3D集成电路设计 EDA、设计和微体系结构 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：29477266323

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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深入探索集成电路设计与微体系结构的前沿领域 在信息技术飞速发展的浪潮中，集成电路（IC）作为现代电子设备的核心，其设计与制造的复杂性与日俱增。从最初简单的逻辑门电路，到如今集成了数十亿晶体管的超大规模集成电路（VLSI），IC设计已经发展成为一门高度专业化且极具挑战性的学科。本书旨在为读者提供一个全面而深入的视角，探索3D集成电路设计、现代EDA工具的应用，以及微体系结构设计的最新进展。我们将从基础概念出发，逐步深入到复杂的设计流程和前沿技术，为有志于投身于这一领域的工程师、研究人员和学生提供宝贵的指导。 第一部分：3D集成电路设计的挑战与机遇 随着摩尔定律的挑战日益严峻，传统2D平面集成电路的性能提升空间逐渐受限。3D集成电路（3D IC）作为一种颠覆性的技术，通过将多个芯片层垂直堆叠并互联，极大地提高了芯片的集成密度、性能和能效。然而，3D IC的设计与制造也带来了诸多全新的挑战。 3D互连技术： 垂直互连是3D IC的关键，其中包括通过硅通孔（TSV）、微凸点（micro-bumps）等技术实现层间的信号传输。我们将深入探讨各种互连技术的原理、设计考量，以及它们对芯片性能和功耗的影响。例如，TSV的尺寸、密度、布局和制程都会直接影响信号的完整性、延迟和功耗。微凸点的设计则需要考虑其可靠性、电迁移和热应力。 散热管理： 随着集成密度的增加，3D IC的散热问题变得尤为突出。垂直堆叠的结构使得热量难以有效散发，可能导致局部过热，影响器件寿命和性能。本书将详细介绍3D IC的散热挑战，并探讨各种散热解决方案，包括先进的散热材料、冷却技术（如微通道散热、相变材料）以及优化堆叠结构和布局以改善热流。 功耗和时序设计： 3D IC的功耗特性与2D IC存在显著差异。层间互连的电阻和电容会增加额外的功耗，同时，更短的互连长度也可能带来时序上的优势。我们将分析3D IC的功耗建模和优化方法，以及如何进行精确的时序分析和设计，以实现高性能和低功耗的目标。 测试和可靠性： 3D IC的复杂性对测试和可靠性提出了更高的要求。层间互连的故障、堆叠结构的完整性以及长期的可靠性评估是设计的关键环节。我们将介绍3D IC的测试策略、故障模型和可靠性分析技术，帮助读者构建更加鲁棒的设计。 设计流程和工具： 3D IC的设计流程与2D IC有很大不同，需要专门的EDA工具来支持。本书将介绍支持3D IC设计的EDA工具链，包括物理设计、布局布线、时序分析、功耗分析和热分析等各个环节，帮助读者熟悉3D IC的设计流程。 第二部分：先进EDA工具在集成电路设计中的应用 电子设计自动化（EDA）工具是现代集成电路设计的基石。随着IC设计的复杂性不断提升，EDA工具的功能也日益强大和智能化，能够帮助设计者高效地完成从概念到芯片流片的整个过程。 逻辑综合与验证： 逻辑综合是将高层级的行为级描述转化为门级网表的过程。我们将介绍各种逻辑综合算法和技术，以及如何优化综合结果以满足性能、面积和功耗约束。同时，功能验证是确保设计正确性的关键环节，我们将探讨基于仿真、形式验证和混合验证等技术，以及如何构建高效的验证平台。 物理设计与版图生成： 物理设计是将逻辑网表转化为可制造的物理版图的过程，包括布局（placement）和布线（routing）。我们将深入讲解布局算法的原理，如标准单元布局、宏模块布局，以及如何优化布局以最小化布线长度和提高时序性能。布线是另一项关键任务，我们将探讨不同布线算法（如全局布线、详细布线），以及如何处理拥塞、时序违例和信号完整性问题。 