本發(fā)明涉及集成電路領(lǐng)域，更確切地說，涉及兼具數(shù)據(jù)分析功能的大數(shù)據(jù)存儲器。
背景技術(shù)：
：：模式匹配和模式識別指在目標(biāo)模式（被檢索的模式，targetpattern）中查找與檢索模式（用于檢索的模式，searchpattern）相同或接近的模式。其中，模式匹配要求查找到相同的模式，模式識別僅要求查找到接近的模式。除了特別說明，本說明書不區(qū)分模式匹配和模式識別，并用模式處理來統(tǒng)稱各種對模式進行的操作。模式處理（包括模式匹配和模式識別）應(yīng)用廣泛。常用的模式處理包括字符串匹配、代碼匹配、語音識別和圖像識別等。字符串匹配廣泛用于大數(shù)據(jù)分析（如金融數(shù)據(jù)分析、電商數(shù)據(jù)分析、生物信息學(xué)）等領(lǐng)域：從大數(shù)據(jù)（目前多為文本數(shù)據(jù)庫，含有目標(biāo)字符串）中查找檢索字符串，并進行統(tǒng)計分析。代碼匹配廣泛用于防惡意軟件（anti-malware，如網(wǎng)絡(luò)安全、計算機殺毒）等領(lǐng)域：從網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包中查找病毒標(biāo)識（virussignature）或檢查網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包是否符合網(wǎng)絡(luò)規(guī)范（networkrules），從而決定網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包是否安全。語音識別將通過語音傳感器搜集到、或存儲在語音檔案庫中的語音信號與聲學(xué)模型庫和語言模型庫匹配。圖像識別將通過圖像傳感器搜集到、或存儲到圖像檔案庫中的圖像信號與圖像模型庫匹配。隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，傳統(tǒng)的模式庫（包括檢索模式庫和目標(biāo)模式庫）已成為大型數(shù)據(jù)庫（tb級到pb級，甚至eb級）：檢索模式庫（包括所有用于檢索的模式）的數(shù)據(jù)量已經(jīng)很大，而目標(biāo)模式庫（包括所有被檢索的模式，通常為用戶數(shù)據(jù)庫）的數(shù)據(jù)量則更為巨大。目前計算機采用的vonneumann架構(gòu)已不能滿足大數(shù)據(jù)時代對模式處理的要求。在vonneumann架構(gòu)中，用于處理模式的處理器和用來存儲模式的存儲器是分離的：存儲器（如硬盤、光盤、磁帶等）僅用作存儲模式數(shù)據(jù)，而不能對它進行任何模式處理；所有的模式處理都由外置處理器（如cpu、gpu）來完成。眾所周知，分離的處理器和存儲器之間帶寬有限，光是從模式庫中讀出所有數(shù)據(jù)就需要很長時間，更何況對它們進行處理分析。因此，對大型模式庫的模式處理需要耗費很長時間。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的主要目的是提升大數(shù)據(jù)分析能力。本發(fā)明的另一目的是提供一種兼具數(shù)據(jù)分析功能的大數(shù)據(jù)存儲器。為了實現(xiàn)這些以及別的目的，本發(fā)明提出一種兼具數(shù)據(jù)分析功能的大數(shù)據(jù)存儲器：它不僅能存儲大數(shù)據(jù)（模式數(shù)據(jù)），還能對大數(shù)據(jù)實施模式處理。一個大數(shù)據(jù)存儲器芯片含有多個存儲處理單元，每個單元都含有一模式處理電路和至少一存儲至少一模式（目標(biāo)模式或檢索模式）的三維存儲（three-dimensionalmemory，簡稱為3d-m）陣列。