CN117234310B - 一种针对晶上处理器的辅助系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对晶上处理器的辅助系统，该系统主要由水冷结构件基座、晶圆连接器、高速供电底板、晶上系统管理单元、加强筋和晶上供电子系统组成。其中高速供电底板上采用中心安装供电阵列、四边安装对外高速互连接口阵列、四个角落安装区域管理单元的布局，晶上供电子系统采用3D堆叠垂直供电架构，其供电单元阵列中内含多层水冷散热结构件。本发明可提升晶上系统的计算密度、功率密度和对外通信带宽，降低供电子系统的配电损耗，增强供电子系统的散热密度和安装维护的便捷性。

Description

一种针对晶上处理器的辅助系统

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别是涉及一种针对晶上处理器的辅助系统。

背景技术

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。

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。

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。

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。

发明内容

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。

本发明采用的技术方案如下：

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；

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；

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。

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；

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；

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；

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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；

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。

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。

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。

本发明的有益效果如下：

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。

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。

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。

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。

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。

附图说明

图1 晶上处理器辅助系统架构示意图；

图2 晶上处理器芯粒布局示意图；

图3 高速供电底板正面的元器件布局示意图；

图4为本发明的高速PCB底板上加强筋安装区域示意图；

图5为本发明的加强筋外形剖面组装示意图；

图6晶上处理器供电区域划分示意图；

图7 供电VRM水冷结构件安装示意图；

图8 供电子卡去耦电容板正面布局示意图；

图9 供电连接器针脚布局示意图；

图10供电子卡核心电压供电板正面布局示意图；

图11 供电子卡外围IO电压供电板正面布局透视图；

图12 供电基本单元结构示意图；

图13晶上系统管理单元连接示意图；

图14晶上系统散热循环外机安装位置示意图。

附图标记：

1-晶上系统外壳，2-水冷结构件基座，3-裸晶圆，4-异构处理单元，5-Dummy芯粒，6-硅基板，7-晶圆连接器，8-高速供电底板，9-加强筋，10-固定螺丝，11-对外高速连接器，12-光纤，13-晶上系统管理单元，14-去耦电容板，15-第一板间互连针柱，16-核心电压供电板，17-第二板间互连针柱，18-供电VRM第一层水冷结构件，19-固定结构件，20-去耦电容板拼接线，21-外围IO电压供电板，22-第三板间互连针柱，23-一级直流电压转换板，24-针柱螺帽，25-供电连接器，26-供电输入线缆，27-电源分配板，28-导热衬垫，29-晶上管理接口，30-以太网线缆，31-一级电压转换模块水冷结构件，32-供电单元电源输入板，33-KGD芯粒，34-布局在四边的Dummy芯粒，35-布局在四角的Dummy芯粒，36-切割后的硅基板外轮廓，37-晶上处理器供电区域的划分线，38-对外高速连接器安装区域，39-加强筋安装区域，40-加强筋固定孔，41-管理单元安装区域，42-供电单元阵列安装区域，43-高速供电底板上供电区域虚拟分割线，45-供电连接器安装区域，46-供电VRM水冷结构件，47-出水口分液器，48-出水接头，49-入水口分液器，50-入水口接头，51-供电模块PCB载板，52-供电模块PCB载板与上层互连的针柱焊盘，53-供电单元虚拟分割线，54-供电连接器外壳，55-供电针脚，56-信号针脚，57-第一去耦电容，58-第一针柱焊盘，59-第二去耦电容， 60-第二针柱焊盘，61-第一储能滤波电容，62-第三针柱焊盘，63-核心电压供电板拼接线，64-第四针柱焊盘，65-第二储能滤波电容，66-第五针柱焊盘，67-外围IO电压供电板拼接线，68-供电单元的输入接口，69-微型弹性连接器，70-水冷结构件基座流道入口，71-水冷结构件基座流道出口。

具体实施方式

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，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7、晶上处理器、水冷结构件基座2、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1内部；

