高性能，低功耗，高可靠三維集成電路設計 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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[美] 林聖圭，楊銀堂，高海霞，吳曉鵬，董剛 著

圖書標籤:

• 三維集成電路
• 3D IC
• 高性能
• 低功耗
• 高可靠性
• 集成電路設計
• 電子工程
• VLSI
• 芯片設計
• 新興技術

店鋪： 妙語書言圖書專營店

齣版社： 國防工業齣版社

ISBN：9787118113464

商品編碼：29379287549

包裝：精裝

齣版時間：2017-12-01

基本信息

書名：高性能，低功耗，高可靠三維集成電路設計

定價：169.00元

作者： 林聖圭,楊銀堂,高海霞,吳曉鵬,董剛

齣版社：國防工業齣版社

齣版日期：2017-12-01

ISBN：9787118113464

字數：

頁碼：520

版次：1

裝幀：精裝

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

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內容提要

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《高性能，低功耗，高可靠三維集成電路設計》係統地介紹瞭三維集成電路設計所涉及的一些問題，包括物理設計自動化、結構、建模、探索、驗證等，分成五部分，共20章。部分為三維集成電路設計方法及解決方案，主要討論矽通孔布局、斯坦納布綫、緩衝器插入、時鍾樹、電源分配網絡；第二部分為三維集成電路的電可靠性設計，主要討論矽通孔-矽通孔耦閤、電流聚集效應、電源完整性、電遷移失效機製；第三部分為三維集成電路的熱可靠性設計，主要討論熱驅動結構布局、門級布局、微流通道散熱問題；第四部分為三維集成電路的機械可靠性設計，主要分析全芯片和封裝級機械應力、機械應力對時序的影響、矽通子L界麵裂紋；第五部分為三維集成電路設計的其他方麵，主要討論利用單片三維集成實現超高密度邏輯的方法、矽通孔按比例縮小問題，並給齣一個三維大規模並行處理器設計實例。
　　《高性能，低功耗，高可靠三維集成電路設計》可作為高等院校微電子技術、電路與係統等專業高年級本科生和研究生的教材或參考書，也可作為從事三維集成電路設計的相關技術人員的參考資料。

目錄

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部分 高性能低功耗三維集成電路設計
章 三維集成電路的矽通孔布局
1．1 引言
1．2 研究現狀
1．3 基礎知識
1．3．1 三維集成電路設計
1．3．2 大允許矽通孔數
1．3．3 小矽通孔數
1．3．4 綫長和矽通孔數的摺衷
1．4 三維集成電路物理設計流程
1．4．1 劃分
1．4．2 矽通孔插入和布局
1．4．3 布綫
1．5 三維全局布局算法
1．5．1 力驅動布局簡介
1．5．2 三維布局算法簡介
1．5．3 三維集成電路中的單元布局
1．5．4 矽通孔位置原理中矽通孔的預布局
1．5．5 三維節點的綫長計算
1．6 矽通孔分配算法
1．6．1 矽通孔分配算法的佳解
1．6．2 基於MST的矽通孔分配
1．6．3 基於布局的矽通孔分配
1．7 實驗結果
1．7．1 綫長和運行時間比較
1．7．2 金屬層和矽麵積比較
1．7．3 綫長和矽通孔數摺衷
1．7．4 綫長，管芯麵積和管芯數摺衷
1．7．5 矽通孔協同布局與矽通孑L位置對照
1．7．6 矽通孔尺寸影響
1．7．7 時序和功耗比較
1．8 結論
參考文獻
第2章 三維集成電路斯坦納布綫
2．1 引言
2．2 研究現狀
2．3 基礎知識
2．3．1 問題錶述
2．3．2 研究方法簡介
2．4 三維斯坦納樹構建
2．4．1 算法簡介
2．4．2 計算連接點和矽通孔位置
2．4．3 延時方程優化
2．5 采用矽通孔重布局進行三維樹精化
2．5．1 算法簡介
2．5．2 可移動範圍
2．5．3 簡化熱分析
2．5．4 非綫性規劃
2．5．5 整數綫性規劃
2．5．6 快速整數綫性規劃
2．6 實驗結果
2．6．1 實驗參數
2．6．2 樹構建結果
2．6．3 延時和綫長分布
2．6．4 矽通孔重布局結果
2．6．5 矽通孔尺寸和寄生效應影響
2．6．6 鍵閤類型影響
2．6．7 兩管芯和四管芯疊層比較
2．7 結論
附錄
參考文獻
第3章 三維集成電路的緩衝器插入
3．1 引言
3．2 問題定義
3．3 研究動機宴例
……

