計算機處理器陣列的製作方法

2023-05-13 11:49:31

專利名稱：計算機處理器陣列的製作方法
技術領域：
本發明涉及計算機和計算機處理器領域，更具體地說，本發明涉及一種 方法和裝置，用於將計算機連接起來，使得所組合的計算機的總的速度和效 率最優化。本發明的計算機陣列當前的主要用途是在單個微晶片上組合多個 計算機，其中這些計算機相互合作以達到統一的預期目標。
背景技術：
在計算技術領域中，處理速度是值得期待的品質，不斷要求創建更快的 計算機和處理器。由於在現有技術的任何給定狀態下，處理器的最大可用速 度是有限的，因此存在多種利用多個處理器或計算機以加快運行速度的嘗試。 在本技術領域中，已知組合多個計算機處理器或計算機以劃分一個任務或計 算，使得該任務能在最短的時間內完成。 一個例子是多線程應用程式，其中 在不同的處理器上運行不同的程序線程。
如上所述，可以確定有必要加快計算機處理器的運行速度。但還沒有現 有技術方法或裝置已經能對多個計算機操作的性能達到最佳速度。

發明內容
因此，本發明的一個目的是提供一種用於加快計算機處理速度的裝置和 方法。
本發明的另 一個目的是提供一種裝置和方法，其以不昂貴的方式提供顯
著的(substantial)計算能力。
本發明的再一個目的是提供一種裝置和方法，用於提高多計算機陣列的 運行速度。
本發明的仍一個目的是提供一種裝置和方法，用於實現計算密集型任務。 筒而言之，本發明的一個已知實施例是一種計算機陣列，每個計算機有 自己的存儲器，並具有能夠獨立計算的功能。諸如數字無線電、數字立體聲 前置放大器、GPS ( Global Positioning System,全球定位系統)接收單元、無線電收發機、語音識別器的實現或其他許多類似功能之類的任務被劃分為多 個子操作，並且在陣列運行的初始化階段，每個操作被分配到計算機之一。
在上述的本發明的實施例中，計算機陣列在單個模片(die)上實現，其 中至少一些在模片邊緣附近的計算機被配置為實現輸入和輸出任務。配置計
算機之間的連接以使得設備的實現相對簡單，同時最小化在整個陣列中通信 所需的"中繼(hop)"的數目。在描述的實施例中，計算機被排列為5乘5的 矩陣，其中每個計算機通過並聯連接與其鄰居中的3個計算機直接相連，雖 然其他類型和數量的連接也在本發明的範圍內。
發明人發現，雖然起初將一個單獨的任務分配到每個計算機可能會導致 一些或所有的計算機有空閒時間，但配置的缺少複雜性和內在效率會彌補這 樣的空閒時間所導致的任何低效率，從而總的速度和任務的易完成性得到了 很大提高。
如在此所述和在附圖中的幾幅圖所示，根據用於實現本發明的方式及其 工業適用性的描述，本領域的技術人員將會清楚本發明的這些和其它目標及 優點。所列的目標和優點並不是本發明所有可能優點的窮盡列表。此外，即 使在應用中一個或多個預期的目標和/或優點不存在或不被要求時，仍然可以 實踐本發明。
另外，本領域的技術人員會發現，本發明的各種實施例可能會達到一個 或多個、但不一定是全部所描述的目標和/或優點。相應地，在此所述的目標 和/或優點不是本發明的必需部分，不應被理解為限制。


圖l是根據本發明的計算機陣列的概略圖； 圖2是圖1中的計算機之一的一個示例的方框圖； 圖3是根據本發明的、為特定應用配置的計算機陣列的概略圖；和 圖4是描述本發明方法的一個示例的流程圖。
具體實施例方式
在下列描述中，參照附圖來說明本發明，其中相同的數字表示相同或相 似的單元。雖然本發明以實現發明人目標的方式來描述，但是本領域的技術 人員會意識到在不背離本發明的精神或範圍的情況下，可以根據這些示教來實現各種變化。根據本發明，可以通過組合一個或多個包含代碼的機器可 讀存儲設備和用於執行其中包含的代碼的合適的標準計算機硬體來實踐本發 明的方法形式。
在此所述和/或在附圖中所示出的本發明的實施例和變形只是以示例的 方式來提供，而不應作為對本發明範圍的限制。除非特別申明，本發明的各 個方面和成分可以被省略或修改，或用已知的等價物或甚至未知的替代物代 替，諸如未來開發出的替代物或未來可能發現是可接受的替代物。在保留在 本發明的精神和範圍中的情況下，本發明也可以針對各種應用而被修改，這 是因為潛在應用的範圍是很大的，並且期望本發明可適應於許多這樣的變化。
