一种基于专用集成电路芯片的数据处理系统及方法与流程

本发明涉及集成电路热管理，具体为一种基于专用集成电路芯片的数据处理系统及方法。

背景技术：

1、随着摩尔定律演进趋缓，专用集成电路的数据处理系统越来越多地采用三维异构集成技术，即通过硅通孔将多个功能裸片实现垂直堆叠与互连，各计算单元之间通过片上网络进行数据交换，片上网络路由器负责数据包的寻址、缓冲与转发，现有的片上网络互连协议通常原生支持基于链路拥塞状态的自适应路由，即当检测到某条链路数据流量过载时，路由器可以将数据包转发至备用路径，以避免网络拥塞导致的传输延迟，然而，上述自适应路由机制仅面向网络拥塞状态，并未与芯片内部的物理热力状态建立关联；

2、目前业内针对三维异构集成专用集成电路热点问题主要采用两类现有技术方案，第一类为被动散热方案，该方案通过在芯片封装外部增加均热板、液冷冷板等散热结构，将芯片产生的热量传导至外部环境，其结构组成主要包括专用集成电路裸片、封装基板、导热界面材料、均热板或液冷冷板、外部散热风扇或水冷循环系统，其工作原理是依靠芯片外部的热传导与热对流将芯片整体温度控制在安全范围内，由于均热板、液冷冷板等散热结构与芯片内部互连层之间存在多层封装结构的传导路径，该方案无法解决芯片内部三维堆叠结构中互连层的局部热梯度问题，热点仍会在芯片内部瞬时形成并持续积累；

3、第二类为软件级热节流方案，其现有方法为：通过芯片外围布设的少量温度传感器周期性采集芯片整体或局部温度，将采集到的温度数据通过低速总线上报至固件或操作系统，固件或操作系统中的电源管理单元根据预设阈值判断是否触发热保护，若温度超过阈值，则由固件强制降低芯片时钟频率或暂停部分计算任务的调度，直至温度回落至安全区间后再恢复正常频率，由于该方案依赖固件或操作系统进行温度判断与频率调整，其响应周期通常为毫秒级，与芯片内部逻辑翻转产生热量的纳秒级速度相比存在数个数量级的延迟差异，导致该方案无法及时应对局部热点的瞬时激增，同时，该方案采取的应对措施是对整体或大范围区域进行降频或暂停任务，而不是针对具体过热的物理区域进行数据流的定向疏导，因此会导致数据处理流水线整体中断，大幅牺牲系统算力与数据吞吐性能，为此，我们提出一种基于专用集成电路芯片的数据处理系统及方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于专用集成电路芯片的数据处理系统。

2、本发明要解决的技术问题是：三维异构集成专用集成电路在处理高并发、大吞吐量数据时，由于垂直堆叠结构导致芯片内部局部功率密度急剧升高，形成局部热点，而现有的被动散热方案无法解决芯片内部互连层的热梯度问题，现有的软件级热节流方案又因响应延迟大、且需要通过降频或暂停任务来应对局部热点激增，从而导致数据处理流水线断裂、系统算力与吞吐性能大幅下降，因此，如何在不牺牲数据处理吞吐性能的前提下，实现对三维专用集成电路局部热点的实时、精细化管理，是本发明所要解决的核心技术问题。

3、为解决上述技术问题，本发明提供一种基于专用集成电路芯片的数据处理系统，包括公共衬底、设置于所述公共衬底上的三维堆叠计算芯粒阵列、连接相邻计算芯粒的硅通孔微凸块阵列、网格化嵌布于所述公共衬底与所述硅通孔微凸块阵列之间的微型温度传感器阵列、与各所述计算芯粒对应设置的片上网络路由器，以及与所述微型温度传感器阵列及所述片上网络路由器均通信连接的硬件热管理模块，所述硬件热管理模块被配置为读取所述微型温度传感器阵列采集的实时温度值，将实时温度值与预设的热点判定阈值进行比较得到热点状态标志位，在判定对应物理坐标位置处于过热状态时生成背压信号并据此降低该位置所连接的片上网络路由器的路由选择权重，所述片上网络路由器被配置为依据各候选路径的路由选择权重，选择权重数值大于其余候选路径的候选路径作为实际转发路径，使数据流物理绕开处于过热状态的物理坐标位置，本发明还相应提供一种与上述系统对应的数据处理方法。

