JPH0416810B2 - - Google Patents

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JPH0416810B2
JPH0416810B2 JP4226685A JP4226685A JPH0416810B2 JP H0416810 B2 JPH0416810 B2 JP H0416810B2 JP 4226685 A JP4226685 A JP 4226685A JP 4226685 A JP4226685 A JP 4226685A JP H0416810 B2 JPH0416810 B2 JP H0416810B2
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JP
Japan
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multiplier
array
carry
array multiplier
dimensional
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Application number
JP4226685A
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Japanese (ja)
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JPS61201329A (en
Inventor
Shigeo Daito
Koji Sakamoto
Itaru Kurosawa
Toshio Tsurushima
Hisao Tagami
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Agency of Industrial Science and Technology
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    • G06F7/38Methods or arrangements for performing computations using exclusively denominational number representation, e.g. using binary, ternary, decimal representation
    • G06F7/48Methods or arrangements for performing computations using exclusively denominational number representation, e.g. using binary, ternary, decimal representation using non-contact-making devices, e.g. tube, solid state device; using unspecified devices
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    • G06F7/53Multiplying only in parallel-parallel fashion, i.e. both operands being entered in parallel
    • G06F7/5324Multiplying only in parallel-parallel fashion, i.e. both operands being entered in parallel partitioned, i.e. using repetitively a smaller parallel parallel multiplier or using an array of such smaller multipliers

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Description

【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本発明はデジタル数値間の乗算器に関し、特に
並列アレイ乗算器にあつてそれを構成する各種内
部回路部分を三次元集積化するに際し、適当なる
配置関係を規定するための改良に関する。
[Detailed Description of the Invention] <Industrial Application Field> The present invention relates to a multiplier between digital numbers, and particularly to a parallel array multiplier, and is suitable for three-dimensionally integrating various internal circuit parts constituting the multiplier. This invention relates to an improvement for defining the arrangement relationship.

<従来の技術> デジタル方式の電子計算機や信号処理装置にと
つて、デジタル数値を乗算するための乗算器は殆
ど不可欠の要素である。
<Prior Art> Multipliers for multiplying digital numerical values are almost an essential element for digital computers and signal processing devices.

したがつて従来からも、この乗算器の高速化に
は多大の努力が払われてきた。
Therefore, great efforts have been made to increase the speed of this multiplier.

そこでまず、こうした従来の乗算方式及び乗算
器に就き、説明する。
First, such conventional multiplication methods and multipliers will be explained.

論点を簡明にするため、数値は32ビツトの二進
数で表される正の小数とし、被乗数A、乗数B、
その積Pを次のように表す。
To simplify the discussion, the numbers are expressed as positive decimal numbers in 32-bit binary numbers, with multiplicand A, multiplier B,
The product P is expressed as follows.

A≡0.a1a2a3…ai…a32 B≡0.b1b2b3…bj…b32 P≡0.p1p2p3…p64 ……(1) そして、簡単のため、各桁の重みを考えず、次
式(2)で表されるUi、jをオペランドと呼ぶ。
A≡0.a1a2a3…ai…a32 B≡0.b1b2b3…bj…b32 P≡0.p1p2p3…p64 …(1) Then, for simplicity, without considering the weight of each digit, use the following equation (2). The represented Ui,j is called an operand.

Ui、j=ai・bj ……(2) 上記(1)、(2)式の関係を図解すれば、第2図中に
あつて斜線がai、横線がbjを示し、黒丸を付した
それらの各交点がオペランドUi、jとなる。し
たがつて、これらオペランドの総和が求める積P
となる。
Ui, j=ai・bj...(2) To illustrate the relationship between equations (1) and (2) above, in Figure 2, the diagonal line indicates ai, the horizontal line indicates bj, and those with black circles Each intersection becomes an operand Ui,j. Therefore, the product P obtained by the sum of these operands is
becomes.

当該総和を求めるための乗算方式は数多いが、
中でも組合せ回路(CLC)による方式が今の所、
最も高速である。アレイ乗算器(AM)はその代
表的な例で、集積回路への適合性が良いことか
ら、広く普及している。
There are many multiplication methods to find the total sum, but
Among them, the method using combinational circuits (CLC) is currently available.
It is the fastest. Array multipliers (AMs) are a typical example, and are widely used due to their good compatibility with integrated circuits.

第3図には、こうしたアレイ乗算器AMの一例
として、最上位ビツト数値がalで最下位ビツト数
値がa4である4ビツト被乗数Aと、最上位ビツ
ト数値がb1で最下位ビツト数値がb4である4ビ
ツト乗数Bとの積Pを採る4ビツト×4ビツト構
成例が示されている。
As an example of such an array multiplier AM, FIG. 3 shows a 4-bit multiplicand A where the most significant bit value is al and the least significant bit value is a4, and a 4 bit multiplicand A where the most significant bit value is b1 and the least significant bit value is b4. An example of a 4 bit x 4 bit configuration is shown in which the product P with a certain 4 bit multiplier B is obtained.