所述晶上供电子系统设置于系统顶部，其包含电源分配板27、供电单元和高速供电底板8，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，其下方与晶圆连接器7连接；所述晶圆连接器7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69，用于连接晶上处理器的硅基板6与晶上供电子系统的高速供电底板8之间的PAD，所述晶上处理器包含硅基板6、芯粒和裸晶圆3，其设置于晶圆连接器7和水冷结构件基座2之间；所述晶上处理器的上方连接晶圆连接器7，所述晶圆连接器7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2连接；所述水冷结构件基座2含有水冷流道，该水冷流道设置于水冷结构件基座2的内部；所述散热循环外机设置于晶上系统外壳1内部，与晶上供电子系统以及水冷结构件基座2上的水冷结构件基座流道入口70和水冷结构件基座流道出口71连接；

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7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2贴合，该基座通过散热循环外机导出热量。

整个晶上系统的结构包含金属的水冷结构件基座2、由硅基板6和异构处理单元4（由多个芯粒组成的一个图灵完备的单元，图中统一标注为一个“芯粒”）组成的晶上处理器、晶圆连接器7、高速供电底板8、晶上系统管理单元13、加强筋9、晶上供电子系统、散热循环外机（见图14）及晶上系统外壳1等。

对于水冷结构件基座2，由纯铜材质制成，使用尺寸为330*330*100mm3的两个铜块，在表面铣出若干条水冷流道，然后将两个铜块键合，形成内部包含封闭水冷流道的一个金属基座，同时，在基座的上表面铣出与硅基板6同尺寸的凹槽，使晶上处理器能够嵌入到凹槽中。

对于晶上处理器，在12寸无源硅基板6上按照图2的布局排列了184个异构处理单元4（图1中标识为芯粒），每个异构处理单元4中包含若干KGD芯粒（如CPU、GPU、DSA、DDR、晶振等），由这些尺寸不同、功能不同和工艺节点不同的芯粒共同组成一个完整的单元，其中一个Base芯粒作为基底，承载单元中其他所有芯粒，Base芯粒中主要包含开关电容稳压器SCVR(Switched-Capacitor Voltage Regulator)、深沟槽电容及互连金属线，SCVR将供电单元传输过来的高电平电压（如3.3V）转换为芯粒的核心电压（如1.1V或0.8V）及外围IO电压（如1.8V或2.5V），为所有芯粒供电，所述深沟槽电容负责SCVR的储能及芯粒的高频去耦，所述互连金属线负责异构处理单元4内芯粒的连接、单元之间的连接、单元与外部辅助系统的连接等。每个异构处理单元4的尺寸为15.534*15.534mm2，不超过一个最大光罩面积，即在硅基板6内形成重复生产的无源电路，光刻机使用一个光罩完成对硅基板6上所有图形的快速制作。所述异构处理单元4间的间距为1mm，图4中虚线标识区域中，为布局在四边的Dummy芯粒34和布局在四角的Dummy芯粒35（即图1中的Dummy芯粒5），Dummy芯粒5为了保护内部的KGD芯粒33不受划片和安装损伤，其内部无功能电路，外形尺寸与KGD芯粒33一致，其他中心区域布局KGD芯粒33。使用ASTM E1530胶水将一块12寸未经加工的裸晶圆3贴装在芯粒底部，矫正硅基板6的翘曲，且保护硅基板6和芯粒不被破坏，将贴装了裸晶圆3和芯粒的12寸硅基板6整体切割成近似正方形的多边形，其切割后的硅基板外轮廓36的边长为231.076mm，且四个角为圆形的圆弧，如图2所示。

对于硅基板6上异构处理单元4共享供电区域的划分，如图6所示，按照晶上处理器供电区域的划分线37进行划分，将每4个2*2排布的单元作为一个共享供电单元区域，整个晶上处理器上划分7*7共49个共享供电区域。其中心的5*5共25个供电区域包含的都是KGD芯粒33。四条边（不包含4个角落）4*5共20个供电区域中，每个供电区域包含2个KGD芯粒33和2个Dummy芯粒5，Dummy芯粒5不需要供电。4个角落的4个供电区域只包含一个Dummy芯粒5，此区域的芯粒不需要提供电能。

对于晶圆连接器7，包含尺寸为330*330*1.5mm3的LCP材料的基座，LCP材料具有较好的介电常数和承热能力，基座内部嵌入大量微型毛纽扣作为微型弹性连接器69，形成毛纽扣阵列，用于连接硅基板6的PAD与高速供电底板8的焊盘。

