低功耗CMOS電路設計--邏輯設計與CAD工具 (瑞士)Christian Piguet, pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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瑞士Christian Piguet，陳力穎 著

圖書標籤:

• CMOS電路
• 低功耗設計
• 邏輯設計
• CAD工具
• 集成電路
• 模擬電路
• 數字電路
• 電子設計自動化
• Piguet
• 瑞士

店鋪： 天樂圖書專營店

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030315687

商品編碼：29510370589

包裝：平裝

齣版時間：2011-07-01

基本信息

書名：低功耗CMOS電路設計--邏輯設計與CAD工具

定價：65.00元

作者：(瑞士)Christian Piguet,陳力穎

齣版社：科學齣版社

齣版日期：2011-07-01

ISBN：9787030315687

字數：

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版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.663kg

編輯推薦

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《低功耗CMOS電路設計》著重敘述低功耗電路設計，包括工藝與器件、邏輯電路以及CAD設計工具三個方麵的內容。在工藝器件方麵，描述瞭低功耗電子學的曆史、深亞微米體矽SOI技術的進展、CMOS納米工藝中的漏電、納米電子學與未來發展趨勢、以及光互連技術；在低功耗電路方麵，描述瞭深亞微米設計建模、低功耗標準單元、高速低功耗動態邏輯與運算電路、以及在結構、電路、器件的各個層麵上的低功耗設計技術，包括時鍾、互連、弱反型超低功耗設計和絕熱電路；在低功耗CAD設計工具方麵，描述瞭功耗模型與高層次功耗估計，國際上主要CAD公司的功耗設計工具以及低功耗設計流程。本書由(瑞士)christianPiguet主編。

內容提要

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《低功耗CMOS電路設計》著重敘述低功耗電路設計，部分概述低功耗電子技術和深亞微米下體矽sOI技術的進展、CMOS納米技術中的漏電流及光互連技術等；第二部分闡述深亞微米設計模型、低功耗標準單元、低功耗超高速動態邏輯與運算電路，以及在結構、電路、器件的各個層麵上的低功耗設計技術；第三部分主要針對CAD設計工具及低功耗設計流程進行闡述。本書的內容來自低功耗集成電路設計領域三十多位學者和專傢的具體實踐，包括學術界與工業界多年來的研究設計成果與經驗，所介紹的技術可以直接應用於産品設計。
《低功耗CMOS電路設計》可以作為微電子、電子科學與技術、集成電路等領域的研發、設計人員及工科院校相關專業師生的實用參考資料。本書由(瑞士)christianPiguet主編。

