[发明专利]含有三维存储阵列的三维计算芯片

说明书

本发明提出一种含有三维存储（3D‑M）阵列的三维计算（3D‑COM）芯片。不同于传统的、计算数据的存储，3D‑COM中3D‑M阵列主要用于计算参数的存储。一个3D‑COM芯片含有成千上万个储算单元，每个储算单元在微尺度下实现3D‑M阵列和微计算核之间的三维集成，并实现超大规模平行计算。

技术领域

本发明涉及集成电路领域，更确切地说，涉及含有三维存储阵列的处理器芯片，即三维计算芯片。

背景技术

美国专利5,835,396（发明人：张国飙；授权日：1998年11月10日）和中国专利98119572.5（发明人：张国飙；授权日：2003年1月22日）披露了一种三维存储（three-dimensional memory，简称为3D-M）。图1A是一种3D-M芯片的布局图；图1B是一种3D-M中3D-M阵列的透视图。每个3D-M芯片300形成在一半导体衬底0上，它含有多个3D-M阵列300aa-300mn。3D-M阵列是3D-M芯片的最小重复单元（图1A）。3D-M芯片300的输入310为地址和/或输入数据，输出320为输出数据。每个3D-M阵列300ij含有多个垂直堆叠的存储层170A、170B，每个存储层含有至少一个存储阵列，但顶存储层只含有一个存储阵列。这里，存储阵列是在一个存储层中所有共享了至少一条地址线的存储元之集合。所有存储层170A和170B合称为存储170（图1B）。存储层170A含有地址线1a、2a和存储元5aa；存储层170B含有地址线3a、4a和存储元6aa。存储层170A、170B分别通过接触通道孔1av、3av与衬底0耦合。接触通道孔1av、3av合称为连接160。

所谓“计算”，就是对输入施加一种对应法则得到输出。图2A是计算的一种表达式。f是计算的对应法则，也称为函数；P是定义计算的参数；X是输入数据；Y是输出数据。X、Y合称为计算数据D。计算参数P可以有多种形式，如在人工智能中，计算参数是神经元的突触权重；在网络安全中，计算参数是病毒库（包括检索的关键词库、网络规范库等）；在超算中，函数的查找表也可以认为是计算参数。由于参数P用于定义计算，处理器在计算时需要能高速地获取参数。因此，在读取速度上，参数P的存储器的要求要高于数据D的存储器。

在传统计算中，数据量远远大于参数量。计算数据的存储一直是业界的重点（以前的存储器主要用于存储计算数据，图2B），而计算参数的存储则长久地被忽视了。随着计算的进步，参数量越来越大，甚至有超过数据量的趋势。这在人工智能、网络安全、超算等高性能计算领域尤其明显：在人工智能领域中，神经元的参数量（如突触权重）可达到GB级，远大于输入数据量；在网络安全领域，病毒库的量也极为庞大，病毒库可以含有百万条级的病毒；在超算领域，为了增加超算芯片支持的函数种类，查找表库可以变得非常巨大。在冯·诺依曼架构中，这些海量的计算参数也和计算数据一样存储在外部存储器（如DRAM或固态硬盘）中。但这些外部存储器的速度较慢，不适合海量计算参数的读取，这对处理器实现高性能计算非常不利。海量计算参数的存储正日益成为困惑业界的问题。

发明内容

本发明的主要目的是促使含有海量参数的高性能计算的进步。

本发明的另一目的是提供一种能高速实现含有海量参数计算的处理器。

本发明的另一目的是提供一种能高效查杀毒（包括关键词检索和网络规范实施）的网络安全处理器。

本发明的另一目的是提供一种能高效实现卷积计算的人工智能处理器。

本发明的另一目的是提供一种能高效地对复杂函数求值或对复杂方程求解的超算处理器。