一种针对晶上处理器的辅助系统的制作方法

本发明涉及集成电路，特别是涉及一种针对晶上处理器的辅助系统。

背景技术：

1、随着深度学习、大规模数据交换等领域对芯片算力及处理能力需求的不断提升，单一处理器已经无法满足所有用于大规模数据处理的场景，传统服务器集群存在着体积大、功耗高、能效比低等缺点，随着集群中服务器的数量的增多，其集群的总体计算性能无法随着服务器的数量呈线性增长，导致集群的能效比越来越低，即“边际效应”。于是，晶上系统以极高的互联带宽、功率密度和超高能效比的优势被提出，通过将多个同构或异构的处理器芯粒集成在一块大尺寸晶圆或类似的高速介质上，由介质内的高速总线将各个芯粒彼此互联，极大提升了互连密度、互连能效、互连带宽，降低了互连延迟，进而实现一个超大晶体管规模的晶上处理器集群。

2、晶上系统的核心计算部件是晶上处理器，由大量kgd（know good die，已知正常可用的芯粒）芯粒键合在无源或有源大尺寸硅基板上构成，组成一个“大芯片”。但单独的晶上处理器无法工作，需要配套的辅助系统为其提供电能传输、高温元件散热、结构固定、对外高速通信和系统管理等功能。晶上处理器中的高性能芯粒密集排布，工作时具备功率密度高、发热点密集、不易定位故障和拆卸维修困难等特点，需要晶上处理器的辅助系统在极小的水平空间内完成供电、散热、对外通信、系统管理、结构安装等工作。对于晶上供电子系统，需降低供电网络的配电损耗，降低电压转换模块的温度，增强供电结构的稳定性和安装拆卸便捷性。对于晶上系统管理单元，需要保证对系统中所有供电单元、芯粒及发热元件的高效监测和控制。对于散热子系统，需尽量降低其尺寸和功率、提升其散热效率。对于对外高速通信的连接器，需尽量降低其占用载板面积，进而提升对外互联密度。

3、目前，针对类似晶上处理器的“大芯片”所配套的辅助系统，市场上尚无成熟的产品，国际上只有少数几家公司和科研院所做过相应的研究和工程开发，但其供电模块和对外高速连接器等部件是针对目标芯粒的需求高度定制化的，具有研发周期长、成熟度和可靠性低、成本高、组装工艺要求高、灵活性低等缺点。普通的服务器集群无法达到晶上处理器的计算密度、功率密度和对外互连密度，其配套的辅助系统架构无法被复用在晶上系统中。

4、因此，对于晶上处理器，需要一种集成高密度晶上供电子系统、高效散热子系统、高效管理单元、高速高带宽对外通信单元及配套的结构件的通用辅助系统。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述技术问题，提供一种针对晶上处理器的辅助系统，为晶上处理器提供电能传输、散热、高速对外连接和系统管理等功能。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种针对晶上处理器的辅助系统，该辅助系统由晶上供电子系统、晶圆连接器、晶上处理器、水冷结构件基座、散热循环外机、系统机箱六个部分组成，且设置于一晶上系统外壳内部；

4、所述晶上供电子系统设置于系统顶部，其包含电源分配板、供电单元和高速供电底板，所述晶上供电子系统上方与高电压交流或直流输入接口相连接，下方与晶圆连接器连接；所述晶圆连接器设置于晶上供电子系统和晶上处理器之间，其包含一硬质材料的基座，该基座内嵌若干个微型弹性连接器，用于连接晶上处理器的硅基板与晶上供电子系统的高速供电底板之间的pad，所述晶上处理器包含硅基板、芯粒和裸晶圆，其设置于晶圆连接器和水冷结构件基座之间；所述晶上处理器的上方连接晶圆连接器，所述晶圆连接器的上方与晶上供电子系统连接；所述晶上处理器的下方与水冷结构件基座连接；所述水冷结构件基座含有水冷流道，该水冷流道设置于水冷结构件基座的内部；所述散热循环外机设置于晶上系统外壳内部，与晶上供电子系统以及水冷结构件基座上的水冷结构件基座流道入口和水冷结构件基座流道出口连接；