3d-m陣列與模式處理電路的垂直集成帶來很多優(yōu)勢：由于3d-m陣列不占襯底面積，它可以集成在模式處理電路上，這能增加存儲容量、減少芯片面積。更重要的是，由于3d-m陣列和模式處理電路處于同一芯片中且距離很近，它們之間能實現(xiàn)一大帶寬電連接。通過采用大規(guī)模平行計算（每個存儲器芯片可以含有上萬個存儲處理單元），大數(shù)據(jù)存儲器能對大型模式庫實現(xiàn)快速模式處理。相應(yīng)地，本發(fā)明提出一種兼具數(shù)據(jù)分析功能的大數(shù)據(jù)存儲器(200)，其特征在于含有：一傳輸至少一關(guān)鍵詞的輸入總線(110)；一半導(dǎo)體襯底(0)及多個存儲處理單元(100aa-100mn)，所述多個存儲處理單元與該輸入總線(110)耦合，每個存儲處理單元(100ij)含有至少一三維存儲(3d-m)陣列(170)和一模式處理電路(180)，其中：所述3d-m陣列(170)堆疊在該襯底(0)上方，該3d-m陣列(170)存儲大數(shù)據(jù)的至少一部分大數(shù)據(jù)；所述模式處理電路(180)位于該襯底(0)中，該模式處理電路(180)對該關(guān)鍵詞與該部分?jǐn)?shù)據(jù)進行模式識別或模式匹配；所述3d-m陣列(170)和所述模式處理電路(180)通過多個接觸通道孔(1av,3av)耦合。附圖說明圖1是一種分布式模式處理器的電路框圖。圖2a-圖2c是三種存儲處理單元的電路框圖；圖3a是一種三維可寫存儲器（three-dimensionalwritablememory，簡稱為3d-w）及基于3d-w的存儲處理單元的截面圖；圖3b是一種三維印錄存儲器（three-dimensionalprintedmemory，簡稱為3d-p）及基于3d-p的存儲處理單元的截面圖。圖4是一種存儲處理單元的透視圖。圖5a-圖5c是三種存儲處理單元的襯底電路布局圖。注意到，這些附圖僅是概要圖，它們不按比例繪圖。為了顯眼和方便起見，圖中的部分尺寸和結(jié)構(gòu)可能做了放大或縮小。在不同實施例中，數(shù)字后面的字母后綴表示同一類結(jié)構(gòu)的不同實例；相同的數(shù)字前綴表示相同或類似的結(jié)構(gòu)。在本說明書中，“/”表示“和/或”。具體實施方式圖1表示一種兼具殺毒功能的存儲器200，它實際上是一種分布式模式處理器芯片。該存儲器200含有mxn個存儲處理單元100aa-100mn。這些存儲處理單元100aa-100mn均形成在襯底0上。輸入總線110與各個存儲處理單元耦合，輸出總線120與各個存儲處理單元耦合。注意到，分布式模式處理器芯片200可以含有上萬個存儲處理單元100aa-100mn。如此數(shù)量眾多的存儲處理單元100aa-100mn可以保證大規(guī)模平行計算，以實現(xiàn)高速模式處理。每個存儲處理單元100ij都含有一模式處理電路170和至少一存儲至少一模式的3d-m陣列180。圖2a-圖2c是三種存儲處理單元100ij的電路框圖。在這些實施例中，一個模式處理電路180為不同數(shù)量的3d-m陣列170服務(wù)。圖2a中的模式處理電路180為一個3d-m陣列170服務(wù)：存儲在3d-m陣列170中的模式數(shù)據(jù)通過大帶寬電連接160（參見圖3a-圖4）送入模式處理電路180，與輸入模式數(shù)據(jù)110進行模式匹配或模式識別，并產(chǎn)生輸出模式數(shù)據(jù)120。圖2b中的模式處理電路180為四個存儲陣列170a-170d服務(wù)：存儲在3d-m陣列170a-170d中的模式數(shù)據(jù)通過大帶寬電連接160a-160d（參見圖3a-圖4）送入模式處理電路180，并與輸入模式數(shù)據(jù)110進行模式匹配或模式識別。