第二部分 三維集成電路設計中的電可靠性
第三部分 三維集成電路設計中的熱可靠性
第四部分 三維集成電路設計的機械可靠性
第五部分 其他論題
縮略語

作者介紹

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文摘

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序言

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精密矽芯：引領下一代計算的革命 簡介 在日新月異的科技浪潮中，計算能力的提升與能耗的控製，以及係統穩定性的保障，始終是驅動各領域發展的核心命題。從掌上智能設備到龐大的數據中心，從嵌入式係統到高性能計算集群，對集成電路（IC）的性能要求越來越嚴苛，而同時，功耗和可靠性也成為不容忽視的關鍵瓶頸。本書《精密矽芯》正是聚焦於這一時代挑戰，深入剖析當前三維集成電路（3D IC）設計領域最前沿的理論與實踐，為讀者提供一套係統、詳盡、且極具前瞻性的解決方案。 本書並非簡單羅列技術細節，而是站在全局視角，將高性能、低功耗、高可靠這三大核心目標有機地結閤起來，從概念的源頭到落地的應用，層層剝繭，娓娓道來。我們不迴避當下技術發展所麵臨的復雜性，反而將其視為創新的契機，旨在幫助讀者構建起對3D IC設計更為深刻、全麵的理解。 內容概述 第一部分：三維集成電路設計的基石與演進 本部分將為讀者奠定堅實的基礎，深入探討3D IC設計的基本概念、發展曆程以及其相較於傳統二維集成電路的獨特優勢。我們將解析不同類型的3D IC架構，例如堆疊芯片（Stacking）、矽中介層（Silicon Interposer）以及多芯片模塊（MCM），詳細闡述它們在結構、互連方式和性能錶現上的差異。 從二維到三維的飛躍： 詳細闡述摩爾定律的局限性，以及3D IC如何成為突破這一局限性的關鍵。分析3D IC在減小芯片尺寸、縮短互連長度、提升通信帶寬以及降低功耗方麵的內在優勢。 多維度架構解析： 深入研究TSV（Through-Silicon Via）等三維互連技術的原理、製造挑戰與優化策略。解析不同堆疊方式（例如DICE-to-WAFER, WAFER-to-WAFER）的優劣勢，以及其在特定應用場景下的適用性。 性能的幾何級提升： 通過理論模型與實際案例，展示3D IC在數據傳輸速度、信號完整性以及並行處理能力上的指數級增長潛力。 第二部分：高性能設計的藝術與科學 高性能是3D IC設計的核心驅動力之一。本部分將聚焦於如何在三維空間中最大化計算性能，涵蓋從微架構設計到係統級的優化策略。 精巧的微架構： 探討如何通過優化核心設計、緩存層次結構以及指令流水綫，在有限的三維空間內實現更高的計算吞吐量。分析大規模並行處理在3D IC架構中的實現方式，例如多核處理器、GPU以及AI加速器的協同設計。 高效的互連網絡： 深入研究3D網絡單片（3D Network-on-Chip, 3D NoC）的設計原理和優化技術。分析如何通過分層、分區域的互連拓撲，最小化通信延遲，解決“通信瓶頸”問題。我們將詳細介紹各種路由算法、流控機製以及交換器設計，以應對日益增長的片上通信需求。 數據流與任務調度： 探討如何在3D IC環境中實現高效的數據流管理和任務調度。分析如何根據不同處理單元的特性，將計算任務閤理分配，最大化資源利用率，避免數據冗餘和不必要的傳輸。 先進的製造工藝與技術： 介紹3D IC設計中涉及的先進製造工藝，例如先進的光刻技術、薄晶圓處理、TSV製造與封裝技術。分析這些工藝對性能的影響，以及如何通過工藝協同設計來進一步提升芯片性能。 第三部分：低功耗的智慧與實踐 在移動化、智能化日益普及的今天，低功耗已成為衡量集成電路設計成功與否的關鍵指標。本部分將深入探討如何在3D IC設計中實現功耗的大幅降低，為設備的續航能力和可持續發展提供堅實支撐。 從源頭到係統級的功耗優化： 詳細分析3D IC中功耗的來源，包括動態功耗（開關功耗）和靜態功耗（漏電功耗）。介紹從晶體管級、門級、架構級到係統級全方位的功耗優化策略。 高效的電源管理： 探討先進的電源管理技術，例如動態電壓頻率調整（DVFS）、低功耗狀態（Power Gating）、以及多電壓域設計。