低功耗CMOS电路设计--逻辑设计与CAD工具 9787030315687 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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瑞士Christian Piguet，陈力颖 著

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030315687

商品编码：29658122656

包装：平装

出版时间：2011-07-01

基本信息

书名:低功耗CMOS电路设计--逻辑设计与CAD工具

定价：65.00元

售价：44.2元,便宜20.8元,折扣68

作者:(瑞士)Christian Piguet,陈力颖

出版社：科学出版社

出版日期：2011-07-01

ISBN：9787030315687

字数：

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版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.663kg

编辑推荐

《低功耗CMOS电路设计》着重叙述低功耗电路设计，包括工艺与器件、逻辑电路以及CAD设计工具三个方面的内容。在工艺器件方面，描述了低功耗电子学的历史、深亚微米体硅SOI技术的进展、CMOS纳米工艺中的漏电、纳米电子学与未来发展趋势、以及光互连技术；在低功耗电路方面，描述了深亚微米设计建模、低功耗标准单元、高速低功耗动态逻辑与运算电路、以及在结构、电路、器件的各个层面上的低功耗设计技术，包括时钟、互连、弱反型超低功耗设计和绝热电路；在低功耗CAD设计工具方面，描述了功耗模型与高层次功耗估计，国际上主要CAD公司的功耗设计工具以及低功耗设计流程。本书由(瑞士)christianPiguet主编。

内容提要

《低功耗CMOS电路设计》着重叙述低功耗电路设计，部分概述低功耗电子技术和深亚微米下体硅sOI技术的进展、CMOS纳米技术中的漏电流及光互连技术等；第二部分阐述深亚微米设计模型、低功耗标准单元、低功耗超高速动态逻辑与运算电路，以及在结构、电路、器件的各个层面上的低功耗设计技术；第三部分主要针对CAD设计工具及低功耗设计流程进行阐述。本书的内容来自低功耗集成电路设计领域三十多位学者和专家的具体实践，包括学术界与工业界多年来的研究设计成果与经验，所介绍的技术可以直接应用于产品设计。
《低功耗CMOS电路设计》可以作为微电子、电子科学与技术、集成电路等领域的研发、设计人员及工科院校相关专业师生的实用参考资料。本书由(瑞士)christianPiguet主编。

