高性能，低功耗，高可靠三維集成電路設計 9787118113464 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
• 高性能
• 低功耗
• 高可靠性
• 集成電路設計
• 電子工程
• 半導體
• VLSI
• 電路設計
• 微電子學

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齣版社： 國防工業齣版社

ISBN：9787118113464

商品編碼：29625295730

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

售價：123.4元,便宜45.6元,摺扣73

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

內容提要

《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

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

文摘

序言

《微納器件與前沿集成技術》 內容簡介 本書旨在深入探討當前半導體器件和集成電路設計領域最前沿的微納技術及其在高性能、低功耗、高可靠性應用中的關鍵挑戰與創新解決方案。本書內容聚焦於下一代集成電路的設計哲學、器件物理、材料科學以及製造工藝的協同進步，旨在為研究人員、工程師和相關專業學生提供一個全麵而深入的技術視角。 第一部分：微納器件的創新與演進 在本部分，我們將首先迴顧半導體器件的經典發展曆程，並重點分析傳統矽基CMOS器件麵臨的物理極限，如短溝道效應、漏電流增加、功耗瓶頸等。在此基礎上，我們將深入剖析各類新型微納器件的原理、結構與性能特點。 新材料與新型晶體管結構： III-V族半導體器件： 詳細介紹砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等III-V族材料在高速、低噪聲射頻應用中的優勢，以及基於這些材料的異質結雙極晶體管（HBT）和高電子遷移率晶體管（HEMT）的設計與優化。探討其在5G通信、毫米波雷達等領域的應用前景。 二維（2D）材料器件： 重點闡述石墨烯、二硫化鉬（MoS2）、氮化硼（BN）等二維材料的奇特性質，如超高的載流子遷移率、優異的導熱性、極低的亞閾擺幅等。深入分析基於二維材料的場效應晶體管（FET）的設計挑戰，包括界麵態控製、接觸電阻優化、器件集成等。討論其在超低功耗邏輯電路、高性能傳感器等領域的潛力。 鍺（Ge）及其衍生物： 分析矽鍺（SiGe）閤金和純鍺在提高器件遷移率方麵的作用，以及其在高性能CMOS技術中的應用。探討鍺基FinFET和GAAFET的結構設計和製造難點。 拓撲絕緣體和費米子材料： 介紹這些新型量子材料的獨特電子行為，以及它們在構建未來低功耗、高效率電子器件中的潛在應用，例如無耗散導電通道的可能性。 先進柵極堆疊技術： 高介電常數（High-k）柵介質： 深入研究HfO2、Al2O3等高k材料的物理特性、電荷俘獲機製以及與半導體溝道的界麵工程。分析高k柵介質在縮小柵長、降低柵漏電、提高柵電容方麵的重要作用。 金屬柵極（Metal Gate）： 探討引入金屬柵極以解決多晶矽柵極的功函數不匹配、短溝道效應增強等問題。分析不同金屬材料的功函數調控、柵極互聯技術以及與高k柵介質的兼容性。 三維柵極結構： 詳細介紹FinFET和Gate-All-Around（GAA）FET等三維晶體管結構，分析其相對於平麵器件在靜電控製能力、短溝道效應抑製、電流驅動能力等方麵的顯著優勢。深入探討FinFET和GAAFET的製造工藝流程，包括溝槽刻蝕、鰭片生長、柵極形成等關鍵步驟。 新型存儲器技術： 相變存儲器（PCM）： 闡述PCM的存儲原理，包括電誘導相變機製，以及其在高性能、非易失性存儲器中的應用。分析PCM器件的材料選擇、編程/擦除機製、讀齣電路設計和可靠性挑戰。 電阻式隨機存取存儲器（ReRAM）： 探討ReRAM的電阻切換機製，包括氧空位、離子遷移等。分析其在低功耗、高密度存儲器中的潛力，以及不同ReRAM器件（如氧化物ReRAM、金屬-絕緣體-金屬結構）的性能差異。 鐵電隨機存取存儲器（FeRAM）： 介紹FeRAM的存儲原理，基於鐵電材料的自發極化。分析其高速讀寫、低功耗和高耐久性的特點，以及其在嵌入式係統和物聯網設備中的應用。 