本図中に示されている黒丸は第2図における黒
丸と同様、各オペランドUi、jを示しているが、
図を簡単化するため、第2図におけるai用の斜線
とbj用の横線は省略してある。
The black circles shown in this figure indicate the respective operands Ui and j, similar to the black circles in Figure 2.
In order to simplify the diagram, the diagonal lines for ai and the horizontal lines for bj in FIG. 2 are omitted.

記号“HA”で示された四角形は半加算器セ
ル、“FA”で示された四角形は全加算器セルを示
している。半加算器セルHAは、周知のように、
例えば第4図に示されるような具体的回路構成を
採つて二入力x、yの加算をなし、同様に全加算
器セルFAは、第5図に示すような具体的回路構
成によつて三入力x、y、zの加算を行なう。そ
の結果、両者は共に、和出力sと桁上げ出力cの
二つの出力を持つ。
The rectangle designated by the symbol "HA" represents a half adder cell, and the rectangle designated by "FA" represents a full adder cell. As is well known, the half adder cell HA is
For example, the specific circuit configuration shown in FIG. 4 is used to add two inputs x and y, and the full adder cell FA is similarly configured to add three inputs x and y using the specific circuit configuration shown in FIG. Performs addition of inputs x, y, and z. As a result, both have two outputs: a sum output s and a carry output c.

半加算器HAの論理式は次式(3)となる。 The logical formula of the half adder HA is the following formula (3).

c=xy;s=x+y ……(3) 同様に、全加算器FAの論理式は次式(4)となる。 c=xy;s=x+y...(3) Similarly, the logical formula for the full adder FA is the following formula (4).

c=xy+yz+zx; s=x+y+z+xyz ……(4) 以上のようなアレイ乗算器AMは、桁数が増せ
ば当然、用いる半加算器HAや全加算器FAの数
を増すことによりその容量が拡張されるが、そう
した場合、単に第3図に示されるような基本構成
を桁数の増加に応じてそのまま踏襲していたので
は、演算速度がかなり遅くなり、逆に演算速度を
ある一定の値以上に確保しようとすると、容量に
制限が生まれる。
c = xy + yz + zx; s = x + y + z + xyz ...(4) As the number of digits increases, the capacity of the array multiplier AM described above can naturally be expanded by increasing the number of half adders HA and full adders FA used. However, in such a case, if the basic configuration shown in Figure 3 were simply followed as the number of digits increased, the calculation speed would become considerably slower, and conversely, if the calculation speed was increased beyond a certain value, If you try to secure it for a long time, there will be a limit to the capacity.

そこで、従来からも、基本的には既述のような
アレイ乗算器AMの考えを用いるにしても、乗算
過程を並列化することにより、より一層の高速化
を図ろうとした試みが本発明者の一人によりなさ
れていた。
Therefore, the inventor of the present invention has attempted to further speed up the multiplication process by parallelizing the multiplication process, even if the concept of the array multiplier AM as described above is basically used. It was done by one of the people.

これは並列アレイ乗算器(PAM)と呼称され
るもので、その原理は第6〜8図に示される通り
である。
This is called a parallel array multiplier (PAM), and its principle is as shown in FIGS. 6-8.

今、一例として、並列に乗算する当該並列数を
“4”とすると、第2図に示されていた全オペラ
ンドを、第6図に示されるように、四つの部分群
領域#1〜#4に分割する。
Now, as an example, if the number of parallel multiplications is "4", all the operands shown in FIG. 2 are divided into four subgroup areas #1 to #4 as shown in FIG. Divide into.

その場合、一般に、オペランドの総数がn(第
2図の場合はn=32×32)であれば、これを均等
に分割して各部分群領域#1〜#4の各領域当た
り、n/4個づつのオペランドが存在するように
図る。
In that case, generally speaking, if the total number of operands is n (in the case of Figure 2, n = 32 Ensure that there are four operands each.

そうした上で、各オペランド部分群領域#1〜
#4に対し、既述した第3図示のアレイ乗算器構
成を施して各部分積を得る。
After doing so, each operand subgroup area #1~
Each partial product is obtained by applying the array multiplier configuration shown in the third figure to #4.

第7図には特に、#1オペランド部分群領域用
としてのアレイ乗算器AM1の構成が示されてい
るが、図示していない他の#2〜#4オペランド
部分群領域用のアレイ乗算器に就いても同様の構
成を採用する。図中において四角形のセルの中に
“HA”と記したものは既述の半加算器で、その
他は全加算器FAである。
In particular, FIG. 7 shows the configuration of the array multiplier AM1 for the #1 operand subgroup area, but the configuration of the array multiplier AM1 for the other #2 to #4 operand subgroup areas (not shown) is also shown. The same structure will be adopted when the new position is established. In the figure, the rectangular cells marked with "HA" are the half adders described above, and the others are full adders FA.