一種已知的、用於實現本發明的方式是單個計算機的陣列。本發明的計 算機陣列如圖1中的概略圖所示，在此總的用參考符號IO來指代。該計算機
陣列10中具有多個計算機12(在所示的例子中為25)。在所示例子中，所有 的計算機12位於單個模片14上。根據本發明，每個計算機12是通常意義上 的功能獨立的計算機，稍後將會更詳細討論。計算機12通過多條(其數量將 在稍候會詳細討論)互連數據線16來互連。在該例子中，數據線16是異步 高速並行數據線，雖然在本發明的範圍內為此目的也可以採用其它互連裝置 (如串行數據線)。在陣列IO的本實施例中，不僅在計算機12之間的數據通 信是異步的，而且各個計算機12也是以異步模式運行。雖然這並不是本發明 的必需特徵，但發明人認為這可以提供重要的優點。例如，由於不必在整個 計算機陣列12上分布時鐘信號，所以可以節省大量能量，並且本領域內的技 術人員會知道這是一個重要的優點。此外，不必分布時鐘信號消除了許多可 能限制陣列12的尺寸或引起其他已知困難的定時問題。
應該指出，圖1的視圖並不意欲作為計算機12的布局圖，而是該視 解說明計算機12的可能互連的一個例子。在圖l的視圖中，可以看到計算機 12的相鄰的示例計算機(adjacent examples )通過3條數據線16而被連接到 3個相鄰的計算機12。發明人認為，數據線16的這個數量是一個合理的數量， 這是因為它使得模片14上的金屬層的必需數量最少，同時提供充足的數據通 路，且從在陣列10的周邊的一個計算機12到甚至最裡面的計算機12的通信 所需的"中繼"的數目最少，其中術語"中繼"用來表示計算機12之間的連接 或轉移，其中信號通過所述連接或轉移而從一個計算機12轉移到另一個計算 機12。快閃記憶體18和RAM20也在圖1中呈現。在所示的實施例中，快閃記憶體18和RAM 20處於"晶片外"，表示它們不在模片14上，儘管可以想像到它們中的一個 或兩者可能位於模片14上也屬於本發明的範圍。快閃記憶體18用來在開機時將初 始程序裝載到計算機12,而RAM 20以傳統方式來使用。存儲器控制計算機 12a控制到快閃記憶體18和RAM 20中的存儲器的訪問。在所述的本發明的實施例 中，快閃記憶體18使用串行數據線22以將數據傳輸到存儲器控制計算機12a並且 通過該存儲器控制計算機12a，而RAM 20利用並行數據總線24，這是因為 希望到RAM 20的儘可能快的連接。
存儲器控制計算機12a的示例用於說明本發明的一個重要方面。雖然， 根據本發明，幾個計算機12完全或基本相同，但是它們的每一個可以被配置 為執行完全不同的功能。應當指出，根據本發明，計算機12是基本相同的計 算機，在這些計算機中，在結構、電路、布局和操作性能上基本相同。在此 將討論一些可以選擇性地提供的小差別的例子。但是，本發明的陣列10、 10a 仍是基本相同的計算機12的陣列。換句話說，本陣列10、 10a是同構陣列， 而不是從一開始為執行不同功能而設計的異構計算機陣列。雖然本發明的同 構陣列10、 10a中的計算機12是基本相同的，但是通過增加少量的額外電路 它們可適於特定目的，稍後會詳細討論。本發明的同構陣列的多個優點之一 是功能多樣性。根據本發明，陣列10、 10a可用於許多不同目的。此外，即 使針對某個特定目的需要或期望做一些修改，這些修改在設備的生產過程中 也很容易實現。
存儲器控制計算機12a只是執行專門任務的計算機12之一的這樣一個例 子。如從圖1中的例子可以看出，可以預期，存儲器控制計算機12具有比前 面所討論的僅僅為3的數量多的數量的數據線16以將其連接到其他計算機 12,會帶來好處。
如前面筒單討論，陣列10中許多計算機12會有不同的功能。相應地， 最好在最接近模片14邊緣的計算機12被認為最好有輸入/輸出功能，因為如 果它們被置於模片14的邊緣，則從這些外部計算機12連接到所需的針腳更 容易。內部計算機12 (陣列10中不在外部的那些計算機)則因此將更多地 用於實現計算和控制功能，或其他通常較少需要輸入/輸出能力的功能。如圖 1所示，多個輸入/輸出電路26與相應的計算機12相關聯，並提供輸入/輸出 功能，在稍後的例子中將會更詳細討論。由於各種輸入/輸出電路26可能彼此不同，根據其相應的預期功能，它們分別用從26a到26p的不同名稱指代。 圖2是圖1中的計算機12之一的一個示例的方框圖。從圖2中可以看出， 計算機12具有處理器28、 ROM 30和RAM 32。如前面討論的，計算機12 因此能獨立於陣列10中的所有其他計算機12而執行指定的功能。
