陣列處理器系統(tǒng)芯片的發(fā)展

　　應(yīng)用演變的數(shù)學(xué)技術(shù)的統(tǒng)一

　　計(jì)算科學(xué)是源于數(shù)學(xué)思維與工程思維的“數(shù)學(xué)技術(shù)”，它改變了人們的思維方式。芯片集成度按照摩爾預(yù)言速度上升的結(jié)果，在高性能計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)化計(jì)算與嵌入式計(jì)算的應(yīng)用演變中，數(shù)學(xué)技術(shù)促進(jìn)了計(jì)算機(jī)的新發(fā)展。高性能計(jì)算機(jī)主要是通過模擬幫助人類了解世界與創(chuàng)造世界的，有地球模擬機(jī)、藍(lán)色風(fēng)暴、宇宙計(jì)算機(jī)、密碼破譯機(jī)與武器模擬機(jī)等。這些計(jì)算機(jī)的名稱就說明了它們的應(yīng)用演變，都需要通過數(shù)學(xué)技術(shù)建立很復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，以及實(shí)驗(yàn)或觀測的數(shù)據(jù)庫。模擬的核心就是建立一個與真實(shí)或者虛擬系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)學(xué)模型與數(shù)據(jù)庫探討對高性能計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的影響。網(wǎng)絡(luò)化計(jì)算的通信作用是非常成功的，從根本上改變了世界的信息基礎(chǔ)設(shè)施?，F(xiàn)在，隨應(yīng)用演變的數(shù)學(xué)技術(shù)，使計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的作用已從通信作用，發(fā)展到資源共享的服務(wù)作用，叫做網(wǎng)絡(luò)計(jì)算(Net-Centric Computing)/網(wǎng)格計(jì)算(Grid Computing)與網(wǎng)絡(luò)存儲。在高性能并行計(jì)算與大容量存儲系統(tǒng)的支持下，云計(jì)算與SaaS(Software as a Service, Storage as a Service，軟件即服務(wù)，存儲即服務(wù))或HaaS( Hardware as a Service，硬件即服務(wù))等數(shù)學(xué)技術(shù)使下一代數(shù)據(jù)中心將扮演“數(shù)據(jù)電廠”與“數(shù)據(jù)銀行”的服務(wù)角色。

　　嵌入式計(jì)算是一種計(jì)算技術(shù)與物理世界相結(jié)合的服務(wù)模式，有人叫做具體化與物理化應(yīng)用，模擬了人類與物理世界交互的形式，成了有傳感器(模擬人的視覺、聽覺與感覺等)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)(模擬人的四肢)的計(jì)算機(jī)，并通過隨應(yīng)用演變的數(shù)學(xué)技術(shù)，讓工業(yè)機(jī)器能像人一樣自主工作。雖然現(xiàn)在人工智能的數(shù)學(xué)技術(shù)只使機(jī)器人有了邏輯思維能力、部分形象思維能力，基本沒有創(chuàng)造思維能力，但為機(jī)器人研究帶來了有創(chuàng)見的方法。從形狀來說，有人形機(jī)器人與非人形機(jī)器人。而美國國防部的變形機(jī)器人就是要通過隨應(yīng)用演變的數(shù)學(xué)技術(shù)，使機(jī)器人具有自組裝能力，可保證機(jī)器人能成功地登上星球表面。從功能實(shí)現(xiàn)方法來說，有人工方法與自然的仿生方法。人工方法的機(jī)器人有手術(shù)機(jī)器人、自動駕駛機(jī)器人等。仿生方法的機(jī)器人有氣流發(fā)音的機(jī)器人、重力行走機(jī)器人、化學(xué)機(jī)器人、神經(jīng)元機(jī)器人、情感機(jī)器人、模擬生物進(jìn)化過程的機(jī)器人、以及分子機(jī)器人等，仿生方法使隨應(yīng)用演變的數(shù)學(xué)技術(shù)的計(jì)算日益自然化。計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，也體現(xiàn)在編程語言的演變上，從最早的Basic到Algol，再到Fortran，以及現(xiàn)在的接近匯編語言的C語言。數(shù)學(xué)技術(shù)最后是通過匯編語言映射到計(jì)算機(jī)上完成計(jì)算的。匯編語言的優(yōu)點(diǎn)是程序質(zhì)量高，缺點(diǎn)是可讀性差，沒有兼容性，是不統(tǒng)一的。因此，APU系統(tǒng)芯片的ISA不是用助記憶符的匯編語言描述的，而是采用了一種面向數(shù)學(xué)技術(shù)也面向指令定義的映射語言描述ISA的，簡稱M語言(Mapping/Middle Language)。數(shù)學(xué)技術(shù)是統(tǒng)一到映射語言上，以提高程序的復(fù)用性的。

　　硅基芯片的制造技術(shù)的統(tǒng)一

　　量子計(jì)算與生物計(jì)算還處于探索階段，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)是采用硅基芯片制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。人們預(yù)計(jì)硅基芯片的制造技術(shù)到2016年將接近其發(fā)展極限，需要尋找新的技術(shù)突破。例如，通過擴(kuò)大芯片面積是提高芯片集成度的一種新途徑，就是圓片規(guī)模集成(WSI，Wafer Scale Integration)技術(shù)。又例如，混合集成電路是一種小型化、高性能和高可靠的互連封裝手段，國內(nèi)將其稱為二次集成技術(shù)。1993年美國佐治亞理工學(xué)院提出了將SoC芯片、MEMS芯片、以及無源元件二次集成在一起的SoP(System on Package，系統(tǒng)級封裝)的概念。按摩爾定律發(fā)展的IC芯片僅占一個系統(tǒng)的10%的體積，而SoP則解決了系統(tǒng)中90%的體積。特別是2007年Intel公司率先具備了45nm硅基芯片的生產(chǎn)能力，使半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了“材料推動革命”的時代。集成度高達(dá)近20億晶體管的32nm芯片接近實(shí)用。

　　為了解決深亞微米技術(shù)的“紅墻”問題與嵌入式應(yīng)用的小型化問題，硅基芯片的TSV三維集成制造技術(shù)得到了發(fā)展。IBM、Intel與Samsung等都采用了TSV(Through-Silicon-Via，硅穿孔封裝)的三維集成技術(shù)。據(jù)IBM稱，TSV技術(shù)能使芯片數(shù)據(jù)所需要的傳輸距離縮短1000倍，連線數(shù)目增加100倍，功耗低達(dá)20%。IBM將把TSV技術(shù)應(yīng)用到無線通信芯片、電源處理器、Blue Gene超級計(jì)算機(jī)芯片和高帶寬內(nèi)存中。我國2006年全國科學(xué)大會提出的“十六專項(xiàng)”體現(xiàn)了芯片設(shè)計(jì)、制造與應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)鏈特點(diǎn)。在“十六專項(xiàng)”的戰(zhàn)略任務(wù)的牽引下，有望使我國的芯片技術(shù)跟上“摩爾預(yù)言”的發(fā)展步伐。制造技術(shù)的統(tǒng)一就是指三維集成的TSV技術(shù)的統(tǒng)一，以實(shí)現(xiàn)嵌入式計(jì)算機(jī)小型化與解決深亞微米的Red brick Wall(紅墻)問題;也是提高我國芯片制造能力的必經(jīng)之路。從設(shè)計(jì)上講，APU系統(tǒng)芯片的陣列體系結(jié)構(gòu)，以及傳感器、顯示器與存儲器等芯片都是陣列的，是正好適合于TSV技術(shù)的應(yīng)用的。