4、采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

5、1.本发明通过在公共衬底与硅通孔微凸块阵列物理结构之间网格化嵌布基于pn结的微型温度传感器阵列，能够获取芯片内部精确的三维温度分布状态，相较于现有软件方案中仅在裸片边缘或封装外壳布设少量温度传感器并通过低速总线上报的方式，感知路径更短、感知颗粒度更精细；

6、2.本发明通过硬件热管理模块直接在路由器层面动态修改数据流路由权重，将数据流物理绕开过热区域，无需操作系统或固件介入判断与调度，避免了因整体降频或暂停任务带来的数据处理流水线中断，有利于保持系统的吞吐性能；

7、3.本发明通过设置恢复阈值与热点判定阈值的滞回判定机制，避免了物理节点在阈值附近反复进入与退出过热状态时引发的路由权重频繁切换，即避免路由抖动；

8、4.本发明通过非均匀任务重构技术，在不降低任何单个计算芯粒工作主频的条件下，根据温度状态调整新增任务在不同物理区域间的分配比例，实现芯片整体功率密度的均衡分布，兼顾了散热需求与数据处理系统的吞吐能力及长期可靠性。

1.一种基于专用集成电路芯片的数据处理系统，其特征在于，包括：公共衬底，三维堆叠计算芯粒阵列，设置于所述公共衬底上，硅通孔微凸块阵列，用于连接相邻的所述计算芯粒，微型温度传感器阵列，网格化嵌布于所述公共衬底与所述硅通孔微凸块阵列之间，用于采集所述公共衬底不同物理坐标位置的实时温度值，片上网络路由器，与各所述计算芯粒对应设置，用于对数据流进行寻址、缓冲与转发，硬件热管理模块，与所述微型温度传感器阵列及所述片上网络路由器均通信连接，所述硬件热管理模块被配置为：读取所述微型温度传感器阵列采集的实时温度值，将所述实时温度值与预设的热点判定阈值进行比较，得到对应物理坐标位置的热点状态标志位，在所述热点状态标志位表征对应物理坐标位置处于过热状态时，生成与该物理坐标位置对应的背压信号，并根据所述背压信号降低该物理坐标位置所连接的片上网络路由器的路由选择权重，所述片上网络路由器被配置为：接收到跨区域数据流的转发请求时，依据当前各候选路径对应的路由选择权重，选择路由选择权重数值大于其余候选路径对应权重数值的候选路径作为实际转发路径，以使所述数据流绕开处于过热状态的物理坐标位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于专用集成电路芯片的数据处理系统，其特征在于：所述微型温度传感器阵列中每个温度传感器单元均基于pn结正向导通压降与温度呈线性负相关的特性构建，用于将温度信号转换为模拟电压信号，所述数据处理系统还包括模数转换电路，与所述微型温度传感器阵列的输出端连接，用于将所述模拟电压信号转换为数字温度值，所述硬件热管理模块按照所述微型温度传感器阵列的阵列坐标编号，将各所述数字温度值汇总形成热力图矩阵，并以预设的时钟周期对所述热力图矩阵进行刷新。

3.根据权利要求1所述的一种基于专用集成电路芯片的数据处理系统，其特征在于：所述硬件热管理模块根据所述背压信号降低路由选择权重的方式为：将该物理坐标位置所连接的片上网络路由器的路由选择权重的更新前数值，乘以一个差值，得到路由选择权重的更新后数值，所述差值为1减去预设的热惩罚系数所得的结果，所述热惩罚系数的取值大于0且不大于1，所述硬件热管理模块还被配置为：持续监测处于过热状态的物理坐标位置的实时温度值，在该实时温度值回落至预设的恢复阈值以下时，将该物理坐标位置的热点状态标志位复位，并将该物理坐标位置所连接的片上网络路由器的路由选择权重恢复为更新前的数值，所述恢复阈值小于所述热点判定阈值。

