高性能，低功耗，高可靠三维集成电路设计 9787118113464 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[美] 林圣圭，杨银堂，高海霞，吴晓鹏，董刚 著

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• 三维集成电路
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• 高可靠性
• 集成电路设计
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出版社： 国防工业出版社

ISBN：9787118113464

商品编码：29625295730

包装：精装

出版时间：2017-12-01

基本信息

书名:高性能，低功耗，高可靠三维集成电路设计

定价：169.00元

售价：123.4元,便宜45.6元,折扣73

作者: 林圣圭,杨银堂,高海霞,吴晓鹏,董刚

出版社：国防工业出版社

出版日期：2017-12-01

ISBN：9787118113464

字数：

页码：520

版次：1

装帧：精装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

内容提要

《高性能，低功耗，高可靠三维集成电路设计》系统地介绍了三维集成电路设计所涉及的一些问题，包括物理设计自动化、结构、建模、探索、验证等，分成五部分，共20章。部分为三维集成电路设计方法及解决方案，主要讨论硅通孔布局、斯坦纳布线、缓冲器插入、时钟树、电源分配网络；第二部分为三维集成电路的电可靠性设计，主要讨论硅通孔-硅通孔耦合、电流聚集效应、电源完整性、电迁移失效机制；第三部分为三维集成电路的热可靠性设计，主要讨论热驱动结构布局、门级布局、微流通道散热问题；第四部分为三维集成电路的机械可靠性设计，主要分析全芯片和封装级机械应力、机械应力对时序的影响、硅通子L界面裂纹；第五部分为三维集成电路设计的其他方面，主要讨论利用单片三维集成实现超高密度逻辑的方法、硅通孔按比例缩小问题，并给出一个三维大规模并行处理器设计实例。
　　《高性能，低功耗，高可靠三维集成电路设计》可作为高等院校微电子技术、电路与系统等专业高年级本科生和研究生的教材或参考书，也可作为从事三维集成电路设计的相关技术人员的参考资料。

目录

部分 高性能低功耗三维集成电路设计
章 三维集成电路的硅通孔布局
1．1 引言
1．2 研究现状
1．3 基础知识
1．3．1 三维集成电路设计
1．3．2 大允许硅通孔数
1．3．3 小硅通孔数
1．3．4 线长和硅通孔数的折衷
1．4 三维集成电路物理设计流程
1．4．1 划分
1．4．2 硅通孔插入和布局
1．4．3 布线
1．5 三维全局布局算法
1．5．1 力驱动布局简介
1．5．2 三维布局算法简介
1．5．3 三维集成电路中的单元布局
1．5．4 硅通孔位置原理中硅通孔的预布局
1．5．5 三维节点的线长计算
1．6 硅通孔分配算法
1．6．1 硅通孔分配算法的佳解
1．6．2 基于MST的硅通孔分配
1．6．3 基于布局的硅通孔分配
1．7 实验结果
1．7．1 线长和运行时间比较
1．7．2 金属层和硅面积比较
1．7．3 线长和硅通孔数折衷
1．7．4 线长，管芯面积和管芯数折衷
1．7．5 硅通孔协同布局与硅通孑L位置对照
1．7．6 硅通孔尺寸影响
1．7．7 时序和功耗比较
1．8 结论
参考文献
第2章 三维集成电路斯坦纳布线
2．1 引言
2．2 研究现状
2．3 基础知识
2．3．1 问题表述
2．3．2 研究方法简介
2．4 三维斯坦纳树构建
2．4．1 算法简介
2．4．2 计算连接点和硅通孔位置
2．4．3 延时方程优化
2．5 采用硅通孔重布局进行三维树精化
2．5．1 算法简介
2．5．2 可移动范围
2．5．3 简化热分析
2．5．4 非线性规划
2．5．5 整数线性规划
2．5．6 快速整数线性规划
2．6 实验结果
2．6．1 实验参数
2．6．2 树构建结果
2．6．3 延时和线长分布
2．6．4 硅通孔重布局结果
2．6．5 硅通孔尺寸和寄生效应影响
2．6．6 键合类型影响
2．6．7 两管芯和四管芯叠层比较
2．7 结论
附录
参考文献
第3章 三维集成电路的缓冲器插入
3．1 引言
3．2 问题定义
3．3 研究动机宴例
……

