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李晓维 等 著

图书标签:

• 数字集成电路
• 容错设计
• 可靠性设计
• 电路设计
• VLSI
• EDA
• 硬件设计
• 测试与验证
• 低功耗设计
• 系统级容错

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030305763

版次：1

商品编码：10645387

包装：精装

开本：16开

出版时间：2011-04-01

用纸：胶版纸

页数：433

字数：546000

正文语种：中文

内容简介

　　《数字集成电路容错设计》主要内容涉及数字集成电路容错设计的三个主要方面：容缺陷（和故障）、容参数偏差以及容软错误；包括3s技术（自测试、自诊断、自修复）的基本原理。从嵌入式存储、多核处理器和片上网络三个方面论述了缺陷（故障）容忍方法；从参数偏差容忍的角度，论述了抗老化设计和参数偏差容忍设计方法；从处理器和片上网络两个层次论述了软错误容忍方法；并以国产具有自？复功能的单核及多核处理器为例介绍了相关成果的应用。《数字集成电路容错设计》的特点是兼具先进性和实用性，系统性强，体系新颖。
　　《数字集成电路容错设计》适合于从事集成电路（与系统）容错设计方向学术研究，以及集成电路kda工具开发和应用的科技人员参考；也可用作集成电路与半导体专业的高等院校教师、研究生和高年级本科生的教学参考书。

