[发明专利]利用三维晶片堆叠的可扩展的交叉点开关的电路及方法

说明书

本发明公开了在组件晶片上堆叠有开关晶片的交叉点开关。所述交叉点开关容许通过添加开关晶片提供扩展性。所述开关晶片包括入口开关，所述入口开关连接至多路复用器，所述多路复用器连接至中间级开关。所述入口开关的输入和输出经由硅通孔(TSV)连接至开关接口区域。所述入口开关的输出经由TSV还连接至多路复用器以路由至上方的开关晶片的中间级开关。如果开关晶片堆叠在另一开关晶片上，那么入口开关的输出经由TSV连接至多路复用器以路由至下方的开关晶片的中间级开关。通过添加开关晶片，所述开关能够配置用来增大端口数量以及端口宽度。

技术领域

本发明大体上涉及纵横开关(crossbar switch)，更加具体地，涉及可扩展的三维交叉点开关(cross-point switch)。

背景技术

为了适当地将数据路由至集成电路的不同的逻辑和算法组件并适当地将数据从集成电路的不同的逻辑和算法组件路由出来，集成电路中的开关是必需的。随着集成计算电路的复杂度增加，对于使各种组件之间能够进行数据路由的更加灵活的开关的需求也增大。例如，大容量开关有益于诸如现场可编程门阵列(FPGA)技术等可编程硬件，其中，逻辑组件可以具有根据执行功能所需的逻辑组件的被配置子集而变化的互连(interconnection)。

传统的开关的历史可以追溯到上世纪的物理N×N电话交换机，经过20世纪50年代发展出的多级网络，直至出现现代远程电信路由器。N×N开关能够将第一多个N向输入端口中的任何一个的数据传送至任一个N向输出端口。路由器的一部分可以全部或部分地以FPGA和专门集成电路(ASIC)逻辑实现。

Clos网络是递归地(意思是由其它的m输入网络构建n输入网络，其中m<n)建立N×N交叉点开关的众所周知的方法。通常的3级Clos网络由纵横开关的入口、中间和出口网络组成且具有参数r、n和m，以实现N×N置换网络，其中N＝r*n。每个入口级纵横开关具有m个出口端，且存在m个中间级纵横开关。每个入口级开关与每个中间级开关之间恰好存在一个连接。存在r个出口级开关，每个出口级开关具有m个输入和n个输出。每个中间级开关恰好仅一次地连接至每个出口级开关。因此，入口级具有r个开关，各开关具有n个输入和m个输出。中间级具有m个开关，各开关具有r个输入和r个输出。出口级具有r个开关，各开关具有m个输入和n个输出。

这样的网络可以具有不同的类别，诸如阻塞、无阻塞和可重排等等。如果m≥2n-1，那么网络是无阻塞网络，意味着在不破坏任何现有连接的情况下可以建立新的连接。如果m>n，则网络是可重组网络而不是无阻塞网络，因为只有在改变某一或某些现有连接的情况下才可以得到新的解决方案。

如上所述，在基于数据包的交换以及光学传输中，交叉点开关在数据通信应用中非常重要。然而，在可编程硬件的情况下，因为不同的应用需要数量可变的待连接的逻辑组件，所以不同的应用通常需要不同的交叉点结构。为了维持可编程硬件的灵活性，作出使交叉点开关硬化在FPGA晶片(FPGA die)上的任何设计决定，从成本和使用的角度来说是难以自证合理的命题，因为这样的硬化开关必须具有最大连接能力以用于FPGA晶片可能被构造用于的各种应用。

FPGA用户可能具有这样的应用：需要交叉点开关连接FPGA晶片上的不同组件以实现所述应用。然而，不同的用户应用程序之间的开关组成可能不同，使得普通的硬化逻辑方案非常难以适应各种各样的用户需求。例如，一个用户可能需要每个端口为100位宽的64个端口。相对地，第二个用户可能需要每个端口为400位宽的16个端口。两个用户都需要具有相同数量的输入和输出的交叉点开关。同时满足这两个用户需求的硬化方案非常难以建立。这样的传统的硬化逻辑方案将需要以任一用户所需的最大参数来建立交叉点开关，例如每个端口为400位宽的64个端口。这样的设计虽然满足这两个用户的需求，但是增加了器件的成本和复杂度。

发明内容