对于高速供电底板8，其尺寸为450*450mm2。如图3所示，其板卡中心为供电单元阵列安装区域42，如图4所示，高速供电底板上供电区域虚拟分割线43将局部区域分为四个正方形，该区域中包括供电连接器安装区域45和加强筋安装固定区域39，用于对接供电单元和压合加强筋9。图3中，供电单元阵列安装区域42四周为加强筋固定区域39，高速供电板卡上的若干个加强筋固定孔40用于安装加强筋9与水冷结构件基座2之间的固定螺丝10；加强筋安装区域39的四周为4块对外高速连接器安装区域38，用于安装高带宽的微型高速连接器，通过光纤12与晶上系统外部设备连接通信，每个区域的微型高速连接器采用5排2列的排列方式布局，且微型高速连接器的接口朝下。高速供电底板8的四个角落为晶上管理单元安装区域41，安装晶上系统管理单元13及其配套电路。

对于晶上系统管理单元13，将晶上系统的异构处理单元4和对应的供电单元划分为4个管理区，其中三个区域对应48个异构处理单元4和12个供电单元，一个区域对应52个异构处理单元4和13个供电单元，每个管理单元连接所管理区域中每个异构处理单元4及供电单元，监控异构处理单元4的连接状态、工作状态、节点温度及其对应供电单元的输出电压、输出电流、节点温度等参数，同时可将配置信息下发到异构处理单元4及其对应供电单元中。4个管理单元采用ASIC、FPGA或CPU实现，与每个芯粒通过IIC总线单独连接，与每个供电单元中的电压转换模块通过PMBus总线单独连接，通过晶上管理接口29和以太网线缆30连接到晶上系统外壳1内的一个总控制器上，总控制器汇总4个管理单元的数据，通过一个以太网接口及网线与系统外的远程控制台通信。系统中的异构处理单元4、供电单元、管理单元、总控制器和远程控制台的逻辑连接关系如图13所示，远程控制台上的管理者可以通过以太网接口获取晶上系统中的参数进行显示和保存，同时根据实际需求制定管理策略并下发到芯粒和供电单元，实现整个晶上系统的管理。如图4所示，晶上系统管理单元13旁边的存储区和通信接口区分别安装管理单元必需的配套电路，存储区安装DDR和Flash，通信接口区安装JTAG和以太网接口。

对于加强筋9，如图4和图5所示，所述加强筋9位于供电单元的去耦电容板14（板上安装对应异构处理单元的去耦电容cap）和高速供电底板之间，加强筋9为正方形网格结构，固定安装在高速供电底板8上，加强筋9使用14mm厚的不锈钢板制成，钢板四周为若干个固定螺孔，使用固定螺丝10将其固定在金属的水冷结构件基座2上，加强筋9的中心区域为49个网格孔，每个网格孔里面安装供电单元的供电连接器25，网格孔大小为28*28mm，网格筋的宽度为5mm，安装完加强筋9后，加强筋9施加作用力矫正高速供电底板8和硅基板6的翘曲、将毛纽扣阵列（一种微型弹性连接器69）压缩，使其与对接的PAD及焊盘充分接触。

对于晶上供电子系统，包含一块电源分配板27和一套供电单元阵列。其中供电单元阵列中包含49个供电单元，安装在图3中晶上处理器的49个供电单元阵列安装区域42中，49个供电单元组成7行7列的阵列为晶上系统供电，每个供电单元中如图12所示，包含供电接口（即图1中的供电单元的输入接口68）、电源输入板、一级电压供电板、外围IO电压供电板21、核心电压供电板16、去耦电容板14及这些板卡上安装的VRM模块（电压转换模块, 该模块包含VRM1、VRM2和VRM3）、散热结构件、供电连接器25等。供电单元阵列每列的7个供电单元封装成一个供电子卡，整个晶上供电子系统包含7个独立的供电子卡。

对于晶上供电子系统中的电源分配板27，安装于晶上系统外壳1内部，与所有供电单元的输入接口68通过供电输入线缆26相连，电源分配板27中包含4个48V电源输入接口、EMC（Electromagnetic Compatibility，电磁兼容性）电路、49个48V电源输出接口。对应晶上处理器的4个管理区域，分配4个独立的电源输入接口，与晶上系统外部的4个220V转48V供电设备连接，电源分配板27内采用4套独立的供电网络为每个电源输入接口分配了12个或13个电源输出接口，与对应的供电单元相连。