5、所述晶上供电子系统接受晶上系统外部传入的高压交流电或直流电，将其转换为低直流电压，再通过晶圆连接器传输给晶上处理器，用于为晶上处理器供电，晶上处理器背面与水冷结构件基座贴合，该基座通过散热循环外机导出热量。

6、进一步地，所述晶上供电子系统中的供电单元，将晶上系统的芯粒划分为若干个共享供电区域，每个供电区域内的芯粒共享一个供电单元，所述供电单元采用n行n列排布成一个供电单元阵列，其阵列中每列的n个供电单元组成一个供电子卡，整个晶上供电子系统共包含n个供电子卡，整个晶上供电子系统以供电子卡为单位进行安装、散热、拆卸、更换、测试和维修；

7、所述供电区域的划分是针对硅基板上键合的所有芯粒，包括中心区域安装的kgd芯粒和外围安装的dummy芯粒，所述kgd芯粒和dummy芯粒共同参与供电区域的划分，每个供电区域包含若干芯粒，其对应的供电单元的面积与供电区域面积相同，需要被供电的元件分别为中心区域的kgd芯粒、紧邻dummy芯粒的边缘的kgd芯粒对应的对外高速连接器、晶上系统管理单元；

8、所述电源分配板，包含若干电源输入接口、emc电路、n*n个电源输出接口，电源分配板将整个晶上系统分为若干个区域，每个区域使用独立的供电网络将一个高电压直流输入分配给区域内的电源输出接口，通过柔性的供电输入线缆将电源分配板的电源输出接口和对应的供电单元的输入接口电接；

9、所述供电单元，作为晶上供电子系统的基本设计单元、基本功能单元、基本测试单元和供电阵列的基本单位，在晶上供电子系统的设计采用供电单元的设计，即n*n个供电单元阵列，在需要不同的电源轨时直接调整供电单元的外部电路或内部参数，在测试晶上处理器时使用单个供电单元逐一测试每一个供电区域对应的芯粒；所述晶上系统管理单元布局在方形高速供电底板的四个角落区域，将整个晶上系统划分为4个象限，使用4个管理单元及其配套电路对其进行管理，四个供电管理单元在系统机箱内或系统机箱外使用一个集线器或小型交换机汇总成一个晶上系统管理接口。

10、进一步地，所述供电子卡为7层堆叠结构，供电子卡从下至上的堆叠排列顺序依次为：去耦电容板、核心电压供电板供电vrm第一层水冷结构件、外围io电压供电板、一级直流电压转换板、一级电压转换模块水冷结构件和供电单元电源输入板，每个板卡包含n个相同的子单元，其pcb载板采用拼版工艺制造，可根据需要将其裁剪成独立的小板卡，组成物理上独立的n个供电单元。

11、进一步地，所述高速供电底板，为一块方形高速pcb板，其水平方向的尺寸大于水冷结构件基座尺寸，该pcb板承载晶上供电子系统的供电连接器、加强筋、晶上系统管理单元和对外高速连接器；其pcb板内部的供电网络将供电连接器的针脚扇出到与晶圆连接器对接的焊盘上，对外高速连接器在pcb底板四周区域呈多排阵列式布局。

12、进一步地，所述去耦电容板，位于供电子卡的最下层，内部包含n个相同的去耦单元，其正面安装对应供电区域芯粒的第二去耦电容，每个单元两侧安装与上层核心电压供电板相连的针柱，板卡背面安装供电连接器，与高速供电底板上的供电连接器配对。

13、进一步地，所述核心电压供电板，位于供电子卡的第二层，内部包含n个相同的核心电压供电单元，每个单元正面安装对应区域芯粒的核心电压转换模块和两排与第四层外围io电压供电板连接的针柱，背面安装第二去耦电容和与第一层板卡连接的两排针柱。

14、进一步地，所述外围io电压供电板位于供电子卡的第四层，内部包含n个相同的外围io电压供电单元，每个单元背面安装对应区域芯粒的外围io电压供电模块和与第二层连接的两排针柱，正面安装外围io电压第二储能滤波电容和两排与上层板卡连接的针柱，与第二层连接的针柱在外围io电压供电板上采用螺丝加螺帽的方式安装和加固。

