[发明专利]含有三维纵向存储阵列的处理器

说明书

三维处理器芯片(100)含有多个计算单元(100aa‑100mn)，每个计算单元(100ij)含有至少一三维纵向存储（3D‑M_V）阵列(170)和一算术逻辑电路（ALC）(180)。3D‑M_V阵列(170)存储至少一非算术函数或一非算术模型的至少部分查找表（LUT），ALC(180)对LUT中的至少部分数据进行算术运算。ALC(180)位于半导体衬底(0)中，3D‑M_V阵列(170)堆叠在ALC(180)之上并通过多个芯片内连接(160)电耦合。

技术领域

本发明涉及集成电路领域，更确切地说，涉及处理器。

背景技术

为了实现数学计算，传统处理器采用基于逻辑的计算（logic-basedcomputation，简称为LBC），它主要通过逻辑电路（即算术逻辑单元ALU）来计算。实际上，ALU能直接实现的算术运算仅为加法、减肥和乘法，这些算术运算被统称为基础算术运算。ALU适合实现算术函数，但对于非算术函数无能为力。在实现数学计算的处理器中，算术函数是一种可表达为其基础算术运算一种组合的数学函数，而非算术函数则是一种不能表达为其基础算术运算一种组合的数学函数。非算术函数的例子包括超越函数和特殊函数等。由于非算术函数包含的运算多于ALU支持的算术运算，非算术函数不能由ALU单独实现，非算术函数的硬件实现一直面临巨大的挑战。

在传统处理器中，仅少量基本函数（即单变量非算术函数，包括基本代数函数、基本超越函数等）能通过硬件直接实现，这些函数被称为内置函数（built-in functions）。内置函数一般通过逻辑电路和查找表（LUT）的组合来实现。实现内置函数的现有技术很多。例如：美国专利US 5,954,787（发明人：Eun；授权日：1999年9月21日）披露了一种利用LUT实现正弦/余弦（SIN/COS）函数的方法；美国专利US 9,207,910（发明人：Azadet；授权日：2015年12月8日）披露了一种利用LUT实现幂函数的方法。

图1AA具体描述了内置函数的实现方法。传统处理器0X通常含有逻辑电路00L和存储电路00M。逻辑电路00L含有ALU，它用于实现算术运算。存储电路00M存储函数的LUT。为了达到预定精度，需将代表内置函数的多项式展开到足够高的阶数。存储电路00M存储多项式系数，ALU 00L计算相应的多项式。由于ALU 00L和存储电路00M并肩排列在同一平面上（均形成在衬底00S中），这种平面集成是一种二维集成。

计算目前正向更高的计算密度和更大的计算复杂度发展。计算密度是指单位芯片面积上的计算能力（如每秒的浮点数运算次数），它是平行计算的一个重要指标。计算复杂度是指芯片支持的内置函数数量，它是科学计算的一个重要指标。二维集成限制了计算密度和计算复杂度的进一步发展。

由于采用二维集成，存储电路00M的引入将增加处理器0X的芯片面积，降低其计算密度，这对平行计算不利。此外，ALU 00L是处理器0X的核心部件，它占用了大部分芯片面积，故存储电路00M能利用的芯片面积有限，它只能支持少量的内置函数。图1AB列出英特尔公司的IA-64处理器能实现的所有内置超越函数（参考Harrison等所著《The Computationof Transcendental Functions on the IA-64 Architecture》, Intel TechnicalJournal, Q4, 1999年）。IA-64处理器总共仅支持七种内置函数，如此少的内置函数组对数学计算极其不利，因为大部分数学函数需要用软件将其分解为内置函数的组合。传统处理器0X对对大部分数学计算慢且低效。

处理器的另一个重要应用是计算机模拟，即对数学模型的计算。计算机模拟是数学计算的自然延伸，其基础是传统处理器支持的内置函数组（仅含有约十种内置函数）。传统的计算机模拟含三个层次：基础层、函数层和模型层。基础层包含各种硬件能直接实现的内置函数；函数层包含各种硬件不能直接实现的数学函数；模型层包含各种用于描述各个系统部件性能（如输入-输出特性）的数学模型。