一般通過處理電路和查找表（LUT）的組合來實現(xiàn)。實現(xiàn)內(nèi)置函數(shù)的現(xiàn)有技術很多。例如：美國專利US 5,954,787（發(fā)明人：Eun；授權日：1999年9月21日）披露了一種利用LUT實現(xiàn)正弦/余弦（SIN/COS）函數(shù)的方法；美國專利US 9,207,910（發(fā)明人：Azadet；授權日：2015年12月8日）披露了一種利用LUT實現(xiàn)冪函數(shù)的方法。

圖1AA具體描述了內(nèi)置函數(shù)的實現(xiàn)方法。傳統(tǒng)處理器0X通常含有處理電路00L和存儲電路00M。處理電路00L含有ALU，它用于實現(xiàn)算術運算。存儲電路00M存儲函數(shù)的LUT。為了達到預定精度，需將代表內(nèi)置函數(shù)的多項式展開到足夠高的階數(shù)。存儲電路00M存儲多項式系數(shù)，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(fā)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(shù)運算次數(shù)），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(nèi)置函數(shù)數(shù)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(fā)展。