圖3是計算機陣列10a的一個例子的概略表示，示出了其中計算機12的 一個可能的配置。圖3中的計算機陣列10a的例子與圖1中的計算機陣列10 的第一例子的區別在於計算機12的配置，如在稍後會更詳細討論的。應當指 出，同圖l所示一樣，圖3的視圖並不想作為布局圖，並且因此不意欲表示 任何計算機12的必需的物理布置。不過，圖3中的例子表示這樣一個事實， 5乘5的計算機陣列10a被認為是計算機12的一個實用的物理排列。根據該 排列，由很少的計算機而不是太多計算機被埋置在陣列10a的深處，使得將 數據從一個外部計算機12、通過其他計算機12中繼到內部計算機12隻需一 些少量的"中繼"。此外，25個計算機的數量很適合最大化對模片14上的可 用空間的使用。即使在許多其中並不需要所有25個計算機的應用中，使用如 在此描述的例子的陣列也是十分經濟的。應當指出，計算機陣列10a的5乘5 排列和計算機12的數量25,被認為是實用的排列和數量(如上討論)，但決 不能被認為是僅有的有用的排列和數量。目前，如前面參照圖l所討論的， 有24個計算機12的6乘4的矩陣被認為有一些特別的優點。例如，在有偶 數個計算機12的陣列中，陣列能由多個2乘2的計算機塊組成。在這種情況 下，每個計算機12可以被當作塊中對面計算機的一個鏡像。這可能使得計算 機設計任務和互連布局變得更容易。實際上，稍後將詳細討論的因素表明， 根據本發明，基本上任何數量、從少到4個到多達包括成千的計算機可以被 排列在一起。而且，雖然在圖1的例子中示出了將每個計算機12連接到其鄰 居的3條數據線16，但發明人相信另一個實用的排列將是將每個計算機12 與其最接近的所有鄰居計算機12相連的數據線16。在這樣一個連接的排列 中，連接每個計算機的數據線16的數目將根據陣列10、 10a中每個計算機12 的布置而變化。
圖3中計算機陣列10a示例具有被分配諸如可能用於創建全球定位系統 ("GPS")接收器之類的任務的計算機12。圖3中的例子只是作為如何將各 種任務分配到各種計算機12的例子而被提出。圖中沒有示出互連，因為它們 不會與圖1中的例子有重要的區別，除了可能是實現所述特定任務所必要或期望的之外。
在圖3的例子中可以看出，計算機陣列10a有計算核心34，所述計算核 心34包括計算機12q到12v。外圍計算機12a到12p通常被配置用於輸入和 輸出，如稍後將更詳細討論的。注意在圖3例子的概略圖中，在圖1中被單 獨示出的輸入/輸出電路26沒有被單獨示出。這是這樣一個事實的例子輸 入/輸出電路26在單個計算機12a到12w中被認為是變化的。無論輸入/輸出 電路26是否被單獨示出，還是被包含作為通常相似的計算機12a到12w之間 變化的一部分，這僅僅是概略圖表現方式的不同。
在圖3的例子中，計算機12i被配置為RAM輸入/輸出設備，而計算機 12j被配置為快閃記憶體輸入/輸出設備。通過與圖1中的例子相比較，可以看出與 圖1例子的計算機陣列IO的變化，圖1中的計算機陣列IO具有用於處理來 自快閃記憶體18和RAM 20(圖l)兩者的輸入和輸出的單個計算機12,而當前例子 的計算機陣列10a在計算機12之間劃分這些任務。這樣的變化是可能應用於 計算機陣列10、 10a的許多這樣的變化的一個典型。
回到外圍計算機12a到12p的討論，計算機12a到12d被配置用於到外面 設備的輸入和輸出。在所示的例子中，計算機12a到12d分別實現了 LAN接 口、 USB接口、固件接口和無線接口。本領域的技術人員會熟悉計算機12a 到12d中為實現這些功能的每一個必需的針腳輸出和硬體協議。可替換地， 計算機12a到12d之一可以被用於實現視頻輸出。在一些應用中，可能只需 要少於4個的輸入/輸出計算機12a到12d。例如，在一些應用中，可能一個 USB接口就足夠用於到外部設備的輸入/輸出。