このアレイ乗算器AM1の出力は、複数ビツト
の桁上げ数値群c2、…から成る第一出力群C1と、
同様に複数ビツトの和数値群s2、…から成る第二
出力群S1の二群となり、同様にして#2から
#4までの各アレイ乗算器AM2〜AM4のそれ
ぞれからも各二群づつの出力群が得られる。
The output of this array multiplier AM1 is a first output group C1 consisting of a multi-bit carry value group c2,...
Similarly, there are two groups of second output groups S1 consisting of multiple bit sum value groups s2, . A group is obtained.

したがつて、最終的に求める積Pを得るには、
これら計八種類の論理信号群数値の求和を採る必
要がある。
Therefore, to obtain the final product P,
It is necessary to calculate the sum of these eight types of logical signal group values.

それにはまず、第8図中に示されているよう
に、三入力を和と桁上げの二出力に変換するべく
全加算器FAを必要桁数だけ集めて構成した周知
の桁上げ保存加算器CSAを複数個、この場合、
六個(CSA1〜CSA6)、用いて、上記八種類の
論理信号群数値を二つの数値列に変換する。
First, as shown in Figure 8, we need to use the well-known carry-save adder, which is constructed by collecting the necessary number of full adders FA in order to convert three inputs into two outputs: sum and carry. Multiple CSAs, in this case,
Six numbers (CSA1 to CSA6) are used to convert the above eight types of logic signal group values into two numerical value strings.

そうした後、当該二つの数値列をこれも周知の
桁上げ先見加算器CLAで加算して、求める積P
を得る。
After doing so, the two numerical strings are added using a carry look-ahead adder CLA, which is also well known, to obtain the product P.
get.

尚、第8図においては、それぞれ複数ビツト線
路から成る各出力群をそれぞれ単に一本の信号線
路のように模式的に示してある。
In FIG. 8, each output group each consisting of a plurality of bit lines is schematically shown as a single signal line.

<発明が解決しようとする問題点> 上記した従来における並列アレイ乗算器は、そ
の原理においては優れている。しかし実際的な見
地から考慮しなければならないことは、これを具
体的に実際の回路素子群を用いて適当なる集積回
路基板上に実現する場合の各機能回路部分相互の
配置関係、ひいては配線関係であり、また、それ
らに付帯する各種の問題である。
<Problems to be Solved by the Invention> The conventional parallel array multiplier described above is excellent in its principle. However, from a practical standpoint, what must be taken into consideration is the layout relationship between each functional circuit part, and even the wiring relationship, when this is realized on a suitable integrated circuit board using actual circuit elements. and various problems associated with them.

従来、各種の集積回路は、未だ大体において二
次元平面内にて組まれている。本書で問題にして
いる並列アレイ乗算器PAMも例外ではない。
Conventionally, various integrated circuits are still largely fabricated in a two-dimensional plane. The parallel array multiplier PAM, which is the subject of this book, is no exception.

そのため、二次元の回路基板上にこの並列アレ
イ乗算器を実現する場合、各部分オペランド群の
演算のための各アレイ乗算器AM1〜AM4やそ
れらの出力を処理する桁上げ保存加算器CSA1
〜CSA6、最終出力を得るための桁上げ先見加
算器CLAなどの間に最適なレイアウト関係を採
らないと、信号伝搬経路がいたづらに長くなる等
しい上記原理における長所が損われてしまうこと
がある。
Therefore, when realizing this parallel array multiplier on a two-dimensional circuit board, each array multiplier AM1 to AM4 is used to calculate each partial operand group, and a carry save adder CSA1 is used to process their outputs.
~If an optimal layout relationship is not adopted between the CSA6, the carry look-ahead adder CLA for obtaining the final output, etc., the signal propagation path will become unnecessarily long, and the advantages of the above-mentioned principle may be lost. .

しかし一方、二次元平面内という限定の下で
は、いくら最適なレイアウトを案出したからとい
つて、信号伝搬経路の簡素化、短縮化には、越え
ることのできない限界があることもまた事実であ
る。
However, it is also true that within the two-dimensional plane, no matter how optimal the layout is devised, there is a limit to the simplification and shortening of the signal propagation path that cannot be overcome. be.

例えばここで、従来において一応は妥当と考え
られた配置関係を第9図(AMxとCSAxの結線
関係は第8図と異なる)に挙げてみよう。
For example, let's take a look at the layout relationship that was considered appropriate in the past as shown in FIG. 9 (the connection relationship between AMx and CSAx is different from that in FIG. 8).

既述したように、各アレイ乗算器AM1〜AM
4からは、それぞれ和S1〜S4と桁上げC1〜
C4の二種類の出力群が出る。
As mentioned above, each array multiplier AM1 to AM
From 4, sums S1 to S4 and carry C1 to
Two types of output groups of C4 are output.

したがつて勿論、それらにはそのための配線領
域が必要となる。
Therefore, of course, they require a wiring area.

