正版新书--3D集成电路设计 EDA、设计和微体系结构 谢源等 机械工业出版社 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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谢源等 著

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出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111526056

商品编码：29473065749

包装：平装

出版时间：2016-03-01

基本信息

书名：3D集成电路设计 EDA、设计和微体系结构

定价：79.00元

作者：谢源等

出版社：机械工业出版社

出版日期：2016-03-01

ISBN：9787111526056

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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本书是3D设计领域的综述，重点在于使3D技术被采纳的EDA工具和算法，实施架构和在未来的、潜在的3D系统设计。本书旨在为读者提供全面的认识，主要介绍了以下内容：?3D 集成电路技术是一种有效的设计方法，使得芯片工业能够沿着性能提高的道路继续发展。?3D集成电路技术的工艺介绍。?3D集成电路技术面临的特殊的关于EDA的挑战，以及解决方法和实践。?使用3D技术的优势。?架构和系统级设计问题。?3D集成电路设计的成本。

内容提要

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本书全面地介绍了3D集成电路设计相关的前沿技术，章节之间有侧重也有联系。章首先通过处理器与存储器速度差异造成的访问速度问题，引入了3D集成电路产生的原因和存在的问题。第2章介绍了3D集成电路制造相关的基本工艺问题。针对3D集成电路远比平面集成电路严重的散热问题，在第3章总结了相关的热分析和电源传输设计方法，简述了解决相关瓶颈问题的方案。随后，本书走向设计层面，在第4章介绍了带有2D块和3D块的3D布局规划算法。在第5章介绍了几种基于热分析的3D全局布局技术，并通过实验结果比较了多种3D布局技术。第6章针对的是3D集成电路的布线，介绍了基于热分析的3D布线和热通孔插入技术。第7章介绍了重排传统的2D微处理器模块的方法，对不同设计技术、方法进行了讨论。接下来，本书继续提升设计层次，在第8章讨论了3DNoC的设计，包括多种网络拓扑结构和3D片上路由器设计。第9章介绍了高能效服务器设计的3D架构研究。0章对3D集成电路技术潜在的成本优势进行了系统级分析与设计探索。