圖2c中的模式處理電路180為八個存儲陣列170a-170d和170w-170z服務(wù)：存儲在3d-m陣列170a-170d和170w-170z中的模式數(shù)據(jù)通過大帶寬電連接160a-160d和160w-160z（參見圖3a-圖4）送入模式處理電路180，并與輸入模式數(shù)據(jù)110進行模式匹配或模式識別。從以后的圖5a-圖5c可以看出，為更多3d-m陣列服務(wù)的模式處理電路180具有更大的面積和更強的功能。圖3a-圖3b表示兩種典型3d-m。圖3a是一種基于3d-w的存儲處理單元100ij的截面圖。3d-w存儲的信息采用電編程錄入。常見的3d-w有3d-xpoint。其它3d-w包括memristor、阻變存儲器（rram）、相變存儲器（pcm）、programmablemetallizationcell（pmc）、conductivebridgingrandom-accessmemory（cbram）等。根據(jù)其可編程的次數(shù)，3d-w又分為三維一次編程存儲器（three-dimensionalone-time-programmablememory，簡稱為3d-otp）和三維多次編程存儲器（three-dimensionalmultiple-time-programmablememory，簡稱為3d-mtp）。顧名思義，3d-otp能編程一次，3d-mtp能編程多次（包括重復(fù)編程）。3d-otp工藝成熟，它可存儲檢索模式庫（如病毒標(biāo)識庫、網(wǎng)絡(luò)規(guī)范庫、聲學(xué)模型庫、語言模型庫等），這些模式庫中的模式數(shù)據(jù)只增加不修改。3d-mtp是一種通用存儲器，它可用來存儲目標(biāo)模式庫，如用戶數(shù)據(jù)（包括用戶代碼）等?；?d-w的存儲處理單元100ij含有一形成在襯底0上的襯底電路層0k。存儲層16a堆疊在襯底電路0k之上，存儲層16b堆疊在存儲層16a之上。襯底電路層0k含有存儲層16a、16b的周邊電路，它包括晶體管0t及互連線0m。每個存儲層（如16a）含有多條第一地址線（如2a，沿y方向）、多條第二地址線（如1a，沿x方向）和多個3d-w存儲元（如1aa）。存儲層16a、16b分別通過接觸通道孔1av,3av與襯底0耦合。3d-w存儲元5aa含有一層編程膜12和一層二極管膜14。編程膜12可以是反熔絲膜（用于3d-otp），也可以是其它多次編程膜（用于3d-mtp）。二極管膜14具有如下的廣義特征：在讀電壓下，其電阻較小；當(dāng)外加電壓小于讀電壓或者與讀電壓方向相反時，其電阻較大。二極管膜可以是p-i-n二極管，也可以是金屬氧化物（如tio2）二極管等。圖3b是一種基于3d-p的存儲處理單元100ij的截面圖。3d-p存儲的信息是在工廠生產(chǎn)過程中采用印刷方式錄入的（印錄法）。這些信息是永久固定的，出廠后不能改變。印錄法可以是光刻（photo-lithography）、納米壓印法（nano-imprint）、電子束掃描曝光（e-beamlithography）、duv掃描曝光、激光掃描曝光(laserprogramming)等。常見的3d-p有三維掩膜編程只讀存儲器（3d-mprom），它通過光刻法經(jīng)過掩膜編程錄入數(shù)據(jù)。3d-p的讀速度比3d-w快，它適合存儲固定的模式庫（如聲學(xué)模型庫和語言模型庫等），并實現(xiàn)高性能模式處理（如實現(xiàn)自然語言處理和實時語言翻譯等）。3d-p含有至少兩種存儲元5aa,6aa。存儲元6aa是一種低阻存儲元，存儲元5aa是一種高阻存儲元。低阻存儲元6aa含有一層二極管膜14，高阻存儲元5aa比低阻存儲元6aa多含一層高阻膜12。作為一個簡單的例子，高阻膜12可以是一層二氧化硅膜。該高阻膜12在工藝流程中利用印錄法在存儲元6aa處被物理移除。在圖3a-圖3b的3d-m（包括3d-w和3d-p）中，每個存儲層含有多個3d-m陣列。3d-m陣列是在一個存儲層中所有共享了至少一條地址線的存儲元之集合。在一個3d-m陣列中，所有地址線是連續(xù)的，并不與不同3d-m陣列共享任何地址線。