例えば#1アレイ乗算器AM1に関する二種類
の出力群の中、一方の出力群S1のためにはそれ
に専用の配線領域A11が必要となるし、もう一
方の出力群C1のためにもやはり専用の配線領域
A12が必要となる。他のアレイ乗算器AM2〜
AM4に関しても全く同様であり、配線領域が必
要であるということからすれば、桁上げ保存加算
器群CSA1〜CSA6の各出力線路群に就いても
また同様である(第9図中では配線領域A81〜
A82のみ、仮想線で囲つて図示)。
For example, among the two types of output groups related to #1 array multiplier AM1, one output group S1 requires a dedicated wiring area A11, and the other output group C1 also requires a dedicated wiring area A11. A wiring area A12 is required. Other array multiplier AM2~
The same is true for AM4, and given that a wiring area is required, it is also the same for each output line group of the carry save adder groups CSA1 to CSA6 (the wiring areas are shown in Figure 9). A81~
Only A82 is shown surrounded by imaginary lines).

しかして一方、これも既述のように、上記した
各アレイ乗算器からの各出力群は、それらの間で
適当なる組合せを採ることにより、桁上げ保存加
算器群によつて順に三群を二群に変換していかな
ければならないから、それにはどうしても、相互
に重なり合う配線領域の存在が避けられなくなつ
てくる。
On the other hand, as mentioned above, each output group from each array multiplier described above is sequentially converted into three groups by a carry-save adder group by taking an appropriate combination among them. Since it has to be converted into two groups, the existence of interconnect areas that overlap each other becomes inevitable.

具体的には、第9図中で記号“BG”を付して
模式的に示すように、ある配線群と他の配線群の
間で互いにまたぎ越すブリツジ部が発生する。
Specifically, as schematically shown with the symbol "BG" in FIG. 9, a bridge portion that crosses over one another occurs between a certain wiring group and another wiring group.

このように考えてくると顕かなように、例え原
理的に優れている並列アレイ乗算器PAMではあ
つても、これを二次元平面基板内に具体的回路要
素を用いて実現しようとしたときには、各配線部
分にかなりな占有面積を採られると共に、ブリツ
ジ部BGに見られるように、複雑な製造工程を経
なければならない欠点が生ずることが分かる。
When you think about it this way, it becomes obvious that even though the parallel array multiplier PAM is excellent in principle, when you try to realize it using concrete circuit elements on a two-dimensional plane board, It can be seen that each wiring portion occupies a considerable area and, as seen in the bridge portion BG, has the disadvantage of requiring a complicated manufacturing process.

これは信号処理の高速化を損い、集積度を低下
する大きな要因となる。
This impairs the speed-up of signal processing and becomes a major factor in reducing the degree of integration.

本発明は、まさしく、こうした従来における欠
点を克服することを主目的として成されたもの
で、具体的には、 並列アレイ乗算器を三次元集積化すること、 それに際して合理的な配線関係を導き得る最
低限の配置関係を規定すること、 の二点を重視したものである。
The present invention was made with the main purpose of overcoming these conventional drawbacks; specifically, it is to three-dimensionally integrate parallel array multipliers, and to derive a rational wiring relationship for this purpose. It places emphasis on two points: stipulating the minimum arrangement relationship that can be obtained.

特に上記が挙げられているのは、配置関係に
就いて何の考慮も施すことなく単に三次元化した
だけの回路装置にあつては、信号伝搬経路の短縮
化率などは二次元時代と大して変わらないといつ
たことも大いにあり得るからである。
In particular, the reason mentioned above is that when it comes to circuit devices that are simply made three-dimensional without any consideration given to the layout, the shortening rate of the signal propagation path, etc., is not as great as in the two-dimensional era. This is because it is very possible that there will be no change.

<問題点を解決するための手段> 本発明は上記目的を達成するため、 乗数を複数個の部分に分割し、該分割した各部
分乗数と被乗数との部分積を並列に算出した後、
部分積の総和を採つて積を求めるため、複数のア
レイ乗算器と、該複数のアレイ乗算器の各出力を
処理する複数の桁上げ保存加算器と、該複数の桁
上げ保存加算器の出力から最終的な積出力を得る
桁上げ先見加算器とを有する並列アレイ乗算器で
あつて; 上記複数のアレイ乗算器の中の少なくとも幾つ
かを、三次元集積回路にあつて高さ方向の互いに
異なる機能レベル中に配し、該高さ方向が演算の
並列度を表すようにすると共に; 該三次元集積回路の二次元平面内における一方
向は上記各アレイ乗算器ごとに対して与えられる
入力数の桁を、また、該一方向に直交する他の一
方向は演算処理の進行方向を表すように構成した
こと; を特徴とする並列アレイ乗算器を提供する。
<Means for Solving the Problems> In order to achieve the above object, the present invention divides a multiplier into a plurality of parts, calculates in parallel the partial product of each divided partial multiplier and the multiplicand, and then
A plurality of array multipliers, a plurality of carry-save adders that process each output of the plurality of array multipliers, and outputs of the plurality of carry-save adders to obtain a product by summing the partial products. and a carry look-ahead adder that obtains a final product output from the plurality of array multipliers; wherein at least some of the plurality of array multipliers are arranged in a three-dimensional integrated circuit with respect to each other in a height direction. arranged in different functional levels so that the height direction represents the degree of parallelism of operations; and one direction within the two-dimensional plane of the three-dimensional integrated circuit is an input given to each of the array multipliers. Provided is a parallel array multiplier characterized in that the digits of the number are configured so that the other direction orthogonal to the one direction represents the direction of progress of arithmetic processing.