目录

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目 录译者序原书序原书前言章 介绍 1 参考文献 11 第2章 3D集成电路工艺考量 12 2.1 介绍 12 2.2 背景:3D集成技术的初期需求 13 2.3 影响3D设计艺术状态的工艺因素 14 2.3.1 各层的堆叠方向:正面对背面与正面对正面 14 2.3.2 层间对准:层间互连误差 15 2.3.3 键合界面设计 17 2.3.4 硅通孔维度:设计点选择 19 2.3.5 通孔工艺集成和通孔类型的重新分类 21 2.4 总结 23 参考文献 24 第3章 三维 （3D） 芯片的热和电源传输挑战 26 3.1 介绍 26 3.2 三维集成电路中的热问题 27 3.2.1 热PDE 27 3.2.2 稳态热分析算法 28 3.2.3 有限元法（FEM） 30 3.2.4 三维电路热优化 33 3.3 三维芯片中的电源传输 34 3.3.1 电源传输基础 34 3.3.2 三维芯片电源传输:模型和挑战 35 3.3.3 控制PSN噪声的设计技术 39 3.3.4 控制PSN噪声的CAD技术 43 3.4 结论 46 参考文献 46 第4章 热敏感3D布局规划 50 4.1 介绍 50 4.2 问题说明 51 4.2.1 含二维块的三维布局规划 51 4.2.2 含三维块的三维布局规划 52 4.3 含二维块的三维布局规划表示法 53 4.3.1 二维表示法的基本表示 53 4.3.2 不同表示法的分析 57 4.4 含三维块的三维布局规划表示法 61 4.4.1 三维切片树 61 4.4.2 三维CBL 61 4.4.3 三元序列 63 4.4.4 多种表示法的分析 65 4.5 优化技术 66 4.5.1 模拟退火 66 4.5.2 基于SA的含二维块的三维布局规划 66 4.5.3 基于SA的含三维块的三维布局规划 68 4.5.4 解析方法 70 4.6 多种三维布局规划技术的影响 72 4.6.1 含二维块的三维布局规划影响 72 4.6.2 含三维块的三维布局规划的影响 74 4.7 总结和结论 76 附录 折叠3D元件设计 77 参考文献 80 第5章 热敏感三维 （3D） 布局 83 5.1 介绍 83 5.1.1 问题建模 83 5.1.2 现有三维布局技术总览 85 5.2 基于分块的技术 86 5.3 二次均匀建模技术 88 5.3.1 线网长度目标函数 89 5.3.2 单元排布成本函数 90 5.3.3 热分布成本函数 91 5.4 多层布局技术 92 5.4.1 三维布局流程 92 5.4.2 解析布局引擎 92 5.4.3 多层架构 96 5.5 基于变换的技术 97 5.5.1 本地堆叠转换方法 98 5.5.2 折叠转换方法 98 5.5.3 基于窗口的堆叠/折叠转换方法 99 5.6 合法化和详细布局技术 100 5.6.1 粗合法化 100 5.6.2 详细合法化 101 5.6.3 通过R图的层指定 103 5.7 三维布局流程 104 5.8 多种三维布局技术的影响 104 5.8.1 线网长度和TSV数目的折中 105 5.8.2 热优化的影响 110 5.9 三维布局对线网长度和中继器使用的影响 111 5.9.1 二维/三维布局器和中继器估计 112 5.9.2 实验设置和结果 112 5.10 总结和结论 114 参考文献 115 第6章 三维 （3D） 集成电路中的热通孔插入和热敏感布线 118 6.1 介绍 118 6.2 热通孔 118 6.3 把热通孔插入到布局后的设计 120 6.4 布线算法 123 6.4.1 多层方式 124 