目錄

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部分 概述
章 低功耗電子技術的發展曆史
1.1 引言
1.2 早期的計算機
1.3 晶體管和集成電路
1.4 低功耗消費類電子産品
1.5 功耗的快速增加
1.6 結論
參考文獻
第2章 深亞微米下體矽技術與SOI技術的進展
2.1 引言
2.2 ITRS概述
2.3 晶體管的飽和電流和亞閾值電流
2.4 柵和其他隧道電流
2.5 晶體管電氣參數的統計離差
2.6 柵氧化層物理厚度和電氣厚度
2.7 晶體管的新結構
2.8 結論
參考文獻
第3章 CMOS納米技術中的漏電流
3.1 引言
3.2 MOSFET器件的ILEAK構成
3.3 尺寸縮放
3.4 電路級
3.5 結論
參考文獻
第4章 微電子學、納電子學及電子學的未來
4.1 引 言
4.2 作為納電子器件的矽MOSFET
4.3 矽MOSFET的限
4.4 矽MOSFET的應用極限
4.5 矽MOSFET以外的晶體管
4.6 FET以外的晶體管
4.7 從微電子學到納電子學
4.8 結論
4.9 緻謝
參考文獻
第5章 片上光互連的高級研究
5.1 互連問題
5.2 自頂嚮下的互連設計
5.3 信號通路中的無源光子器件
5.4 用於信號轉換的有源器件
5.5 轉換電路
5.6 鍵閤問題
5.7 互連性能(光學係統與電學係統的比較)
5.8 研究方嚮
5.9 緻 謝
參考文獻
第2部分 低功耗電路
第6章 深亞微米工藝設計模型
6.1 引 言
6.2 電流模型
6.3 描述性能所使用單位的定義
6.4 在標準單元庫中的應用
6.5 在低功耗設計中的應用
6.6 結 論
參考文獻
第7章 邏輯電路和標準單元
7.1 引言
7.2 邏輯族
7.3 低功耗和標準單元庫
7.4 對於特定應用的邏輯類型
7.5 結論
參考文獻
第8章 低功耗超高速動態邏輯電路
8.1 引 言
8.2 單相時鍾鎖存器和觸發器
8.3 高通量CMOS電路技術
8.4 快速有效的CMOS功能電路
8.5 動態邏輯的前景
8.6 結 論
參考文獻
第9章 低功耗算法運算器
9.1 引 言
9.2 加 法
9.3 乘 法
9.4 其他運算器、數字係統和限製
參考文獻
0章 降低動態功耗的電路設計方法
10.1 引 言
10.2 動態功耗的形成
10.3 電路結構的平行化
10.4 改變固定電壓降低功耗技術
10.5 不改變電路主體設計技術方法來降低電路的功耗
10.6 改變電路主體結構的設計技術
10.7 結 論
參考文獻
1章 低功耗設計中的硬件描述語言
11.1 引 言
11.2 基礎知識
11.3 減少毛刺
11.4 時鍾門控技術
11.5 有限狀態機
11.6 數據通路
11.7 總綫編碼
11.8 結 論
11.9 緻 謝
參考文獻
2章 工作時鍾頻率在數GHZ下的係統設計
12.1 引言
12.2 連續係統中的時鍾設計注意事項
12.3 異步係統
12.4 全局異步一局部同步係統
12.5 結 論
參考文獻
3章 減小漏電流的電路設計方法
13.1 引言
13.2 漏電流的組成
13.3 邏輯電路設計中減小漏電流的技術
13.4 時序設計技術
13.5 運行狀態下閑置漏電流減小技術
13.6 運行狀態時漏電流減小技術
13.7 減小高速緩存中的漏電流技術
參考文獻
4章 SoC的低功耗和低電壓通信
14.1 引 言
14.2 互連綫的基礎理論
14.3 與互連綫相關的功耗
14.4 減小互連綫功耗的辦法
14.5 光互連綫的分析
14.6 結論
參考文獻
5章 絕熱與時鍾供電電路
15.1 引言
15.2 絕熱充電技術的原理
15.3 實現問題
15.4 結論
參考文獻
6章 用於基本低功耗邏輯的弱反型
16.1 引言
16.2 MOS弱反型區模型和假設
16.3 靜態MOS反相器
16.4 CMOS反相器的動態特性
16.5 標準傳輸下反相器的特性
16.6 進入中等反型區與強反型區的效應
16.7 邏輯門和數值實例擴展
16.8 實際考慮和條件限製
16.9 結論
參考文獻
7章 低電壓下數字電路的魯棒性
17.1 引言
17.2 信號完整性
17.3 可靠性
17.4 結論
17.5 緻謝
參考文獻
第3部分 低功耗設計的CAD工具
8章 高級功耗估計與分析
18.1 引言
18.2 低功耗應用的通用設計流程
18.3 係統級功耗分析
18.4 算法級功耗估計與分析
18.5 ORINOCO：一種算法級功耗估計工具
18.6 結論
參考文獻
9章 高級功耗估計的功耗宏模型
19.1 引言
19.2 RTL功耗建模
19.3 RTL功耗宏建模和估計
19.4 現實設置的RTL功耗估計
19.5 結論
19.6 緻謝
參考文獻
第20章 Synopsys低功耗設計流程
20.1 引 言
20.2 時鍾門控
20.3 寄存器級的自動時鍾門控
20.4 操作數隔離
20.5 邏輯優化
20.6 泄漏控製一一閾值管理
20.7 電壓縮放
20.8 建模基礎
20.9 分析流程
20.10 結論
參考文獻
第21章 Magma低功耗流程
21.1 引言
21.2 功耗
21.3 功耗分析
21.4 功耗優化
21.5 供電軌分析
21.6 電源網絡綜閤
21.7 結論
第22章 功耗敏感設計的時序設計流程
22.1 引言
22.2 設計流程概述
22.3 用於功耗敏感設計的時序工具
22.4 設計實例
22.5 結論
參考文獻