<作用> 一般に三次元集積回路とは、一つの二次元回路
基板を一つの機能レベルとし、これを高さ方向に
複数レベル数に亘り積重ねたものをそのように呼
称している。
<Function> In general, a three-dimensional integrated circuit is a circuit in which one two-dimensional circuit board has one functional level and is stacked in a plurality of levels in the height direction.

そして例えば、それぞれは二次元基板に相当す
る四枚の回路構成平面を高さ方向に四層に重ねた
場合には、下から上に順に第一層、第二層、第三
層、第四層、あるいは第一機能レベル、第二機能
レベル、第三機能レベル、第四機能レベル等と呼
ぶ。各機能レベル間には、必要に応じて絶縁層が
挾まれたり、上下機能レベル間で電気的に連絡を
取るためのスルー・ホール構造が採用されたりす
る。但し、一層の機能レベルの上または下に位置
する絶縁層をその機能レベルの中に含めて考える
こともある。
For example, if four circuit configuration planes, each corresponding to a two-dimensional board, are stacked in four layers in the height direction, the first layer, second layer, third layer, and fourth layer are stacked in order from bottom to top. They are called layers, or first functional level, second functional level, third functional level, fourth functional level, etc. An insulating layer may be placed between each functional level as necessary, or a through-hole structure may be used to electrically communicate between the upper and lower functional levels. However, an insulating layer located above or below a functional level may be considered to be included in that functional level.

してみると本発明においては、上記要旨構成に
顕かなように、最低限の限定事項として、並列ア
レイ乗算器を三次元化するに際し、各部分席を採
るための複数のアレイ乗算器の中、少なくとも幾
つかの高さ方向に互いに異なる機能レベル中に配
するようにし、当該高さ方向が演算の並列度を表
すように構成すると共に、この三次元集積回路の
二次元平面内における一方向は演算すべき入力数
の桁を、また、当該一方向に直交する他の一方向
は演算処理の進行方向を表すように構成する。
Accordingly, in the present invention, as is clear from the above-mentioned summary structure, as a minimum limitation, when converting a parallel array multiplier into a three-dimensional one, it is necessary to , are arranged in functional levels that are different from each other in at least some height directions, and the height directions represent the degree of parallelism of operations, and one direction within the two-dimensional plane of this three-dimensional integrated circuit. is configured to represent the digit of the input number to be calculated, and another direction perpendicular to the one direction represents the direction of progress of the calculation process.

このような構成の有する作用は次の通りであ
る。
The effects of such a configuration are as follows.

先の従来例における二次元集積回路構造では、
各アレイ乗算器AM1〜AM4からの出力線路相
互の間においては、必然的に多かれ少なかれ、ブ
リツジ部BGが生ずると述べた。これは如何に配
置関係を勘案しようと避けられない問題である。
In the two-dimensional integrated circuit structure in the conventional example,
It has been stated that more or less bridge portions BG inevitably occur between the output lines from each of the array multipliers AM1 to AM4. This is an unavoidable problem no matter how much consideration is given to the arrangement.

これに対し、本発明の思想を援用すると、設計
さえ最適に採れば、こうしたブリツジ部を簡単に
排斥できるのである。
On the other hand, by applying the idea of the present invention, such bridge portions can be easily eliminated if the design is optimally adopted.

したがつてまた、このようにブリツジ部を生ず
ることなく、後続の処理回路(すなわち上記例に
おいては桁上げ保存加算器群)に対して各アレイ
乗算器の出力線路群を直接に接続できるというこ
とは、当該後続回路をアレイ乗算器群に対し、そ
してまた相互に、密に隣接して配置しても良いこ
とを意味する。
Therefore, it is also possible to directly connect the output lines of each array multiplier to the subsequent processing circuit (i.e., the carry-save adder group in the above example) without creating a bridge section. means that the subsequent circuits may be placed closely adjacent to the array multipliers and also to each other.