分析如何在3D IC中實現更精細、更高效的電源控製，以適應不同應用場景的功耗需求。 精益的互連設計： 深入分析互連綫長度和電容對功耗的影響。介紹如何通過優化布綫策略、使用低功耗金屬材料以及引入信號緩衝器等技術，降低互連功耗。 熱管理與功耗協同： 功耗與散熱密切相關。本部分將分析3D IC設計中由於堆疊結構帶來的散熱挑戰，並探討如何通過熱感知設計、散熱材料選擇以及風扇/液冷等散熱方案，實現功耗與散熱的協同優化，避免過熱導緻的性能下降和可靠性問題。 低功耗架構設計： 介紹專為低功耗設計的微架構，例如使用精簡指令集（RISC）、采用節能型緩存設計以及優化分支預測等技術。 第四部分：高可靠性的保障與挑戰 對於任何關鍵應用而言，高可靠性都是不容妥協的要求。本部分將聚焦於3D IC設計中的可靠性問題，並提供一套全麵的解決方案，確保芯片在各種復雜環境下都能穩定運行。 失效模式與分析： 詳細分析3D IC設計中特有的可靠性失效模式，例如TSV的可靠性問題、堆疊層之間的互連失效、以及熱應力導緻的機械損傷。介紹可靠性分析方法，例如加速壽命測試（ALT）、故障注入測試（FIT）以及統計建模。 魯棒的電路設計： 探討如何在電路設計層麵提升可靠性，例如采用冗餘設計、糾錯碼（ECC）、以及抗乾擾設計技術。介紹如何通過電源濾波、信號去耦等方法，提高電路對噪聲和乾擾的魯棒性。 先進的封裝與互連可靠性： 深入研究3D IC的先進封裝技術，例如晶圓級封裝（WLP）、凸點陣列封裝（BGA）以及扇齣型晶圓級封裝（FOWLP）。分析這些封裝技術對可靠性的影響，以及如何通過優化鍵閤工藝、材料選擇和應力緩解來提高封裝可靠性。 可靠性設計與驗證： 介紹可靠性設計流程，包括可靠性目標設定、可靠性建模、以及可靠性仿真與測試。探討如何通過係統級的可靠性驗證，確保整個3D IC係統在各種工況下的穩定運行。 熱應力與機械應力管理： 詳細分析由於不同材料熱膨脹係數差異以及製造過程引入的應力，可能對3D IC造成的損傷。介紹如何通過材料選擇、結構設計以及應力緩衝層等技術，有效管理和緩解這些應力。 第五部分：應用前沿與未來展望 本部分將把理論與實踐相結閤，通過分析3D IC在各個關鍵領域的應用案例，展望其未來的發展趨勢，為讀者提供前瞻性的洞察。 高性能計算與數據中心： 分析3D IC在提升服務器性能、降低數據中心能耗方麵的潛力。探討其在AI訓練、大數據分析、高性能仿真等領域的應用前景。 移動通信與物聯網： 剖析3D IC如何在智能手機、可穿戴設備以及各類物聯網傳感器中實現更小的體積、更低的功耗和更強大的功能。 自動駕駛與智能汽車： 探討3D IC在車載計算、傳感器融閤以及決策控製等方麵的關鍵作用，以及其為實現更高安全性和更強性能所帶來的變革。 醫療健康與科學研究： 分析3D IC在高性能醫學成像、基因測序以及前沿科學計算中的應用，以及其為推動人類健康和科學進步帶來的機遇。 麵臨的挑戰與未來方嚮： 總結3D IC設計中仍需剋服的技術難題，例如成本、良率、標準統一以及互操作性等。展望3D IC與異構計算、存內計算（In-Memory Computing）等新興技術的融閤，以及其在未來計算架構中的演進方嚮。 本書特點 理論與實踐並重： 本書不僅深入淺齣地闡述瞭3D IC設計的理論基礎，更結閤瞭大量的實際案例和工程經驗，幫助讀者理解如何在實際設計中應用這些理論。 係統性與全麵性： 從宏觀的架構設計到微觀的晶體管級彆，從設計到製造、封裝，本書幾乎涵蓋瞭3D IC設計的所有關鍵環節，為讀者提供瞭一個完整的知識體係。 前瞻性與啓發性： 本書著眼於3D IC的未來發展趨勢，探討瞭可能遇到的挑戰和機遇，旨在啓發讀者進行更深入的研究和創新。 專業性與可讀性兼顧： 本書力求以清晰、嚴謹的語言，嚮讀者闡述復雜的3D IC設計概念，即使是初學者也能逐步掌握核心內容，同時為資深工程師提供深入的參考。 目標讀者 本書適閤集成電路設計工程師、微電子專業的研究生、對高性能計算、低功耗設計、高可靠性係統感興趣的科研人員，以及希望深入瞭解下一代計算硬件發展的技術愛好者。 《精密矽芯》將是您在三維集成電路設計領域探索和創新的寶貴指南，助您掌握驅動未來科技發展的核心技術。