作者介紹

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ChristianPiguet，瑞士Nyon人，分彆在1974年和1981年獲得洛桑聯邦瑞士大學(EPFL)的電子工程碩士與博士學位。Piguet博士於1974年加入瞭瑞士納沙泰爾Centre Electronique HorlogerS.A.實驗室。主要研究鍾錶業的CMOS數字集成電路和嵌入式低功耗微處理器，以及基於門陣列方法的CAD工具。他目前是納沙泰爾CSEMCentre Suisse d'Electronique et de MicrotechniqueS.A.實驗室超低功耗部門的負責人，並參與低功耗和高速CMOS集成電路的設計與管理。他的主要興趣包括低功耗微處理器與DSP、低功耗標準單元庫、門控時鍾和低功耗技術及異步設計。

文摘

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序言

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數字世界的前沿：低功耗CMOS電路設計與現代EDA工具 在信息技術飛速發展的今天，對計算設備性能和能效的要求從未如此之高。從智能手機、可穿戴設備到物聯網傳感器，再到高性能計算和數據中心，每一個電子係統的核心都在於高效地執行指令。而低功耗CMOS（互補金屬氧化物半導體）電路設計，正是實現這一目標的關鍵技術。它不僅關乎設備的續航能力，更直接影響著設備的運行溫度、成本以及對環境的影響。本文旨在深入探討低功耗CMOS電路設計這一至關重要的領域，重點關注其邏輯設計策略以及現代電子設計自動化（EDA）工具在這一過程中的核心作用。 一、低功耗CMOS電路設計的必然性與挑戰 隨著集成電路晶體管密度的不斷增加，芯片的功耗也隨之水漲船高。過高的功耗不僅會導緻設備發熱嚴重，縮短電池壽命，還可能引發可靠性問題，限製瞭芯片的性能提升。因此，從係統級到晶體管級，全麵地降低功耗成為瞭CMOS電路設計的核心目標之一。 低功耗設計麵臨著多重挑戰。首先，功耗主要分為動態功耗和靜態功耗。動態功耗與電路的開關頻率和負載電容成正比，而靜態功耗則主要由漏電流引起。在追求高性能的同時，需要巧妙地平衡這兩者。其次，不同應用場景對功耗的需求差異巨大，例如，對便攜性要求極高的設備需要極緻的低功耗，而對性能有嚴格要求的服務器則可能在一定範圍內容忍較高的功耗。因此，低功耗設計需要根據具體需求進行定製化和優化。此外，低功耗設計往往需要與性能、麵積、成本等其他設計目標進行權衡，這使得設計過程變得更加復雜。 二、低功耗CMOS電路的邏輯設計策略 在邏輯設計層麵，有多種行之有效的策略可以用來降低CMOS電路的功耗。這些策略通常從架構、算法和門級電路設計等多個層麵著手。 1. 架構層麵： 功耗感知型架構（Power-Aware Architectures）： 設計師需要從宏觀上考慮如何構建一個功耗最優的係統架構。這包括選擇閤適的處理器核心、數據通路和存儲器層次結構。例如，采用多核處理器，可以根據任務的並行度和復雜性動態地調整工作核心數量，甚至讓部分核心進入低功耗睡眠模式。 動態電壓和頻率調整（DVFS - Dynamic Voltage and Frequency Scaling）： 這是最普遍且有效的動態功耗管理技術之一。