そのため、本発明を適用した結果としては、当
然、入力から出力までの全信号伝搬経路群の中で
最長のそれを指して言うクリテイカル・パスも、
十分、短いものとして得る。特にこれは、本発明
により構成される三次元集積回路としての並列ア
レイ乗算器においては、当該三次元の各方向のそ
れぞれが、並列度、演算数の桁数、演算処理の方
向の各々を表し、三次元集積回路の物理的な構造
と回路的な構成との対応関係が極めて明確になつ
ていることの付帯的な効果でもある。
Therefore, as a result of applying the present invention, the critical path, which is the longest among all the signal propagation paths from input to output, will naturally also be
Get it short enough. In particular, in the parallel array multiplier as a three-dimensional integrated circuit constructed according to the present invention, each of the three-dimensional directions represents the degree of parallelism, the number of digits of the operation number, and the direction of the operation processing. This is also an incidental effect of the fact that the correspondence between the physical structure and circuit configuration of three-dimensional integrated circuits has become extremely clear.

<実施例> 第1図には本発明の思想を適用した一実施例と
しての並列アレイ乗算器PAMの一構成例が示さ
れている。
<Embodiment> FIG. 1 shows a configuration example of a parallel array multiplier PAM as an embodiment to which the idea of the present invention is applied.

本発明ではこの並列アレイ乗算器PAMの三次
元化を一つの重要な構成要件とするので、図面中
にはあえて、3D−PAM(3Dimension−Parallel
Array Multiplier)、すなわち、三次元型並列ア
レイ乗算器と示してある。
In the present invention, one of the important structural requirements is to make the parallel array multiplier PAM three-dimensional.
Array Multiplier), that is, a three-dimensional parallel array multiplier.

この実施例では、既述した各オペランド部分群
領域用の各アレイ乗算器AM1,AM2,AM3,
AM4は、高さ方向に互いに重なり合うように形
成された#1から#4までの四つの機能レベル
LV1〜LV4の各層中に全て分離的に配され、し
かもこの場合、上下に直接に隣接する層中に配さ
れている。
In this embodiment, each array multiplier AM1, AM2, AM3,
AM4 has four functional levels #1 to #4 that overlap each other in the height direction.
They are all arranged separately in each layer of LV1 to LV4, and in this case, they are arranged in directly adjacent layers above and below.

この第1図においては、各アレイ乗算器AMx
と各対応する桁上げ保存加算器CSAx、及び桁上
げ先見加算器CLAとの間に示されている結線路
は、図面に簡単化のため、単にそれらの間の接続
関係を示すだけで、具体的な結線パターンを示し
ているわけではないが、それでも、三次元構造の
高さ方向には並列度が、二次元面内の一方向には
演算すべき数の桁数が、そして当該二次元一方向
に直交する他の一方向には演算処理の進行方向が
表れることが明瞭に示されている。このように、
物理的な構造と回路的な内部構成との対応関係が
極めて簡明になつているのみならず、当該対応関
係が上記の通りであるので、各アレイ乗算器
AMxから桁上げ保存加算器CSAxを経て桁上げ
先見加算器CLAに至るための二次元平面内にお
ける横方向の接続経路を十分に短くし得ることが
明瞭に示されている。
In this Figure 1, each array multiplier AMx
For the sake of simplicity, the connection paths shown between CSAx and each corresponding carry save adder CSAx and carry look ahead adder CLA are simply shown to show the connection relationship between them, and are not shown in detail. Although it does not indicate a typical connection pattern, the degree of parallelism is shown in the height direction of the three-dimensional structure, the number of digits of the number to be calculated is shown in one direction within the two-dimensional plane, and the number of digits in the two-dimensional structure is It is clearly shown that the other direction perpendicular to one direction represents the direction in which the arithmetic processing proceeds. in this way,
Not only is the correspondence relationship between the physical structure and the internal circuit configuration extremely simple, but since the correspondence relationship is as described above, each array multiplier
It is clearly shown that the lateral connection path in the two-dimensional plane from AMx via the carry-save adder CSAx to the carry-look-ahead adder CLA can be made sufficiently short.

すなわち、線路間でのブリツジは生ずる余地が
ないから、例えば図示の場合、#4機能レベル
LV4中に配されている#4アレイ乗算器AM4
と#3機能レベルLV3中に配されている#3ア
レイ乗算器AM3に関する桁上げ保存加算器CSA
1と、上記#3機能レベルLV3中に配されてい
る#3アレイ乗算器AM3と#2機能レベルLV
2中に配されている#2アレイ乗算器AM2に関
する桁上げ保存加算器CSA2は、共に当該アレ
イ乗算器群に対して極めて密着させて配すること
ができるし、同様にして、他の桁上げ保存加算器
CSA3〜CSA6及び桁上げ先見加算器CLAも、
互いに密着させて配置させることができる。
In other words, since there is no room for bridges to occur between lines, for example, in the case shown in the diagram, #4 function level
#4 array multiplier AM4 located in LV4
and carry save adder CSA for #3 array multiplier AM3 located in #3 function level LV3.
1, the #3 array multiplier AM3 located in the #3 function level LV3 above, and the #2 function level LV.
The carry save adder CSA2 related to the #2 array multiplier AM2 arranged in the second array multiplier group can both be arranged very closely to the array multiplier group, and similarly, the carry save adder CSA2 related to the #2 array multiplier AM2 arranged in the save adder
CSA3 to CSA6 and carry look-ahead adder CLA are also
They can be placed in close contact with each other.

