高性能，低功耗，高可靠三維集成電路設計 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
• 3D IC
• 高性能
• 低功耗
• 高可靠性
• 集成電路設計
• 電子工程
• VLSI
• 芯片設計
• 新興技術

店鋪： 悅讀時代圖書專營店

齣版社： 國防工業齣版社

ISBN：9787118113464

商品編碼：29567887316

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

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

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內容提要

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《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

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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

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文摘

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序言

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深入解析下一代計算核心：三維集成電路設計中的性能、功耗與可靠性 在日新月異的科技浪潮中，計算能力的需求呈指數級增長，而傳統的二維集成電路（IC）正麵臨著物理極限的嚴峻挑戰。摩爾定律的放緩，以及散熱、功耗和信號延遲等瓶頸的齣現，迫使業界和學術界將目光投嚮瞭革命性的三維集成電路（3D IC）技術。本書將深入探討三維集成電路設計這一前沿領域，聚焦於其實現高性能、低功耗和高可靠性的關鍵技術與方法。我們將摒棄對現有二維技術泛泛而談的介紹，而是直擊3D IC設計的核心難點，並提供一套係統性的解決方案。 第一部分：三維集成電路設計的宏偉藍圖與核心優勢 本部分將首先為讀者勾勒齣3D IC設計的全景圖，闡述其相較於傳統2D IC的顛覆性優勢。我們將不隻是簡單列舉“麵積縮小”、“互連縮短”等概念，而是深入剖析這些優勢背後的物理原理和工程意義。 性能飛躍的引擎： 3D IC通過垂直堆疊多個功能層，極大地縮短瞭層與層之間的互連綫長度。這直接導緻瞭寄生電容和電阻的顯著降低，從而消除瞭信號傳播延遲，實現瞭前所未有的數據吞吐量和計算速度。我們將詳細分析互連延遲如何成為2D IC設計的瓶頸，以及3D IC如何通過“三維互連”這一利器打破這一限製。具體而言，我們將探討不同類型的垂直互連技術（如TSV - Through-Silicon Via，微凸點等）的性能指標，以及它們對整體芯片性能的影響。同時，我們還將研究如何通過優化的堆疊結構和層間連接策略，最大化性能增益，例如，在同一封裝內實現CPU與GPU、或者CPU與內存的緊密集成，從而構建高性能異構計算平颱。 能效革命的基石： 傳統2D IC在高性能運作時往往伴隨著巨大的功耗，散熱問題也日益嚴峻。3D IC憑藉其縮短的互連距離，顯著降低瞭信號傳輸所需的能量。此外，通過將功能模塊垂直整閤，可以實現更精細的功耗管理和局部優化。本部分將不拘泥於“低功耗”的籠統說法，而是細緻分解3D IC在能耗降低方麵的具體機製。我們將重點分析互連功耗的降低對整體芯片能效的貢獻，並探討如何通過更高效的電源分配網絡（PDN）設計、低功耗邏輯單元集成以及動態電壓頻率調整（DVFS）等技術，進一步壓榨3D IC的能耗潛力。例如，針對特定計算任務，我們將演示如何通過將低功耗存儲器堆疊在邏輯層之上，實現更快的訪問速度和更低的待機功耗。 可靠性保障的新維度： 芯片可靠性是所有電子産品穩定運行的生命綫。3D IC的設計和製造引入瞭新的可靠性挑戰，但同時也為提升可靠性提供瞭新的機遇。本部分將超越對“更可靠”的錶述，深入挖掘3D IC在可靠性方麵的獨特優勢與需要攻剋的難關。我們將詳細研究熱應力、機械應力、TSV擊穿、以及層間封裝缺陷等可能影響3D IC可靠性的關鍵因素，並提齣相應的解決方案。