一种基于磁耦合的三维堆叠片间无线通讯接口结构与通讯方法

本发明涉及一种三维堆叠片间无线通讯接口的结构，尤其涉及一种基于磁耦合的三维堆叠片间无线通讯接口结构与通讯方法。

背景技术：

1、伴随着对高性能浮点计算芯片、深度学习推理芯片的日益增长的需求，高性能逻辑芯片的集成度不断提高，制程工艺节点不断下降，但当前仍然存在着高速缓存芯片的低带宽与小容量的瓶颈。三维垂直堆叠芯片由于其高密度、低延迟的特点，在消费及工业高性能电子设备中应用越来越广泛。

2、封装技术快速发展的同时，已经出现了一些研究与报道使用多种方式进行垂直方向上的片间数据传输。据当前研究，部分应用使用tsv(though silicon via，硅通孔)工艺，构建起芯片间的有线方式数据传输，这些方案需要昂贵的tsv工艺，且高密度tsv对三维芯片间的键合精度要求较高。同时一旦由于高温工作环境等因素造成tsv开路，系统将无法修复。当前也存在使用磁耦合进行三维堆叠通信的报道，这些应用采用将二进制数据调制为异步不归零信号或者不归零脉冲的方式进行无线传输，分别存在着功耗较高、抗干扰性差的缺点。总的来说，目前已有的三维堆叠片间高速数据传输研究都存在着相当的缺点。

3、三维层叠封装芯片中，处于不同层的数据或者时钟信号发射与接收电感只需要进行低精度的对准装配，就可以建立起耦合关系。这使得磁耦合数据通信实用化成为可能；将数据的每一比特都调制为双向差分脉冲的方式，能够显著加强并行磁耦合通信接口通信所必须的抗串扰能力。该原理的调制解调电路结构简单，同时兼具低功耗与低错误率，但目前未见有相关应用与报道。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种基于磁耦合的三维堆叠片间无线通讯接口结构。本发明利用磁耦合能够穿透芯片的硅衬底传递信号、全比特调制能够提高抗串扰能力与脉冲调制减少功耗的原理特性，通过协同化设计时钟/数据收发平面螺旋电感与数据/时钟双向脉冲收发电路，在片上集成了三维堆叠低功耗多通道并行高速数据收发接口。

2、本发明采取的技术方案如下：

3、本发明首先提供了一种基于磁耦合的三维堆叠片间无线通讯接口结构，其包括一个母片和至少一个子片；母片和所有子片垂直堆叠；所述的子片包括时钟接收模块、数据发射模块、数据接收模块；所述母片包括时钟发射模块、数据发射模块、数据接收模块；所述的子片和母片上的数据发射模块完全相同，数据接收模块完全相同；且子片上的数据发射模块对应母片上的数据接收模块、子片上的数据接收模块对应母片上的数据发射模块；相互对应的数据发射模块和数据接收模块通过平行对齐的数据发射电感与数据接收电感在垂直方向上建立磁耦合关系传递电压信号；

4、所述时钟发射模块包括时钟发射电感与时钟发射h桥；所述时钟接收模块包括时钟接收电感、差分放大器与时钟输出缓冲器链；时钟发射模块和时钟接收模块通过平行对齐的时钟发射电感与时钟接收电感在垂直方向上建立磁耦合关系传递电压信号；

5、时钟发射电感连接至时钟发射h桥的输出端，外部系统时钟输入至时钟发射h桥输入端；时钟接收电感连接至差分放大器的输入端，被差分放大器放大后的信号输出至时钟输出缓冲器链；

6、数据发射模块包括矩形波脉冲生成器、全比特数据调制器和数据发射电感；其中，全比特数据调制器包括h桥控制器与全比特h桥；数据接收模块包括数据接收电感、压控时钟延迟器、钟控动态比较器与锁存器；

7、数据发射电感连接在全比特数据调制器输出端，矩形波脉冲生成器生成的脉冲与待传输的数据信号输入至全比特数据调制器；时钟接收模块的输出连接至压控时钟延迟器，压控时钟延迟器的输出延迟时钟信号与数据接收电感接收到的信号共同输出至钟控动态比较器；钟控动态比较器连接到锁存器，输出恢复数据信号。