时序分析与功耗优化： 精确的时序分析是确保芯片在目标频率下正常工作的关键。本书将介绍静态时序分析（STA）的原理和方法，以及如何识别和修复时序违例。同时，功耗是制约芯片性能和延长电池寿命的重要因素。我们将深入探讨静态功耗和动态功耗的分析方法，以及各种功耗优化技术，如时钟门控、动态电压频率调整（DVFS）和低功耗工艺技术。 信号完整性与电源完整性分析： 随着信号速率的提高和集成度的增加，信号完整性（SI）和电源完整性（PI）问题变得越来越重要。我们将分析串扰、反射、损耗等SI效应，并介绍相应的优化技术，如差分信号、端接电阻和阻抗匹配。对于PI，我们将探讨电源噪声、压降和地弹等问题，以及如何通过电容去耦、电源网络设计来保证稳定的电源供应。 设计规则检查（DRC）与物理验证： DRC是确保设计符合半导体制造工艺规则的过程，防止制造缺陷。我们将介绍常见的DRC规则，以及如何使用EDA工具进行自动化的DRC检查。物理验证还包括版图与原理图一致性检查（LVS）和提取寄生参数等，确保版图的准确性和可制造性。 第三部分：微体系结构设计的演进与前沿 微体系结构是CPU或处理器的内部组织和设计，决定了其指令集体系结构（ISA）如何被执行。一个优秀的微体系结构设计能够显著提升处理器的性能、效率和功耗特性。 指令集体系结构（ISA）与微体系结构的关系： 我们将首先探讨ISA与微体系结构之间的密切关系，理解ISA如何定义了处理器能够执行的指令集，而微体系结构则负责高效地执行这些指令。我们将分析RISC（精简指令集计算机）和CISC（复杂指令集计算机）的不同设计理念，以及现代处理器如何融合两者的优点。 流水线技术与乱序执行： 流水线是提高处理器指令执行吞吐量的核心技术。我们将深入讲解五级流水线（取指、译码、执行、访存、写回）的原理，以及可能出现的结构冲突、数据冲突和控制冲突，并介绍解决这些冲突的技术，如转发（forwarding）和气泡插入（stalling）。乱序执行（Out-of-Order Execution）是现代高性能处理器的一个重要特征，它允许处理器在不违反程序语义的前提下，改变指令的执行顺序，以充分利用流水线，隐藏延迟。我们将分析乱序执行的实现机制，包括指令缓冲、重排序缓冲（ROB）、寄存器重命名等。 缓存层次结构与内存系统： 缓存是连接高速CPU和低速主内存的桥梁，对处理器性能至关重要。本书将详细讲解多级缓存（L1、L2、L3）的设计原理、命中率和失效率的权衡，以及缓存一致性协议（如MESI）。我们还将探讨虚拟内存、TLB（Translation Lookaside Buffer）等内存管理技术，以提高内存访问效率。 分支预测与指令预取： 分支指令（如if-else, loops）会给流水线带来控制冲突。分支预测器通过预测分支的走向，提前将正确的指令引入流水线，从而减少流水线停顿。我们将介绍各种分支预测技术，如静态预测、动态预测（两级自适应预测、GShare）和混合预测。指令预取则是在需要之前就将指令加载到缓存中，进一步提高取指效率。 多核处理器与并行计算： 随着单核处理器性能提升的瓶颈，多核处理器已成为主流。我们将探讨多核处理器的设计挑战，如核心间通信、缓存一致性、任务调度和功耗管理。并行计算的概念和策略也将被引入，帮助读者理解如何利用多核优势提升整体计算能力。 指令集扩展与专用处理器： 为了满足特定应用的需求，现代处理器通常会引入指令集扩展，如SIMD（单指令多数据）指令集（SSE、AVX）以加速向量运算。此外，我们也可能看到GPU（图形处理器）、DSP（数字信号处理器）等专用处理器的兴起，它们在特定领域提供卓越的性能。 本书将理论与实践相结合，通过深入浅出的讲解，帮助读者建立起对3D集成电路设计、EDA工具应用和微体系结构设计的系统性认识。我们力求内容详实，贴合当前技术发展的前沿，为读者铺就一条通往集成电路设计领域的坚实道路。