对于晶上供电子系统中的供电子卡，为7层堆叠结构，每个供电子卡包含5层功能板卡和两层金属水冷结构件，供电子卡中所有功能板卡的PCB载板采用拼板方式设计和制造，对应7个供电单元，拼成7块物理相连、功能独立的板卡。供电子卡从下至上的堆叠排列顺序依次为：去耦电容板14、核心电压供电板16、供电VRM第一层水冷结构件18（为结构件下方的VRM1和结构件上方的VRM2散热）、外围IO电压供电板21、一级直流电压转换板23、一级电压转换模块水冷结构件31、供电单元电源输入板32。

对于供电子卡中的去耦电容板14，位于供电子卡的最下层（第一层），尺寸为230.476mm*32.068mm，如图8所示，内部包含7个相同的去耦单元，去耦电容板拼接线20为各个去耦单元的拼接点和分界点，去耦电容板14的正面安装第二去耦电容59（即图8中的cap），在每个单元两侧的第一针柱焊盘58安装第一板间互连针柱15，与上层核心电压供电板16相连，传输电源信号和供电模块的PMBus信号。板卡背面安装供电连接器25公头，与高速供电底板8上的供电连接器25母头配对，如图9所示，供电连接器25的外形界面为一方形轮廓的供电连接器外壳54，公头和母头都是贴片封装，其内部包含供电针脚55和信号针脚56，其中供电针脚55包含电源和回流地两种，它们相互交错排列。在供电PCB底板上，供电连接器25母头每个电源针和回流地针之间安装3个第一去耦电容57，用于降低供电网络的PDN阻抗，相应地，为了保证安装第一去耦电容57后供电连接器25的可焊性和散热性能，供电连接器25焊盘母头的触点高度需要提高，使焊接时和散热时的热风不受电容阻挡而聚集。

对于供电子卡中的核心电压供电板16，位于供电子卡的第二层，如图10所示，内部包含7个相同的核心电压供电单元，核心电压供电板拼接线63为各个核心电压供电单元的拼接点和分界点，每个单元正面安装对应区域芯粒的核心电压（一般为低电压、大电流）供电转换模块和两排与第四层外围IO电压供电板21连接的第二板间互连针柱17（针柱焊盘布局如第三针柱焊盘62），针柱传输电源信号（包括12V输入电源和外围IO电压转换模块的输出电源）和第四层外围IO供电模块的控制信号，背面安装核心电压供电模块的第一储能滤波电容61（即图10中的cap）和与第一层板卡连接的两排针柱（布局如第二针柱焊盘60）；核心电压供电板62水平方向的尺寸与去耦电容板14相同。

对于供电子卡的外围IO电压供电板21，位于供电子卡的第四层，内部包含7个相同的外围IO电压供电单元，如图1所示和图11所示，外围IO电压供电板拼接线67为各个外围IO电压供电单元的拼接点和分界点，每个单元背面安装对应区域芯粒的外围IO电压（一般为高电压、小电流）供电模块和与第二层连接的两排针柱（其焊盘见图11：第五针柱焊盘66），正面安装外围IO电压供电模块的第二储能滤波电容65（即图11中的cap）和两排与上层连接的第三板间互连针柱22（其焊盘如第四针柱焊盘64），针柱用于传输核心电压供电模块和外围IO电压供电模块的12V输入电源。外围IO电压供电板21与第二层板卡连接的针柱在板上采用针柱螺丝加针柱螺帽24的方式安装和加固。