另一方面，一個3d-m芯片含有多個3d-m模塊。每個3d-m模塊含有3d-m中的所有存儲層，其頂存儲層僅含一個3d-m陣列，而且該3d-m陣列在襯底上的投影決定了該3d-m模塊的邊界。圖4從另一個角度披露了存儲處理單元100ij的結(jié)構(gòu)。存儲模式的3d-m陣列170堆疊在襯底0的上方，處理模式的模式處理電路180位于襯底0中，并被3d-m陣列170至少部分覆蓋。3d-m陣列170和模式處理電路180之間通過由大量接觸通道孔1av、3av構(gòu)成的大帶寬電連接160實現(xiàn)通訊。由于接觸通道孔1av、3av數(shù)量眾多（可以上萬個）且長度很短（微米級），芯片內(nèi)電連接160的帶寬遠高于芯片間的通訊帶寬。3d-m陣列170與模式處理電路180的垂直集成帶來很多優(yōu)勢：由于3d-m陣列170不占襯底面積0，它可以集成在模式處理電路180上，這能增加存儲容量、減少芯片面積。更重要的是，由于3d-m陣列170和模式處理電路180處于同一芯片200中且距離很近，它們之間能實現(xiàn)較大帶寬。通過采用大規(guī)模平行計算，分布式模式處理器200能對大型模式庫實現(xiàn)快速模式處理。圖5a-圖5c披露了三種存儲處理單元的具體實現(xiàn)方式。圖5a的實施例對應(yīng)于圖2a中存儲處理單元100ij。模式處理電路180為一個3d-m陣列170服務(wù)，它被3d-m陣列170完全覆蓋。在該實施例中，3d-m陣列170含有四個周邊電路，包括x解碼器15、15`和y解碼器（包括讀出電路）17、17`，模式處理電路180位于這四個周邊電路之間。在圖5a中，由于3d-m陣列170位于襯底電路0k上方，不在襯底電路0k中，在此用虛線表示其在襯底0上的投影。在本實施例中，模式處理電路180被局限在四個周邊電路之間，其面積不能超過3d-m陣列170的面積，故其面積較小、功能有限。該實施例較適于實現(xiàn)較簡單的模式處理（如字符串匹配和代碼匹配）。很明顯，較復(fù)雜的模式處理（如語音識別、圖像識別）需要更大的電路，這需要在3d-m陣列170下騰出更大的襯底面積，以便模式處理電路180的布局。圖5b-圖5c披露了兩種具有更大面積和更強功能的模式處理電路180。圖5b的實施例對應(yīng)于圖2b中存儲處理單元100ij。在該實施例中，一個模式處理電路180為四個3d-m陣列170a-170d服務(wù)。每個3d-m陣列（如170a）只有兩個周邊電路（如x解碼器15a和y解碼器17a）。在這四個3d-m陣列170a-170d下方，襯底電路0k可以自由布局，形成一模式處理電路180。很明顯，圖5b中的模式處理電路180可以是圖5a的四倍大，它能實現(xiàn)較復(fù)雜的模式處理功能。圖5c的實施例對應(yīng)于圖2c中存儲處理單元100ij。在該實施例中，一個模式處理電路180為八個3d-m陣列170a-170d和170w-170z服務(wù)。這八個3d-m陣列分為兩組150a、150b。每組（如150a）包括四個3d-m陣列（如170a-170d）。在第一組150a的四個3d-m陣列170a-170d下方，襯底電路可以自由布局，形成第一模式處理電路組件a180a。類似地，在第二組150b的四個3d-m陣列170w-170z下方，襯底電路也可以自由布局，形成第二模式處理電路組件b180b。第一模式處理電路組件180a和第二模式處理電路組件180b構(gòu)成模式處理電路180。在本實施例中，在相鄰周邊電路之間（如相鄰x解碼器15a,15c之間；在相鄰的y解碼器17a,17b之間；在相鄰的y解碼器17c,17d之間）留有間隙（如g），以形成布線通道190xa,190ya,190yb，供不同模式處理電路組件150a,150b之間、或不同模式處理電路之間實現(xiàn)通訊。很明顯，圖5c中的模式處理電路180可以是圖5a的八倍大，它能實現(xiàn)更復(fù)雜的模式處理功能。在本發(fā)明的一些實施例中，模式處理電路180僅需完成部分模式處理功能。