基于三维堆叠的薄膜电池多核处理器系统及能耗优化方法与流程

本发明属于半导体集成电路、先进封装及微电源，具体涉及一种多核处理器系统，尤其是采用固态薄膜电池的多核处理器系统，具体涉及将固态薄膜电池与多核处理器及外围器件三维异质集成、并实现片上智能能量动态路由与负载阻抗自适应匹配的系统及控制方法。

背景技术：

1、随着大模型、多模态人工智能技术快速落地，云端模型训练、高并发推理、端侧智能感知等场景催生海量算力需求。神经网络运算具备大规模并行计算特征，包含大量卷积、矩阵乘加等同质计算任务，对处理器并行处理能力提出极高要求。受物理工艺限制，单核处理器难以单纯依靠提升主频持续获取算力增长，无法匹配ai任务等大规模并行运算需求。在此背景下，多核处理器架构成为主流技术路线，得到广泛应用。多核处理器通过在单芯片内部集成多个独立计算核心，依托并行执行机制同时调度多项计算任务，能够有效提升整体算力吞吐、优化任务并发处理能力；同时多核架构可灵活实现算力资源分配，适配云端智算中心、边缘设备、终端智能硬件等应用场景。

2、现代高性能多核处理器（cpu/gpu）及微型系统在能效管理上至少面临三个核心痛点：

3、1.输电网络（pdn）的寄生损耗严重：传统电子系统主要采用板级电池供电，电源管理集成电路（pmic）距离逻辑芯片和传感器较远。电能输运路径跨越传统pcb走线、封装基板及多层正面金属层，引入了明显的寄生电阻和电感，导致高频、大电流工况下的交直流交叠损耗与电压跌落（ir drop）极其严重。

4、2.瞬态响应滞后与微观调压受限：多核处理器各逻辑核心的运算负载在纳秒级别内瞬息万变。传统的集中式供电响应速度通常在微秒级别，无法实现纳秒级的瞬态功耗响应，且难以做到独立逻辑核心级别的精细化动态电压频率调节（dvfs）。

5、3.外围器件脉冲大电流引起的纹波干扰：物联网及高集成度系统中的微型传感器、无线通信模块等外围器件在从休眠唤醒或执行高频采样时，通常需要瞬态脉冲大电流。传统集中式电源网络由于供电距离长、输入阻抗不匹配，无法有效抑制此类瞬态纹波，导致系统整体能效低下，严重时甚至干扰逻辑核心的正常工作。

6、虽然片上薄膜电容器（thin-film/micro-capacitors）可用于瞬态去耦，但其基于介电极化或静电储能原理，面积能量密度极低（通常仅在0.01~1μwh/cm2级别）。即使采用三维沟槽（3d trench）拓扑，其最高面积能量密度通常也不超过0.03mwh/cm2，仅能在微秒级（μs）时间内应对功耗突变，随后便会因能量耗尽发生严重的电压塌陷。此外，传统的扣式电池（厚度>1mm）及软包电池（缺乏刚性支撑且存在热膨胀风险）由于无法耐受半导体后道封装的高温与高真空环境，完全无法满足片上异质集成的严苛要求。

7、在现有技术基础上，希望提供具有更高能效多核处理器系统以及对应的能耗优化方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有半导体系统中pdn路径损耗大、多负载瞬态能耗匹配效率低的问题 。本发明提出了一种将可重构固态薄膜电池阵列与多核处理器/外围器件在共封装内进行三维异质集成的系统，利用“上下夹攻”的空间布局以及片上能量路由算法，消除了长距离走线损耗（ir drop）。由于缩短了垂直供电距离，ir drop降低了 90% 以上。固态薄膜电池单元配合片上电容实现纳秒级的瞬态去耦，并提供毫秒至秒级的连续高功率平滑缓冲，抑制全频段电压纹波与塌陷。

2、根据本发明的一个方面，提供一种基于三维堆叠的薄膜电池多核处理器系统，其特征在于，包括：

3、处理器计算层，其包含至少一个属于独立功率域的处理器核心、晶圆正面互连层以及晶圆背面互连层；

4、背面分布式薄膜电池阵列，其由多个独立的固态薄膜电池单元（μ-tfb）呈矩阵式排列组成，直接集成在所述处理器计算层上，并通过穿透所述晶圆的微硅通孔（μ-tsv）与所述晶圆背面互连层电性连接，用于为所述处理器核心提供本地区域的低损耗供电；

5、片上能量路由器（on-chip power router, opr），其至少集成在所述处理器计算层中，所述片上能量路由器至少与所述背面分布式薄膜电池阵列电性连接，用于根据所述处理器核心的实时负载和空间位置实施动态调度能量分配。