通過根據當前的工作負載動態地調整電路的工作電壓和時鍾頻率，可以顯著降低動態功耗。當係統負載較低時，降低電壓和頻率，從而大幅減少功率消耗。EDA工具能夠輔助實現精密的DVFS控製策略。 電源門控（Power Gating）： 這種技術通過在不需要工作的電路模塊上切斷電源來消除靜態功耗。當一個模塊不再需要運行時，可以通過一個“斷電開關”將其完全隔離，使其漏電流降至接近於零。隨後，在需要時再重新上電。電源門控的設計需要精細的狀態保持和快速喚醒機製。 時鍾門控（Clock Gating）： 動態功耗的一個重要來源是時鍾信號的傳播。時鍾門控技術通過在不需要的邏輯單元上關閉時鍾信號來減少開關活動，從而降低動態功耗。這可以通過在時鍾樹的末端插入門控單元實現。 2. 算法層麵： 低功耗算法選擇： 在軟件層麵，選擇能夠以更少的計算量完成相同任務的算法，能夠直接降低功耗。例如，在信號處理領域，存在多種算法可以實現相同的濾波效果，但計算復雜度差異很大。 數據錶示優化： 使用更緊湊或更高效的數據錶示方式，可以減少數據傳輸量和存儲需求，間接降低功耗。例如，采用定點數運算替代浮點數運算（在精度允許的情況下），或者使用數據壓縮技術。 3. 門級電路設計層麵： 優化邏輯門的麵積和負載： 邏輯門的尺寸（W/L比）直接影響其驅動能力和功耗。在滿足時序要求的前提下，盡量減小門尺寸可以降低開關功耗。同時，優化門連接，減少扇齣（Fan-out）和串聯門數量，也可以降低功耗。 使用低功耗邏輯風格（Low-Power Logic Styles）： 傳統的CMOS邏輯門（如靜態CMOS）在開關時存在短暫的直通電流。一些特殊的低功耗邏輯風格，如穿通式CMOS（Transmission Gate CMOS）或穿通式邏輯（Transmission Logic），可以在一定程度上減少這種直通電流，或者在設計上更易於實現電源門控。 多閾值電壓（Multi-Vt）設計： CMOS晶體管的閾值電壓（Vt）是影響漏電流的關鍵參數。使用高閾值電壓的晶體管可以顯著降低漏電流，從而減少靜態功耗。然而，高Vt晶體管的開關速度較慢。多Vt設計策略則是在電路中混閤使用低Vt和高Vt的晶體管：關鍵路徑（需要高速）使用低Vt晶體管，而非關鍵路徑（對速度要求不高）則使用高Vt晶體管，從而在保持整體性能的同時，降低靜態功耗。 並行性與流水綫優化： 在某些情況下，通過增加適度的並行性或者引入流水綫技術，可以降低整體的平均工作頻率，從而降低動態功耗。這需要在功耗、麵積和性能之間進行仔細權衡。 三、現代EDA工具在低功耗CMOS設計中的核心作用 在設計如此復雜的低功耗CMOS電路時，手動進行所有優化幾乎是不可能的。現代電子設計自動化（EDA）工具為設計師提供瞭強大的支持，能夠高效地完成低功耗設計和驗證的各個階段。 1. 邏輯綜閤（Logic Synthesis）： 功耗驅動綜閤（Power-Aware Synthesis）： 現代邏輯綜閤工具能夠理解並執行功耗優化策略。在綜閤過程中，它們可以根據預設的功耗目標，自動選擇最優的邏輯門、優化門連接、應用門控技術（包括時鍾門控和部分電源門控）、以及選擇閤適的閾值電壓（如果支持多Vt設計）。 約束驅動優化： 設計師可以通過在綜閤階段設定功耗約束（如最大總功耗、各模塊功耗上限）以及時序、麵積約束，指導綜閤工具進行定嚮優化。 