目录

foreword
前言
第1章 绪论
1.1 数字集成系统容错设计简介
1.1.1 数字集成电路设计的可靠性挑战
1.1.2 数字集成电路的3s和3t可靠性设计框架
1.2 数字集成系统容错设计的关键问题
1.2.1 缺陷容忍
1.2.2 偏差容忍
1.2.3软错误容忍
1.3 章节组织结构
参考文献
第2章 嵌入式存储器的容缺陷设计
2.1 嵌入式存储器的容缺陷设计
2.1.1 缺陷与故障模型
2.1.2 嵌入式存储器的自测试方法
2.1.3 嵌入式存储器的自诊断方法
2.1.4 嵌入式存储器的自修复方法
2.2 利用内容可寻址技术的嵌入式存储器容缺陷设训
2.2.1 相关研究工作
2.2.2冗余资源结构
2.2.3 自测试自诊断和自修复方法
2.2.4 实验结果及其分析
2.3 小结
参考文献
第3章 多核处理器的容缺陷设计
3.1 多核处理器的核级冗余
3.1.1 核级冗余与微体系结构级冗余
3.1.2 核级冗余的降级模式与冗余模式
3.1.3 冗余模式对多核处理器系统的影响
3.2 冗余模式下多核处理器的拓扑重构
3.2.1 拓扑重构的量化评估方法
3.2.2 二维mesh结构的重构问题
3.2.3 问题复杂度分析
3.3 多核处理器的拓扑重构优化算法
3.3.1 最直接的?法——模拟退火
3.3.2 一种贪心算法——行波列借算法
3.3.3 行波列借制导的模拟退火算法
3.3.4算法性能分析
3.4 多核处理器的测试与故障诊断
3.5 小结
参考文献
第4章 片上网络路由器容错设计
4.1 片上网络路由器容错设计概述
4.1.1 片上路由器容错设计的关键问题
4.1.2 典型容错路由器结构
4.2 切片路由器
4.2.1 数据通路的切片复用
4.2.2 切片复用微体系结构
4.2.3 切片路由器的工作模式
4.2.4 路由器间的故障关联
4.2.5 切片路由器扩?
4.3 切片路由器的性能开销分析
4.3.1 可靠性参数设计与分析
4.3.2 总体评估
4.4 片上网络路由器的故障检测和诊断方法
4.5 小结
参考文献
第5章 片上网络容错路由
5.1 容错路由算法分类
5.2 死锁避免方法
5.2.1 dally和seitz理论
5.2.2 duato理论
5.2.3 转向模型
5.3 故障模型
5.3.1 凸区域模型
5.3.2 正交凸区域模型
5.4典型算法分析
5.4.1 boppana和chalasani算法
5.4.2 低成本可重构路由算法
5.5 小结
参考文献
第6章 数字电路的复合故障诊断方法
6.1 复合故障诊断方法
6.1.1 扫描设计与故障模型
6.1.2 复合故障诊断方法
6.2 基于可诊断性螺旋扫描设计的故障诊断方法
6.2.1 可诊断性设计方法
6.2.2 基于螺旋扫描设计的故障诊断
6.2.3 实验结果及其分析
6.3 基于确定性诊断向量生成的复合故障诊断方法
6.3.1 面向复合故障的扫描链故障诊断方法
6.3.2 面向复合故障的组合逻辑故障诊断方法
6.4 小结
参考文献
第7章 处理芯片的抗老化设计
7.1 老化机理与?命期可靠性建模
7.1.1 两类老化机理简述
7.1.2 生命期可靠性建模——“浴盆曲线”
7.2 老化的在线感知
7.2.1 老化感知原理
7.2.2 电路实现
7.3 老化容忍的微结构设计
7.3.1 基于冗余重构设计
7.3.2 基于电路状态控制的设计
7.3.3 基于时序动态优化设计
7.4老化的预测
7.4.1 老化预测框架
7.4.2 识别关键路径和关键门
7.4.3 最大电路老化预测模型
7.4.4 实验结果及其分析
7.5 小结
参考文献
第8章 多核处理器容参数偏差设计
8.1 参数偏差的分类
8.1.1 工艺偏差
8.1.2 电压波动
8.1.3 温度波动
8.2 针对不同类型参数偏差的优化技术
8.2.1 工艺偏差的优化
8.2.2 电压波动的优化
8.2.3 温度波动的优化
8.3 参数偏差的协同优化技术
8.3.1 pvt偏差对时序偏差的影响
8.3.2 偏差强度的频域分析
8.3.3 时域的解释
8.4 tea方法的可行性分析
8.4.1 实现技术难点
8.4.2 已具备的基础条件
8.5 实施方案
8.5.1 即时推测各个偏差分量强度
8.5.2 非显式依赖v分量的即时迁移?策
8.5.3 即时偏差程度预测
8.5.4 硬件开销
8.6 方案有效性评估
8.6.1 处理器核的配置参数和工作负载
8.6.2 供电网络模型
8.6.3 pvt偏差与电路时延的精确关系
8.6.4其他参数定义
8.6.5 评估指标
8.6.6 实验结果及其分析
8.7 小结
参考文献
第9章 处理器的容软错误设计
9.1 冗余执行层次
9.1.1 数据级冗余执行
9.1.2指令级冗余执行
9.1.3线程级冗余执行
9.1.4 进程级冗余执行
9.2 利用数据级冗余执行的软错误检测与恢复
9.2.1 数据级冗余执行的条件
9.2.2 数据级冗余执行的微结构设计
9.2.3 结合指令复制的软错误检测机制
9.2.4 基于检查点的软错误恢复技术
9.2.5 实验结果及其分析
9.3 冗余线程的调度和分配
9.3.1 核间性能不对称的多核处理器上的线程冗余
9.3.2 冗余线程的调度算法
9.3.3算法性能分析
9.4 小结
参考文献
第10章 片上网络容软错误通信方法
10.1 片上通信的差错控制方法
10.1.1 基于检错纠错的请求重传机制
10.1.2 无重传的随机通信机制
10.2 数?包分级保护方法
10.2.1数据包分析
10.2.2 分级保护策略
10.2.3性能效率分析
10.3 带有端到端反馈的容软错误通信方法
10.3.1 一种带反馈的随机容错路由算法
10.3.2 三种容软错误通信算法比较
10.3.3 带有端到端反馈容错方法总结
10.4 小结
参考文献
第11章 微体系结构级可靠性评估方法
11.1 微体系结构级可靠性评估方法
11.1.1 背景知识
11.1.2 体系结构脆弱因子计算
11.1.3 分析比较
11.2 体系结构脆弱因子离线评估
11.2.1 软错误故障注?分析
11.2.2 故障注入流程
11.2.3 实验结果及其分析
11.3 体系结构脆弱因子在线评估
11.3.1 整体框图设计
11.3.2 体系结构脆弱因子在线计算
11.3.3 体系结构脆弱因子预测算法
11.3.4 实验结果及其分析
11.4 间歇故障脆弱因子评估
11.4.1 研究背景及动机
11.4.2 间歇故障脆弱因子计算方法
11.4.3 实验结果及其分析
11.5 小结
参考文献
第12章 处理器芯片的容错设计实例
12.1 自修复处理器
12.1.1 自修复处理器设计背景及意义
12.1.2 自修复处理器芯片的结构设计
12.1.3 自修复处理器在wsn中的应用
12.2 godson-t众核处理器容错设计
12.2.1 godson-t体系结构
12.2.2 片上网络和基准程序性能分析
12.3 小结
参考文献
第13章 总结与展望
13.1 总结
13.2 展望
参考文献
索引