对于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（供电VRM第一层水冷结构件18）和第六层（一级电压转换模块水冷结构件31），结构件使用纯铜材质制作，将两片包含流道的铜板键合形成内部流道，结构件表面做磨砂处理，用于增加摩擦力，保证水冷结构件和供电单元之间安装后相对位置固定。对于位于第三层的供电VRM第一层水冷结构件18，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28，通过第四层板卡上的螺丝加螺帽将第二层和第四层的供电模块压紧贴合在金属水冷结构件上，如图7所示，水平方向上，芯粒供电VRM(Voltage Regulator Module，电压调节模组)水冷结构件46的X轴尺寸大于供电子卡中供电模块PCB载板51的X轴尺寸，在载板边沿伸出水冷输入输出接头，水冷结构件的Y轴尺寸小于PCB载板，其安装方向也与子卡的所有PCB载板安装方向一致，第二层和第四层板卡之间的互连针柱焊盘，即供电模块PCB载板与上层互连的针柱焊盘52，其位于流道两侧，与供电VRM水冷结构件46保持1mm的间隙，水冷结构件使用固定臂或相应的固定结构件19将其固定在加强筋9上。第六层水冷结构件为一级电压转换模块水冷结构件31，其与第三层供电VRM第一层水冷结构件18安装方式类似，如图1所示，第六层的一级电压转换模块水冷结构件31单面贴合在所有的VRM3上，并将其固定在第三层供电VRM第一层水冷结构件18或系统水冷结构件基座2上。图7中，各个供电单元彼此空间独立，以供电单元虚拟分割线53作为其边界。

整个晶上供电子系统包含2*7共14条水冷供电水冷结构件，第三层的7条水冷结构件和第六层的7条水冷结构件共用一个入水口和一个出水口，在结构件的液冷入水口接头50使用一个入水接头50和一套入水口分液器49（如1分14橡胶软管）将散热循环外机输入的水冷液分流，在液冷出口使用一套出水口分液器47（如14合1橡胶软管）和一个水冷结构件出水接头46将水冷液合流输出到散热循环外机，晶上供电子系统的14条水冷结构件和晶上处理器的水冷结构件基座2共用一套散热循环外机，散热循环外机的安装位置如图14所示，位于晶上系统外壳1内晶上供电子系统、晶上连接器7、晶上处理器、水冷结构件基座2旁边，散热循环外机按比例分配每个水冷通道中的流量和流速。安装时，使用结构件（固定臂及螺丝等固定件）将供电单元的水冷结构件整体固定在加强筋9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，其厚度需要使其在安装和拆卸时保持不发生形变。

进一步的，所述一级直流电压转换板23，位于供电子卡的第五层，正面安装48V电压转换到中间母线12V电压的供电模块，模块上安装导热衬垫28，使用一级电压转换模块水冷结构件31将导热衬垫28压紧在供电模块上，48V电压输入降低供电单元输入的传输损耗，12V电压输入到第二层和第四层供电模块中，第二层和第四层的供电模块完成晶上处理器芯粒所需核心电压和外围IO(Input and output,输入输出)电压的转换。板卡背面安装供电模块所需的输入输出储能滤波电容，使用螺帽与第四层板卡上带螺丝结构的针柱安装加固，针柱传输12V电源，与第七层板卡连接的针柱排列于第六层水冷结构件的两侧。

进一步的，所述的电源输入板，位于供电子卡的第七层，板卡正面包含48V电压供电单元输入接口、储能滤波电容、针柱安装孔，与第五层板卡的针柱使用螺帽与螺丝固定，针柱传输48V电源。

对于由供电子卡组成的7行7列供电单元阵列，如图3所示，中心区域所有5*5共25个“供电单元1”为25个共享供电区域中的100个异构处理单元4供电，其中每个共享供电区域包含4个异构处理单元4。供电单元阵列中，四边布局4*5共20个“供电单元2”，每个“供电单元2”中一半数量的电源轨为2个异构处理单元4供电，另一半电源轨为“供电单元2”旁边相邻的2个对外高速连接器11供电，或者异构处理单元4和高速供电连接器25相同的电压域共享部分电源轨。供电单元阵列4个角落的4个“供电单元3”分别为4个晶上系统管理单元13及其配套的存储、通信等电路供电，通过调节“供电单元3”中供电模块的反馈配置电阻或通过PMBus接口调节供电模块的内部参数，进而调节供电单元电源轨的输出电压值，使这4个供电单元中各个电源轨的输出电压满足供电单元及其配套电路的需求。

