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

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

[美] 林圣圭，杨银堂，高海霞，吴晓鹏，董刚 著

图书标签:

• 三维集成电路
• 3D IC
• 高性能
• 低功耗
• 高可靠性
• 集成电路设计
• 电子工程
• VLSI
• 芯片设计
• 新兴技术

店铺： 悦读时代图书专营店

出版社： 国防工业出版社

ISBN：9787118113464

商品编码：29567887316

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

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

---

深入解析下一代计算核心：三维集成电路设计中的性能、功耗与可靠性 在日新月异的科技浪潮中，计算能力的需求呈指数级增长，而传统的二维集成电路（IC）正面临着物理极限的严峻挑战。摩尔定律的放缓，以及散热、功耗和信号延迟等瓶颈的出现，迫使业界和学术界将目光投向了革命性的三维集成电路（3D IC）技术。本书将深入探讨三维集成电路设计这一前沿领域，聚焦于其实现高性能、低功耗和高可靠性的关键技术与方法。我们将摒弃对现有二维技术泛泛而谈的介绍，而是直击3D IC设计的核心难点，并提供一套系统性的解决方案。 第一部分：三维集成电路设计的宏伟蓝图与核心优势 本部分将首先为读者勾勒出3D IC设计的全景图，阐述其相较于传统2D IC的颠覆性优势。我们将不只是简单列举“面积缩小”、“互连缩短”等概念，而是深入剖析这些优势背后的物理原理和工程意义。 性能飞跃的引擎： 3D IC通过垂直堆叠多个功能层，极大地缩短了层与层之间的互连线长度。这直接导致了寄生电容和电阻的显著降低，从而消除了信号传播延迟，实现了前所未有的数据吞吐量和计算速度。我们将详细分析互连延迟如何成为2D IC设计的瓶颈，以及3D IC如何通过“三维互连”这一利器打破这一限制。具体而言，我们将探讨不同类型的垂直互连技术（如TSV - Through-Silicon Via，微凸点等）的性能指标，以及它们对整体芯片性能的影响。同时，我们还将研究如何通过优化的堆叠结构和层间连接策略，最大化性能增益，例如，在同一封装内实现CPU与GPU、或者CPU与内存的紧密集成，从而构建高性能异构计算平台。 能效革命的基石： 传统2D IC在高性能运作时往往伴随着巨大的功耗，散热问题也日益严峻。3D IC凭借其缩短的互连距离，显著降低了信号传输所需的能量。此外，通过将功能模块垂直整合，可以实现更精细的功耗管理和局部优化。本部分将不拘泥于“低功耗”的笼统说法，而是细致分解3D IC在能耗降低方面的具体机制。我们将重点分析互连功耗的降低对整体芯片能效的贡献，并探讨如何通过更高效的电源分配网络（PDN）设计、低功耗逻辑单元集成以及动态电压频率调整（DVFS）等技术，进一步压榨3D IC的能耗潜力。例如，针对特定计算任务，我们将演示如何通过将低功耗存储器堆叠在逻辑层之上，实现更快的访问速度和更低的待机功耗。 可靠性保障的新维度： 芯片可靠性是所有电子产品稳定运行的生命线。3D IC的设计和制造引入了新的可靠性挑战，但同时也为提升可靠性提供了新的机遇。本部分将超越对“更可靠”的表述，深入挖掘3D IC在可靠性方面的独特优势与需要攻克的难关。我们将详细研究热应力、机械应力、TSV击穿、以及层间封装缺陷等可能影响3D IC可靠性的关键因素，并提出相应的解决方案。例如，我们将探讨通过先进的散热设计，如微流道冷却集成，来缓解垂直堆叠带来的热量积聚问题；分析如何优化TSV的制造工艺，提高其机械强度和导电稳定性；研究层间互连的可靠性评估和设计方法，确保数据传输的准确无误。 第二部分：构建高性能3D IC的关键设计技术 本部分将聚焦于实现高性能3D IC设计的核心技术，提供一套实操性的设计框架和方法论。我们将避免冗长的理论推导，而是强调工程实践和实际应用。 先进的堆叠与互连策略： 3D IC设计的核心在于如何高效地将多个功能层进行垂直堆叠和互连。本部分将详细介绍目前主流的3D IC堆叠技术，包括2.5D（通过中介层连接）和纯3D（直接TSV连接）的特点、优势和局限性。我们将深入分析不同TSV类型的电学和热学特性，以及它们对信号完整性的影响。此外，我们还将探讨微凸点、侧向互连等替代或补充性的互连技术，并研究如何根据不同的应用场景选择最优的互连方案。例如，我们将展示如何为高性能计算设计一个CPU-GPU堆叠方案，并给出具体的TSV布局和布线优化建议。 高效的功耗管理与散热设计： 性能的提升必然伴随着功耗的增加，尤其是在密集堆叠的3D IC中。本部分将深入阐述针对3D IC的先进功耗管理技术。我们将不只是介绍功率门控，而是详细分析如何通过多层次、细粒度的动态功耗管理策略，以及基于应用的自适应功耗优化，最大限度地降低能耗。