目录

部分 概述
章 低功耗电子技术的发展历史
1.1 引言
1.2 早期的计算机
1.3 晶体管和集成电路
1.4 低功耗消费类电子产品
1.5 功耗的快速增加
1.6 结论
参考文献
第2章 深亚微米下体硅技术与SOI技术的进展
2.1 引言
2.2 ITRS概述
2.3 晶体管的饱和电流和亚阈值电流
2.4 栅和其他隧道电流
2.5 晶体管电气参数的统计离差
2.6 栅氧化层物理厚度和电气厚度
2.7 晶体管的新结构
2.8 结论
参考文献
第3章 CMOS纳米技术中的漏电流
3.1 引言
3.2 MOSFET器件的ILEAK构成
3.3 尺寸缩放
3.4 电路级
3.5 结论
参考文献
第4章 微电子学、纳电子学及电子学的未来
4.1 引 言
4.2 作为纳电子器件的硅MOSFET
4.3 硅MOSFET的限
4.4 硅MOSFET的应用极限
4.5 硅MOSFET以外的晶体管
4.6 FET以外的晶体管
4.7 从微电子学到纳电子学
4.8 结论
4.9 致谢
参考文献
第5章 片上光互连的高级研究
5.1 互连问题
5.2 自顶向下的互连设计
5.3 信号通路中的无源光子器件
5.4 用于信号转换的有源器件
5.5 转换电路
5.6 键合问题
5.7 互连性能(光学系统与电学系统的比较)
5.8 研究方向
5.9 致 谢
参考文献
第2部分 低功耗电路
第6章 深亚微米工艺设计模型
6.1 引 言
6.2 电流模型
6.3 描述性能所使用单位的定义
6.4 在标准单元库中的应用
6.5 在低功耗设计中的应用
6.6 结 论
参考文献
第7章 逻辑电路和标准单元
7.1 引言
7.2 逻辑族
7.3 低功耗和标准单元库
7.4 对于特定应用的逻辑类型
7.5 结论
参考文献
第8章 低功耗超高速动态逻辑电路
8.1 引 言
8.2 单相时钟锁存器和触发器
8.3 高通量CMOS电路技术
8.4 快速有效的CMOS功能电路
8.5 动态逻辑的前景
8.6 结 论
参考文献
第9章 低功耗算法运算器
9.1 引 言
9.2 加 法
9.3 乘 法
9.4 其他运算器、数字系统和限制
参考文献
0章 降低动态功耗的电路设计方法
10.1 引 言
10.2 动态功耗的形成
10.3 电路结构的平行化
10.4 改变固定电压降低功耗技术
10.5 不改变电路主体设计技术方法来降低电路的功耗
10.6 改变电路主体结构的设计技术
10.7 结 论
参考文献
1章 低功耗设计中的硬件描述语言
11.1 引 言
11.2 基础知识
11.3 减少毛刺
11.4 时钟门控技术
11.5 有限状态机
11.6 数据通路
11.7 总线编码
11.8 结 论
11.9 致 谢
参考文献
2章 工作时钟频率在数GHZ下的系统设计
12.1 引言
12.2 连续系统中的时钟设计注意事项
12.3 异步系统
12.4 全局异步一局部同步系统
12.5 结 论
参考文献
3章 减小漏电流的电路设计方法
13.1 引言
13.2 漏电流的组成
13.3 逻辑电路设计中减小漏电流的技术
13.4 时序设计技术
13.5 运行状态下闲置漏电流减小技术
13.6 运行状态时漏电流减小技术
13.7 减小高速缓存中的漏电流技术
参考文献
4章 SoC的低功耗和低电压通信
14.1 引 言
14.2 互连线的基础理论
14.3 与互连线相关的功耗
14.4 减小互连线功耗的办法
14.5 光互连线的分析
14.6 结论
参考文献
5章 绝热与时钟供电电路
15.1 引言
15.2 绝热充电技术的原理
15.3 实现问题
15.4 结论
参考文献
6章 用于基本低功耗逻辑的弱反型
16.1 引言
16.2 MOS弱反型区模型和假设
16.3 静态MOS反相器
16.4 CMOS反相器的动态特性
16.5 标准传输下反相器的特性
16.6 进入中等反型区与强反型区的效应
16.7 逻辑门和数值实例扩展
16.8 实际考虑和条件限制
16.9 结论
参考文献
7章 低电压下数字电路的鲁棒性
17.1 引言
17.2 信号完整性
17.3 可靠性
17.4 结论
17.5 致谢
参考文献
第3部分 低功耗设计的CAD工具
8章 高级功耗估计与分析
18.1 引言
18.2 低功耗应用的通用设计流程
18.3 系统级功耗分析
18.4 算法级功耗估计与分析
18.5 ORINOCO：一种算法级功耗估计工具
18.6 结论
参考文献
9章 高级功耗估计的功耗宏模型
19.1 引言
19.2 RTL功耗建模
19.3 RTL功耗宏建模和估计
19.4 现实设置的RTL功耗估计
19.5 结论
19.6 致谢
参考文献
第20章 Synopsys低功耗设计流程
20.1 引 言
20.2 时钟门控
20.3 寄存器级的自动时钟门控
20.4 操作数隔离
20.5 逻辑优化
20.6 泄漏控制一一阈值管理
20.7 电压缩放
20.8 建模基础
20.9 分析流程
20.10 结论
参考文献
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 功耗优化
21.5 供电轨分析
21.6 电源网络综合
21.7 结论
第22章 功耗敏感设计的时序设计流程
22.1 引言
22.2 设计流程概述
22.3 用于功耗敏感设计的时序工具
22.4 设计实例
22.5 结论
参考文献

作者介绍

ChristianPiguet，瑞士Nyon人，分别在1974年和1981年获得洛桑联邦瑞士大学(EPFL)的电子工程硕士与博士学位。Piguet博士于1974年加入了瑞士纳沙泰尔Centre Electronique HorlogerS.A.实验室。主要研究钟表业的CMOS数字集成电路和嵌入式低功耗微处理器，以及基于门阵列方法的CAD工具。他目前是纳沙泰尔CSEMCentre Suisse d'Electronique et de MicrotechniqueS.A.实验室超低功耗部门的负责人，并参与低功耗和高速CMOS集成电路的设计与管理。他的主要兴趣包括低功耗微处理器与DSP、低功耗标准单元库、门控时钟和低功耗技术及异步设计。