8、本发明还提供了一种应用上述接口结构的基于磁耦合的三维堆叠片间无线通讯方法，其包括以下步骤：

9、步骤1)：将外部系统时钟信号输入至母片时钟发射h桥，子片的时钟接收电感感应出与母片系统时钟同频率的周期电压信号，此信号经由子片的差分放大器放大之后，恢复出矩形波系统时钟；

10、步骤2)：数据信号能够从母片数据发射模块向子片数据接收模块的发送，也能够从子片数据发射模块向母片数据接收模块的发送；将发射数据的母片或子片称为发射芯片，将接收数据的子片或母片称为接收芯片，数据信号发送的过程包括如下：

11、2.1)发射芯片的数据发射模块使用发射芯片时钟生成频率与发射芯片时钟相同的占空比小于50％的矩形脉冲波；

12、2.2)：在待发射数据为高电平的时隙中，发射芯片的数据发射模块将步骤2.1)中发射芯片生成的矩形脉冲波从正端到负端方向全部的通过其内的数据发射电感；同样的，在发射数据为0电平的时隙中，将步骤2.1)中发射芯片生成的矩形脉冲波从负端到正端方向全部的通过其内的数据发射电感；

13、2.3)：接收芯片将接收芯片时钟通过压控时钟延迟器，使接收芯片内部的延迟时钟上升沿同步至其数据接收电感上的感生电压的第一次与第二次突变点之间；受此同步延迟时钟控制的接收芯片的钟控动态比较器判断数据接收电感两端差分感生电压的正负性，输出模拟信号的比较结果；将接收芯片的钟控动态比较器输出的模拟信号送入接收芯片的锁存器，输出数字信号，即为接收芯片接收到的数据信号。

14、优选的，当数据信号从母片数据发射模块向子片数据接收模块的发送时，步骤2.1)中的发射芯片时钟为输入母片的外部系统时钟；步骤2.3)中的接收芯片时钟为步骤1)中子片恢复出的矩形波系统时钟；

15、当数据信号从子片数据发射模块向母片数据接收模块的发送时，步骤2.1)中的发射芯片时钟为步骤1)中子片恢复出的矩形波系统时钟；步骤2.3)中的接收芯片时钟为输入母片的外部系统时钟。

16、本发明的有益效果是：

17、1)本发明利用硅介质中的磁耦合原理，可以实现三维堆叠的芯片在垂直方向上进行多层芯片间的无线时钟同步与数据通信。本发明利用片上平面螺旋电感，兼容标准cmos工艺，提高了集成度，易于部署，同时降低了对堆叠芯片的装配精度的要求，提高了系统层叠错位、环境温度与机械震动的鲁棒性。

18、2)本发明使用脉冲调制，避免发射电感上长时间与大电流通过，极大的降低了系统的功耗与发热，便于高性能、高能效计算系统的大规模部署，并能兼容于各种严格功耗与散热要求的高性能嵌入式、边缘计算、可穿戴设备。

19、3)本发明采用全比特调制，在数据信号电平长时间不跳变的情况下，仍能稳定输出脉冲信号，防止相邻通道的串扰信号耦合到接收端电感而产生的误码。较已有报道，结构简单，抗干扰能力更强，误码率更低，通道密度更高，可以实现更高带宽的超低延迟三维堆叠片间低误码通信。

技术特征：

1.一种基于磁耦合的三维堆叠片间无线通讯接口结构，其特征在于包括一个母片和至少一个子片；母片和所有子片垂直堆叠；所述的子片包括时钟接收模块、数据发射模块、数据接收模块；所述母片包括时钟发射模块、数据发射模块、数据接收模块；所述的子片和母片上的数据发射模块完全相同，数据接收模块完全相同；且子片上的数据发射模块对应母片上的数据接收模块、子片上的数据接收模块对应母片上的数据发射模块；相互对应的数据发射模块和数据接收模块通过平行对齐的数据发射电感与数据接收电感在垂直方向上建立磁耦合关系传递电压信号；