6、优选地，所述处理器计算层包含多个属于独立功率域的处理器核心。

7、优选地，所述背面分布式薄膜电池阵列由多个独立的微型固态薄膜电池单元（μ-tfb）呈矩阵式排列组成。

8、优选地，所述背面分布式薄膜电池阵列中的固态薄膜电池单元直接集成在所述处理器计算层的晶圆背面。

9、优选地，所述处理器系统还包括中介层（interposer），所述处理器计算层堆叠设置在所述中介层上，所述中介层至少集成高容量薄膜电池组、全局电源管理总线以及信号传输网络。

10、优选地，所述片上能量路由器集成在所述中介层中。

11、优选地，所述片上能量路由器与所述中介层中的高容量薄膜电池组电性连接。

12、优选地，所述中介层内的高容量薄膜电池组通过大尺寸硅通孔与所述处理器计算层的晶圆正面互连层或所述片上能量路由器连接，用于应对突发性集群高负载功耗需求。

13、优选地，所述固态薄膜电池单元在所述处理器计算层上的正投影至少对应一个处理器核心的本地高功耗热点区域。

14、优选地，所述固态薄膜电池单元与所述本地高功耗热点区域的正投影关系按照输电路径损耗极小化的方式设置。

15、优选地，所述背面分布式薄膜电池阵列和或中介层内的高容量薄膜电池组通过物理气相沉积原位生长于基底上。

16、优选地，所述背面分布式薄膜电池阵列和或中介层内的高容量薄膜电池组为全固态无机薄膜电池，其正极层为licoo2、锰酸锂、高镍三元、磷酸铁锂、富锂锰基、高电压尖晶石或普鲁士蓝体系中的至少一种，电解质层为lipcon、锂镧锆氧，磷酸钛铝氧，锂氯磷硫，锂锗磷硫，锂氯锆中的至少一种。

17、优选地，所述处理器计算层的晶圆设置有减薄区域，所述微硅通孔穿透晶圆的减薄区域，并以阵列化（array）形式直接对准处理器核心的power gate（功率门）或基准供电焊盘。

18、优选地，所述片上能量路由器通过由低导通电阻mosfet组成的晶体管开关矩阵与所述固态薄膜电池单元连接，所述晶体管开关矩阵集成在处理器计算层的正面金属层或中介层中。

19、根据本发明的另一个方面，还提供一种根据权利要求1至12中所述处理器系统的能耗优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

20、a.通过所述片上能量路由器实时监控并预测多核处理器中各处理器核心的计算负载状态及外围器件的触发中断信号；

21、b.所述片上能量路由器实时读取所述背面分布式薄膜电池阵列中各固态薄膜电池单元的电量、纹波和温度数据；

22、c.所述片上能量路由器根据目标负载的空间位置执行空间临近路由算法，并根据目标负载的瞬态输入阻抗，计算出最优的电池串并联拓扑构型；

23、d.驱动对应的晶体管开关阵列，动态调整所述固态薄膜电池单元之间的串并联连接关系，实现电能经由最短路径对目标负载的分发。

24、优选地，所述目标负载为一个或多个处理器核心。

25、优选地，所述目标负载为外围器件。

26、优选地，在所述步骤d中，实现电能经由最短垂直路径对目标负载的分布式柔性分发。

27、优选地，在所述步骤d中包括如下步骤：

28、当检测到某处理器核心进入高负载大功率状态时，所述片上能量路由器控制开关网络将对应的数个固态薄膜电池单元重构为并联模式，以降低电源内阻并匹配负载的瞬态大电流需求；

29、当检测到外围器件需要高压唤醒信号时，所述片上能量路由器控制开关网络将对应的数个固态薄膜电池单元重构为串联模式以提升输出电压；以及

30、当背面分布式薄膜电池阵列的本地能量消耗速率超过预设阈值时，所述片上能量路由器启动两级协同补充机制，控制所述中介层高容量薄膜电池组通过全局电源总线平缓地为所述背面固态薄膜电池单元进行充电补能。

31、通过本发明所提供的基于三维堆叠的薄膜电池多核处理器系统以及对应的能耗优化控制方法，在与处理器核心最近的路径上设置薄膜电池、使得能源传输路径短，并通过具体的能耗优化控制方法使得薄膜电池向处理器核心的供电路径短，从而提高能量利用效率、降低能耗。本发明提供的薄膜电池多核处理器系统以及对应的能耗优化控制方法在成本可控的情况下可以用于量产，并在具体应用中可以节省能耗、提高多核处理器系统的运算性能、降低因散热技术问题而无法突破的技术瓶颈，便于应用于实际产线，可以的可观的经济收益。