文摘

序言

聚焦高效能电路的逻辑基石与智能设计 在数字化浪潮席卷全球的今天，电子设备对能源效率的需求日益迫切，尤其是在移动通信、物联网、可穿戴设备等领域，低功耗已成为衡量产品性能与用户体验的关键指标。这本《低功耗CMOS电路设计——逻辑设计与CAD工具》深入剖析了如何构建兼具卓越性能与极致能耗的CMOS电路，为读者提供一套全面、系统的低功耗设计方法论。本书的核心在于阐述低功耗设计并非单纯的“减法”，而是一门精妙的艺术，需要在逻辑层面和工具层面进行深度优化，以实现性能、功耗和面积的协同提升。 第一部分：低功耗逻辑设计的精髓 本部分是全书的理论基石，详细揭示了在数字逻辑设计阶段实现低功耗的多种策略。作者从根本上探讨了CMOS电路的功耗来源，即动态功耗（充放电功耗）和静态功耗（漏电功耗），并以此为出发点，层层递进地介绍了各种降低功耗的逻辑设计技术。 动态功耗的系统性优化： 时钟树优化 (Clock Tree Optimization): 时钟信号在数字电路中扮演着至关重要的角色，其分布和切换的功耗占有相当大的比重。本书将详细介绍各种时钟树综合（CTS）技术，例如时钟门控（Clock Gating）的设计。时钟门控通过在不需要电路工作时关闭其时钟信号，从而显著降低动态功耗。书中将深入探讨各种粒度的时钟门控，从模块级到门级，并分析其实现方式、设计约束以及可能带来的时序影响。此外，还会涉及时钟缓冲器的选择、时钟树的平衡性设计以及减少时钟信号毛刺等高级技巧，力求将时钟信号的功耗降至最低。 门控技术 (Gating Techniques): 除了时钟门控，书中还会介绍其他形式的门控技术，例如数据门控（Data Gating）和功能门控（Functional Gating）。数据门控是指当输入数据无效或不需要处理时，阻止逻辑门的切换，从而节省功耗。功能门控则是在特定功能模块不需要运行时，将其整个关闭。这些技术需要仔细的设计和验证，以确保功能的正确性，书中将提供详细的设计指南和示例。 逻辑优化与冗余消除 (Logic Optimization and Redundancy Elimination): 冗余的逻辑门和信号线是功耗的潜在浪费源。本书将介绍一系列逻辑优化技术，旨在简化电路结构，消除不必要的逻辑运算和信号线。这包括组合逻辑优化，如逻辑函数的化简；时序逻辑优化，如状态机状态的合并；以及消除信号线之间的反馈环和死代码。通过精简逻辑，不仅可以降低功耗，还能提升电路速度并减小芯片面积。 电压和频率缩放 (Voltage and Frequency Scaling): 这是最有效的动态功耗降低手段之一。书中将详细阐述如何利用动态电压频率调整（DVFS）技术，根据电路的工作负载动态地调整工作电压和时钟频率。当系统对性能要求不高时，降低电压和频率可以指数级地降低动态功耗。书中将探讨如何实现高效的DVFS控制器，如何进行电压和频率的细粒度控制，以及如何处理不同电压域之间的信号交互。 并行化与流水线设计 (Parallelism and Pipelining): 适度的并行化和流水线设计可以在保证吞吐量的同时，降低单个处理单元的工作频率和电压，从而实现整体功耗的降低。书中将探讨如何在逻辑层面设计高效的流水线结构，如何优化流水线深度和宽度，以及如何处理流水线中的冒险和气泡，使其在功耗和性能之间取得最佳平衡。 静态功耗的深度控制： 漏电功耗的成因与对策 (Leakage Power Causes and Countermeasures): 静态功耗，尤其是随着晶体管尺寸的不断缩小，漏电功耗变得越来越不容忽视。