6.4.2 使用线性编程的两段方法 126 6.5 结论 129 参考文献 129 第7章 三维 （3D） 微处理器设计 131 7.1 介绍 131 7.2 堆叠完整模块 132 7.2.1 三维堆叠式缓存 132 7.2.2 可选功能 135 7.2.3 系统级集成 139 7.3 堆叠功能单元模块 139 7.3.1 移除互连线 139 7.3.2 对硅通孔的要求 141 7.3.3 设计局限问题 142 7.4 拆分功能单元模块 143 7.4.1 三维缓存结构的折中 143 7.4.2 运算单元的三维分拆 148 7.4.3 三维加法器 148 7.4.4 接口单元 150 7.5 结论 151 参考文献 153 第8章 三维 （3D） 片上网络架构 155 8.1 介绍 155 8.2 片上网络的简要介绍 156 8.2.1 NoC拓扑 156 8.2.2 NoC路由设计 158 8.2.3 NoC设计的更多信息 158 8.3 三维NoC架构 159 8.3.1 对称的NoC路由设计 159 8.3.2 三维（3D）NoC总线混合路由设计 161 8.3.3 真三维（3D）路由设计 162 8.3.4 按维度分解NoC路由设计 164 8.3.5 多层三维NoC路由设计 164 8.3.6 三维NoC拓扑设计 165 8.3.7 三维工艺对NoC设计的影响 166 8.4 使用三维NoC架构的多处理器芯片设计 166 8.4.1 三维二级缓存在CMP架构上的堆叠 167 8.4.2 dTDMA总线作为通信支柱 168 8.4.3 三维（3D）NoC总线混合路由架构 169 8.4.4 处理器和二级缓存组织 170 8.4.5 缓存管理策略 170 8.4.6 方法学 172 8.4.7 结果 173 8.5 结论 176 参考文献 176 第9章 PicoServer:使用三维 （3D） 堆叠技术建立能源效率服务器 179 9.1 介绍 179 9.2 背景 182 9.2.1 服务器平台 182 9.2.2 三维堆叠技术 184 9.2.3 DRAM技术 186 9.3 方法 186 9.3.1 仿真研究 186 9.3.2 估算功率及面积 189 9.4 PicoSever架构 191 9.4.1 核心架构和多线程的影响 192 9.4.2 宽共享总线架构 193 9.4.3 片上DRAM架构 194 9.4.4 一个CMP架构的多NIC需求 198 9.4.5 在三维堆叠中的热考虑 198 9.4.6 将闪存集成到PicoServer的影响 200 9.5 结果 205 9.5.1 整体表现 205 9.5.2 总体功率 208 9.5.3 能源效率的帕累托（Pareto）图 209 9.6 结论 212 参考文献 212 0章 系统级三维 （3D） 集成电路成本分析与设计探索 216 10.1 介绍 216 10.2 三维集成电路的早期设计评估 217 10.2.1 “兰特规则”的初探 217 10.2.2 芯片面积和金属层估计 218 10.2.3 TSV技术的影响 219 10.3 三维（3D）成本模型 220 10.4 系统级三维IC设计探索 223 10.4.1 评估TSV对芯片面积的影响 223 10.4.2 三维（3D）IC中减少金属层的潜力 223 10.4.3 键合工艺:D2W或W2W 224 10.4.4 成本与三维层数 225 10.4.5 异构堆叠 226 10.5 成本驱动型的三维设计流程 227 10.5.1 案例分析:两层OpenSPARC T1三维处理器 229 10.6 交互对称设计的三维掩膜版的重复使用 230 10.7 结论 231 参考文献 231