下一代DRAM技術： 探討DRAM技術在容量和速度上的瓶頸，以及為瞭剋服這些限製而發展的技術，如更高密度單元結構、新的電介質材料、以及3D堆疊技術。 第二部分：前沿集成技術的挑戰與創新 本部分將聚焦於將上述微納器件集成到復雜集成電路係統中的關鍵技術挑戰，以及當前業界和學術界正在探索的創新解決方案。 三維集成（3D IC）技術： 垂直集成（Stacked IC）： 詳細介紹不同類型的垂直集成技術，包括矽穿孔（TSV）互連、2.5D/3D封裝技術（如CoWoS, InFO）。分析TSV的製造工藝、電學特性、熱學問題和可靠性挑戰。探討通過多層芯片堆疊實現更高集成度、更短互連長度和更高帶寬的優勢。 單片三維集成（Monolithic 3D IC）： 介紹在同一矽片上進行多層器件製造的技術，包括異質材料集成、低溫加工工藝。分析單片3D集成在減小封裝成本、提高性能和能效方麵的潛力，以及其麵臨的材料兼容性和工藝復雜性難題。 異質集成（Heterogeneous Integration）： 探討將不同類型器件（如CMOS、MEMS、光學器件、功率器件）集成到同一封裝或單片上的技術。分析不同材料和工藝平颱的兼容性問題，以及如何實現高效的信號和功率傳輸。 先進互連技術： 銅互連的極限與替代方案： 分析傳統銅互連在納米尺度下的電阻率增加（尺寸效應）和填充率下降問題。探討鈷（Co）、釕（Ru）等新型金屬互連材料在更小綫寬下的優勢。 碳納米管（CNT）和石墨烯互連： 深入研究碳納米管和石墨烯在構建高導電性、低寄生效應互連綫方麵的潛力。分析其在垂直互連（如CNT Vias）和平麵互連中的應用挑戰，包括生長可控性、材料均勻性和器件接口。 光學互連（Optical Interconnects）： 探討在芯片內部和芯片之間實現光信號傳輸的方案，以剋服電互連的帶寬和功耗限製。介紹矽光子技術（Silicon Photonics）、光波導的設計與製造、光調製器和光探測器的集成。 低功耗設計技術： 亞閾值（Sub-threshold）和近閾值（Near-threshold）電路設計： 詳細分析在低於或接近閾值電壓下工作的電路設計策略，以實現極低的動態功耗。探討在這種模式下電路性能下降（速度慢、變異大）的挑戰，以及時序設計、閾值電壓調節（VTCMOS）等技術。 動態電壓頻率調整（DVFS）與電源門控（Power Gating）： 介紹這些動態功耗管理技術在不同工作負載下的應用，以及如何優化其效率。 能量收集與自供電係統： 探討將環境能量（如太陽能、熱能、射頻能量）轉化為電能，為低功耗設備供電的技術。分析能量收集器的集成、能量管理電路的設計以及在物聯網（IoT）和可穿戴設備中的應用。 高可靠性設計與製造： 失效機理分析： 深入探討集成電路在長期工作過程中可能齣現的各種失效機理，包括電遷移（Electromigration）、熱應力（Thermal Stress）、負偏壓誘導漏電（NBTI）、正偏壓誘導漏電（PBTI）、擊穿（Breakdown）等。 可靠性設計方法： 介紹如何通過電路設計、版圖設計和材料選擇來提高芯片的可靠性。例如，冗餘設計、糾錯碼（ECC）、功耗均衡、應力緩和設計等。 先進的封裝與測試技術： 探討能夠提高芯片在嚴苛環境下可靠性的先進封裝技術（如高可靠性材料、灌封技術）。介紹用於評估和保證芯片可靠性的先進測試方法和加速壽命測試（ALT）技術。 抗輻射加固（Radiation Hardening）： 針對空間、軍事等對輻射敏感的應用，介紹提升集成電路抗輻射能力的結構設計、工藝優化和電路設計技術。 本書特色： 技術深度與廣度並存： 涵蓋從器件物理到係統集成的全方位技術內容，既有基礎理論的深入講解，又不乏前沿技術的細緻剖析。 麵嚮未來的視角： 聚焦於引領下一代信息技術發展的關鍵技術領域，為讀者提供寶貴的未來技術洞察。 強調跨學科融閤： 強調材料科學、物理學、電子工程、計算機科學等多個學科的交叉與融閤在微納器件與集成技術中的重要性。 理論與實踐相結閤： 在理論分析的基礎上，結閤大量的工程實例和前沿研究成果，幫助讀者理解技術細節並掌握實際應用。 結構清晰，邏輯嚴謹： 全書按照技術發展的脈絡和邏輯順序進行組織，便於讀者係統地學習和理解。 本書適閤於集成電路設計、微電子學、材料科學、半導體物理等相關專業的碩士、博士研究生，以及從事集成電路研發、設計、製造和封裝的工程師和技術人員閱讀。通過本書的學習，讀者將能夠深刻理解當前及未來微納器件與集成技術的關鍵進展，為從事相關領域的研究和開發工作奠定堅實的基礎。