在圖3中的GPS接收器的例子中，計算機12e提供硬體控制(其是數字 輸入和輸出)，用於設置計算機陣列10a外部的其他接收器(未示出)的參數。 計算機12f提供硬體監視(其是模擬輸入和輸出)，用於監視接收器運行方面 的參數。硬體監視和控制允許計算機陣列10a確定其他GPS接收器的運行如 何，同時提供用於設置或修改計算機陣列10a外部的其他接收器的各種操作 配置的方式。
計算機12o和12p被配置和編程為採樣和處理接收到的RF信號(模數轉 換)，計算機12n被配置和編程為為在採樣之前的頻率下變換(數模轉換)提 供參考頻率。計算機12w和12x被配置和編程為用於從GPS信號中解碼前向 糾錯("FEC，，)比特流。GPS接收器領域的技術人員應該熟悉GPS信號中使用的FEC。
計算機12y和12h可選地用於在接收解調後的GPS比特流的解密方面。 注意到計算機12y和12h的使用被描述為是可選的，因為在GPS接收器中通 常不要求加密和解密。雖然GPS信號的某些部分被加密，但是商業接收器通 常不訪問這些信號。但是在軍用版本的GPS接收器中會要求加密。計算機121 被配置和編程為與另外的計算機陣列10通信，如果有必要的話。
在圖3的計算機陣列lOa的例子中，上面沒有專門討論到的計算機12可 能是備用的(沒有用到)，或是可以可選地用於提供額外的輸入和/或輸出功 能和/或對其他計算機12的冗餘。
圖4是一個流程圖，描述了一個本發明的計算機陣列方法36的例子，根 據如前所討論的計算機陣列10、 10a來理解該方法。在"提供互連的計算機，， 38的操作中，在計算機陣列10中提供此前所述的計算機12和互連數據線16。 在"為任務配置計算機"40的操作中，所提供的計算機12被提供有特殊數 據線16、和將計算機陣列10應用於特定應用所需的其他特徵。當然，前面 的操作38和40在生產計算機陣列IO期間和之前將完成。在"向計算機指派 任務"42的操作中，確定特定任務的哪些部分最好在哪些計算機12上執行， 並且編寫程序以指派和執行這些任務。當要使用計算機陣列10時，在"初始 化計算機"44的操作中，每個任務被裝載到計算機12的RAM 32中，並開 士臺i^:4於。
本領域的技術人員會認識到所列的計算機陣列方法36的操作並不是與 計算機陣列io、 lOa的生產和運行一起用到的操作的窮盡列表。僅作為一個 例子，本領域的技術人員會認識到在計算機陣列10、 10a初始化時，會運行
測試例程。
在不改變其價值和範圍的情況下，可能會對本發明做各種修改。例如， 其他不同於在此特別討論的數量和排列的計算機12完全在本發明的精神和 範圍內。雖然在此已經討論了計算機12的排列和使用的特定示例，但是可以 預期本發明的計算機陣列IO將會有大量的還未預見的應用。實際上，本發明 的方法和裝置可以被應用到各種應用中正是本發明的優點之一。
上述所有的只是本發明的可得到的實施例的 一些例子。本領域內的技術 人員會容易地觀察到在不違背本發明的精神和範圍的情況下，可以作出大量 的其它修改和改變。相應地，在此公開的內容不意欲作為限制，並且所附權利要求可被解釋為包含本發明的整個範圍。 工業適用性
本發明的計算機陣列10、 10a和相關聯的方法意欲廣泛應用到各種計算 機應用中。可以預期計算機陣列在計算機密集型應用中將會特別有用，在這 些應用中需要完成大量不同但相關的功能。可以預期本發明的計算機陣列10、 10a及相關聯的方法最好的應用是其中需要的任務可以被分割，使得每個計算 機12與其他計算機有近似相同的計算要求。但是，發明人發現，即使某些計 算機12有些時候、或甚至經常以遠低於其最大能力工作，計算機陣列10、 10a的總的效率和速度通常會超過現有技術的、可能動態分配任務的計算機陣 列。
應當指出，在許多應用中可能用多於一個計算機陣列10、 10a會有優勢。 許多這樣的可能應用中的一個例子為需要GPS輸入的數字無線電裝置。在這 個例子中，無線電裝置可以用一個計算機陣列IO來實現，該計算機陣列接收 來自被配置成執行GPS功能的單獨計算機陣列10的輸入。
應當指出，如在前面例子中所討論的，雖然計算機12可以被優化以執行 單個任務，但是如果在一個特定的應用中不需要該任務，則計算機12可以容 易地被編程以執行另外任務，這隻受到編程者想像的限制。