前言/序言

探索数字集成电路的无限可能：性能、可靠性与创新的融合 在日新月异的电子技术浪潮中，数字集成电路（Digital Integrated Circuits，简称DIC）作为现代信息社会的基石，其重要性不言而喻。它们驱动着我们日常生活中的每一台设备，从智能手机、电脑，到汽车、航空航天，再到医疗诊断仪器和工业自动化系统。DIC的强大处理能力、高集成度以及日益增长的复杂性，正不断推动着科技的边界。然而，在追求更高性能、更低功耗和更小体积的同时，如何确保这些精密器件在各种严苛环境下都能稳定可靠地工作，成为了摆在工程师和研究人员面前的一大挑战。 本书并非专注于某个特定的设计方法论，而是旨在为读者构建一个理解和掌握数字集成电路设计核心理念的广阔视角。我们将一同深入探索DIC的奥秘，从最基础的逻辑门电路原理出发，逐步揭示复杂数字系统的构建蓝图。我们将详细阐述数字信号的表示、逻辑运算的实现，以及如何将这些基本单元组合成功能强大的组合逻辑和时序逻辑电路。这包括对各种寄存器、计数器、状态机等核心时序逻辑模块的深入剖析，理解它们在数据处理和控制流程中的关键作用。 此外，理解不同类型的数字逻辑族及其特性也是DIC设计中不可或缺的一环。本书将详细介绍CMOS（互补金属氧化物半导体）作为当前主流工艺的优势，解析其工作原理、电路结构以及在功耗和速度方面的权衡。同时，我们也会适时提及其他具有历史意义或特定应用场景的逻辑族，帮助读者建立对DIC技术发展脉络的认知。 随着集成电路规模的不断扩大，设计和验证的复杂度呈指数级增长。本书将带领读者走进现代DIC设计流程的核心。我们将探讨从概念设计到物理实现的各个环节，包括架构设计、RTL（Register-Transfer Level）编码、逻辑综合、静态时序分析（Static Timing Analysis，STA）、布局布线（Place and Route，P&R）以及后仿真等关键步骤。我们将重点介绍常用的EDA（Electronic Design Automation）工具及其在这些流程中的应用，让读者能够直观地了解一个复杂的数字芯片是如何从抽象的设计转化为实际的物理版图的。 在理解了基本的DIC设计流程后，本书将进一步扩展视野，关注如何优化DIC的性能。这包括对时钟树综合（Clock Tree Synthesis，CTS）的深入探讨，理解如何高效地分发时钟信号以避免时钟偏斜和抖动，这对高速数字电路的稳定运行至关重要。我们还将讨论如何进行功耗优化，包括动态功耗和静态功耗的分析与降低技术，例如时钟门控（Clock Gating）、电源门控（Power Gating）以及低功耗设计方法。同时，对芯片面积的优化也是DIC设计中的重要考量，本书将介绍一些常用的面积优化技巧。 除了性能优化，对于一个成功且具有市场竞争力的数字集成电路而言，其可靠性和鲁棒性同样是决定性的因素。虽然本书不直接聚焦于某个特定类型的容错设计，但我们将深入探讨那些影响DIC可靠性的关键因素。例如，我们将详细解析信号完整性（Signal Integrity）和电源完整性（Power Integrity）的重要性，以及它们可能带来的潜在问题，如串扰（Crosstalk）、电压跌落（Voltage Droop）等。理解这些问题是采取相应设计策略、确保芯片在实际工作环境中稳定运行的基础。 此外，环境因素对DIC性能的影响也不容忽视。本书将探讨温度、电压等变化对电路行为可能造成的偏差，以及如何通过设计考虑来应对这些挑战。例如，我们将介绍一些基本的温度补偿和电压调节的原理，帮助读者理解这些因素对芯片可靠性的关联。 为了能够更好地进行设计和验证，理解不同类型的数字信号传播和相互作用的物理基础是必不可少的。本书将涉及信号延迟、上升沿/下降沿时间等概念，并介绍它们如何影响电路的性能。同时，我们也会触及互连线（Interconnect）的阻抗、寄生电容和寄生电感等对信号传输的影响，以及如何通过合理的布线策略来减小这些影响。 最后，本书将引导读者思考DIC设计的未来趋势。我们将展望随着工艺节点的不断缩小，新的材料和器件可能带来的机遇与挑战。我们也会探讨人工智能（AI）和机器学习（ML）在DIC设计流程中的潜在应用，例如在设计自动化、验证加速以及性能优化等方面。此外，我们还将关注新的计算范式，如类脑计算（Neuromorphic Computing）和量子计算（Quantum Computing）的发展，以及它们对未来数字集成电路设计可能产生的深远影响。 总而言之，本书旨在为读者提供一个全面、深入且富有前瞻性的数字集成电路设计知识体系。通过对基础原理、设计流程、性能优化以及影响可靠性的关键因素的详细讲解，我们期望能够帮助读者构建扎实的专业基础，激发创新思维，并为他们在数字集成电路领域的研究、开发和应用奠定坚实的基础。无论您是刚刚踏入IC设计殿堂的学生，还是在业界拥有丰富经验的工程师，相信本书都能为您带来新的启发和价值。