評分☆☆☆☆☆

從我個人的經驗來看，一本以“高性能”、“低功耗”、“高可靠”為關鍵詞的書籍，其內容必然是圍繞著解決實際工程難題展開的。我是一名在功耗管理領域有著多年經驗的工程師，深知在有限的能源預算下實現高性能的難度。三維集成電路的設計，無疑將功耗管理和散熱問題推嚮瞭新的高度。我非常期待書中能夠詳細闡述三維結構中功耗分布的特點，以及如何通過精細化的電源管理技術，如動態功耗門控、細粒度電壓調節等，來有效控製整體功耗。同時，對於高性能的設計，我也會關注書中是否會探討如何優化三維堆疊帶來的新型互連延遲，以及如何利用局部並行性和異構計算來提升吞吐量。而“高可靠性”在多層堆疊的復雜結構中尤其關鍵，我希望能學習到書中關於熱可靠性、機械應力、以及跨層通信可靠性的相關解決方案。如果書中能夠提供一些量化的分析方法和仿真工具的應用指南，那將對我非常有幫助。

評分☆☆☆☆☆

這本書的書名《高性能，低功耗，高可靠三維集成電路設計》聽起來就非常有分量，它觸及瞭當下集成電路設計領域最核心的三大發展方嚮。我是一名對電子工程領域充滿好奇心的大學生，對於正在飛速發展的半導體技術，我總是希望能有係統性的學習資源。雖然我可能還沒有完全掌握復雜的工程細節，但我對三維集成電路的概念非常感興趣，比如它如何利用“深度”來實現更強大的功能，以及這種新的架構會帶來哪些意想不到的優勢和挑戰。我希望這本書能夠以一種循序漸進的方式，從基礎概念講起，讓我能夠理解三維集成電路的基本原理，包括其物理結構、設計挑戰以及與傳統設計的區彆。同時，對於高性能、低功耗和高可靠性這三個目標，我也希望能瞭解它們是如何在三維設計中協同實現的，比如是否存在一些通用的設計原則或技術可以同時滿足這些需求。如果書中能配有清晰的示意圖和簡化的例子，幫助我理解復雜的概念，那就更好瞭。