对于晶上系统的研发，先设计一个基本供电单元，如图12所示，基本供电单元中，为方便测试，使用与水冷结构件同高度的散热片贴装在VRM1（负责提供核心电压）、VRM2（负责提供外围IO电压）和VRM3（负责一级直流电压转换）上来代替水冷结构件，并在周围布置风扇，增加空气对流。如果基本供电单元在制造完后经测试达到异构处理单元4的要求，则将基本供电单元的设计复制成7*7共49个由基本供电单元组成的供电单元阵列即可。基本供电单元也作为晶上处理器的出厂测试装置，在组装完水冷结构件基座2、晶上处理器、晶圆连接器7、高速供电底板8、加强筋9之后，使用单个供电单元逐一测试每个共享供电区域，如果晶上处理器部分电路短路，导致单个供电单元损坏，其维修成本远小于正式安装后一个子卡中的某个供电单元损坏（子卡中任何一个单元损坏，需要以整个子卡为单位进行维修或更换）。供电单元测试供电区域内的芯粒功能正常后，安装供电子卡。

对于晶上供电子系统，在组装时，先由下至上安装单个子卡，顺序为去耦电容板14、核心电压供电板16、供电VRM第一层水冷结构件18、外围IO电压供电板21、一级直流电压转换板23、一级电压转换模块水冷结构件31、供电单元电源输入板32，安装完成子卡之后，测试子卡中每一个供电单元，测试通过后，以子卡为单位使用7个子卡完成晶上系统中供电单元阵列的安装，然后安装电源分配板27，完成整个晶上供电子系统的安装。

对于散热子系统，包含晶上供电子系统和水冷结构件基座2中的水冷结构件及对应的一套散热循环外机，散热循环外机包含水泵、冷排、导流软管、散热子系统的供电单元等，散热循环外机通过橡胶导流软管与各个水冷结构件的接头连接，通过图1中的水冷结构件基座流道入口70、水冷结构件基座流道出口71、晶上供电子系统中的供电VRM第一层水冷结构件18的流道入口、晶上供电子系统中的供电VRM第一层水冷结构件18的流道出口、晶上供电子系统中的一级电压转换模块水冷结构件31的流道入口和晶上供电子系统中的一级电压转换模块水冷结构件31的流道出口，实现导冷液在冷排和水冷结构件内部流道的循环。

对于晶上系统外壳1，如图1所示，其内部安装了水冷结构件基座2、晶上处理器、晶圆连接器7、高速供电底板8、晶上系统管理单元13、加强筋9、晶上供电子系统、散热循环外机、风扇阵列等，通过机箱面板上的4个供电输入接口、一个晶上管理以太网接口和40个对外通信高速接口与晶上系统外的高压供电设备、远程管理设备及用户服务器交互，其中用户服务器产生需计算的数据，将其通过晶上系统中的对外通信高速接口传输给晶上系统中的若干异构处理单元4中进行计算处理，晶上系统在处理完成这些数据后将结果通过对外通信高速接口传输给用户服务器。风扇阵列包含入风的风扇阵列和出风的风扇阵列，增加机箱内部的空气对流速率，将板卡中供电网络产生的热量带走。

本实施例中详细描述了一种晶上处理器配套的辅助系统，采用5层板卡堆叠的供电架构，将单位面积的供电密度提升4倍以上；采用两层VRM水冷结构件为三层供电板卡中的供电模块散热，增加了晶上供电子系统结构的紧凑性、提升了晶上供电子系统的散热密度；采用两列对外高速连接器11的布局将对外互联通信密度提升了一倍；采用48V高电压输入和垂直配电的方式，降低了配电损耗；采用每4个异构处理单元4共享一个供电单元中的电压域，满足了异构处理单元4多电压域的供电需求；使用基本供电单元作为晶上系统的基本设计单元、基本功能单元（可改装为“供电单元1”、“供电单元2”、“供电单元3”共三种类型）、基本测试单元和供电阵列（包含7*7共49个供电单元）的基本单元，简化了晶上供电子系统设计、改装、调试、测试和组装的复杂度；采用4个晶上系统管理单元13独立并行管理系统中所有器件的方式，增加了管理效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，如可以采用风冷加水冷的方式为晶上供电子系统中的电压转换模块散热，或是采用更多的电压转换层堆叠达到更高的供电密度等。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种针对晶上处理器的辅助系统，其特征在于，该辅助系统由晶上供电子系统、晶圆连接器(7)、晶上处理器、水冷结构件基座(2)、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(1)内部；

