3D集成电路设计 EDA、设计和微体系结构 9787111526056 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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谢源等 著

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• 集成电路设计
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• 芯片设计
• 数字电路
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出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111526056

商品编码：29658054844

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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探索硅基智慧的边界：下一代电子器件的革命之路 本书并非聚焦于 3D 集成电路设计的特定技术细节、EDA 工具的应用，或是微体系结构的具体实现，而是将目光投向更广阔的范畴，深入探讨支撑现代电子器件飞速发展的那些深层科学原理、前沿探索以及由此衍生的宏观影响。它旨在为读者勾勒出一幅关于“硅基智慧”的演进图景，从基础物理到创新材料，从逻辑的本质到智能的涌现，揭示驱动电子产业革命的根本力量。 第一部分：物质的边界与能量的律动——微观世界的逻辑 在踏入宏伟的电子器件设计殿堂之前，我们必须回溯到物质的最基本构成。本部分将深入解析构成现代电子器件核心的半导体材料的内在属性。我们不会止步于硅的经典 p-n 结理论，而是将目光聚焦于那些正在改变游戏规则的下一代材料。例如，量子点的奇特性质——其尺寸效应如何赋予其独一无二的光电特性，为高效发光器件和光电器件提供了无限可能。二维材料，如石墨烯和过渡金属硫化物，其原子级的厚度带来的超乎想象的导电性和机械强度，正为突破传统半导体器件的尺寸极限和功耗瓶颈打开新局面。 我们将探讨载流子在这些新型材料中的行为，以及量子效应如何在该尺度上发挥主导作用。这包括对费米能级、带隙工程、以及载流子散射机制的深入理解。对于那些追求极致性能和超低功耗的工程师而言，掌握这些微观世界的逻辑是进行颠覆性创新的基石。本书将从基础物理定律出发，循序渐进地引导读者理解这些材料的潜力和挑战。 此外，能量的转化与守恒在电子器件的运行中扮演着至关重要的角色。本部分将讨论热力学在微电子器件中的应用，例如焦耳热的产生与控制，以及热电材料的潜力。在追求更高效、更可持续的电子系统的时代，如何最小化能量损耗，甚至从废热中回收能量，将是设计的关键考量。我们将审视热电效应的原理，并展望其在能量收集和热管理方面的应用前景。 第二部分：信息编码的艺术与计算范式的演进——超越图灵的界限 信息是电子器件处理的核心，而信息编码的效率直接决定了数据传输和存储的性能。本部分将从信息论的视角出发，探讨信息是如何被表示、编码、解码以及在不同介质中传输的。我们不会局限于二进制的经典表达，而是会探讨更先进的编码技术，例如纠错码（ECC）在提升数据可靠性方面的作用，以及信息论在数据压缩和通信协议设计中的核心地位。 计算，作为电子器件最核心的功能，其范式也在不断演进。除了经典的冯·诺依曼架构，本部分将深入探讨那些正在重塑计算未来的新架构。这包括对“计算即存储”（Computing-in-Memory）的深入分析，即在存储单元内部执行计算，从而大幅减少数据搬运的能耗和延迟，为人工智能和大数据应用提供强大的支撑。我们还将探讨类脑计算（Neuromorphic Computing）的理念，如何借鉴生物大脑的神经网络结构和工作原理，设计出能够进行模式识别、学习和推理的全新计算硬件。 量子计算，作为一股颠覆性的力量，也将是本部分的重点。我们将解析量子比特（qubit）的叠加和纠缠特性，以及它们如何使得量子计算机能够解决经典计算机难以企及的复杂问题。虽然量子计算机的实用化仍有距离，但其潜在的应用前景，从新材料设计到药物研发，都将对未来科技产生深远影响。本书将为读者梳理不同计算范式的优劣，以及它们在未来可能扮演的角色。 第三部分：智能涌现的奥秘与人机交互的未来——赋予硅以灵魂 当强大的计算能力与海量的数据相结合，智能的火花便开始显现。本部分将探讨人工智能（AI）及其与电子器件的深度融合。我们不会仅仅停留在机器学习算法的层面，而是会深入探究那些支撑AI模型运行的硬件基础。这包括对高性能计算芯片（如AI加速器、GPU、TPU）的设计考量，例如矩阵乘法单元的优化、内存带宽的提升，以及分布式训练的挑战。 “智能”的定义本身也在不断拓展。除了传统的感知和认知智能，本部分还将探讨情感计算（Affective Computing）的可能性，即如何让电子器件感知并响应人类的情感。这将对人机交互的未来产生革命性的影响，使得设备能够更自然、更富同理心地与人类互动。 此外，我们还将展望人机交互的未来趋势。增强现实（AR）和虚拟现实（VR）技术的发展，对显示技术、传感器技术以及计算能力提出了更高的要求。触觉反馈、脑机接口（BMI）等新兴技术，将进一步模糊物理世界与数字世界之间的界限，为人类的生活和工作方式带来深刻的变革。本书将引导读者思考，如何通过电子器件的设计，赋予硅以“灵魂”，使其能够更智能、更人性化地服务于人类。 第四部分：可持续发展与伦理边界——科技的双刃剑 任何强大的技术都伴随着责任。在电子器件飞速发展的背后，可持续发展和伦理问题日益凸显。本部分将审视电子产业对环境的影响，从原材料的开采、生产过程中的能耗和污染，到电子废弃物的处理。我们将探讨绿色制造、循环经济以及可再生能源在电子产业中的应用。 同时，随着电子器件能力的增强，其在社会中的应用也引发了一系列伦理挑战。数据隐私、算法偏见、人工智能的责任归属以及数字鸿沟等问题，都亟待我们深入思考和解决。本书将鼓励读者以批判性的视角审视科技的发展，呼吁在追求技术进步的同时，兼顾社会公平、环境保护以及人类的长远福祉。 总结 本书的目标是提供一个宏大而深刻的视角，帮助读者理解构成现代电子器件底层逻辑的科学原理，洞察驱动电子产业革命的前沿趋势，并思考科技发展所带来的机遇与挑战。它旨在激发读者对“硅基智慧”的无限遐想，并鼓励他们在各自的领域内，为构建更智能、更高效、更可持续的未来贡献力量。无论您是资深的工程师、热情的学生，还是对科技发展充满好奇的任何人士，本书都将为您提供一个独特的思考框架，带领您一同探索硅基智慧的边界。