この実施例において入力から出力まで最大遅延
時間のかかる経路、すなわち既述したクリテイカ
ル・パスというものを考えてみると、#4アレイ
乗算器AM4、#1桁上げ保存加算器CSA1、
#4桁上げ保存加算器CSA4、#5桁上げ保存
加算器CSA5、#6桁上げ保存加算器CSA6、
そして桁上げ先見加算器CLAを順に通過する経
路となる。
In this embodiment, considering the path that takes the maximum delay time from input to output, that is, the critical path described above, #4 array multiplier AM4, #1 carry save adder CSA1,
#4 carry save adder CSA4, #5 carry save adder CSA5, #6 carry save adder CSA6,
The path then passes through the carry look-ahead adder CLA in order.

しかしこれら各機能回路部分間は、上記のよう
に、本発明によると極めて密接して配置できるの
で、当然、それらの間の信号線路も従来に比せば
十分短くでき、そのため、クリテイカル・パスも
満足な程に短縮化することができるのである。
However, as described above, according to the present invention, these functional circuit parts can be arranged extremely closely together, so naturally the signal lines between them can be made much shorter than in the past, and therefore critical paths can also be shortened. This can be shortened to a satisfactory degree.

この実施例に更に改変を施そうとした場合、例
えば#4アレイ乗算器AM4と#3アレイ乗算器
AM3とは同一の機能レベルLV3内に収めるこ
とが考えられる。図中から理解されるように、こ
れらは一つの二次元平面内に収めても互いに交差
する配線部分を有さないで済むからである。
If you want to make further modifications to this embodiment, for example, #4 array multiplier AM4 and #3 array multiplier
It is possible to keep it within the same functional level LV3 as AM3. As can be understood from the figure, even if these are accommodated within one two-dimensional plane, there is no need to have wiring portions that intersect with each other.

したがつて、その意味からすれば、従来におい
ては避けられなかつたブリツジのための余計な占
有面積部分が省略されることにより、そうした改
変例にあつても本発明の有効性は表されるとは言
えるが、一平面内に二つ以上のアレイ乗算器を配
した場合、後続の桁上げ保存加算器の構成面積と
の兼ね合いで、配線長が一方のアレイ乗算器に関
しては長くなることも考えられる。したがつて、
それをも嫌うのであれば、やはり図示実施例に見
られるように、各アレイ乗算器は全て、それぞれ
異なる機能レベル中に配した方が良い。
Therefore, in that sense, the effectiveness of the present invention is demonstrated even in such modified examples by omitting the unnecessary area occupied by the bridge, which was unavoidable in the past. However, if two or more array multipliers are arranged in one plane, the wiring length for one array multiplier may be longer due to the area of the subsequent carry-save adder. It will be done. Therefore,
If this is not desired, it is still better to place all array multipliers in different functional levels, as shown in the illustrated embodiment.

尚、図中では省略されているが、先に少し述べ
たように、各機能レベル間には通常、絶縁層が介
挿されるのが普通であり、したがつて上下に隣接
する機能レベル層間に亘る配線部分には周知のス
ルー・ホール構造等を採用すれば良い。
Although it is omitted in the figure, as mentioned earlier, an insulating layer is usually inserted between each functional level, so there is a A well-known through-hole structure or the like may be used for the wiring portion.

<発明の効果> 本発明により並列アレイ乗算器を三次元化し、
しかも用いる複数のアレイ乗算器の各組合せ関係
にあつて、それらを二次元に配した場合には互い
に出力線路群間でブリツジ部が避けられないよう
な関係にあるアレイ乗算器相互を、少なくとも高
さ方向に異なる機能レベル中に配するようにする
と、当該ブリツジ部は完全に排斥することがで
き、しかも後続の桁上げ保存加算器や桁上げ先見
加算器等の機能回路部分をアレイ乗算器群に対し
て、また互いにも、極めて隣接させて配置するこ
とができるようになる。
<Effects of the Invention> According to the present invention, a parallel array multiplier is made three-dimensional,
Moreover, regarding the combination of the plurality of array multipliers used, if they are arranged two-dimensionally, the array multipliers, which are in a relationship where bridge parts are unavoidable between the output line groups, are at least By arranging them in different functional levels in the horizontal direction, the bridge section can be completely eliminated, and the subsequent functional circuit parts such as the carry-save adder and the carry-look-ahead adder can be integrated into the array multiplier group. They can be placed very close to each other as well as to each other.

