一種用於三維片上網絡的雙泵垂直通道的製作方法
2023-07-02 00:37:36
一種用於三維片上網絡的雙泵垂直通道的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於三維片上網絡的雙泵垂直通道設計，包括網絡節點與由矽穿孔技術製成的垂直連線，每個節點由一個處理單元或存儲單元以及路由器組成，處理單元或存儲單元通過網絡接口與路由器連接，還包括發送端模塊與接收端模塊，所述垂直連線的發送通道連接所述發送端模塊，接收通道連接接收端模塊，形成雙泵垂直通道；所述發送端模塊包括兩個分別採集高位數據和低位數據的觸發器與時鐘電平選通的二選一多路選擇器，所述觸發器分別與多路選擇器通信連接；所述接收端模塊包括高位數據採集單元與低位數據採集單元。有益效果為：本發明可以在三維片上網絡垂直連線密度減半的情況下以雙倍速率有效、可靠地傳輸數據，且提升了晶片的成品率、減小了晶片的面積。
【專利說明】—種用於三維片上網絡的雙泵垂直通道
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於三維片上網絡的垂直通道設計，具體是採用一種帶有雙泵的垂直通道，能夠在三維片上網絡垂直連線密度減半的情況下以雙倍速率有效可靠地完成數據傳輸，或者垂直連線密度不變的前提下提高一倍的數據傳輸能力。
【背景技術】
[0002]不斷發展的工藝技術使得片上電晶體密度呈現指數增長，這一發展趨勢使得設計者設計更為複雜的片上系統(System on a Chip, SoC)成為可能。然而隨著片上集成的部件越來越多，片上互連架構成為系統性能的主要瓶頸。片上網絡(Network on chip, NoC)以其可擴展性和高帶寬的特性成為傳統總線互連的替代者。隨著片上集成的部件數量進一步增加，基於片上網絡的通信架構的延時和功耗也會面臨新的瓶頸，三維集成是這一問題的解決方案之一。三維集成與片上網絡結合成三維片上網絡，其具有可擴展、集成密度高、全局連線短、晶片面積小、性能好等優點，但是也有製造成本高、散熱不佳等缺點。
[0003]娃穿孔(Through-Silicon_Via,TSV)作為三維集成層間互連的技術被廣泛接受。矽穿孔技術通過在矽上打孔然後注入導電材料，將晶片垂直互連起來。發展TSV技術的主要驅動力在於TSV導線長度短，且電阻和電感更低，從而可以提升信號的傳輸速度。但是，當TSV的數量超過一個閾值之後，TSV連線的成品率會快速下降。而且與邏輯器件相比TSV佔用了相對較大的晶片面積，因此減少TSV的數量可以節省可觀的晶片面積。三維集成技術應用在主流產品上的最大挑戰，就在於它的成本效益，因此減少TSV的數量對於取得最佳性價比具有重要意義。
[0004]現有的三維片上網絡的路由器垂直方向埠之間的連線數量與水平方向埠之間的連線數量相同，水平方向數據通道和垂直方向數據通道採用相同的設計，但是由於垂直方向連線採用速度更快但成本較高的TSV技術，這樣的設計使得晶片的面積和成本大幅增加，TSV速度快的特點卻沒有得到充分利用，因此性價比不高。
【發明內容】
[0005]本發明目的在於克服以上現有技術之不足，提供一種帶有雙泵垂直通道的三維片上網絡設計方法，能夠在三維片上網絡垂直連線密度減半的情況下以雙倍速率有效可靠地完成數據傳輸，具體由以下技術方案實現:
所述帶有雙泵垂直通道的三維片上網絡，包括網絡節點與由矽穿孔技術製成的垂直連線，每個節點由一個處理單元或存儲單元以及路由器組成，處理單元或存儲單元通過網絡接口與路由器連接，還包括帶有發送通道的發送端模塊與帶有接收通道的接收端模塊；所述垂直連線的發送通道連接所述發送端模塊，接收通道連接接收端模塊，形成雙泵垂直通道；
所述發送端模塊包括兩個分別採集高位數據和低位數據的觸發器與時鐘電平選通的二選一多路選擇器，所述觸發器分別與多路選擇器通信連接； 所述接收端模塊包括高位數據採集單元與低位數據採集單元，所述高位數據採集單元包括一級鎖存器和一級觸發器，所述一級鎖存器與一級觸發器通過級聯的形式採集高位數據；所述低位數據採集單元為一觸發器，接收端模塊中所述一個鎖存器與兩個觸發器通信連接。
[0006]所述帶有雙泵垂直通道的三維片上網絡的進一步設計在於，所述發送端模塊中的兩個觸發器均採用時鐘上升沿觸發，所述觸發器與二選一多路選擇器均採用同頻同相的時鐘驅動。
[0007]所述帶有雙泵垂直通道的三維片上網絡的進一步設計在於，所述發送端模塊的數量為發送數據位的一半，與垂直方向連線數量相等。