4.根据权利要求1所述的一种基于专用集成电路芯片的数据处理系统，其特征在于，所述硬件热管理模块还被配置为：根据所述微型温度传感器阵列采集的实时温度值，周期性计算各所述计算芯粒的可用算力权重，所述可用算力权重与对应计算芯粒所在物理区域的温度值呈负相关关系，所述数据处理系统根据所述可用算力权重，将新增数据处理任务分配至不同的所述计算芯粒，使温度值低的物理区域分配到的新增数据处理任务量大于温度值高的物理区域分配到的新增数据处理任务量。

5.根据权利要求1所述的一种基于专用集成电路芯片的数据处理系统，其特征在于：所述微型温度传感器阵列中的温度传感器单元为嵌布于所述公共衬底的薄膜热敏电阻，还包括与所述温度传感器单元连接的桥式电路，用于对所述温度传感器单元输出的信号进行放大后输入至模数转换电路。

6.根据权利要求1所述的一种基于专用集成电路芯片的数据处理系统，其特征在于：所述硬件热管理模块内部固化有温度区间与路由权重惩罚值对应的查找表，所述硬件热管理模块根据实时温度值所处的温度区间，从所述查找表中获取对应的路由权重惩罚值，并根据所述路由权重惩罚值更新对应片上网络路由器的路由选择权重。

7.一种基于专用集成电路芯片的数据处理方法，应用于包括公共衬底、设置于所述公共衬底上的三维堆叠计算芯粒阵列、连接相邻计算芯粒的硅通孔微凸块阵列、网格化嵌布于所述公共衬底与所述硅通孔微凸块阵列之间的微型温度传感器阵列、与各所述计算芯粒对应设置的片上网络路由器的数据处理系统，其特征在于，包括：读取所述微型温度传感器阵列采集的、所述公共衬底不同物理坐标位置的实时温度值，将所述实时温度值与预设的热点判定阈值进行比较，得到对应物理坐标位置的热点状态标志位，在所述热点状态标志位表征对应物理坐标位置处于过热状态时，生成与该物理坐标位置对应的背压信号，并根据所述背压信号降低该物理坐标位置所连接的片上网络路由器的路由选择权重，接收到跨区域数据流的转发请求时，依据当前各候选路径对应的路由选择权重，选择路由选择权重数值大于其余候选路径对应权重数值的候选路径作为实际转发路径，以使所述数据流绕开处于过热状态的物理坐标位置。

8.根据权利要求7所述的一种基于专用集成电路芯片的数据处理方法，其特征在于：所述微型温度传感器阵列中每个温度传感器单元均基于pn结正向导通压降与温度呈线性负相关的特性构建，输出模拟电压信号，所述方法还包括：将所述模拟电压信号经模数转换电路转换为数字温度值，按照所述微型温度传感器阵列的阵列坐标编号，将各所述数字温度值汇总形成热力图矩阵，并以预设的时钟周期对所述热力图矩阵进行刷新。

9.根据权利要求7所述的一种基于专用集成电路芯片的数据处理方法，其特征在于：根据所述背压信号降低路由选择权重的步骤包括：将该物理坐标位置所连接的片上网络路由器的路由选择权重的更新前数值，乘以一个差值，得到路由选择权重的更新后数值，所述差值为1减去预设的热惩罚系数所得的结果，所述热惩罚系数的取值大于0且不大于1，所述方法还包括：持续监测处于过热状态的物理坐标位置的实时温度值，在该实时温度值回落至预设的恢复阈值以下时，将该物理坐标位置的热点状态标志位复位，并将该物理坐标位置所连接的片上网络路由器的路由选择权重恢复为更新前的数值，所述恢复阈值小于所述热点判定阈值。

10.根据权利要求7所述的一种基于专用集成电路芯片的数据处理方法，其特征在于，还包括：根据所述微型温度传感器阵列采集的实时温度值，周期性计算各所述计算芯粒的可用算力权重，所述可用算力权重与对应计算芯粒所在物理区域的温度值呈负相关关系，根据所述可用算力权重，将新增数据处理任务分配至不同的所述计算芯粒，使温度值低的物理区域分配到的新增数据处理任务量大于温度值高的物理区域分配到的新增数据处理任务量。