第二部分 三维集成电路设计中的电可靠性
第三部分 三维集成电路设计中的热可靠性
第四部分 三维集成电路设计的机械可靠性
第五部分 其他论题
缩略语

作者介绍

文摘

序言

《微纳器件与前沿集成技术》 内容简介 本书旨在深入探讨当前半导体器件和集成电路设计领域最前沿的微纳技术及其在高性能、低功耗、高可靠性应用中的关键挑战与创新解决方案。本书内容聚焦于下一代集成电路的设计哲学、器件物理、材料科学以及制造工艺的协同进步，旨在为研究人员、工程师和相关专业学生提供一个全面而深入的技术视角。 第一部分：微纳器件的创新与演进 在本部分，我们将首先回顾半导体器件的经典发展历程，并重点分析传统硅基CMOS器件面临的物理极限，如短沟道效应、漏电流增加、功耗瓶颈等。在此基础上，我们将深入剖析各类新型微纳器件的原理、结构与性能特点。 新材料与新型晶体管结构： III-V族半导体器件： 详细介绍砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等III-V族材料在高速、低噪声射频应用中的优势，以及基于这些材料的异质结双极晶体管（HBT）和高电子迁移率晶体管（HEMT）的设计与优化。探讨其在5G通信、毫米波雷达等领域的应用前景。 二维（2D）材料器件： 重点阐述石墨烯、二硫化钼（MoS2）、氮化硼（BN）等二维材料的奇特性质，如超高的载流子迁移率、优异的导热性、极低的亚阈摆幅等。深入分析基于二维材料的场效应晶体管（FET）的设计挑战，包括界面态控制、接触电阻优化、器件集成等。讨论其在超低功耗逻辑电路、高性能传感器等领域的潜力。 锗（Ge）及其衍生物： 分析硅锗（SiGe）合金和纯锗在提高器件迁移率方面的作用，以及其在高性能CMOS技术中的应用。探讨锗基FinFET和GAAFET的结构设计和制造难点。 拓扑绝缘体和费米子材料： 介绍这些新型量子材料的独特电子行为，以及它们在构建未来低功耗、高效率电子器件中的潜在应用，例如无耗散导电通道的可能性。 先进栅极堆叠技术： 高介电常数（High-k）栅介质： 深入研究HfO2、Al2O3等高k材料的物理特性、电荷俘获机制以及与半导体沟道的界面工程。分析高k栅介质在缩小栅长、降低栅漏电、提高栅电容方面的重要作用。 金属栅极（Metal Gate）： 探讨引入金属栅极以解决多晶硅栅极的功函数不匹配、短沟道效应增强等问题。分析不同金属材料的功函数调控、栅极互联技术以及与高k栅介质的兼容性。 三维栅极结构： 详细介绍FinFET和Gate-All-Around（GAA）FET等三维晶体管结构，分析其相对于平面器件在静电控制能力、短沟道效应抑制、电流驱动能力等方面的显著优势。深入探讨FinFET和GAAFET的制造工艺流程，包括沟槽刻蚀、鳍片生长、栅极形成等关键步骤。 新型存储器技术： 相变存储器（PCM）： 阐述PCM的存储原理，包括电诱导相变机制，以及其在高性能、非易失性存储器中的应用。分析PCM器件的材料选择、编程/擦除机制、读出电路设计和可靠性挑战。 电阻式随机存取存储器（ReRAM）： 探讨ReRAM的电阻切换机制，包括氧空位、离子迁移等。分析其在低功耗、高密度存储器中的潜力，以及不同ReRAM器件（如氧化物ReRAM、金属-绝缘体-金属结构）的性能差异。 铁电随机存取存储器（FeRAM）： 介绍FeRAM的存储原理，基于铁电材料的自发极化。分析其高速读写、低功耗和高耐久性的特点，以及其在嵌入式系统和物联网设备中的应用。 下一代DRAM技术： 探讨DRAM技术在容量和速度上的瓶颈，以及为了克服这些限制而发展的技术，如更高密度单元结构、新的电介质材料、以及3D堆叠技术。 第二部分：前沿集成技术的挑战与创新 本部分将聚焦于将上述微纳器件集成到复杂集成电路系统中的关键技术挑战，以及当前业界和学术界正在探索的创新解决方案。 三维集成（3D IC）技术： 垂直集成（Stacked IC）： 详细介绍不同类型的垂直集成技术，包括硅穿孔（TSV）互连、2.5D/3D封装技术（如CoWoS, InFO）。