作者介绍

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本书的作者都是3D集成电路研究领域的专家，Yuan Xie教授就职加利福尼亚大学圣巴巴拉分校（University of California at Santa Barbara）。由于他在3D集成电路架构和设计自动化上的突击贡献, 在2015年获选美国电气与电子工程师协会会士。Jason Cong教授现为加利福尼亚大学洛杉矶分校计算机系教授，系主任，北京大学客座教授。他于2001年获选美国电气与电子工程师协会会士。Sachin Sapatnekar教授在明尼苏达大学就职，曾任IEEE transaction of CAD主编，美国电气与电子工程师协会会士。

文摘

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序言

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探秘硅基智慧的微观宇宙：精炼工艺与前沿设计的交响 在日新月异的科技浪潮中，集成电路（IC）无疑扮演着驱动整个社会进步的核心引擎。从智能手机的掌上芯片到超级计算机的算力心脏，再到物联网设备间的互联互通，IC的设计与制造能力直接决定了一个国家、一个产业的竞争力。本书并非仅是一本介绍“3D集成电路设计 EDA、设计和微体系结构”的教科书，而是旨在为读者打开一扇通往芯片设计殿堂的“后门”，深入剖析支撑现代电子设备运行的底层逻辑，以及那些塑造其性能与形态的关键技术。我们将从宏观的产业视角切入，逐步深入到微观的设计细节，展现从概念构思到最终成品的复杂而迷人的流程。 从二维到三维：摩尔定律下的演进与挑战 长期以来，集成电路的工艺发展遵循着摩尔定律的轨迹，即集成电路上可容纳的晶体管数目约每隔18至24个月便会增加一倍，性能也将相应提升。然而，随着晶体管尺寸不断逼近物理极限，传统的二维平面结构在功耗、散热、信号延迟等方面逐渐显露出瓶颈。三维集成电路（3D IC）的出现，为打破这些枷锁提供了全新的思路。它不再局限于在同一平面上堆叠晶体管，而是通过垂直堆叠不同的功能层，将更多的晶体管集成在更小的空间内。这种“向上”发展的策略，不仅极大地提升了芯片的集成密度，也带来了前所未有的性能提升潜力，同时在功耗和通信速度方面也展现出显著优势。 然而，从二维走向三维，绝非简单的垂直堆砌。它涉及到全新的设计理念、制造工艺、互连技术以及EDA（电子设计自动化）工具的革新。如何精确地控制垂直堆叠过程中的对准精度，如何高效地进行层与层之间的信号传输，如何优化整体的热管理，以及如何设计出能够充分发挥三维优势的微体系结构，这些都是摆在工程师面前的巨大挑战。本书将系统性地探讨这些挑战，并介绍当前和未来可能的发展方向。 EDA：赋能设计的智慧之翼 EDA，即电子设计自动化，是现代集成电路设计不可或缺的核心工具。它利用计算机软件来完成芯片设计的各个环节，从逻辑设计、物理设计到验证，极大地提高了设计的效率、准确性和复杂性。在3D IC的设计中，EDA工具面临着更严峻的考验。传统的二维EDA工具需要进行大幅度的升级和扩展，以支持三维结构的建模、分析和优化。 本书将深入剖析EDA工具在3D IC设计流程中的关键作用。我们将探讨： 逻辑综合与布局布线： 如何将高层的逻辑设计有效地映射到复杂的三维物理结构中，如何进行跨层级的布局布线，以最小化延迟并优化功耗。这需要全新的算法和数据结构来处理三维的拓扑关系。 物理验证与寄生参数提取： 在三维结构中，寄生效应（如电容、电感、电阻）的计算变得更加复杂，对信号完整性、功耗以及时序产生显著影响。EDA工具需要能够精确地提取这些寄生参数，并进行有效的时序分析和功耗分析。 三维建模与可视化： 如何直观地表示和理解复杂的3D IC结构，如何进行设计规则检查（DRC）和版图与原理图一致性检查（LVS）。 我们将重点介绍一些在3D IC设计中至关重要的EDA技术，例如： 三维堆叠建模与设计规则： 介绍如何定义和执行适用于垂直堆叠的物理设计规则，包括层对准、通孔（vias）设计、局部互连等。 协同设计与异构集成： 3D IC设计往往涉及不同工艺、不同功能的芯片堆叠，EDA工具需要支持异构设计和协同验证，确保不同组件之间的兼容性和整体性能。 功耗与散热分析： 随着芯片密度的增加，功耗和散热成为关键问题。EDA工具需要提供强大的功耗和热管理分析功能，帮助设计师优化设计以满足热限制。 高级验证技术： 针对3D IC结构的复杂性，需要更高级的验证方法，包括形式验证、仿真验证以及物理验证，以确保设计的正确性。 微体系结构：重塑计算的基石 微体系结构是计算机体系结构的一个分支，它研究的是一个计算系统中，如何组织和控制硬件资源来执行指令。在3D IC的语境下，微体系结构的创新不再仅仅局限于二维平面，而是将三维的优势充分融入设计中，从而实现前所未有的性能突破。 