評分☆☆☆☆☆

這本書名《高性能，低功耗，高可靠三維集成電路設計》直擊瞭當前IC設計領域的核心痛點和未來發展方嚮。我是一名在行業內從事技術推廣和市場分析工作多年的資深人士，對於能夠引領技術潮流的書籍，我總是給予高度關注。三維集成電路作為一種顛覆性的技術，其在性能、功耗和可靠性上的潛力是巨大的，但同時也伴隨著前所未有的設計和製造挑戰。我希望這本書能夠深入剖析三維集成電路在實現高性能方麵所采用的創新架構和互連技術，比如3D NoC（網絡在芯片）的設計優化，以及如何通過異構計算單元的集成來提升整體算力。同時，對於低功耗的實現，我期待書中能介紹如何通過精細化的電源域劃分、低功耗IP集成以及先進的功耗感知調度算法來達到極緻的能效比。而“高可靠性”在三維堆疊中更是至關重要，我希望瞭解書中關於熱應力管理、跨層信號完整性、以及如何通過設計冗餘和先進的故障預測與診斷技術來保障係統的長期穩定運行。如果書中能包含對未來技術趨勢的展望，以及對相關産業生態的分析，那將極大地豐富我對這一領域的認知。

評分☆☆☆☆☆

這本書的書名《高性能，低功耗，高可靠三維集成電路設計》本身就點明瞭其核心關注點，令人對接下來的內容充滿期待。我是一名對前沿半導體技術領域頗感興趣的研究生，在選擇學習資料時，通常會著重考察其理論深度、技術前瞻性以及與實際工程應用的結閤程度。雖然我還未開始深入閱讀，但僅僅從書名就能感受到作者在設計理念上的宏大願景。在當今摩爾定律逐漸放緩的背景下，如何通過創新的設計方法突破傳統二維集成電路的瓶頸，實現性能的飛躍，同時又兼顧日益嚴苛的功耗限製和對係統穩定性的高要求，這無疑是行業內普遍麵臨的重大挑戰。我尤其關注書中是否會深入探討三維集成電路的獨特架構優勢，比如更短的互連綫帶來的速度提升，以及如何在堆疊過程中有效管理散熱和功耗，同時又要確保多層結構在長期運行中的物理和電氣可靠性。如果書中能夠提供詳實的案例分析，或者是對前沿材料、製造工藝在三維設計中的應用進行深入剖析，那將極大地拓寬我的視野，為我的科研方嚮提供寶貴的參考。

評分☆☆☆☆☆

對於我這樣一個在IC設計領域摸爬滾打多年的工程師來說，一本能夠真正解決實際問題的書籍是極具價值的。我每天的工作都圍繞著如何優化電路性能，降低能耗，以及確保産品在各種嚴苛環境下都能穩定運行。三維集成電路作為下一代芯片製造的主流趨勢，其設計復雜度和挑戰性遠超傳統的二維平麵結構。我非常希望這本書能夠提供一些切實可用的設計方法論和工程實踐經驗。例如，在高性能方麵，書中是否會詳細介紹如何通過並行計算、新型互連技術或者異構計算單元的集成來最大化芯片的處理能力？在低功耗方麵，我期望看到關於動態電壓頻率調整（DVFS）、低功耗單元設計、以及先進的睡眠模式策略的討論。而對於高可靠性，這更是至關重要的一環，我希望能學習到如何應對熱點問題、時序收斂的挑戰、以及如何通過冗餘設計、錯誤檢測與糾正機製來提升器件的可靠性。如果書中能夠涵蓋相關的EDA工具支持，以及在具體設計流程中的應用指導，那就更完美瞭。