书中将深入分析各种漏电机制，如亚阈值漏电、栅介质漏电、结漏电等，并探讨不同工艺节点下漏电的主要影响因素。 阈值电压选择与管理 (Threshold Voltage Selection and Management): 阈值电压（Vt）是影响漏电功耗的关键参数。书中将介绍如何通过选择不同阈值电压的晶体管（高Vt、低Vt）来权衡性能和功耗。例如，在对性能要求高的关键路径上使用低Vt晶体管，而在非关键路径上使用高Vt晶体管，以降低漏电。更进一步，书中将探讨动态阈值电压（DVT）和多阈值电压（MTVT）技术，以及如何在逻辑设计中实现有效的 Vt 管理。 状态保持与关断技术 (State Retention and Power-Down Techniques): 对于不工作的模块，完全关断电源是降低漏电的有效方法。本书将详细介绍各种电源门控（Power Gating）技术，包括如何在逻辑层面设计电源门控单元（PGU），如何管理模块的启动和关断过程，如何进行状态的保存和恢复，以及如何处理多电压域和低功耗模式下的状态迁移。书中还会涉及“睡眠模式”、“深度睡眠模式”等不同功耗状态的实现细节。 亚阈值电路设计 (Subthreshold Circuit Design): 对于一些对速度要求极低的特殊应用，如极低功耗的传感器节点，设计运行在亚阈值区的电路可以实现极低的功耗。书中将介绍亚阈值电路的设计原理，包括其低电压、低速度特性，以及如何进行亚阈值逻辑的仿真和优化。 第二部分：CAD工具在低功耗设计中的应用 理论知识的掌握是基础，而强大的CAD工具则是将低功耗设计理念转化为实际产品的关键。本部分将聚焦于现代EDA（电子设计自动化）工具如何在低功耗设计流程中发挥核心作用。 逻辑综合与低功耗约束 (Logic Synthesis with Low Power Constraints): 综合工具的低功耗选项: 现代逻辑综合工具（如Synopsys Design Compiler, Cadence Genus）都提供了丰富的低功耗优化选项。本书将详细介绍如何在综合过程中设置低功耗约束，例如指定目标功耗、漏电功耗上限、动态功耗上限等。书中将解释综合工具如何利用这些约束来自动进行时钟门控插入、阈值电压分配、逻辑冗余消除等优化。 时钟门控的自动化插入: 自动化时钟门控插入是现代综合工具的核心功能之一。本书将介绍不同门控单元的库单元，以及综合工具如何根据用户的约束和分析，智能地在设计中插入门控逻辑，以最大程度地降低动态功耗。 层次化设计与低功耗优化: 在大型复杂设计中，采用层次化设计可以显著提高设计的可管理性和效率。书中将探讨如何在层次化设计中有效地应用低功耗技术，以及综合工具如何处理跨层次的低功耗优化。 静态功耗分析与建模 (Static Power Analysis and Modeling): 漏电分析工具: 本书将介绍各种用于静态功耗分析的EDA工具，以及它们如何基于工艺库、电路网表和设计约束，精确地估算和分析静态功耗。例如，如何使用Synopsys PrimeTime PX, Cadence Voltus来分析不同运行模式下的漏电功耗。 功耗建模与约束: 书中将讲解如何建立准确的功耗模型，以及如何在设计流程中有效地使用这些模型作为优化约束。这包括对不同功耗模式（如全速运行、低功耗模式、待机模式）的建模，以及如何针对这些模式设定功耗指标。 