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[美] 刘金Tsu-Jae King Liu 科林· 著

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出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111593911

商品编码：29415641248

包装：平装-胶订

出版时间：2018-04-01

基本信息

书名：CMOS及其他先导技术：特大规模集成电路设计

定价：99.00元

作者：刘金(Tsu-Jae King Liu) 科林·库恩(Ke

出版社：机械工业出版社

出版日期：2018-04-01

ISBN：9787111593911

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装-胶订

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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本书概述现代CMOS晶体管的技术发展，提出新的设计方法来改善晶体管性能存在的局限性。本书共四部分。一部分回顾了芯片设计的注意事项并且基准化了许多替代性的开关器件，重点论述了具有更陡峭亚阈值摆幅的器件。第二部分涵盖了利用量子力学隧道效应作为开关原理来实现更陡峭亚阈值摆幅的各种器件设计。第三部分涵盖了利用替代方法实现更高效开关性能的器件。第四部分涵盖了利用磁效应或电子自旋携带信息的器件。本书适合作为电子信息类专业与工程等专业的教材，也可作为相关专业人士的参考书。

目录

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Contents目　录
译者序
前言
部分　CMOS电路和工艺限制
章　CMOS数字电路的能效限制2
　1.1　概述2
　1.2　数字电路中的能量性能折中3
　1.3　能效设计技术6
　1.4　能量限制和总结8
　参考文献9
第2章　先导工艺晶体管等比例缩放：特大规模领域可替代器件结构10
　2.1　引言10
　2.2　可替代器件结构10
　2.3　总结22
　参考文献23
第3章　基准化特大规模领域可替代器件结构30
　3.1　引言30
　3.2　可替代器件等比例缩放潜力30
　3.3　可比器件的缩放潜力33
　3.4　评价指标35
　3.5　基准测试结果37
　3.6　总结38
　参考文献39
第4章　带负电容的扩展CMOS44
　4.1　引言44
　4.2　直观展示45
　4.3　理论体系47
　4.4　实验工作51
　4.5　负电容晶体管54
　4.6　总结56
　致谢57
　参考文献57
第二部分　隧道器件
第5章　设计低压高电流隧穿晶体管62
　5.1　引言62
　5.2　隧穿势垒厚度调制陡峭度63
　5.3　能量滤波切换机制65
　5.4　测量电子输运带边陡度66
　5.5　空间非均匀性校正68
　5.6　pn结维度68
　5.7　建立一个完整的隧穿场效应晶体管80
　5.8　栅极效率大化84
　5.9　避免其他的设计问题88
　5.10　总结88
　致谢89
　参考文献89
第6章　隧道晶体管92
　6.1　引言92
　6.2　隧道晶体管概述93
　6.3　材料与掺杂的折中95
　6.4　几何尺寸因素和栅极静电99
　6.5　非理想性103
　6.6　实验结果106
　6.7　总结108
　致谢108
　参考文献108
第7章　石墨烯和二维晶体隧道晶体管115
　7.1　什么是低功耗开关115
　7.2　二维晶体材料和器件的概述116
　7.3　碳纳米管和石墨烯纳米带116
　7.4　原子级薄体晶体管124
　7.5　层间隧穿晶体管130
　7.6　内部电荷与电压增益陡峭器件137
　7.7　总结137
　参考文献137
第8章　双层伪自旋场效应晶体管…140
　8.1　引言140
　8.2　概述141
　8.3　基础物理145
　8.4　BiSFET设计和集约模型152
　8.5　BiSFET逻辑电路和仿真结果157
　8.6　工艺161
　8.7　总结162
　致谢163
　参考文献163
第三部分　可替代场效应器件
第9章　关于相关氧化物中金属绝缘体转变与相位突变的计算与学习166
　9.1　引言166
　9.2　二氧化钒中的金属绝缘体转变168
　9.3　相变场效应器件172
　9.4　相变两端器件178
　9.5　神经电路181
　9.6　总结182
　参考文献182
0章　压电晶体管187
　10.1　概述187
　10.2　工作方式188
　10.3　PET材料的物理特性190
　10.4　PET动力学193
　10.5　材料与器件制造200
　10.6　性能评价203
　10.7　讨论205
　致谢206
　参考文献206
1章　机械开关209
　11.1　引言209
　11.2　继电器结构和操作210
　11.3　继电器工艺技术214
　11.4　数字逻辑用继电器设计优化220
　11.5　继电器组合逻辑电路227
　11.6　继电器等比例缩放展望232
　参考文献234
第四部分　自旋器件
2章　纳米磁逻辑：从磁有序到磁计算240
　12.1　引言与动机240
　12.2　作为二进制开关单元的单域纳米磁体242
　12.3　耦合纳米磁体特性244
　12.4　工程耦合：逻辑门与级联门246
　12.5　磁有序中的错误248
　12.6　控制磁有序：同步纳米磁体250
　12.7　NML计算系统252
　12.8　垂直磁介质中的纳米磁体逻辑255
　12.9　两个关于电路的案例研究259
　12.10　NML电路建模260
　12.11　展望：NML电路的未来261
　致谢261
　参考文献262
3章　自旋转矩多数逻辑门逻辑267
　13.1　引言267
　13.2　面内磁化的SMG268
　13.3　仿真模型270
　13.4　面内磁化开关的模式272
　13.5　垂直磁化SMG276
　13.6　垂直磁化开关模式278
　13.7　总结283
　参考文献284
4章　自旋波相位逻辑286
　14.1　引言286
　14.2　自旋波的计算287
　14.3　实验验证的自旋波元件及器件287
　14.4　相位逻辑器件290
　14.5　自旋波逻辑电路与结构292
　14.6　与CMOS的比较297
　14.7　总结299
　参考文献300
第五部分　关于互连的思考
5章　互连304
　15.1　引言304
　15.2　互连问题305
　15.3　新兴的电荷器件技术的互连选项307
　15.4　自旋电路中的互连思考312
　15.5　自旋弛豫机制315
　15.6　自旋注入与输运效率318
　15.7　电气互连与半导体自旋电子互连的比较320
　15.8　总结与展望324
　参考文献324