评分☆☆☆☆☆

我发现这本书在处理复杂的技术概念时，展现出了一种罕见的清晰度。它没有使用堆砌晦涩术语的方式来营造学术深度，而是通过精妙的类比和对历史演进的梳理，将那些看似遥不可及的概念拉到了读者的认知范围之内。举例来说，它对时序约束（Timing Constraints）的讲解，不再是枯燥的数学公式堆砌，而是将其比喻为对芯片“心跳”的精确控制，解释了建立时间和保持时间在实际物理层面上的意义。这种将抽象概念具象化的手法，极大地提升了学习的效率和乐趣。更令人印象深刻的是，作者似乎对设计中的“陷阱”了如指掌，书中穿插了许多“过来人”的经验之谈，比如如何避免亚稳态的产生，或者在跨时钟域设计中应该优先考虑哪些问题。这些经验之谈，是光靠阅读官方文档无法获取的宝贵财富。对于那些希望从“会用”工具升级到“理解”工具背后原理的读者来说，这本书无疑是首选。

评分☆☆☆☆☆

坦白讲，这本书的体量和密度是相当可观的，它要求读者投入足够的时间和精力去消化。但这绝对是一笔非常值得的投资。它并非那种读完一遍就可以束之高阁的书，而更像是一本需要放在手边，随时查阅和回顾的参考书。书中对高级验证方法学的介绍，特别是形式化验证和覆盖率驱动验证的结合使用，给我的启发非常大。它清晰地阐明了，在一个越来越复杂的芯片设计中，如何通过智能化的验证策略来确保设计的正确性。我特别喜欢它对“可制造性设计”（DFM）的关注，它提醒我们，设计不仅仅要在仿真环境中通过，更要在实际的晶圆制造过程中保持鲁棒性。这种对完整产品生命周期的关注，体现了作者的远见卓识。总而言之，这本书提供了一个既有广度又有深度的视角，它为你提供了构建下一代高性能、低功耗电子系统的坚实理论基础和实战指南。