比如說，模式處理電路180僅需完成簡單模式處理（如簡單特征的提取和處理）。經(jīng)過該簡單模式處理篩選后的模式將進一步通過輸出總線120送到更強大的外置處理器（如cpu、gpu）中完成最終模式處理。由于模式庫中的大部分模式會被簡單模式處理篩選掉，輸出的模式僅占模式庫的小部分，這能降低輸出總線120的帶寬壓力。在分布式模式處理器200中，存儲處理單元100ij可以采用兩種模式處理方式——類處理器方式和類存儲器方式。對于類處理器方式，存儲處理單元100ij對外界來說就像一個能用其自帶的檢索模式庫對外來用戶數(shù)據(jù)進行模式處理的處理器。具體說來，存儲處理單元100ij的3d-m陣列170存儲檢索數(shù)據(jù)庫；存儲處理單元100ij的輸入數(shù)據(jù)110是用戶數(shù)據(jù)（包括用戶代碼），這些用戶數(shù)據(jù)一般說來是實時產(chǎn)生的，如網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包；存儲處理單元100ij將用戶數(shù)據(jù)110與檢索模式庫進行模式匹配或模式識別。由于3d-m陣列170與模式處理器180之間具有大帶寬連接160，這種模式處理方式比傳統(tǒng)的、檢索模式庫存儲于分離存儲器的模式處理方式效率高。對于類存儲器方式，存儲處理單元100ij對外界來說像一個主要用于存儲用戶數(shù)據(jù)、且能利用自帶模式處理電路進行模式處理的存儲器。具體說來，用戶數(shù)據(jù)長久存儲在存儲處理單元100ij的3d-m陣列170中；存儲處理單元100ij的輸入數(shù)據(jù)110是檢索模式數(shù)據(jù)；存儲處理單元100ij將檢索模式數(shù)據(jù)110與其用戶數(shù)據(jù)進行模式匹配或模式識別。注意到，多個采用類存儲器方式的分布式模式處理器芯片200可以像閃存芯片一樣封裝成存儲卡（如sd卡、tf卡）和固態(tài)硬盤，用于存儲海量的用戶數(shù)據(jù)（如用戶數(shù)據(jù)檔案）。由于每個分布式模式處理器芯片200中的每個存儲處理單元100ij都自帶一個模式處理電路180，這個模式處理電路180僅需處理該存儲處理單元100ij中3d-m陣列170存儲的數(shù)據(jù)。因此，不論存儲卡和固態(tài)硬盤的容量有多大，其模式處理的時間都接近單一模式處理電路180處理與其耦合的3d-m陣列170中存儲的數(shù)據(jù)之時間。這個巨大的優(yōu)勢對傳統(tǒng)處理器來說不可想象。在類存儲器方式中，存儲處理單元100ij是用戶數(shù)據(jù)的最終存儲器件。這與傳統(tǒng)的、含有嵌入式存儲器的處理器不同：傳統(tǒng)處理器中的嵌入式存儲器僅臨時存儲用戶數(shù)據(jù)，用戶數(shù)據(jù)的最終存儲器件還是外置存儲器（如硬盤、光盤、磁帶等）。如果用戶數(shù)據(jù)長久存儲在傳統(tǒng)處理器中，則該傳統(tǒng)處理器僅能為這些數(shù)據(jù)服務(wù)，而無法為其它數(shù)據(jù)服務(wù)。也就是說，大量用戶數(shù)據(jù)需要使用很多處理器。由于傳統(tǒng)處理器非常昂貴，這種處理方式代價過于高昂。與之比較，在本發(fā)明提出的存儲處理單元100ij中，模式處理電路180集成在3d-m陣列170下方，與3d-m陣列的周邊電路（如解碼器）同時形成。由于3d-m本來就要形成周邊電路，且周邊電路只在襯底0上占很小面積（參見圖5a-圖5c），大部分襯底面積可以用來形成模式處理電路180，模式處理電路180對于3d-m來說是免費的。因此，在分布式模式處理器芯片200上可以形成大量近似免費的模式處理電路180，每個模式處理電路180為特定的數(shù)據(jù)（存儲在與之耦合的3d-m陣列170中）服務(wù)。以下就分布式模式處理器的應(yīng)用做一簡單介紹。