同时，散热问题在3D IC中尤为突出，我们将详细研究各种3D IC散热技术，包括被动散热（如散热片、热管）和主动散热（如微流道冷却、热电制冷器），并分析它们的适用性。我们将提出一套系统性的热阻分析方法，并演示如何通过设计优化来降低芯片的温度梯度，避免热点效应。 高密度互连与布线优化： 3D IC的性能优势很大程度上依赖于其高密度的垂直互连。本部分将重点关注3D IC布线设计的挑战与解决方案。我们将深入探讨TSV的布局、尺寸和间距对布线密度、信号完整性和可靠性的影响。我们将介绍专门为3D IC设计的布线算法和工具，以及如何优化多层布线，避免拥塞和信号串扰。例如，我们将分析如何利用3D布线工具，实现CPU和内存之间的高带宽、低延迟连接。 第三部分：保障3D IC可靠性的关键考量与实践 本部分将聚焦于3D IC设计中至关重要的可靠性问题，提供一套全面的可靠性分析和设计方法。我们将避免模糊的“可靠性”概念，而是针对性地解决3D IC特有的可靠性挑战。 热应力与机械应力分析： 垂直堆叠的芯片层之间存在显著的温度梯度，这会导致不同材料之间产生热应力。同时，TSV的制造和封装过程也会引入机械应力。本部分将详细介绍有限元分析（FEA）等方法，用于精确预测和量化这些应力。我们将探讨如何通过材料选择、结构设计和应力缓释技术，来减缓或消除这些应力对芯片可靠性的影响。例如，我们将研究如何选择具有相近热膨胀系数的材料，以减小层间温差带来的应力。 TSV可靠性与失效模式： TSV是3D IC的关键互连技术，但其可靠性也是一大挑战。本部分将深入分析TSV的各种失效模式，包括侧壁腐蚀、底部空洞、电迁移、以及绝缘击穿等。我们将探讨如何通过优化TSV的制造工艺（如阳极氧化、沉积工艺）和材料选择，来提高其抗击这些失效模式的能力。同时，我们将研究TSV的可靠性测试和加速寿命测试方法。 层间互连与封装可靠性： 3D IC的层间互连（如微凸点、再布线层RDL）以及封装（如晶圆级封装WLP、多芯片模块MCM）是影响整体可靠性的关键环节。本部分将深入分析这些连接点的可靠性问题，包括焊点疲劳、界面失效、以及封装材料的可靠性。我们将提出针对性的设计和制造策略，以确保层间连接的长期稳定性和数据传输的可靠性。例如，我们将探讨如何通过选择合适的焊料材料和优化回流焊接工艺，来提高微凸点的可靠性。 集成设计与验证的可靠性考量： 3D IC的设计流程与2D IC存在显著差异，可靠性分析需要贯穿于整个设计周期。本部分将深入探讨如何将可靠性设计与功能设计相结合，以及如何利用先进的EDA工具进行3D IC的可靠性仿真和验证。我们将介绍基于模型检查（Model Checking）和形式化验证（Formal Verification）等技术，用于验证3D IC设计中的可靠性属性。 结论： 本书旨在为从事3D IC设计、研发和应用的工程师、研究人员以及学生提供一本全面、深入、实用的参考指南。我们坚信，通过对高性能、低功耗和高可靠性这三大核心要素的深入剖析和系统性讲解，本书将助力读者在这一充满挑战与机遇的前沿领域取得突破，共同推动下一代计算技术的革新。我们不预设读者已掌握所有3D IC的基础知识，而是从核心概念出发，层层递进，用清晰的逻辑和翔实的论证，引领读者遨游于三维集成电路设计的精彩世界。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计非常吸引人，封面采用了深邃的蓝色调，搭配着简洁有力的白色字体，给人一种科技感和专业性并存的感觉。内页的纸张质量也相当不错，触感温润，即便是长时间阅读也不会感到刺眼。我尤其欣赏作者在排版上的用心，图文并茂，许多复杂的电路图和系统架构图都清晰明了，即使是对这个领域了解不深的读者，也能通过这些直观的视觉辅助快速抓住核心概念。这本书的目录结构编排得极为合理，从基础的材料科学讲起，逐步深入到先进的封装技术和系统级优化，逻辑链条非常完整，让人感觉这是一本循序渐进、结构严谨的教科书。它不仅仅是一本技术手册，更像是一份带领我们探索未来集成电路发展方向的路线图，让人对后续的内容充满了期待。初翻几页，就已经被其对前沿技术的深刻洞察力所折服，可见作者在学术研究上的功底深厚，这不是一本随随便便就能写出来的书。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，这本书的深度和广度都超出了我最初的预期。当我翻到关于先进封装技术（如TSV和2.5D/3D堆叠）与系统级验证的章节时，我意识到这已经不仅仅是一本关于传统“电路设计”的书了，它完全可以被视为“未来计算系统构建”的蓝图。作者对热管理和电源分配网络（PDN）的详细分析，特别是针对三维结构带来的热点效应和噪声耦合问题的解决方案，展现出极高的前瞻性。这本书对当前行业面临的“摩尔定律放缓”困境给出了切实可行的出路——即通过结构创新来弥补工艺进步的不足。这本书的阅读体验是需要投入精力的，但所获得的回报是巨大的，它为我未来的研究方向和职业规划提供了坚实的理论基础和创新的灵感源泉，绝对是工具书中的瑰宝。