本书将探讨3D IC背景下的微体系结构设计： 垂直互连的优化： 传统的二维芯片依赖于金属层间的水平布线，而3D IC则可以通过垂直的通孔（TSVs, Through-Silicon Vias）实现更短、更直接的连接。这极大地降低了信号延迟，提升了带宽，为设计高性能处理器、内存和I/O提供了基础。我们将分析TSVs的设计、性能以及对整体微体系结构的影响。 异构计算与功能分层： 3D IC非常适合集成不同功能的芯片。例如，可以将高性能CPU、GPU、AI加速器、内存以及RF模块等堆叠在一起，形成高度集成的异构计算平台。本书将探讨如何设计这样的异构微体系结构，以及如何通过高效的片上通信机制来协同这些不同的功能单元。 内存-逻辑集成： 将DRAM等存储器与逻辑处理器直接堆叠，可以显著减小数据传输的延迟和功耗，这对于大数据处理、AI推理等应用至关重要。我们将分析这种集成带来的微体系结构上的挑战和机遇。 功耗与散热感知的微体系结构设计： 在有限的封装空间内，功耗和散热是设计的关键制约因素。本书将探讨如何设计具有低功耗特性和良好散热能力的微体系结构，例如通过动态电压频率调节（DVFS）、功耗门控以及热感知调度等技术。 面向新兴应用的微体系结构： 随着AI、5G、自动驾驶等新兴应用的快速发展，对计算能力和能效提出了更高的要求。3D IC的出现为设计专门针对这些应用的定制化微体系结构提供了可能。我们将探讨如何利用3D IC的优势来构建更高效的AI加速器、更强大的通信处理单元等。 设计流程与挑战：从概念到现实的严谨之路 3D IC的设计流程与传统的2D IC设计既有相似之处，也存在显著的差异。本书将细致梳理3D IC的设计流程，并重点强调其中特有的挑战和解决方案。 系统级设计（System-Level Design）： 在3D IC中，系统级的划分和集成变得更加重要。设计师需要考虑如何将不同的功能块、不同的工艺芯片有效地组织在三维空间中，并定义清晰的接口和通信协议。 逻辑设计与前端验证： 逻辑设计阶段需要充分考虑三维结构的特性，例如信号的垂直传输路径、跨层级的时钟分配等。前端验证需要确保逻辑设计的正确性，并为后端设计提供可靠的输入。 物理设计与后端验证： 这是3D IC设计中最具挑战性的环节。布局布线需要处理三维的拓扑结构，通孔的优化设计、层间的信号完整性分析、功耗和散热的模拟都至关重要。物理验证（DRC, LVS）需要适应三维的复杂规则。 封装与测试： 3D IC的封装方式也与传统芯片有所不同，需要支持多层堆叠和垂直连接。可靠的测试策略也需要针对三维结构的特点进行设计，以确保产品的质量。 面向未来：3D IC的演进趋势与展望 3D IC并非一个静态的技术，而是不断演进和发展的。本书将对3D IC的未来趋势进行展望： 更先进的堆叠技术： 诸如堆叠层数的增加、TSVs尺寸的缩小、封装技术的提升等。 更精细化的工艺节点： 将3D IC设计与最先进的半导体工艺节点相结合，实现更高的性能和更低的功耗。 异构集成的深化： 将更多种类的器件和功能模块集成到3D IC中，如MEMS（微机电系统）、光学器件等。 AI在3D IC设计中的应用： 利用机器学习和人工智能来加速EDA工具的开发，优化设计流程，提高设计效率。 可持续性与绿色计算： 3D IC有望通过提高能效和减少材料使用来促进可持续计算的发展。 本书旨在为对集成电路设计、计算机体系结构、微电子学以及相关领域感兴趣的读者提供一个全面而深入的视角。通过对3D IC的设计、EDA工具和微体系结构的详细阐述，读者将能够更好地理解现代计算设备的核心技术，并为未来的科技创新奠定坚实的基础。这不仅是一次对技术细节的探索，更是一场关于如何用智慧与创新突破物理极限，重塑数字世界的精彩旅程。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧和印刷质量简直是教科书级别的典范，厚实的纸张，清晰的字体排版，即便是复杂的电路图和时序图也能一目了然，这对于我们这些需要长时间盯着技术图纸的工程师来说，简直是福音。我记得我拿到手的时候，光是翻阅目录和前言，就已经能感受到编辑团队在细节上的匠心独运了。那种油墨的清香和纸张的质感，完全没有现在很多廉价出版物那种刺鼻的化学味，让人阅读起来心情都格外舒畅。特别是章节之间的过渡页设计，采用了略微不同的米黄色调，有效地区分了不同的知识模块，让读者在深入学习某一复杂概念后，有一个短暂的视觉缓冲，有助于知识的消化吸收。而且，书脊的粘合处理也做得非常扎实，即便是频繁翻阅查找特定公式或结构图，也完全不用担心书页会松动或脱落，这对于一本高频使用的技术参考书来说，是至关重要的耐用性指标。总而言之，从物理层面来讲，这本书完全配得上它所承载的专业内容的重量，拿在手里沉甸甸的，给人一种踏实可靠的感觉，是那种可以长期放在案头、随时取用的工具书的优秀范例。