15、进一步地，所述供电子卡的供电模块水冷结构件，共包含两层结构件，位于供电子卡的第三层和第六层，使用刚性金属材质制作，内含水冷流道，表面做磨砂处理；对于第三层的供电vrm第一层水冷结构件，在第二层和第四层供电板卡上的供电模块上安装导热衬垫，通过第四层板卡上的螺丝加螺帽将两层的供电模块上下压紧、贴合在水冷结构件上，第二层和第四层板卡之间的互连针柱安装于结构件两侧，与结构件的间距范围为1mm到2mm；第六层的一级电压转换模块水冷结构件与第三层的供电vrm第一层水冷结构件相同安装方式，但只与第五层板卡中的供电模块贴合；整个晶上供电子系统包含2n条水冷结构件，所有水冷结构件使用分液器连接到散热循环外机的入水口和出水口，晶上供电子系统的水冷结构件和晶上处理器基座中的水冷结构件共用一套散热循环外机，外机按比例分配每个水冷流道中导冷液的流量和流速；安装时，使用固定结构件将供电单元的水冷结构件固定在加强筋或是晶上处理器的水冷结构件基座上，供电水冷结构件同时也作为整个供电子卡安装和拆卸的受力把手，其厚度需使其在安装和拆卸时保持不发生形变；

16、所述一级直流电压转换板，位于供电子卡的第五层，正面安装高直流电压转换到中间母线电压的供电模块，背面安装供电模块所需的第一储能滤波电容，使用螺帽与第四层板卡上带螺丝结构的针柱安装加固，与上层板卡连接的针柱排列于第六层水冷结构件的两侧。

17、进一步地，所述电源输入板位于供电子卡的第七层，板卡正面包含供电单元的输入接口、第一储能滤波电容，其与第五层板卡的针柱螺帽固定。

18、进一步地，所述供电连接器内嵌在加强筋中，加强筋为刚性金属材质的方形网格结构，四周设置有固定螺丝的洞孔，供电连接器中包含大电流供电针脚和低速信号针脚，其数量与供电单元的电源轨和管理信号的数量相匹配，供电连接器分为公母两类，都为贴片安装方式；对于供电连接器的供电针脚，其中电源和回流地针脚相邻交错排布，并在电源和对应的回流地之间安装若干个第一去耦电容。

19、本发明的有益效果如下：

20、采用3d堆叠式区域共享的架构为晶上处理器中芯粒的供电，提升了晶上供电子系统的功率密度；在晶上供电子系统中嵌入多层内含水冷流道的结构件，并配套相应的固定结构件，提升了晶上供电子系统的散热效率、散热密度和结构的稳定性；采用阵列式布局对外高速连接器的方式增加了晶上系统的对外高速互连密度；利用高速供电底板四个角落区域安装管理单元，同时独立管理四个区域，增加了晶上系统的紧凑性和管理效率。

21、晶上供电子系统采用高压直流输入，采用垂直堆叠供电结构传输电能，缩短了供电网络路径，降低了晶上供电子系统的配电损耗。

22、晶上供电子系统包含多个相同的供电子卡，供电子卡包含多个相同的供电单元，以供电子卡为单位进行安装和拆卸，以供电单元为单位进行设计、调试和测试，晶上供电子系统使用同构的供电单元组成阵列为晶上系统中的芯粒、高速对外通信连接器阵列和晶上管理单元电路三类不同电压域的元器件供电，实现了供电单元和供电子卡的归一化，提升了晶上供电子系统的研发、生产、调试、测试、安装和拆卸效率。

23、晶上供电子系统可以使用市场上成熟的电压转换模块进行设计和组装，具有成本低、研发周期短、组装工艺要求低、灵活度高、稳定可靠的特点。

24、供电子卡使用两条水冷结构件，其中核心电压供电板和外围io电压供电板共享一条水冷结构件中的流道，提升了晶上供电子系统的紧凑性和散热效率，降低了晶上供电子系统结构的复杂度，安装简单且漏液风险低。整个晶上系统中晶上处理器的散热流道、晶上供电子系统的多层散热流道共享一套散热循环外机，降低了散热子系统的尺寸，提升了散热子系统的散热密度。