评分☆☆☆☆☆

这本书的叙述风格非常成熟和严谨，它似乎并不急于让你在第一时间掌握所有细节，而是更注重于培养读者对整个设计流程的“全局观”。我尤其欣赏它在描述设计迭代和收敛过程中的坦诚。很多教材会过度美化设计过程的线性，但这本书非常真实地展现了工程决策中的不确定性和妥协性。比如，在探讨如何选择合适的逻辑综合策略时，书中没有给出唯一的“最佳答案”，而是列举了在不同工艺节点和功耗预算下，不同策略的优缺点，并提供了量化的评估指标。这对于初入职场的工程师来说，是极其宝贵的“防坑指南”。我个人认为，这本书的深度已经超越了一般教材的范畴，更像是一本高阶工程师的内部培训手册。它对EDA工具链中各个环节的相互依赖性描述得淋漓尽致，让你明白，一个小的RTL代码修改，可能会在后端布局布线阶段引发连锁反应，从而理解跨学科协作的重要性。读完之后，我对整个ASIC设计和FPGA实现的全貌有了更清晰、更立体的认识。

评分☆☆☆☆☆

老实说，我拿到这本书时，心里是带着一丝怀疑的，因为市面上同类主题的书籍往往要么过于理论化，要么过于侧重于某一特定工具的操作手册，缺乏一个宏观的视角。然而，这本书成功地搭建起了一座连接理论与实践的坚实桥梁。它最让我赞赏的一点是，它没有将“微体系结构”视为一个孤立的知识点来讲解，而是将其嵌入到一个完整的、从概念诞生到流片验证的生态系统中去考量。书中对指令集架构（ISA）如何影响微架构的选择，以及反过来，微架构的创新如何反哺ISA设计的发展，这种辩证的论述方式，展现了作者深厚的行业积淀。此外，书中对新兴的异构计算和专用加速器设计的讨论，也体现了其与时俱进的特点。它不仅仅关注CPU/GPU这类通用结构，还深入探讨了面向特定应用的硬件加速逻辑是如何被高效地集成到整体系统中的。阅读过程中，我感觉自己像是在一个经验丰富的首席架构师的带领下，进行了一次对现代处理器核心的深度徒步考察，每一步都走得踏实而有收获。这种系统性的知识构建，远比零散的学习碎片更有价值。

评分☆☆☆☆☆

这本书真是让我眼前一亮，它以一种非常直观且深入浅出的方式，揭示了现代电子设计领域中最核心的一些概念。我原本以为涉及到如此深奥的集成电路和EDA工具链会是一本枯燥的教科书，但作者的叙述方式却充满了活力和洞察力。特别是关于物理层级的实现和如何将其映射到逻辑设计上的那几章，简直是教科书级别的典范。书中对不同设计流程的权衡分析尤其到位，比如在速度、功耗和面积（PPA）这三大要素之间，设计师必须做出怎样的取舍，书里给出了非常贴近实际工程经验的指导。我记得有一部分详细阐述了先进封装技术如何改变了传统的设计范式，这对于希望站在行业前沿的工程师来说，简直是不可多得的宝藏。它不仅仅是告诉你“怎么做”，更重要的是告诉你“为什么这样做”，这种对底层原理的深挖，使得读者在面对新的技术挑战时，能够迅速构建起自己的分析框架，而不是仅仅依赖于工具的默认设置。这本书的排版和图示也设计得非常精良，复杂的结构图和流程图都清晰易懂，极大地降低了学习曲线。对于任何一个想从基础理论迈向复杂系统设计的专业人士来说，这都是一本值得反复研读的案头宝典。