[0008]所述帶有雙泵垂直通道的三維片上網絡的進一步設計在於，所述接收端模塊中的一級鎖存器是時鐘高電平觸發，一級觸發器是時鐘上升沿觸發，接收端模塊低位數據採集單元的所述觸發器為時鐘上升沿觸發。
[0009]所述帶有雙泵垂直通道的三維片上網絡的進一步設計在於，所述接收端模塊的鎖存器和觸發器均由與發送端模塊同頻同相的時鐘驅動，所述接收端模塊的數量為發送數據位數的一半，與垂直方向連線數量相等。
[0010]本發明的優點如下:
本發明提供的帶有雙泵垂直通道的三維片上網絡，通過採用雙泵垂直通道設計，實現了在垂直方向連線密度受限的條件下以雙倍速率有效可靠地完成數據傳輸的目的。現有的三維片上網絡垂直方向路由節點之間連線的數量與水平方向路由節點之間連線的數量是相同的，但是由於垂直方向連線速度更快但是成本較高，這樣設計使得晶片面積和成本較高，但垂直方向連線速度更快的優勢卻未得到有效利用，導致性價比不高。仿真實驗結果表明，與現有的三維片上網絡設計相比，在TSV數量減半的情況下，本發明在不損失性能的情況下，以硬體開銷增加0.32%的代價實現TSV的面積開銷減少50%、晶片成品率提高6.57%、晶片成本降低12.4%，晶圓接合成本降低34.7%。以上實驗結果是在採用4X4X2的三維網格結構，飛片(flit)大小為16位元組的前提下得出的。
[0011]綜上所述，本發明可以在三維片上網絡垂直連線密度減半的情況下以雙倍速率有效、可靠地傳輸數據，且提升了晶片的成品率、減小了晶片的面積，減少了晶片和三維接合的成本，提高了晶片的性價比，有著良好的實際應用價值和應用前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1是本發明採用的三維網格片上網絡示意圖。
[0013]圖2是本發明中的三維網格片上網絡側視圖。
[0014]圖3是本發明中雙泵垂直通道的發送端模塊示意圖。
[0015]圖4是本發明中雙泵垂直通道的接收端模塊示意圖。
[0016]圖5是本發明中雙泵垂直通道總體示意圖。
[0017]圖6是本發明中雙泵垂直通道的波形圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖對本發明方案進行詳細說明。
[0019]實施例1
本實施例提供的帶有雙泵垂直通道的三維片上網絡，如圖1，該片上網絡的大小為4X4X2，採用經典的三維網格拓撲互連。圖中每個節點由一個處理單元以及路由器組成，處理單元或存儲單元通過網絡接口與路由器連接。
[0020]三維片上網絡的側視圖如圖2所示，在這一實例中，水平方向路由節點之間的水平連線(Wire)數量為128，垂直方向路由節點之間的垂直連線數量為64，因此數據在垂直方向埠傳輸的時候需要分成兩部分串行傳輸。垂直連線的發送通道連接發送端模塊，接收通道連接接收端模塊。發送端模塊包括兩個分別採集高位數據和低位數據的觸發器與時鐘電平選通的二選一多路選擇器，觸發器分別與多路選擇器通信連接；接收端模塊包括高位數據採集單元與低位數據採集單元，高位數據採集單元包括一級鎖存器和一級觸發器，一級鎖存器與一級觸發器通過級聯的形式採集高位數據；低位數據採集單元為一觸發器，接收端模塊中包括一個鎖存器和兩個觸發器。
[0021]垂直連線的數據傳輸速度遠遠高於水平連線，為了更好地利用垂直連線低延時的特點，本發明採用雙泵垂直通道設計，在一個周期進行兩次數據的傳輸，從而在垂直連線數量受限的條件下提高吞吐率。
[0022]如圖3，發送端模塊包括兩個分別採集高位數據和低位數據的觸發器與時鐘電平選通的二選一多路選擇器，觸發器分別與多路選擇器通信連接。發送端模塊中的兩個觸發器均採用時鐘上升沿觸發，觸發器與二選一多路選擇器均採用同頻同相的時鐘驅動。在發送時，高64位數據(Datain_h)和低64位數據(Datain_l)分別在時鐘上升沿被觸發器I (DFFl)和觸發器2(DFF2)寄存到一個二選一多路選擇器(2-to-l Multiplexer)的輸入端。時鐘(elk)為高時，發送高64位(datal);時鐘為低時，發送低64位(data2)。
[0023]接收端模塊包括高位數據採集單元與低位數據採集單元，高位數據採集單元包括一級鎖存器和一級觸發器，一級鎖存器與一級觸發器通過級聯的形式採集高位數據；低位數據採集單元為一觸發器，接收端模塊中包括一個鎖存器和兩個觸發器，參見圖4。接收端模塊中的一級鎖存器是時鐘高電平觸發，一級觸發器是時鐘上升沿觸發，接收端模塊低位數據採集單元的觸發器為時鐘上升沿觸發。接收端模塊的鎖存器和觸發器均由與發送端模塊同頻同相的時鐘驅動，接收端模塊的數量為發送數據位數的一半，與垂直方向連線數量相等，即對於N位數據的接收，採用N/2個接收端單元模塊，其數目與垂直方向連線數量相坐寸ο