2. 靜態功耗分析（Static Power Analysis）： 漏電流建模與分析： EDA工具能夠基於先進的半導體物理模型，精確地估算電路的漏電流。這包括對各種漏電流成分（如亞閾值漏、柵極漏、穿通漏）的建模。 漏電流優化： 通過靜態功耗分析工具，可以識彆齣功耗貢獻最大的電路單元和區域，從而指導設計師進行針對性的改進，例如調整門尺寸、改變邏輯風格或應用多Vt技術。 3. 動態功耗分析（Dynamic Power Analysis）： 開關活動（Activity）建模： 動態功耗與信號的開關活動（transition activity）密切相關。EDA工具可以分析電路的邏輯結構和輸入嚮量（test vectors），估算齣各個信號的開關頻率。 功耗估算： 結閤開關活動和電路的負載電容、工作電壓等信息，EDA工具能夠精確地估算齣電路的動態功耗。這些工具還可以進行門級和寄存器傳輸級（RTL）的功耗估算。 功率優化： 通過動態功耗分析，可以發現高開關活動的區域，並指導優化，例如通過改變算法、引入數據編碼技術或優化數據通路來降低信號的活動。 4. 低功耗設計自動化（Low-Power Design Automation）： 功耗管理IP集成： EDA工具支持集成各種低功耗管理IP（Intellectual Property），例如電源控製器、電壓調節器、時鍾門控控製器等，並自動化其配置和連接。 電源門控和時鍾門控的自動化實現： 現代EDA工具能夠自動地將電源門控和時鍾門控的邏輯插入到設計中，並處理相關的狀態保存和喚醒信號，大大減輕瞭設計師的手工負擔。 DVFS控製器設計與驗證： EDA工具能夠輔助設計和驗證復雜的DVFS控製器，確保其能夠根據係統狀態準確地調整電壓和頻率。 5. 形式驗證（Formal Verification）在低功耗設計中的應用： 功耗策略的正確性驗證： 形式驗證技術可以用來證明低功耗策略（如電源門控、時鍾門控）在所有可能的運行條件下都能正確工作，而不會引入功能錯誤。 狀態空間的覆蓋： 通過形式驗證，可以確保對電源門控等技術的狀態空間進行瞭充分的探索和驗證，避免遺漏潛在的功耗泄漏或功能失效。 6. 功耗和性能協同優化（Power and Performance Co-Optimization）： 綜閤與布局布綫（Place and Route）的協同： 現代EDA流程強調功耗、性能和麵積的協同優化。在布局布綫階段，工具會考慮布綫長度、時鍾樹的長度等因素對功耗和時序的影響，並進行相應優化。 虛擬測試平颱（Virtual Test Platform）： 構建虛擬測試平颱，可以在設計早期就對係統的功耗和性能進行仿真和分析，從而盡早發現問題並進行修正，避免後期返工。 四、總結 低功耗CMOS電路設計是一個復雜但至關重要的領域，它直接關係到現代電子設備的性能、續航、成本和可持續性。從精妙的邏輯設計策略到先進的EDA工具，每一個環節都扮演著不可或缺的角色。通過深入理解和應用本文所述的邏輯設計原則，並充分利用現代EDA工具提供的強大功能，設計師們能夠有效地應對低功耗設計的挑戰，創造齣更高效、更節能、更智能的數字世界。隨著技術的不斷進步，低功耗設計將繼續是CMOS電路設計的核心驅動力之一，推動著半導體行業的未來發展。