所述晶上供电子系统设置于系统顶部，其包含电源分配板(27)、供电单元和高速供电底板(8)，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，其下方与晶圆连接器(7)连接；所述晶圆连接器(7)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(69)，用于连接晶上处理器的硅基板(6)与晶上供电子系统的高速供电底板(8)之间的PAD，所述晶上处理器包含硅基板(6)、芯粒和裸晶圆(3)，其设置于晶圆连接器(7)和水冷结构件基座(2)之间；所述晶上处理器的上方连接晶圆连接器(7)，所述晶圆连接器(7)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(2)连接；所述水冷结构件基座(2)含有水冷流道，该水冷流道设置于水冷结构件基座(2)的内部；所述散热循环外机设置于晶上系统外壳(1)内部，与晶上供电子系统以及水冷结构件基座(2)上的水冷结构件基座流道入口(70)和水冷结构件基座流道出口(71)连接；

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(7)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(2)贴合，该基座通过散热循环外机导出热量；

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；

所述供电区域的划分是针对硅基板(6)上键合的所有芯粒，包括中心区域安装的KGD芯粒(33)和外围安装的Dummy芯粒(5)，所述KGD芯粒(33)和Dummy芯粒(5)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(33)、紧邻Dummy芯粒(5)的边缘的KGD芯粒(33)对应的对外高速连接器(11)、晶上系统管理单元(13)；

所述电源分配板(27)，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(27)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(26)将电源分配板(27)的电源输出接口和对应的供电单元的输入接口(68)电接；

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(13)布局在方形高速供电底板(8)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。

2.根据权利要求1所述的一种针对晶上处理器的辅助系统，其特征在于，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(14)、核心电压供电板(16)供电VRM第一层水冷结构件(18)、外围IO电压供电板(21)、一级直流电压转换板(23)、一级电压转换模块水冷结构件(31)和供电单元电源输入板(32)，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。

3.根据权利要求2所述的一种针对晶上处理器的辅助系统，其特征在于，所述去耦电容板(14)，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(59)，每个单元两侧安装与上层核心电压供电板(16)相连的针柱，板卡背面安装供电连接器(25)，与高速供电底板(8)上的供电连接器(25)配对。

4.根据权利要求2所述的一种针对晶上处理器的辅助系统，其特征在于，所述核心电压供电板(16)，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(21)连接的针柱，背面安装第二去耦电容(59)和与第一层板卡连接的两排针柱。

5.根据权利要求2所述的一种针对晶上处理器的辅助系统，其特征在于，所述外围IO电压供电板(21)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电压供电模块的第二储能滤波电容(65)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(21)上采用螺丝加螺帽的方式安装和加固。

6.根据权利要求2所述的一种针对晶上处理器的辅助系统，其特征在于，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(18)，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(28)，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(31)与第三层的供电VRM第一层水冷结构件(18)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(19)将供电单元的水冷结构件固定在加强筋(9)或是晶上处理器的水冷结构件基座(2)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；

所述一级直流电压转换板(23)，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(61)，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。

7.根据权利要求2所述的一种针对晶上处理器的辅助系统，其特征在于，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(68)、第一储能滤波电容(61)，其与第五层板卡的针柱螺帽(24)固定。

8.根据权利要求1所述的一种针对晶上处理器的辅助系统，其特征在于，所述高速供电底板(8)，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(2)尺寸，该PCB板承载晶上供电子系统的供电连接器(25)、加强筋(9)、晶上系统管理单元(13)和对外高速连接器(11)；其PCB板内部的供电网络将供电连接器(25)的针脚扇出到与晶圆连接器(7)对接的焊盘上，对外高速连接器(11)在PCB底板四周区域呈多排阵列式布局。

9.根据权利要求8所述的一种针对晶上处理器的辅助系统，其特征在于，所述供电连接器(25)内嵌在加强筋(9)中，加强筋(9)为刚性金属材质的方形网格结构，四周设置有固定螺丝(10)的洞孔，供电连接器(25)中包含大电流供电针脚(55)和低速信号针脚(56)，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(25)分为公母两类，都为贴片安装方式；对于供电连接器(25)的供电针脚(55)，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(57)。