分析TSV的制造工艺、电学特性、热学问题和可靠性挑战。探讨通过多层芯片堆叠实现更高集成度、更短互连长度和更高带宽的优势。 单片三维集成（Monolithic 3D IC）： 介绍在同一硅片上进行多层器件制造的技术，包括异质材料集成、低温加工工艺。分析单片3D集成在减小封装成本、提高性能和能效方面的潜力，以及其面临的材料兼容性和工艺复杂性难题。 异质集成（Heterogeneous Integration）： 探讨将不同类型器件（如CMOS、MEMS、光学器件、功率器件）集成到同一封装或单片上的技术。分析不同材料和工艺平台的兼容性问题，以及如何实现高效的信号和功率传输。 先进互连技术： 铜互连的极限与替代方案： 分析传统铜互连在纳米尺度下的电阻率增加（尺寸效应）和填充率下降问题。探讨钴（Co）、钌（Ru）等新型金属互连材料在更小线宽下的优势。 碳纳米管（CNT）和石墨烯互连： 深入研究碳纳米管和石墨烯在构建高导电性、低寄生效应互连线方面的潜力。分析其在垂直互连（如CNT Vias）和平面互连中的应用挑战，包括生长可控性、材料均匀性和器件接口。 光学互连（Optical Interconnects）： 探讨在芯片内部和芯片之间实现光信号传输的方案，以克服电互连的带宽和功耗限制。介绍硅光子技术（Silicon Photonics）、光波导的设计与制造、光调制器和光探测器的集成。 低功耗设计技术： 亚阈值（Sub-threshold）和近阈值（Near-threshold）电路设计： 详细分析在低于或接近阈值电压下工作的电路设计策略，以实现极低的动态功耗。探讨在这种模式下电路性能下降（速度慢、变异大）的挑战，以及时序设计、阈值电压调节（VTCMOS）等技术。 动态电压频率调整（DVFS）与电源门控（Power Gating）： 介绍这些动态功耗管理技术在不同工作负载下的应用，以及如何优化其效率。 能量收集与自供电系统： 探讨将环境能量（如太阳能、热能、射频能量）转化为电能，为低功耗设备供电的技术。分析能量收集器的集成、能量管理电路的设计以及在物联网（IoT）和可穿戴设备中的应用。 高可靠性设计与制造： 失效机理分析： 深入探讨集成电路在长期工作过程中可能出现的各种失效机理，包括电迁移（Electromigration）、热应力（Thermal Stress）、负偏压诱导漏电（NBTI）、正偏压诱导漏电（PBTI）、击穿（Breakdown）等。 可靠性设计方法： 介绍如何通过电路设计、版图设计和材料选择来提高芯片的可靠性。例如，冗余设计、纠错码（ECC）、功耗均衡、应力缓和设计等。 先进的封装与测试技术： 探讨能够提高芯片在严苛环境下可靠性的先进封装技术（如高可靠性材料、灌封技术）。介绍用于评估和保证芯片可靠性的先进测试方法和加速寿命测试（ALT）技术。 抗辐射加固（Radiation Hardening）： 针对空间、军事等对辐射敏感的应用，介绍提升集成电路抗辐射能力的结构设计、工艺优化和电路设计技术。 本书特色： 技术深度与广度并存： 涵盖从器件物理到系统集成的全方位技术内容，既有基础理论的深入讲解，又不乏前沿技术的细致剖析。 面向未来的视角： 聚焦于引领下一代信息技术发展的关键技术领域，为读者提供宝贵的未来技术洞察。 强调跨学科融合： 强调材料科学、物理学、电子工程、计算机科学等多个学科的交叉与融合在微纳器件与集成技术中的重要性。 理论与实践相结合： 在理论分析的基础上，结合大量的工程实例和前沿研究成果，帮助读者理解技术细节并掌握实际应用。 结构清晰，逻辑严谨： 全书按照技术发展的脉络和逻辑顺序进行组织，便于读者系统地学习和理解。 本书适合于集成电路设计、微电子学、材料科学、半导体物理等相关专业的硕士、博士研究生，以及从事集成电路研发、设计、制造和封装的工程师和技术人员阅读。通过本书的学习，读者将能够深刻理解当前及未来微纳器件与集成技术的关键进展，为从事相关领域的研究和开发工作奠定坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