作者介绍

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文摘

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序言

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CMOS及其他先导技术：特大规模集成电路设计 深入探索现代集成电路设计的核心奥秘与前沿脉络 本书亮点： 全面覆盖： 系统阐述了CMOS技术作为当前及未来集成电路设计的基石，并深入探讨了支撑其发展的各种先导技术。 设计导向： 重点关注特大规模集成电路（VLSI）的设计流程、关键挑战与创新解决方案，为读者提供扎实的理论基础和实践指导。 前沿洞察： 紧跟技术发展步伐，详尽分析了如FinFET、GAAFET等下一代晶体管结构，以及新兴的材料、互连技术和先进封装技术对设计的影响。 实用价值： 结合丰富的图示、案例分析和理论推导，帮助读者理解复杂的设计概念，掌握解决实际工程问题的能力。 面向未来： 展望了超低功耗设计、异构集成、AI硬件加速等未来VLSI设计的重要发展方向。 内容概述： 第一部分：CMOS技术基石与演进 本部分将深入剖析CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）技术之所以成为现代集成电路设计主导者的根本原因。我们将从MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）的基本原理出发，详细讲解P沟道和N沟道MOSFET的结构、工作特性、开关行为以及它们如何构成互补的CMOS逻辑门。读者将理解CMOS技术在低功耗、高速度和高集成度方面的优势。 随后，本书将追溯CMOS技术的演进历程，从平面MOSFET到应变硅、高介电常数（High-k）栅介质和金属栅（Metal Gate）等关键技术节点，深入分析这些技术进步如何克服短沟道效应、漏电流和功耗等挑战，不断提升器件性能和集成密度。我们将详细介绍这些技术在缩小尺寸、提升开关速度、降低功耗方面的作用，以及它们对设计规则和工艺流程提出的新要求。 第二部分：特大规模集成电路（VLSI）设计流程与挑战 特大规模集成电路（VLSI）的设计是一个复杂且多阶段的过程。本部分将系统梳理典型的VLSI设计流程，从需求定义、架构设计、逻辑设计（RTL）、综合、物理设计（布局与布线）到验证和流片。我们将详细讲解每个阶段的关键活动、面临的挑战以及常用的设计工具和方法。 逻辑设计与综合： 重点阐述如何将高层次的设计需求转化为可执行的逻辑电路，包括HDL（Hardware Description Language）的使用，如Verilog或VHDL，以及逻辑综合的目标和约束。读者将学习如何优化逻辑以满足性能、面积和功耗的要求。 物理设计： 这是VLSI设计中最具挑战性的环节之一。我们将深入讲解布局（Placement）、时钟树综合（CTS）、布线（Routing）等关键技术。分析在缩小尺寸下，互连线电阻、电容、串扰（Crosstalk）等寄生效应如何严重影响电路性能，以及如何通过先进的物理设计技术来缓解这些问题。我们将探讨静态时序分析（STA）的重要性，以及如何确保设计在不同工艺角和工作条件下都能满足时序要求。 功耗与可靠性设计： 随着集成度的不断提高，功耗和可靠性已成为VLSI设计的核心问题。本书将详细探讨动态功耗和静态功耗的来源，并介绍各种低功耗设计技术，如时钟门控（Clock Gating）、电源门控（Power Gating）、动态电压和频率调整（DVFS）等。同时，我们将分析集成电路可能面临的可靠性挑战，如电迁移（Electromigration）、应力相关的延迟变化（NBTI/PBTI）等，并介绍相关的设计和验证方法。 