2.根据权利要求1所述的一种基于磁耦合的三维堆叠片间无线通讯接口结构，其特征在于所述的数据发射电感(1)、数据接收电感(3)、时钟发射电感(2)、时钟接收电感(4)为使用芯片顶层金属制作，数据发射电感(1)、数据接收电感(3)、时钟发射电感(2)、时钟接收电感(4)为自谐振频率高于发射频率的矩形或者八边形平面螺旋电感。

3.根据权利要求1所述的一种基于磁耦合的三维堆叠片间无线通讯接口结构，其特征在于所述的时钟发射h桥(5)为包含对称的反相器对；时钟发射电感的两端分别连接在时钟发射h桥的反相器对的输出端；反相器对由一对差分的矩形波系统时钟驱动。

4.根据权利要求1所述的一种基于磁耦合的三维堆叠片间无线通讯接口结构，其特征在于所述的全比特h桥由两对完全对称的漏极连接在一起的pmos与nmos组成，其中pmos的源极连接至电源，nmos的源极连接至地；所述的h桥控制器(8)连接至全比特h桥(9)的左右两臂pmos与nmos的4个栅极输入端；待发射数据信号的互补信号输入左臂的pmos栅极；待发射数据信号直接连接至右臂的pmos栅极；待发射数据信号与矩形波脉冲生成器(7)生成的矩形波脉冲经由一个或非门后输出至左臂的nmos栅极；待发射数据信号的相反信号与生成的矩形波脉冲的相反信号经由一个或非门后输出至右臂的nmos栅极。

5.根据权利要求1所述的一种基于磁耦合的三维堆叠片间无线通讯接口结构，其特征在于所述的压控时钟延迟器为电压控制延迟时间或相位，但不改变信号频率和占空比的延迟电路。

6.根据权利要求1所述的一种基于磁耦合的三维堆叠片间无线通讯接口结构，其特征在于所述的钟控动态比较器(10)为在一个经由时钟高低电平控制的工作周期内进行预充电状态、比较状态流程的差分输入的高速比较器；所述的钟控动态比较器输出差分电平的极性与大小与处于比较状态的输入差分信号的幅度差极性与大小呈正相关。

7.一种应用于权利要求1-6任一所述接口结构的基于磁耦合的三维堆叠片间无线通讯方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种基于磁耦合的三维堆叠片间无线通讯方法，其特征在于，当数据信号从母片数据发射模块向子片数据接收模块的发送时，步骤2.1)中的发射芯片时钟为输入母片的外部系统时钟；步骤2.3)中的接收芯片时钟为步骤1)中子片恢复出的矩形波系统时钟；

9.根据权利要求7所述的一种基于磁耦合的三维堆叠片间无线通讯方法，其特征在于，数据发射电感(1)中流过的调制电流i(t)与数据接收电感(3)感应电压v(t)在一个矩形脉冲波周期内，通过以下公式进行描述：

技术总结
本发明公开了一种基于磁耦合的三维堆叠片间无线通讯接口结构与通讯方法。该接口结构包括一个母片和至少一个子片；母片和所有子片垂直堆叠；所述的子片包括时钟接收模块、数据发射模块、数据接收模块；所述母片包括时钟发射模块、数据发射模块、数据接收模块。本发明利用垂直方向上不同芯片的片上螺旋电感间的磁耦合关系，同时进行数据与时钟信号的传输。本发明的通讯方法将每一比特数字信号都调制为差分双向不归零脉冲序列，并在接收端通过高速动态比较器进行判决与数据解析。本发明可应用在三维堆叠的芯片层叠间的时钟同步与数据通信，具有低功耗、面积小、低延迟、抗干扰、不易损坏等特点，本装置物理接口兼容各种上层的数据传输协议，应用范围广。

技术研发人员：朱晓雷,孙崇惠,杨坤,陶汝硕,杨程
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12