动态功耗分析与仿真 (Dynamic Power Analysis and Simulation): 功耗仿真工具: 本书将介绍如何利用EDA工具进行动态功耗仿真，例如使用Synopsys PrimeTime PX, Cadence Incisive/Xcelium。这些工具能够在仿真过程中实时地监测信号切换活动，并根据信号的切换次数、切换电容等参数，估算出动态功耗。 功耗感知仿真 (Power-Aware Simulation): 功耗感知仿真能够考虑电路的功耗特性，从而进行更精确的性能和功耗分析。书中将探讨如何设置功耗感知仿真的环境，以及如何利用仿真结果来指导低功耗设计优化。 电源完整性与功耗管理 (Power Integrity and Power Management): 电源网格设计与分析: 稳定的电源供应对于CMOS电路的正常工作至关重要，尤其是在动态功耗变化剧烈的情况下。本书将介绍如何设计和分析电源网格，以确保在所有工作模式下都能提供稳定的电压，避免压降（IR Drop）和地弹（Ground Bounce）等问题。 电源管理单元 (Power Management Unit - PMU): 在复杂的SoC设计中，通常需要一个专门的电源管理单元来协调各个模块的电源状态。书中将介绍PMU的设计，包括如何实现电压和频率的动态调整、电源门控的控制、低功耗模式的切换以及状态的保存和恢复。 物理设计与低功耗优化 (Physical Design and Low Power Optimization): 布局布线对功耗的影响: 布局布线（Placement and Routing）过程中的信号线长度、负载电容以及时钟树的布局都会对功耗产生显著影响。书中将介绍如何在布局布线过程中考虑低功耗因素，例如优化关键信号线的布线，减少长线驱动，以及优化时钟树的布局以减小时钟信号的功耗。 功耗感知布局布线工具: 现代布局布线工具也集成了功耗分析和优化功能。本书将介绍如何利用这些工具来指导布局布线，例如通过设置功耗约束，工具将能够自动进行更优的布局布线策略。 本书的价值与读者群体 《低功耗CMOS电路设计——逻辑设计与CAD工具》不仅仅是一本技术手册，更是一本引领读者深入理解低功耗设计核心理念的指南。本书的作者以其深厚的理论功底和丰富的实践经验，将复杂的低功耗设计技术化繁为简，并结合实际的CAD工具应用，为读者提供了一条清晰的学习路径。 本书适合以下读者群体： 集成电路设计工程师: 无论是初入行的设计新手，还是经验丰富的资深工程师，都能从本书中获得宝贵的知识和实用的技能，以应对日益严峻的低功耗设计挑战。 计算机体系结构与数字信号处理领域的学生和研究人员: 理解低功耗设计对于设计高效能的处理器、通信芯片以及嵌入式系统至关重要。 对嵌入式系统、物联网设备、可穿戴设备等领域感兴趣的工程师和开发者: 掌握低功耗设计技术，能够帮助您设计出更具市场竞争力、更受用户青睐的产品。 通过系统地学习本书的内容，读者将能够： 深刻理解CMOS电路的功耗来源，并掌握多种有效的低功耗设计策略。 熟练运用各种EDA工具进行低功耗分析、仿真和优化。 在实际的电路设计项目中，能够有效地权衡性能、功耗和面积，设计出满足严格功耗要求的CMOS电路。 站在行业前沿，掌握下一代电子设备的核心技术。 总而言之，本书是低功耗CMOS电路设计领域不可或缺的参考书，它将帮助读者在数字化时代劈波斩浪，设计出更高效、更智能、更绿色的电子产品。