作為一個例子，分布式模式處理器200是一防惡意軟件（anti-malware）處理器，它主要用于網(wǎng)絡(luò)安全和計算機殺毒。網(wǎng)絡(luò)安全可采用類處理器方式：分布式模式處理器200的輸入數(shù)據(jù)110是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，3d-m陣列170存儲網(wǎng)絡(luò)規(guī)范庫和病毒標(biāo)識庫，模式處理電路180對它們進行模式匹配。計算機殺毒可采用類處理器方式和類存儲器方式：對于類處理器方式，計算機中存儲的用戶數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)110傳輸至分布式模式處理器200，3d-m陣列170存儲病毒標(biāo)識庫，模式處理電路180對它們進行模式匹配；對于類存儲器方式，病毒標(biāo)識作為輸入數(shù)據(jù)110傳送至分布式模式處理器200，用戶數(shù)據(jù)存儲在3d-m陣列170中，模式處理電路180對它們進行模式匹配。在類處理器方式中，3d-m可以是3d-otp或3d-mtp，它用于存儲網(wǎng)絡(luò)規(guī)范庫和病毒標(biāo)識庫。在類存儲器方式中，3d-m最好是3d-mtp，它存儲用戶數(shù)據(jù)庫。作為另一個例子，分布式模式處理器200可用于大數(shù)據(jù)分析（如金融數(shù)據(jù)分析、電商數(shù)據(jù)分析、生物信息學(xué)）。大數(shù)據(jù)分析涉及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)或半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的、采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（relationaldatabase）的分析方法對此無能為力。分布式模式處理器200能提高大數(shù)據(jù)分析能力。為了提高效率，最好采用類存儲器方式：大數(shù)據(jù)作為檔案存儲在3d-m陣列170中，用于數(shù)據(jù)分析的關(guān)鍵詞作為輸入模式數(shù)據(jù)110送至分布式模式處理器200，模式處理電路180對它們進行模式匹配。在大數(shù)據(jù)分析中，3d-m最好是3d-mtp，它用于存儲用戶數(shù)據(jù)。分布式模式處理器200還可以用于語音識別和/或圖像識別。在識別過程中，可以采用類處理器方式和類存儲器方式。對于類處理器方式，用戶產(chǎn)生的語音/圖像數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)110送至分布式模式處理器200，3d-m陣列170存儲各種識別模型庫（如聲學(xué)模型庫、語言模型庫、圖像模型庫等），之后模式處理器180進行識別。對類存儲器方式，用戶產(chǎn)生的語音/圖像數(shù)據(jù)作為檔案存儲在3d-m陣列170中，需要查找的語言信號或圖像信號作為輸入數(shù)據(jù)110送至分布式模式處理器200，之后模式處理電路180進行識別和查找。在類處理器方式中，3d-m可以是3d-p、3d-otp或3d-mtp，它存儲聲學(xué)模型庫、語言模型庫、圖像模型庫等。在類存儲器方式中，3d-m最好是3d-mtp，它存儲語音/圖像檔案庫。應(yīng)該了解，在不遠離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可以對本發(fā)明的形式和細節(jié)進行改動，這并不妨礙它們應(yīng)用本發(fā)明的精神。因此，除了根據(jù)附加的權(quán)利要求書的精神，本發(fā)明不應(yīng)受到任何限制。當(dāng)前第1頁12當(dāng)前第1頁12