评分☆☆☆☆☆

评价一： 翻开这本书，我立刻被它严谨的逻辑和清晰的结构所吸引。作者在开篇就为我们勾勒了数字集成电路领域面临的严峻挑战，特别是那些不断涌现的潜在故障，这些故障如同一颗颗定时炸弹，时刻威胁着系统的稳定运行。随后，书中深入浅出地剖析了各种失效模式，从基本的单元级故障到复杂的系统级故障，都做了详尽的阐述。我尤其欣赏作者在介绍容错设计方法时，并没有停留在理论层面，而是通过大量的实际案例和仿真数据，生动地展示了这些方法的有效性和局限性。例如，在谈到冗余技术时，作者不仅讲解了三模冗余（TMR）的工作原理，还通过图示和对比，清晰地展现了其在提高系统可靠性方面的优势，同时也没有回避其带来的开销和复杂性。此外，书中对纠错码（ECC）的讲解也非常到位，从简单的汉明码到更复杂的RS码，都给出了清晰的推导过程和应用场景。读到这里，我仿佛置身于一个实际的芯片设计环境中，能够直观地感受到容错技术在保障复杂数字系统正常工作中的重要作用。这本书的深度和广度都超出了我的预期，它不仅适合资深工程师，对于初涉此领域的学生来说，也是一本绝佳的入门读物。

评分☆☆☆☆☆

评价四： 拿到这本书，我原本只是想初步了解一下数字集成电路容错设计的概貌，却没想到它能给我带来如此深刻的学术冲击。作者在介绍算法级容错时，展现了其在理论分析上的强大功力。书中关于软件错误检测与恢复的探讨，让我看到了容错设计在软件层面上的无限可能。例如，在讨论循环冗余校验（CRC）在软件中的应用时，作者不仅详细解释了其原理，还通过对比不同长度和生成多项式的CRC算法，分析了它们在检测能力和计算开销上的差异，并给出了在不同应用场景下的选择建议。我特别欣赏书中关于“失效注入”和“可测试性设计（DFT）”的章节。作者通过讲解如何模拟各种故障，来验证容错机制的有效性，并介绍了如何通过设计DFT来提高故障的可检测性，这些内容对于我理解容错设计的验证过程非常有帮助。书中不仅仅是技术的堆砌，更是一种思维方式的引导，它鼓励我们从故障发生的角度去思考设计，从而提前规避风险，提升系统的鲁棒性。这本书无疑会成为我未来学术研究和工程实践中的重要参考。