评分☆☆☆☆☆

从一个多年从事模拟和混合信号模块集成的角度来看，我最欣赏的是这类书籍能够将数字逻辑的功耗控制提升到系统架构的层面来讨论。我发现这本书的介绍中提到了对电源管理单元（PMU）设计策略的探讨，这让我非常感兴趣。通常，很多数字CMOS的书籍会忽略或简单带过PMU的设计，而PMU恰恰是整个低功耗系统的心脏。我希望它能深入分析比如脉冲频率调制（PFM）或占空比调制（DCM）在不同负载条件下的效率曲线，以及如何通过智能算法动态调整这些参数。此外，书中如果能涵盖一些关于“片上电源网络（PDN）的低功耗考量”，比如去耦电容的优化放置和IR Drop对时序和可靠性的间接影响，那就更具价值了。这本书的深度似乎超越了单纯的晶体管级优化，而是直指如何在系统级架构上就嵌入低功耗的DNA，这需要作者具备非常全面的IC设计视野，而不是局限于单一的逻辑设计范畴。这种跨领域的整合能力，是衡量一本优秀参考书的重要标准。

评分☆☆☆☆☆

翻阅这本书的章节标题时，我注意到一个非常吸引我的关键词——“设计裕度的管理”。在追求极致低功耗的今天，过度设计带来的冗余功耗往往是最大的浪费源之一。我希望这本书能深入探讨如何量化地确定和控制“功耗裕度”。这不仅仅是关于工艺角（PVT Corners）的分析，更是关于如何基于实际工作负载分布，精确地分配功耗预算给各个功能模块。比如，书中是否提供了关于“自适应电压与频率调节（DVFS）”模块设计的深入剖析，特别是其控制逻辑的功耗本身是否被纳入了优化目标？很多低功耗设计往往只关注了目标模块的功耗下降，而忽略了支撑这些功能的控制电路带来的额外开销。如果这本书能提供一个从系统需求到晶体管级实现的全链路功耗建模与验证框架，并强调如何在设计早期就将功耗作为约束条件而非事后优化的对象，那么它无疑将成为一本极具前瞻性的技术著作。这种强调早期介入和全流程优化的理念，正是当前尖端IC设计所追求的最高境界。

评分☆☆☆☆☆

当我拿起这本书时，首先感受到的是它在内容组织上的精妙平衡。它似乎在努力架起理论的桥梁，连接到实际的工程实现。我关注到关于“时序驱动的功耗优化技术”这一章节的标题，这让我联想到在实际芯片设计中，时序收敛和功耗预算往往是相互制约的两大核心指标。我希望这本书能提供一套成熟的、可量化的决策树，指导设计者如何在两者之间做出最优选择。书中的某些章节似乎侧重于使用高级语言（如SystemVerilog/Verilog）描述低功耗特性，并利用综合工具自动推导出高效的门级网表，这与当前业界推崇的设计模式高度契合。我特别想知道，书中是否详细探讨了像UPF（统一电源格式）这样的标准在描述多电压域和电源门控策略时的应用深度，因为这是实现复杂系统级低功耗的关键。如果这本书能提供充足的案例研究，展示如何从RTL级别到GDSII流程中持续跟踪和验证功耗指标，那它无疑将超越一本普通的教科书，成为一本实用的“作战手册”。这种注重流程化和工具链整合的视角，非常符合我这种需要快速上手项目的人士的需求。

评分☆☆☆☆☆

这本《低功耗CMOS电路设计——逻辑设计与CAD工具》的封面设计得非常专业，配色沉稳，线条简洁，给人一种严谨扎实的学术氛围感。初次翻开，我就被其详尽的目录结构所吸引。它似乎不仅仅停留在理论的层面，更深入到了实践操作的细节中。我特别留意到其中关于“逻辑综合与布局布线自动化流程”的部分，这正是我目前在项目中最需要攻克的难点。书中对不同工艺节点下的功耗瓶颈分析得入木三分，特别是关于亚阈值漏电和动态功耗的量化模型，表述得非常清晰透彻，完全不像有些教材那样晦涩难懂，反而像是一位资深工程师在手把手地指导你如何避开那些设计陷阱。而且，它对当前主流EDA工具链的集成应用有着独到的见解，特别是针对现代SoC设计中低功耗约束的优化策略，感觉作者对行业前沿的理解非常到位。我期待着能从中学习到一套系统且高效的低功耗设计方法论，而不是零散的技巧拼凑。从排版来看，公式和图表的插入非常恰当，有助于读者快速理解复杂的电路行为和设计流程，整体阅读体验令人期待，绝对是值得深入研读的参考书。

评分☆☆☆☆☆

这本书的结构布局给我的感觉是层次分明，循序渐进，非常适合需要构建完整知识体系的读者。我尤其关注它在“CAD工具与自动化”这部分的内容广度。现代IC设计已是工具的艺术，如果一本书只谈算法而不谈如何将算法融入实际EDA工具，那就显得有些空泛了。我期待书中能够详尽阐述如何配置和使用诸如静态功耗分析（Static Power Analysis）工具和动态功耗模拟器，以及如何解读它们输出的复杂报告。例如，在进行时钟门控（Clock Gating）优化时，工具链是如何自动识别冗余时钟树并插入门控单元的？书中是否有提供具体的脚本或配置文件的示例，来指导读者如何定制化这些自动化流程以适应特定的工艺库特点？这种对工具细节的把控，往往是区分理论学习者和实际设计工程师的关键所在。如果能涵盖现代设计流程中对低功耗IP复用的最佳实践，无疑会大大提高这本书在实际工程中的实用价值。