[发明专利]含有三维存储阵列的处理器

说明书

本发明提出一种含有三维存储（3D‑M）阵列的三维处理器。三维处理器含有多个计算单元，每个计算单元都含有一个算术逻辑电路（ALC）和多个3D‑M阵列。在相邻周边电路之间留有间隙G，以形成布线通道，供不同ALC组件之间、或不同ALC之间实现通讯。

本申请是申请号为201710241669.3，申请日为2017年4月13日的中国专利申请的分案申请。

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

传统处理器采用基于逻辑的计算（logic-based computation，简称为LBC），它主要通过逻辑电路（如与非门等）来计算。逻辑电路适合实现算术运算（如加法、减法和乘法），但对于非算术函数（如初等函数、特殊函数等）无能为力。非算术函数的高速高效实现面临巨大的挑战。

在传统处理器中，仅少量基本非算术函数（如基本代数函数、基本超越函数）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。实现内置函数的例子很多，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/cosine）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1A具体描述了内置函数的实现方法。传统处理器300通常含有逻辑电路380和存储电路370。逻辑电路380含有算术逻辑单元（ALU），它用于实现算术运算。存储电路370含有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。LUT 370存储多项式系数，ALU 380计算相应的多项式。由于ALU 380和LUT 370并肩排列在同一平面上（均形成在衬底0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，LUT 370将增加处理器300的芯片面积，降低其计算密度，这对平行计算不利。此外，ALU 380是处理器300的核心部件，它占用了大部分芯片面积，故LUT370能利用的芯片面积有限，它只能支持少量的内置函数。图1B列出英特尔公司的Itanium处理器（IA-64）能实现的所有内置超越函数（参考Harrison等所著《The Computation ofTranscendental Functions on the IA-64 Architecture》, Intel Technical Journal,Q4, 1999年）。IA-64处理器总共支持7种超越函数，每种超越函数使用了相对较小的LUT（从0到24kb），并需要进行相对较多的泰勒级数（5阶到22阶）计算。

该内置函数组（含有~10种内置函数，包括算术运算）就是科学计算的基础。科学计算需要强大的计算能力来增进人类对自然和社会的认识、或解决工程问题，它在计算数学、计算物理、计算化学、计算生物、工程计算、计算经济、计算金融等计算领域有广泛应用。传统的科学计算框架含三个层次：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（如非基本非算术函数）；模型层包含各种用于描述系统构件性能（如输入-输出特性）的数学模型。

函数层中的数学函数以及模型层中的数学模型需由软件实现。函数层需要做一次软件分解：数学函数由软件分解成内置函数的组合，再由硬件实现内置函数并进行算术运算。模型层需要做两次软件分解：数学模型首先被分解为数学函数，然后数学函数再被分解成内置函数。很明显，软件实现（如数学函数、数学模型）要比硬件实现（如内置函数）慢且低效。而且，软件分解次数越多（如数学模型），延时和能耗将更为恶化。