換言すれば、従来構成では如何に最適な設計を
図つた所でブリツジ部の発生は避けられず、信号
伝搬経路中における信号遅延というものが必ず発
生していたのに対し、本発明では、ブリツジ部の
ない、そして極めて配線長の短い回路構成の設計
も、何等の困難もなく可能とし得るのである。
In other words, in the conventional configuration, no matter how optimal the design was, the occurrence of bridge sections was unavoidable, and signal delays in the signal propagation path always occurred. Therefore, it is possible to design a circuit configuration without any parts and with an extremely short wiring length without any difficulty.

したがつて実質上、配線遅延というものは殆ど
考慮に入れずに済み、且つ物理的構成上も非常に
すつきりした構造の並列アレイ乗算器を得ること
ができ、将来に向けての集積回路要素として大き
な期待を寄せ得るものである。
Therefore, it is possible to obtain a parallel array multiplier with a very simple physical structure, with virtually no need to take wiring delays into consideration, and which will serve as an integrated circuit for the future. As an element, we can have great expectations.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の一実施例としての並列アレイ
乗算器の三次元集積回路構造の概略構成図、第2
図は乗算におけるオペランドの説明図、第3図は
アレイ乗算器の回路構成例図、第4図は半加算器
の回路構成例図、第5図は全加算器の回路構成例
図、第6図は並列アレイ乗算器の原理説明図、第
7図は並列アレイ乗算器における一部分積を得る
ための一つのアレイ乗算器部分の回路構成例図、
第8図は並列アレイ乗算器の全体的な構成方法の
説明図、第9図は二次元平面内に上記並列アレイ
乗算器を構成した従来例の説明図、である。 図中、AM,AM1,AM2,AM3,AM4
はアレイ乗算器、HAは半加算器、FAは全加算
器、PAMは全体としての並列アレイ乗算器、
CSA1,CSA2,CSA3,CSA4,CSA5,
CSA6は桁上げ保存加算器、CLAは桁上げ先見
加算器、そしてLV1,LV2,LV3,LV4はそ
れぞれ三次元集積回路構造体において高さ方向に
互いに異なる機能レベル、である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a three-dimensional integrated circuit structure of a parallel array multiplier as an embodiment of the present invention, and FIG.
The figure is an explanatory diagram of operands in multiplication, Figure 3 is an example of the circuit configuration of an array multiplier, Figure 4 is an example of the circuit configuration of a half adder, Figure 5 is an example of the circuit configuration of a full adder, and Figure 6 is an example of the circuit configuration of a full adder. The figure is a diagram explaining the principle of a parallel array multiplier, and FIG. 7 is an example diagram of a circuit configuration of one array multiplier section for obtaining a partial product in a parallel array multiplier.
FIG. 8 is an explanatory diagram of the overall construction method of a parallel array multiplier, and FIG. 9 is an explanatory diagram of a conventional example in which the parallel array multiplier is constructed within a two-dimensional plane. In the diagram, AM, AM1, AM2, AM3, AM4
is an array multiplier, HA is a half adder, FA is a full adder, PAM is a parallel array multiplier as a whole,
CSA1, CSA2, CSA3, CSA4, CSA5,
CSA6 is a carry-save adder, CLA is a carry-look-ahead adder, and LV1, LV2, LV3, and LV4 are respectively functional levels that differ from each other in the height direction in the three-dimensional integrated circuit structure.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 乗数を複数個の部分に分割し、該分割した各
部分乗数と被乗数との部分積を並列に算出した
後、部分積の総和を採つて積を求めるため、複数
のアレイ乗算器と、該複数のアレイ乗算器の各出
力を処理する複数の桁上げ保存加算器と、該複数
の桁上げ保存加算器の出力から最終的な積出力を
得る桁上げ先見加算器とを有する並列アレイ乗算
器であつて; 上記複数のアレイ乗算器の中の少なくとも幾つ
かを、三次元集積回路にあつて高さ方向の互いに
異なる機能レベル中に配し、該高さ方向が演算の
並列度を表すようにすると共に; 該三次元集積回路の二次元平面内における一方
向は上記各アレイ乗算器ごとに対して与えられる
入力数の桁を、また、該一方向に直交する他の一
方向は演算処理の進行方向を表すように構成した
こと; を特徴とする並列アレイ乗算器。
[Claims] 1. After dividing the multiplier into a plurality of parts and calculating the partial products of each divided multiplier and the multiplicand in parallel, the sum of the partial products is calculated to obtain the product. an array multiplier; a plurality of carry-save adders for processing each output of the plurality of array multipliers; and a carry-look-ahead adder for obtaining a final product output from the outputs of the plurality of carry-save adders. A parallel array multiplier having; at least some of the plurality of array multipliers are arranged in functional levels different from each other in the height direction in a three-dimensional integrated circuit, and the height direction is One direction in the two-dimensional plane of the three-dimensional integrated circuit represents the degree of parallelism of the number of inputs given to each array multiplier, and the other direction orthogonal to the one direction A parallel array multiplier characterized in that one direction of is configured to represent the direction of progress of arithmetic processing.
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