评分☆☆☆☆☆

这本书最让我感到震撼的是它对于“可靠性”这一维度所给予的重视程度。在当前追求极致性能和低功耗的浪潮下，很多设计往往会牺牲一部分长期稳定性。然而，这本书花了大量的篇幅来探讨温度梯度、电迁移、以及ESD防护等关键议题，并提供了多套成熟的验证流程和设计冗余策略。我发现其中关于老化效应建模的部分，其精度和实用性远超我以往接触到的任何资料。它强迫我重新审视了设计目标，认识到在一个复杂的系统中，任何一个微小的缺陷都可能导致灾难性的后果。这本书不仅仅是在教我如何“做”芯片，更是在引导我思考如何“长久地、安全地”运行芯片，这是一种更高层次的工程智慧的体现，让人深思。

评分☆☆☆☆☆

这本书的语言风格非常务实，没有过多华丽的辞藻，直奔主题，但措辞精准、逻辑严密。阅读过程中，我能明显感受到作者在力求用最简洁的方式表达最复杂的概念。例如，在介绍新型互连技术对延迟和串扰的影响时，作者没有采用晦涩难懂的数学推导，而是通过生动的类比和工程实践中的案例来阐述其物理本质，这对于初入行的工程师来说，无疑是极大的福音。书中引用的参考文献列表也极具参考价值，涵盖了近几年的顶会论文和重要的行业标准，显示出作者紧跟业界最新动态的严谨态度。这本书更像是一位经验丰富的前辈，手把手地带领你走过设计中的每一个“陷阱”，在你即将迷茫时及时点拨，这种亦师亦友的阅读体验，是许多纯理论书籍无法给予的。

评分☆☆☆☆☆

我读了不少关于半导体和IC设计的书籍，但大多都停留在理论的阐述或者单一环节的深入挖掘上。而这本书的宏大视野和跨学科的融合能力，着实让人耳目一新。它巧妙地将微观的器件特性与宏观的系统性能紧密结合起来，讨论的不仅仅是如何优化单个晶体管的性能，而是如何在一块小小的芯片上实现整体效率的最大化。书中对功耗管理的探讨尤为细致，涉及到了从时钟树的动态调控到低压差设计的方方面面，每一个论述都有详实的数据和仿真结果作为支撑，这使得书中的观点具有极强的说服力。我感觉作者像是站在了一个极高的高度俯瞰整个集成电路生态，然后才提笔撰写这本书，这种全景式的视角，对于希望成为系统架构师的工程师来说，价值是无可估量的。它教会我的，是如何跳出“点”的思维，用“面”和“体”的结构去思考设计挑战。