评分☆☆☆☆☆

刚拿到这本书，迫不及待地翻阅起来。作为一个在半导体行业摸爬滚打多年的老兵，对EDA工具的演进和集成电路设计流程的变化深有体会。这本书的封面设计就透着一股“硬核”气息，厚实的纸张、精美的排版，都预示着这是一本干货满满的书。我尤其关注书里对前沿设计方法的介绍，比如如何在高密度、高性能的3D IC封装中实现更优化的布局布线，以及如何利用先进的EDA技术来解决设计中的功耗、信号完整性等关键挑战。书中对微体系结构部分的阐述也让我眼前一亮，特别是在处理并行计算、异构集成等复杂场景下的设计权衡，作者似乎给出了独到的见解。我希望能从中学习到如何将理论知识转化为实际的设计能力，应对当前集成电路设计领域日新月异的挑战。对于像我这样希望不断提升自身技术深度和广度的工程师来说，这本书无疑是学习和进步的宝贵财富，能够帮助我更好地理解3D IC的设计脉络，以及在新的技术浪潮中找到自己的定位。

评分☆☆☆☆☆

在追求更高性能和更低功耗的道路上，3D集成电路无疑是下一个重要的前沿阵地。这本书的出现，为我提供了一个深入了解这一领域的机会。我尤其对书中关于EDA工具在3D IC设计中的应用和创新充满了期待，了解如何利用更先进的工具来应对设计上的复杂性，例如跨层信号完整性问题、热分布不均等挑战。同时，书中对微体系结构设计的阐述，也让我对如何为3D IC量身定制更优化的处理器和互连方案有了更深的认识。我想了解，这种新的硬件设计范式，将如何影响未来的计算能力，以及我们在软件层面如何更好地与之协同。这本书不仅仅是关于技术实现，更是一种对未来计算模式的探索。对于我而言，这本书是打开3D IC设计大门的钥匙，让我能够更好地理解并应对未来的技术挑战。

评分☆☆☆☆☆

作为一名软件开发工程师，虽然不直接参与硬件设计，但对底层硬件的理解程度，往往能极大地影响软件的性能和优化方向。这本书关于3D集成电路设计的视角，从EDA工具到微体系结构，都提供了宝贵的信息。我尤其关注书中对功耗和性能之间权衡的讨论，以及如何在有限的空间内最大化计算能力。那些关于如何设计更高效的互连网络，以及如何优化数据流以减少延迟的章节，对我理解现代处理器的工作原理大有裨益。我想了解，这些3D IC的设计理念，如何影响着我们现在使用的各类电子设备，以及未来可能的应用场景。书中对微体系结构创新的探讨，也让我对未来的计算架构有了更深的想象。这本技术书籍，不仅是硬件工程师的案头必备，对于任何对计算技术未来发展感兴趣的从业者来说，都具有重要的参考价值。

评分☆☆☆☆☆

这本书的出现，恰逢其时，因为3D集成电路作为下一代计算硬件的关键技术，其设计复杂度和挑战性都在呈指数级增长。我一直对如何将多个芯片堆叠起来，并在三维空间内进行高效互联充满好奇。书中对EDA工具链的深入剖析，特别是那些专门针对3D IC设计的算法和技术，让我对其设计流程的细致之处有了更清晰的认识。从物理设计到验证，每一个环节都需要精密的考量和高效的工具支持。我特别感兴趣的是书中关于跨层通信和热管理的设计策略，这在传统的2D设计中相对不那么突出，但在3D IC中却至关重要。同时，微体系结构部分所探讨的如何为3D IC量身定制指令集架构和处理器设计，也给我带来了很多启发，这不仅仅是硬件层面的堆叠，更是对整个计算系统的一次重塑。我希望通过这本书，能够掌握更多实用的设计技巧，为未来高性能、低功耗的计算芯片设计打下坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

一直以来，我对半导体设计的技术发展都保持着高度的关注。3D集成电路作为一种颠覆性的技术，其设计难度和潜在优势都非常吸引人。这本书的内容，从EDA工具的视角切入，深入浅出地讲解了3D IC的设计挑战，包括物理层面的布局布线、信号完整性、热管理等方面，以及更深层次的微体系结构设计，如何适应这种新的硬件形态。我希望能够从书中了解到，当前最先进的EDA工具是如何支持3D IC的设计流程，以及在设计过程中可能会遇到哪些典型的瓶颈和解决方案。特别是关于如何实现高效的芯片间通信和异构集成，这对我理解未来高性能计算系统的构建至关重要。这本书提供了一个全面而深入的视角，帮助我理解3D IC的设计全貌，以及其对整个电子产业的深远影响。