评分☆☆☆☆☆

评价三： 我带着对数字集成电路容错的满腔好奇踏入了这本书的扉页，而它也以超出我预期的深度和广度回应了我的期待。作者以一种非常系统化的方式，构建了一个完整的容错设计知识体系。书中关于存储器容错的章节，为我打开了新的大门。我了解到，在现代集成电路中，存储器是极易发生故障的环节，而书中关于SEU（单粒子翻转）和SET（单粒子瞬变）的详细分析，以及对应的ECC编码和冗余备份策略，为解决这类问题提供了强有力的理论支撑和实践指导。尤其值得一提的是，作者在介绍这些策略时，并没有局限于通用的方法，而是结合了不同类型存储器的特点，如DRAM、SRAM、Flash等，提出了针对性的容错设计方案，这显示了作者深厚的专业功底和丰富的实战经验。书中还穿插了一些关于硬件安全和固件安全与容错设计的交叉领域探讨，这对于我来说，是非常有启发性的，让我意识到容错设计不仅关乎系统的稳定性，也与信息安全息息相关。这本书的阅读体验极佳，逻辑清晰，语言流畅，即使面对一些复杂的概念，也能被作者巧妙地化解，让我能够全身心地投入到知识的海洋中。

评分☆☆☆☆☆

评价二： 这本书的内容宛如一位经验丰富的老者，娓娓道来，却又洞察秋毫。在阅读过程中，我深刻地体会到了作者对于数字集成电路容错设计这一课题的独到见解。不同于许多教科书的刻板论调，作者似乎将自己多年的实践经验融入字里行间，使得理论知识变得鲜活而富有生命力。书中对时序容错、时钟分布网络中的故障检测与恢复等问题的探讨，令我印象深刻。作者并没有简单地罗列方法，而是深入剖析了故障产生的根源，并据此提出了颇具创意的解决方案。例如，在讨论时钟偏移问题时，书中详细分析了不同工艺节点下时钟偏移的特点，并结合实际电路，给出了若干种基于嵌入式检测和自适应补偿的容错策略，这些策略的巧妙之处在于其能够实时响应，并最大限度地减少对系统性能的影响。同时，作者在讨论过程中，也多次引用了最新的学术研究成果和行业标准，为读者提供了更广阔的视野和更深入的思考空间。我认为，这本书最大的价值在于其能够激发读者的创造力，引导读者从更深层次去理解容错设计的本质，并鼓励我们在未来的设计中，不断探索更优化的解决方案。

评分☆☆☆☆☆

评价五： 这本书带给我的，不仅仅是知识的增长，更是一种设计理念的升华。我一直对数字集成电路设计充满热情，而这本书则让我看到了一个更加宏大和重要的维度——容错。书中关于自修复和自适应容错机制的讲解，令我茅塞顿开。作者并没有止步于静态的容错措施，而是进一步探讨了如何在系统运行过程中，动态地检测、诊断和修复故障，这无疑是未来集成电路发展的必然趋势。我尤其对书中关于“故障预测与主动容错”的讨论记忆犹新。作者通过分析历史故障数据和实时监测参数，提出了一系列预测模型，并在此基础上设计了能够提前进行重配置或转移任务的自适应容错策略。这种前瞻性的设计理念，让我深刻地认识到，真正的容错设计，是能够“未雨绸缪”，而非“亡羊补牢”。书中还涵盖了部分关于低功耗和高可靠性相结合的容错设计方法，这对我这个关注能效比的设计者来说，无疑是锦上添花。这本书的价值，在于它不仅传授了“如何做”，更启发了“为何做”，让读者能够深刻理解容错设计在现代电子系统中的核心地位和长远意义。