当我看到这本书的书名时，立刻想到了我们团队在研发新一代高性能计算芯片时遇到的瓶颈。我们一直在追求更高的计算密度和更低的单位能耗，但传统的二维平面设计已经越来越难以满足需求。三维集成电路无疑是未来的一大趋势，而这本书的标题直接切中了我们最关心的问题——如何在高密度的三维结构下，依然能保持卓越的性能，同时将功耗降到最低，并且保证芯片在长期运行过程中不会出现各种匪夷所思的故障。我希望这本书能提供一些在三维互连布线、时钟树设计、功耗均衡化以及热管理方面的创新思路。我也会仔细研究书中关于如何通过三维堆叠来缩短关键信号路径、降低电容效应，从而提升速度和效率的论述，同时，对于“高可靠性”的探讨，我也希望能看到一些针对三维结构特有的应力、温度梯度以及工艺缺陷等方面的分析和对策。

评分☆☆☆☆☆

这本书我刚拿到手，还没来得及深入研读，但从目录和前言来看，它绝对是冲着解决当前半导体行业最棘手问题的去的。现在芯片设计，尤其是面向高性能应用时，功耗和散热就像一对如影随形的孪生子，总是在挑战设计的极限。传统的设计思路往往是在性能和功耗之间做艰难的权衡，而这本书似乎在探索一种全新的范式，试图通过三维集成技术来突破这个瓶颈。我特别关注它在“高性能”和“低功耗”这两个核心目标上，将如何结合三维堆叠的优势来发挥作用。比如，缩短互连长度带来的时序和功耗改善，在更小的空间内集成更多的功能单元，以及如何巧妙地管理这些密集堆叠的热量，这些都是我非常期待在书中找到答案的。我猜测它应该会涉及一些前沿的材料科学、先进的封装技术，甚至可能是一些全新的电路设计理念，来共同支撑起“高性能”和“低功耗”的承诺。

评分☆☆☆☆☆

这本书似乎瞄准的是一个非常具有前瞻性的研究和工程领域，其核心价值在于“高性能”、“低功耗”和“高可靠性”这三个看似难以同时完美兼顾的特性，通过“三维集成电路设计”这一技术来实现。我个人认为，现在很多高性能计算、人工智能、5G通信等应用，都在迫切需要这样的技术突破。如果这本书能够系统地阐述三维集成在提升计算密度、降低通信延迟、减少能量损耗方面的具体优势，并提供相应的理论模型和设计工具链的指导，那无疑会为相关领域的研究人员和工程师提供宝贵的参考。我期待书中能讲解如何在高密度堆叠下有效散热，如何优化电源管理以适应动态功耗变化，以及在复杂的三维结构中如何保证数据的完整性和通信的稳定性。

评分☆☆☆☆☆

我对这本书的“高可靠性”这一部分尤其感到好奇。在传统二维芯片设计中，可靠性一直是工程师们需要投入大量精力去解决的问题，诸如电迁移、热应力、辐射效应等等。而将芯片“叠起来”之后，情况变得更加复杂。三维集成电路的设计，如何在多层结构中保证信号的完整性，如何有效应对不同层级之间由于温度差异和机械应力带来的潜在失效风险，如何设计出能在极端环境下依然稳定工作的电路，这些都是摆在我面前的巨大挑战。我希望能在这本书中找到针对三维集成特有的可靠性问题，给出系统性的分析和创新的解决方案。也许会涉及到新的测试方法、失效机理分析，甚至是基于可靠性驱动的设计流程。毕竟，在很多关键应用领域，如航空航航天、汽车电子，甚至是一些工业控制系统，可靠性往往是比性能或功耗更为首要的指标，这本书若能在这一点上提供深刻的见解，那就太有价值了。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名给我的第一印象是，它可能是一本非常硬核的技术手册，面向的是那些已经具备扎实微电子学基础，并且对前沿技术有深入需求的资深工程师和研究人员。我设想它会包含大量复杂的公式推导、详细的电路拓扑图，以及对不同设计选项的深入比较分析。特别是“三维集成电路设计”这个方向，目前在国内的书籍市场上相对较少，大部分内容可能还是停留在比较基础的介绍层面。如果这本书能提供关于三维堆叠、垂直互连、异构集成等关键技术的详细设计方法，甚至是一些具体的案例分析，那将是极大的福音。我特别期待它能够解答如何在三维结构中实现高效的电源分配和信号路由，如何进行跨层级的功耗和性能协同优化，以及如何评估和管理三维集成电路的整体良率。