验证： 复杂VLSI芯片的正确性至关重要。我们将强调验证在整个设计流程中的关键作用，介绍功能验证、形式验证、时序验证和物理验证等多种验证方法。读者将了解如何构建有效的验证平台，编写激励，并使用仿真和形式化工具来确保设计的功能正确性和物理设计的合规性。 第三部分：先导技术与下一代器件 本部分将聚焦于推动CMOS技术继续前进的各种先导技术，特别是下一代晶体管结构和新型材料的应用。 FinFET及后FinFET器件： 我们将详细解析FinFET（Fin Field-Effect Transistor）的工作原理、结构优势以及它如何通过多栅控制有效抑制短沟道效应，实现更高的性能和更低的漏电流。在此基础上，本书将展望和讨论更先进的器件结构，如全栅（GAAFET，Gate-All-Around FET）等，分析其在进一步缩小尺寸、提升栅控制能力方面的潜力。 新材料与互连技术： 介绍在栅介质、沟道材料和互连线方面的新进展。例如，高迁移率材料（如III-V族材料）在沟道中的应用，以及新的低介电常数（Low-k）和超低介电常数（Ultra-Low-k）材料在减小互连线电容方面的作用。我们将探讨铜互连技术的演进，以及未来可能出现的纳米线（Nanoribbon）或碳纳米管（CNT）等新型互连方案。 先进封装技术： 随着摩尔定律的放缓，先进封装技术已成为延续集成电路性能提升的重要途径。本书将介绍2.5D和3D集成技术，如硅通孔（TSV，Through-Silicon Via）的应用，以及Chiplet（小芯片）技术的发展。分析这些技术如何实现多芯片的紧密集成，提高系统性能，减小封装尺寸，并为异构计算提供新的可能性。 第四部分：面向未来的VLSI设计趋势 本部分将展望VLSI设计在未来几个主要发展方向上的趋势和挑战。 超低功耗设计： 随着物联网、可穿戴设备和移动计算的普及，对超低功耗的需求日益增长。我们将深入探讨新兴的低功耗技术，包括亚阈值（Subthreshold）电路设计、能量收集技术与集成电路的设计协同，以及如何利用新兴材料和器件实现极致的能效比。 异构集成与系统级集成： 强调未来芯片设计将更多地走向异构集成，将不同功能（如CPU、GPU、AI加速器、射频模块等）的小芯片集成到一个封装中。本书将讨论这种集成方式带来的设计挑战，如接口设计、通信协议、热管理和验证的复杂性，以及先进封装如何支撑异构系统的实现。 AI与机器学习在IC设计中的应用： 探讨人工智能和机器学习技术如何在IC设计流程中发挥作用，例如在逻辑综合、布局布线、功耗优化和验证覆盖率提升等方面。分析AI驱动的设计（AIDD）的潜力，以及它如何加速设计周期，提高设计质量。 新兴应用领域的设计考量： 简要介绍面向人工智能硬件加速、自动驾驶、5G/6G通信、生物电子学等新兴应用领域的IC设计特殊需求和技术挑战，例如对高吞吐量、低延迟、高精度以及特殊安全性的要求。 本书特色： 本书的编写旨在为读者构建一个既有深度又有广度的VLSI设计知识体系。在理论讲解上，力求严谨准确，并通过详细的公式推导和原理分析，帮助读者深入理解技术背后的科学依据。在实践层面，本书通过丰富的图示、示意图和类比，将抽象的设计概念可视化，并结合对行业发展趋势的分析，使读者能够更好地把握当前和未来的技术脉搏。 本书适合集成电路设计领域的工程师、研究人员，以及对VLSI设计感兴趣的大学本科生和研究生。通过阅读本书，读者将能够： 深入理解CMOS技术的核心原理及其在现代电子产品中的地位。 掌握VLSI设计的完整流程，并认识到各个环节的关键挑战。 熟悉支撑CMOS技术发展的各种先导技术，特别是下一代器件结构和材料。 洞察未来VLSI设计的关键趋势和发展方向。 提升解决复杂集成电路设计问题的能力。 本书希望成为一本集理论深度、实践指导和前沿视野于一体的宝贵参考书，助力读者在快速发展的集成电路领域取得成功。

