陣列處理器系統(tǒng)芯片的發(fā)展

　　應用演變的數(shù)學技術的統(tǒng)一

　　計算科學是源于數(shù)學思維與工程思維的“數(shù)學技術”，它改變了人們的思維方式。芯片集成度按照摩爾預言速度上升的結果，在高性能計算、網(wǎng)絡化計算與嵌入式計算的應用演變中，數(shù)學技術促進了計算機的新發(fā)展。高性能計算機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、藍色風暴、宇宙計算機、密碼破譯機與武器模擬機等。這些計算機的名稱就說明了它們的應用演變，都需要通過數(shù)學技術建立很復雜的數(shù)學模型，以及實驗或觀測的數(shù)據(jù)庫。模擬的核心就是建立一個與真實或者虛擬系統(tǒng)相關的數(shù)學模型，通過數(shù)學模型與數(shù)據(jù)庫探討對高性能計算機體系結構的影響。網(wǎng)絡化計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設施?，F(xiàn)在，隨應用演變的數(shù)學技術，使計算機網(wǎng)絡的作用已從通信作用，發(fā)展到資源共享的服務作用，叫做網(wǎng)絡計算(Net-Centric Computing)/網(wǎng)格計算(Grid Computing)與網(wǎng)絡存儲。在高性能并行計算與大容量存儲系統(tǒng)的支持下，云計算與SaaS(Software as a Service, Storage as a Service，軟件即服務，存儲即服務)或HaaS( Hardware as a Service，硬件即服務)等數(shù)學技術使下一代數(shù)據(jù)中心將扮演“數(shù)據(jù)電廠”與“數(shù)據(jù)銀行”的服務角色。

　　嵌入式計算是一種計算技術與物理世界相結合的服務模式，有人叫做具體化與物理化應用，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)行機構(模擬人的四肢)的計算機，并通過隨應用演變的數(shù)學技術，讓工業(yè)機器能像人一樣自主工作。雖然現(xiàn)在人工智能的數(shù)學技術只使機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，但為機器人研究帶來了有創(chuàng)見的方法。從形狀來說，有人形機器人與非人形機器人。而美國國防部的變形機器人就是要通過隨應用演變的數(shù)學技術，使機器人具有自組裝能力，可保證機器人能成功地登上星球表面。從功能實現(xiàn)方法來說，有人工方法與自然的仿生方法。人工方法的機器人有手術機器人、自動駕駛機器人等。仿生方法的機器人有氣流發(fā)音的機器人、重力行走機器人、化學機器人、神經(jīng)元機器人、情感機器人、模擬生物進化過程的機器人、以及分子機器人等，仿生方法使隨應用演變的數(shù)學技術的計算日益自然化。計算技術的飛速發(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)學技術最后是通過匯編語言映射到計算機上完成計算的。匯編語言的優(yōu)點是程序質量高，缺點是可讀性差，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)學技術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)學技術是統(tǒng)一到映射語言上，以提高程序的復用性的。

　　硅基芯片的制造技術的統(tǒng)一

　　量子計算與生物計算還處于探索階段，現(xiàn)在的計算機是采用硅基芯片制造技術實現(xiàn)的。人們預計硅基芯片的制造技術到2016年將接近其發(fā)展極限，需要尋找新的技術突破。例如，通過擴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。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，國內將其稱為二次集成技術。1993年美國佐治亞理工學院提出了將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，使半導體產(chǎn)業(yè)進入了“材料推動革命”的時代。集成度高達近20億晶體管的32nm芯片接近實用。

　　為了解決深亞微米技術的“紅墻”問題與嵌入式應用的小型化問題，硅基芯片的TSV三維集成制造技術得到了發(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。據(jù)IBM稱，TSV技術能使芯片數(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20%。IBM將把TSV技術應用到無線通信芯片、電源處理器、Blue Gene超級計算機芯片和高帶寬內存中。我國2006年全國科學大會提出的“十六專項”體現(xiàn)了芯片設計、制造與應用的產(chǎn)業(yè)鏈特點。在“十六專項”的戰(zhàn)略任務的牽引下，有望使我國的芯片技術跟上“摩爾預言”的發(fā)展步伐。制造技術的統(tǒng)一就是指三維集成的TSV技術的統(tǒng)一，以實現(xiàn)嵌入式計算機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。從設計上講，APU系統(tǒng)芯片的陣列體系結構，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技術的應用的。