可以預期本發明的計算機陣列10、 10a最好用Forth計算機語言實現，該 語言可以自然地被分割以容易地劃分任務，如實現本發明所要求的那樣。 Color Forth是Forth語言的一個近來的變種，也同等適用。
由於本發明的計算機陣列10、 10a和計算機陣列方法36可以很容易生產 並與現有的任務、輸入/輸出設備等集成，並由於提供在此描述的優點，所以 可以預期它們在工業界將被容易接受。基於這些和其他原因，可以預期本發 明的實用性和工業適用性將會在當前和很長一段時期內有重要意義。
權利要求
1. 一種計算機陣列，包括多個計算機；和多個連接所述多個計算機的數據通路，其中至少一些計算機被分配一個不同於分配給其他計算機的任務的任務。
2. 根據權利要求1的計算機陣列，其中 每個計算機被分配不同於其他計算機的任務的任務。
3. 根據權利要求1的計算機陣列，其中 至少一些計算機被配置用於特定輸入功能。
4. 根據權利要求1的計算機陣列，其中 至少 一 些計算機被配置用於特定輸出功能。
5. 根據權利要求1的計算機陣列，其中 所述多個計算機之間的通信是異步的。
6. 根據權利要求1的計算機陣列，其中 所述多個計算機之間的通信經由多條並行數據線。
7. 根據權利要求1的計算機陣列，其中每個計算機被硬連線，以和所述多個計算機中的至少3個計算機通信。
8. 根據權利要求1的計算機陣列，其中 所述多個計算機的數量是25。
9. 根據權利要求1的計算機陣列，其中 所述多個計算機在物理上^皮排列為5乘5的陣列。
10. 根據權利要求1的計算機陣列，其中至少一些計算機在物理上被排列為4乘6的陣列。
11. 根據權利要求1的計算機陣列，其中 沿所述陣列的每一邊的計算機的數量是偶數。
12. 根據權利要求1的計算機陣列，其中 至少一個計算機直接與外部存儲源通信。
13. 根據權利要求1的計算機陣列，其中至少一個計算機將數據從外部存儲源傳遞到所述多個計算機中的至少一 些計算機。
14. 一種用於執行計算機化作業的方法，包括提供多個計算機；並且 向至少一些計算機分配不同的任務。
15. 根據權利要求14的方法，其中 至少一個計算機被分配來與快閃記憶體通信。
16. 根據權利要求14的方法，其中至少 一個計算機被分配來與隨機訪問存儲器通信。
17. 根據權利要求14的方法，其中至少 一個計算機被分配來執行輸入/輸出功能。
18. 根據權利要求14的方法，其中所述多個計算機之一路由到剩餘計算機的分配。
19. 一種計算機陣列，包括 多個計算機；和所述多個計算機之間的多條數據通路；其中 至少一些計算機被編程以執行不同的功能。
20. 根據權利要求19的計算機陣列，其中 不同的功能一起工作以完成一個任務。
21. 根據權利要求19的計算機陣列，其中 當計算機陣列初始化時，每個功能被編程到各個計算機中。
22. 根據權利要求19的計算機陣列，其中 所述多個計算機之間的通信是異步的。
23. —種用於利用多個計算機來完成任務的方法，包括 將任務劃分為多個操作部分，並將每個操作部分分配給所述多個計算機之一；對至少一些計算機編程，以完成每個操作部分。
24. 根據權利要求23的用於完成任務的方法，其中 所述多個操作部分是用於實現全球定位系統接收器的操作。
25. 根據權利要求23的用於完成任務的方法，其中 在任務開始運行之前，對計算機進行編程，以便完成每個操作部分。
26. 根據權利要求23的用於完成任務的方法，其中 所述多個計算機被排列為計算機陣列。
全文摘要
一種計算機陣列(10)，具有多個計算機(12)，用於完成可以被分成多個更小的任務的大任務，其中每個小任務被分配到一個或多個計算機(12)。每個計算機(12)可以針對特定功能而被配置，且與外部的計算機(12)關聯的各個輸入/輸出電路(26)特別適合於特定的輸入/輸出功能。一個25個計算機(12)排列在計算機陣列(10)中的例子具有中心計算核(34)，且接近模片(14)邊緣的計算機(12)被配置為輸入和/或輸出。
文檔編號G06F3/00GK101421703SQ200580008575
公開日2009年4月29日 申請日期2005年2月18日 優先權日2004年3月16日
發明者查爾斯·H·穆爾 申請人:Vns業務有限責任公司