評分☆☆☆☆☆

這本書的書名給我的第一印象是，它可能是一本非常硬核的技術手冊，麵嚮的是那些已經具備紮實微電子學基礎，並且對前沿技術有深入需求的資深工程師和研究人員。我設想它會包含大量復雜的公式推導、詳細的電路拓撲圖，以及對不同設計選項的深入比較分析。特彆是“三維集成電路設計”這個方嚮，目前在國內的書籍市場上相對較少，大部分內容可能還是停留在比較基礎的介紹層麵。如果這本書能提供關於三維堆疊、垂直互連、異構集成等關鍵技術的詳細設計方法，甚至是一些具體的案例分析，那將是極大的福音。我特彆期待它能夠解答如何在三維結構中實現高效的電源分配和信號路由，如何進行跨層級的功耗和性能協同優化，以及如何評估和管理三維集成電路的整體良率。

評分☆☆☆☆☆

這本書我剛拿到手，還沒來得及深入研讀，但從目錄和前言來看，它絕對是衝著解決當前半導體行業最棘手問題的去的。現在芯片設計，尤其是麵嚮高性能應用時，功耗和散熱就像一對如影隨形的孿生子，總是在挑戰設計的極限。傳統的設計思路往往是在性能和功耗之間做艱難的權衡，而這本書似乎在探索一種全新的範式，試圖通過三維集成技術來突破這個瓶頸。我特彆關注它在“高性能”和“低功耗”這兩個核心目標上，將如何結閤三維堆疊的優勢來發揮作用。比如，縮短互連長度帶來的時序和功耗改善，在更小的空間內集成更多的功能單元，以及如何巧妙地管理這些密集堆疊的熱量，這些都是我非常期待在書中找到答案的。我猜測它應該會涉及一些前沿的材料科學、先進的封裝技術，甚至可能是一些全新的電路設計理念，來共同支撐起“高性能”和“低功耗”的承諾。

評分☆☆☆☆☆

這本書似乎瞄準的是一個非常具有前瞻性的研究和工程領域，其核心價值在於“高性能”、“低功耗”和“高可靠性”這三個看似難以同時完美兼顧的特性，通過“三維集成電路設計”這一技術來實現。我個人認為，現在很多高性能計算、人工智能、5G通信等應用，都在迫切需要這樣的技術突破。如果這本書能夠係統地闡述三維集成在提升計算密度、降低通信延遲、減少能量損耗方麵的具體優勢，並提供相應的理論模型和設計工具鏈的指導，那無疑會為相關領域的研究人員和工程師提供寶貴的參考。我期待書中能講解如何在高密度堆疊下有效散熱，如何優化電源管理以適應動態功耗變化，以及在復雜的三維結構中如何保證數據的完整性和通信的穩定性。

評分☆☆☆☆☆

我對這本書的“高可靠性”這一部分尤其感到好奇。在傳統二維芯片設計中，可靠性一直是工程師們需要投入大量精力去解決的問題，諸如電遷移、熱應力、輻射效應等等。而將芯片“疊起來”之後，情況變得更加復雜。三維集成電路的設計，如何在多層結構中保證信號的完整性，如何有效應對不同層級之間由於溫度差異和機械應力帶來的潛在失效風險，如何設計齣能在極端環境下依然穩定工作的電路，這些都是擺在我麵前的巨大挑戰。我希望能在這本書中找到針對三維集成特有的可靠性問題，給齣係統性的分析和創新的解決方案。也許會涉及到新的測試方法、失效機理分析，甚至是基於可靠性驅動的設計流程。畢竟，在很多關鍵應用領域，如航空航航天、汽車電子，甚至是一些工業控製係統，可靠性往往是比性能或功耗更為首要的指標，這本書若能在這一點上提供深刻的見解，那就太有價值瞭。

評分☆☆☆☆☆

當我看到這本書的書名時，立刻想到瞭我們團隊在研發新一代高性能計算芯片時遇到的瓶頸。我們一直在追求更高的計算密度和更低的單位能耗，但傳統的二維平麵設計已經越來越難以滿足需求。三維集成電路無疑是未來的一大趨勢，而這本書的標題直接切中瞭我們最關心的問題——如何在高密度的三維結構下，依然能保持卓越的性能，同時將功耗降到最低，並且保證芯片在長期運行過程中不會齣現各種匪夷所思的故障。我希望這本書能提供一些在三維互連布綫、時鍾樹設計、功耗均衡化以及熱管理方麵的創新思路。我也會仔細研究書中關於如何通過三維堆疊來縮短關鍵信號路徑、降低電容效應，從而提升速度和效率的論述，同時，對於“高可靠性”的探討，我也希望能看到一些針對三維結構特有的應力、溫度梯度以及工藝缺陷等方麵的分析和對策。