评分☆☆☆☆☆

这本书的深度和广度达到了一个非常令人信服的平衡点。它没有满足于停留在高层次的概念介绍，而是敢于深入到晶体管级别和物理层面的限制进行剖析。举例来说，在谈到亚阈值泄漏和功耗优化时，它不仅给出了传统的解决方案，还探讨了新兴的FD-SOI（全耗尽绝缘体上硅）技术对设计策略的影响，这显示出作者对行业前沿动态的敏锐捕捉。但同时，它也没有过度沉溺于只有少数人能接触到的尖端技术细节，而是确保了对CMOS基本原理的阐述足够扎实，保证了不同技术背景的读者都能有所收获。这种“既仰望星空（前沿技术），又脚踏实地（基础原理）”的写作风格，让这本书的适用人群范围极大地拓宽了。我尤其欣赏它在描述先进工艺节点设计挑战时所展现出的那种批判性思维，不仅仅是教你“怎么做”，更引导你去思考“为什么”要这样做，以及在不同约束下的取舍之道，这种对设计哲学层面的探讨，才是真正有价值的知识沉淀。

评分☆☆☆☆☆

我对这本书的逻辑架构和知识点的组织顺序感到非常惊喜，它并没有采用那种枯燥的、自上而下的教科书式堆砌，而是更像一位经验丰富的前辈在手把手地带你进入这个充满挑战的领域。开篇对于数字IC设计流程的宏观概述，迅速建立了整体认知框架，避免了初学者在细节泥潭中迷失方向。随后，对于基础单元库和标准单元的深入探讨，又紧密联系了实际的工艺限制，这种“理论联系实际”的叙述方式，极大地增强了知识的可操作性。尤其是当涉及到时序分析和约束设置时，作者并没有停留在理论公式的罗列，而是巧妙地穿插了几个典型的设计场景，用案例来解析抽象的概念，这种“情景代入式”的讲解，让原本晦涩难懂的STA（Static Timing Analysis）变得清晰易懂。读完相关章节后，我感觉自己像是完成了一次完整的、有组织的实践训练，而不是简单地吸收了一堆信息。这种精心设计的学习路径，极大地提高了学习效率，对于想快速上手项目的新手和希望查漏补缺的资深工程师来说，都是绝佳的学习资源。

评分☆☆☆☆☆

作为一本技术著作，其语言风格的流畅度和精确性往往决定了阅读体验。这本书在这方面表现得非常出色，它成功地在保持专业术语严谨性的同时，避免了那种冷冰冰的、机械式的叙述腔调。作者似乎非常善于运用比喻和类比来阐释复杂的硬件行为。例如，描述数据路径中的流水线（Pipeline）时，作者将其比作工厂里的装配线，清晰地展示了如何通过阶段划分来提高吞吐量，这种生动的描述方式，让那些初次接触流水线概念的读者能够迅速建立起直观的理解模型。此外，全书的术语翻译和前后一致性做得无可挑剔，在第一次出现缩写时，都会给出完整的中文和英文对照，极大地减少了查阅字典的次数，这对于追求阅读连贯性的技术人员来说，是极其重要的加分项。整体来看，阅读过程非常顺畅，知识点间的衔接自然而然，仿佛在与一位知识渊博且善于表达的导师进行一场深入的学术交流，让人完全沉浸其中，忘记了时间。

评分☆☆☆☆☆

这本书的一个显著特点是它对EDA工具链的实际操作层面的关注度。许多理论书籍在讲解完算法和原理后，往往就戛然而止，留给读者一个“如何用工具实现”的巨大鸿沟。然而，这本书却在多个关键章节后面，提供了非常实用的关于主流EDA软件（如Synopsis或Cadence的某个模块）中特定功能的配置建议和常见错误排查指南。虽然它没有直接给出详细的GUI截图教程，但它对设计流程中各个阶段的输入文件格式要求、关键的命令行参数解析，以及在仿真和验证阶段如何设置正确的波形查看器选项等细节的提及，展现了作者对工程实践的深刻理解。这种对“落地细节”的关注，使得这本书不仅仅停留在学术探讨层面，而是真正成为了一本能指导工程师们解决实际工作中遇到的疑难杂症的实战手册。对于那些希望将理论知识快速转化为实际生产力的读者而言，书中蕴含的这些“工程智慧”的价值，是无法用简单的页数来衡量的。