[0024]在接收端，鎖存器(D-Latch)在時鐘下降沿先將高位數據鎖存一級，等到下一個周期的時鐘上升沿到來時，觸發器3 (DFF3)和觸發器4(DFF4)把低位數據和高位數據同時送出，所以在垂直方向路由器的輸入端看到數據高低位同時被接收。圖5是本發明中雙泵垂直通道總體設計的示意圖，本發明利用垂直連線速度快的特點，實現數據在時鐘的一個周期內完成一個128位飛片(flit)數據的傳輸，所以發送端不需要增加緩存(buffer)，同時延時周期更少。
[0025]由圖6的波形圖可以看到，接收端上半部分的鎖存器(D-Latch)在時鐘下降沿將高64位數據鎖存，下半部分的上升沿觸發器4 (DFF4)在下一時鐘周期的上升沿送出低64位數據，同時上半部分的上升沿觸發器3 (DFF3)將原先鎖存器(D-Latch)鎖存的高64位數據送出，這樣實現了高位輸出數據(Dataout_h)和低位輸出數據(Dataout_l)在時序上的對齊。
[0026]本發明通過對三維片上網絡垂直通道採用雙泵(double-pumped)垂直通道設計，實現了在三維片上網絡垂直連線密度減半的情況下以雙倍速率有效、可靠地傳輸數據的目的，且提升了晶片的成品率、減小了晶片的面積，同理，本發明亦可用於提高三維片上網絡的垂直帶寬，具有良好的應用前景。
[0027]實施例2
本實施例提供的帶有雙泵垂直通道的三維片上網絡，如圖1，該片上網絡的大小為4X4X2，採用經典的三維網格拓撲互連。圖中每個節點由一個存儲單元以及路由器組成，處理單元或存儲單元通過網絡接口與路由器連接。
[0028]三維片上網絡的側視圖如圖2所示，在這一實例中，水平方向路由節點之間的水平連線(Wire)數量為128，垂直方向路由節點之間的垂直連線數量為64，因此數據在垂直方向埠傳輸的時候需要分成兩部分串行傳輸。垂直連線的發送通道連接發送端模塊，接收通道連接接收端模塊。發送端模塊包括兩個分別採集高位數據和低位數據的觸發器與時鐘電平選通的二選一多路選擇器，觸發器分別與多路選擇器通信連接；接收端模塊包括高位數據採集單元與低位數據採集單元，高位數據採集單元包括一級鎖存器和一級觸發器，一級鎖存器與一級觸發器通過級聯的形式採集高位數據；低位數據採集單元為一觸發器，接收端模塊中包括一個鎖存器和兩個觸發器。本實施例的其他技術特徵如實施例1，在此不再贅述。
【權利要求】
1.一種用於三維片上網絡的雙泵垂直通道，包括網絡節點與由矽穿孔技術製成的垂直連線，每個節點由一個處理單元或存儲單元以及路由器組成，處理單元或存儲單元通過網絡接口與路由器連接，其特徵在於還包括帶有發送通道的發送端模塊與帶有接收通道的接收端模塊； 所述垂直連線的發送通道連接所述發送端模塊，接收通道連接接收端模塊，形成雙泵垂直通道； 所述發送端模塊包括兩個分別採集高位數據和低位數據的觸發器與時鐘電平選通的二選一多路選擇器，所述觸發器分別與多路選擇器通信連接； 所述接收端模塊包括高位數據採集單元與低位數據採集單元，所述高位數據採集單元包括一級鎖存器和一級觸發器，所述一級鎖存器與一級觸發器通過級聯的形式採集高位數據；所述低位數據採集單元為一觸發器，接收端模塊中所述一個鎖存器與兩個觸發器通信連接。
2.根據權利要求1所述的用於三維片上網絡的雙泵垂直通道，其特徵在於:所述發送端模塊中的兩個觸發器均採用時鐘上升沿觸發，所述觸發器與二選一多路選擇器均採用同頻同相的時鐘驅動。
3.根據權利要求1所述的用於三維片上網絡的雙泵垂直通道，其特徵在於:所述發送端模塊的數量為發送數據位的一半，與垂直方向連線數量相等。
4.根據權利要求1所述的用於三維片上網絡的雙泵垂直通道，其特徵在於:所述接收端模塊中的一級鎖存器是時鐘高電平觸發，一級觸發器是時鐘上升沿觸發，接收端模塊低位數據採集單元的所述觸發器為時鐘上升沿觸發。
5.根據權利要求4所述的用於三維片上網絡的雙泵垂直通道，所述接收端模塊的鎖存器和觸發器均由與發送端模塊同頻同相的時鐘驅動，所述接收端模塊的數量為發送數據位數的一半，與垂直方向連線數量相等。
【文檔編號】H04L12/701GK104394072SQ201410527787
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月10日 優先權日:2014年10月10日
【發明者】李麗, 傅玉祥, 張宇昂, 潘紅兵, 何書專, 李偉, 韓峰 申請人:南京大學