评分☆☆☆☆☆

我一直对芯片的“物理世界”充满好奇，这本书恰好满足了我对CMOS器件更深层次的探索欲望。书中对MOS晶体管的物理建模和仿真部分，虽然篇幅不多，但讲解得相当到位。它介绍了如何通过数学模型来描述晶体管的电流-电压特性，以及影响这些特性的各种物理参数，比如掺杂浓度、氧化层厚度等。我印象最深的是关于工艺变异（process variation）的讨论，书中的分析让我意识到，即使是相同的器件，在制造过程中也会存在微小的差异，而这些差异对最终的芯片性能会产生怎样的影响。它还涉及了一些关于可靠性设计的内容，比如如何预测和避免热电子效应、隧道效应等损伤。这些知识让我觉得，设计一个稳定可靠的芯片，远比想象中要复杂得多。这本书让我看到了，在工程师眼中，每一个晶体管都并非是简单的开关，而是承载着复杂的物理定律和设计考量。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我当初买这本书，更多是被“特大规模集成电路设计”这个副标题所吸引，我一直对如何在一个小小的芯片上集成亿万个晶体管感到好奇。这本书在这方面确实给出了相当详尽的解答。它并没有直接教你如何画版图或者写HDL代码，而是从更宏观的层面，讲解了在超大规模集成电路设计中所面临的挑战和相应的解决方案。我印象深刻的是关于时序分析和功耗优化的章节，书中的解释非常系统，从时钟树综合到低功耗设计方法，都进行了深入的探讨。它还谈到了设计中的可制造性问题，以及如何通过设计来降低芯片的制造成本和提高良率。书中对各种设计流和EDA工具的提及，虽然没有具体的操作教程，但足以让我对整个IC设计流程有一个大致的了解。我尤其喜欢它对一些经典的设计模式和架构的分析，这有助于我理解为什么许多现代的处理器和SoC会采用类似的设计。

评分☆☆☆☆☆

这本书对我而言，更像是一扇通往半导体技术前沿的窗户。虽然我不是直接从事CMOS器件研发的工程师，但我对新兴的半导体材料和技术趋势非常感兴趣。书中对CMOS之外的“其他先导技术”的介绍，让我看到了半导体产业的未来方向。它不仅仅局限于硅基CMOS，还对碳纳米管、二维材料（如石墨烯）等潜在的下一代晶体管材料进行了探讨，分析了它们在性能、功耗以及制造方面的优势和挑战。书中还提及了量子效应在未来器件中的应用前景，虽然这部分内容比较理论化，但极具启发性。它让我意识到，CMOS技术虽然成熟，但并非终点，半导体行业的创新一直在不断涌现。这本书为我提供了一个审视整个半导体技术发展脉络的视角，让我对未来的技术革新充满了期待。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计就透着一股严谨的学术气息，那种略带磨砂质感的纸张，加上清晰的字体，让人一眼就能感受到内容的深度。我本来是抱着学习CMOS基本原理的心态去翻阅的，毕竟在数字电路领域，CMOS技术的重要性不言而喻。从理论基础讲起，讲解得非常扎实，从MOSFET的结构、工作原理，到各种工艺流程中的关键步骤，都描绘得相当细致。我尤其欣赏它在解释复杂的晶体管特性时，那种循序渐进的方式，即便是一些初学者也能凭借清晰的图示和通俗的语言逐渐领会。它不仅仅是罗列公式和概念，更侧重于对这些原理的物理意义进行阐释，比如为什么会产生亚阈值区，阈值电压的偏移机理等等，这些都让我受益匪浅。书中还涉及了一些基础的版图设计和物理验证的概念，这对于理解芯片是如何从理论走向实际制造非常有帮助。它成功地搭建了从器件物理到电路设计的桥梁，让我对集成电路的“硬件”层面有了更全面的认识。虽然我只是初步涉猎，但这本书给我的感觉是，它能为深入研究CMOS技术打下坚实的基础，后续的学习也会更有方向感。

评分☆☆☆☆☆

这本书在我的书架上静静地躺了一段时间，直到最近我开始深入研究SOC（System on Chip）设计时，才真正打开了它。起初，我以为它只是一本介绍CMOS器件本身的专著，但翻阅之后才发现，它在“先导技术”这个方向的延伸更为惊艳。特别是关于先进的CMOS工艺节点，比如FinFET和GAAFET，书中的讲解让我对这些前沿技术有了更直观的理解。它没有停留在理论层面，而是深入到这些新结构是如何克服传统平面CMOS的短沟道效应，如何提高漏电流控制能力，以及它们在功耗和性能上的优势。我特别关注了书中关于互连线技术和封装技术的部分，这些往往是容易被忽视但对整体芯片性能至关重要的环节。讲解中穿插了不少实际案例和研究趋势的分析，比如如何通过材料创新来提升导电性，如何优化封装以解决散热问题，这些都让我看到了集成电路设计的广度和深度。这本书就像一个导览，指引我在复杂而快速发展的半导体领域，能够看到那些驱动创新的“幕后英雄”。