評分☆☆☆☆☆

從作者的背景來看（瑞士，Christian Piguet），這本書必然帶著濃厚的歐洲嚴謹學風。這種風格通常意味著對基礎理論的推導極其紮實，不會放過任何一個數學模型的建立過程。我個人對那些隻是羅列公式而不解釋其物理意義的書籍非常反感。因此，我預想這本書在講解功耗模型，比如動態功耗 $P_{dyn} = alpha C V_{dd}^2 f$ 的各個參數（$alpha$ 的隨機性、等效電容 $C$ 的精確建模）時，會給齣非常詳盡的推導過程和適用邊界。對於靜態功耗（亞閾值漏電流）的分析，特彆是在深亞微米甚至更小工藝節點下，漏電流成為決定總功耗的關鍵因素時，作者如何處理其溫度和電壓依賴性，將是衡量這本書深度的一把尺子。我希望看到的是對這些模型在實際電路設計中的局限性和修正方法的探討，而非教科書式的理想化模型陳述。

評分☆☆☆☆☆

我是一個正在準備相關領域研究生入學考試的學生，選擇參考書時非常注重其知識的係統性和前沿性。對於《低功耗CMOS電路設計》，我關注的重點在於它如何平衡“經典理論”與“新興技術”。低功耗設計領域變化極快，新的架構和工藝技術不斷湧現。這本書如果能夠涵蓋諸如多電壓域（Multi-Voltage Domains）設計、動態電壓頻率調整（DVFS）在邏輯層麵的實現策略，以及一些麵嚮新興存儲器技術（如MRAM, ReRAM）的功耗管理技巧，那麼它的參考價值將大大提升。我非常希望這本書能為讀者提供一個全麵的知識框架，使得我們在麵對未來幾年工藝節點的挑戰時，能夠擁有一個可追溯、可驗證的設計基準。如果內容過於陳舊，那它就隻是曆史文獻；但如果它能巧妙地將堅實的CMOS基礎與最新的設計趨勢結閤起來，它無疑會成為我書架上最常用的那本工具書。

評分☆☆☆☆☆

這本書的標題中點明瞭“邏輯設計”的重要性，這一點非常吸引我。很多關於CMOS的書籍往往將重點放在晶體管級或物理實現上，使得最終的功耗優化停留在較為底層的階段。然而，真正實現顛覆性低功耗，往往需要在邏輯結構設計之初就進行根本性的重構。我期待作者能夠展示一些非傳統的邏輯設計範式，例如異步電路設計（Asynchronous Design）在降低動態功耗方麵的潛力，或者如何通過精妙的狀態機設計來避免不必要的開關活動。這種從上而下的設計方法論，遠比事後打補丁要有效得多。我希望看到的是對不同邏輯單元在不同工藝節點下的功耗特性進行深入的對比分析，用具體的數據說話，而不是僅僅停留在“應該這樣做”的定性描述上。如果能提供一些案例研究，分析某個特定功能模塊（比如一個高性能DSP的控製單元）是如何通過邏輯重構實現功耗降低的，那簡直是完美。

評分☆☆☆☆☆

作為一名多年從事數字電路驗證工作的工程師，我對任何涉及到實際設計流程和工具鏈整閤的書籍都抱有極高的期待。我猜測這本書在“CAD工具”這一塊的論述會是其核心競爭力之一。在今天的芯片設計中，仿真和綜閤工具的選擇與使用，直接決定瞭設計效率和最終功耗的實現程度。我希望書中能深入探討如何將理論上的低功耗策略，例如時鍾門控（Clock Gating）、電源門控（Power Gating）的插入，與主流的EDA套件進行高效的結閤。理想情況下，作者應該會提供一些針對特定工具的腳本示例或者最佳實踐，而不是空泛地談論概念。畢竟，理論模型和實際工具輸齣的差異是初學者最大的陷阱。如果這本書能夠詳盡地剖析這些“落地”的細節，幫助讀者減少在工具鏈適配上浪費的時間，那麼它對工業界的貢獻將是不可估量的，絕對是值得投資的工具書。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計得非常專業，那種深邃的藍色調和嚴謹的字體排版，一下子就給讀者一種“這是硬核技術”的感覺。我拿到書的時候，首先就被它的厚度和分量所摺服，這可不是那種輕描淡寫、浮於錶麵的入門讀物，顯然是為那些真正想在CMOS低功耗領域深耕的工程師和研究人員準備的案頭寶典。從目錄的布局來看，結構組織得極為清晰，它似乎是以一種循序漸進的方式，先搭建起理論的基石，然後逐步深入到實際的設計方法論和工具鏈的應用。特彆是對於邏輯設計的精妙之處，書中想必會有獨到的見解，畢竟瑞士的工程教育體係在全球享有盛譽，其嚴謹性和前瞻性是毋庸置疑的。我非常期待看到作者是如何將復雜的功耗優化技巧，通過清晰的邏輯推導展現齣來，尤其是在麵對現代SoC設計中日益嚴峻的功耗約束時，這種係統性的方法論顯得尤為重要。這本書的價值，絕不僅僅在於傳授幾個技巧，更在於培養一種麵嚮低功耗設計的思維模式。