例如，我們將探討通過先進的散熱設計，如微流道冷卻集成，來緩解垂直堆疊帶來的熱量積聚問題；分析如何優化TSV的製造工藝，提高其機械強度和導電穩定性；研究層間互連的可靠性評估和設計方法，確保數據傳輸的準確無誤。 第二部分：構建高性能3D IC的關鍵設計技術 本部分將聚焦於實現高性能3D IC設計的核心技術，提供一套實操性的設計框架和方法論。我們將避免冗長的理論推導，而是強調工程實踐和實際應用。 先進的堆疊與互連策略： 3D IC設計的核心在於如何高效地將多個功能層進行垂直堆疊和互連。本部分將詳細介紹目前主流的3D IC堆疊技術，包括2.5D（通過中介層連接）和純3D（直接TSV連接）的特點、優勢和局限性。我們將深入分析不同TSV類型的電學和熱學特性，以及它們對信號完整性的影響。此外，我們還將探討微凸點、側嚮互連等替代或補充性的互連技術，並研究如何根據不同的應用場景選擇最優的互連方案。例如，我們將展示如何為高性能計算設計一個CPU-GPU堆疊方案，並給齣具體的TSV布局和布綫優化建議。 高效的功耗管理與散熱設計： 性能的提升必然伴隨著功耗的增加，尤其是在密集堆疊的3D IC中。本部分將深入闡述針對3D IC的先進功耗管理技術。我們將不隻是介紹功率門控，而是詳細分析如何通過多層次、細粒度的動態功耗管理策略，以及基於應用的自適應功耗優化，最大限度地降低能耗。同時，散熱問題在3D IC中尤為突齣，我們將詳細研究各種3D IC散熱技術，包括被動散熱（如散熱片、熱管）和主動散熱（如微流道冷卻、熱電製冷器），並分析它們的適用性。我們將提齣一套係統性的熱阻分析方法，並演示如何通過設計優化來降低芯片的溫度梯度，避免熱點效應。 高密度互連與布綫優化： 3D IC的性能優勢很大程度上依賴於其高密度的垂直互連。本部分將重點關注3D IC布綫設計的挑戰與解決方案。我們將深入探討TSV的布局、尺寸和間距對布綫密度、信號完整性和可靠性的影響。我們將介紹專門為3D IC設計的布綫算法和工具，以及如何優化多層布綫，避免擁塞和信號串擾。例如，我們將分析如何利用3D布綫工具，實現CPU和內存之間的高帶寬、低延遲連接。 第三部分：保障3D IC可靠性的關鍵考量與實踐 本部分將聚焦於3D IC設計中至關重要的可靠性問題，提供一套全麵的可靠性分析和設計方法。我們將避免模糊的“可靠性”概念，而是針對性地解決3D IC特有的可靠性挑戰。 熱應力與機械應力分析： 垂直堆疊的芯片層之間存在顯著的溫度梯度，這會導緻不同材料之間産生熱應力。同時，TSV的製造和封裝過程也會引入機械應力。本部分將詳細介紹有限元分析（FEA）等方法，用於精確預測和量化這些應力。我們將探討如何通過材料選擇、結構設計和應力緩釋技術，來減緩或消除這些應力對芯片可靠性的影響。例如，我們將研究如何選擇具有相近熱膨脹係數的材料，以減小層間溫差帶來的應力。 TSV可靠性與失效模式： TSV是3D IC的關鍵互連技術，但其可靠性也是一大挑戰。本部分將深入分析TSV的各種失效模式，包括側壁腐蝕、底部空洞、電遷移、以及絕緣擊穿等。我們將探討如何通過優化TSV的製造工藝（如陽極氧化、沉積工藝）和材料選擇，來提高其抗擊這些失效模式的能力。同時，我們將研究TSV的可靠性測試和加速壽命測試方法。 層間互連與封裝可靠性： 3D IC的層間互連（如微凸點、再布綫層RDL）以及封裝（如晶圓級封裝WLP、多芯片模塊MCM）是影響整體可靠性的關鍵環節。本部分將深入分析這些連接點的可靠性問題，包括焊點疲勞、界麵失效、以及封裝材料的可靠性。我們將提齣針對性的設計和製造策略，以確保層間連接的長期穩定性和數據傳輸的可靠性。例如，我們將探討如何通過選擇閤適的焊料材料和優化迴流焊接工藝，來提高微凸點的可靠性。 集成設計與驗證的可靠性考量： 3D IC的設計流程與2D IC存在顯著差異，可靠性分析需要貫穿於整個設計周期。本部分將深入探討如何將可靠性設計與功能設計相結閤，以及如何利用先進的EDA工具進行3D IC的可靠性仿真和驗證。我們將介紹基於模型檢查（Model Checking）和形式化驗證（Formal Verification）等技術，用於驗證3D IC設計中的可靠性屬性。 結論： 本書旨在為從事3D IC設計、研發和應用的工程師、研究人員以及學生提供一本全麵、深入、實用的參考指南。我們堅信，通過對高性能、低功耗和高可靠性這三大核心要素的深入剖析和係統性講解，本書將助力讀者在這一充滿挑戰與機遇的前沿領域取得突破，共同推動下一代計算技術的革新。我們不預設讀者已掌握所有3D IC的基礎知識，而是從核心概念齣發，層層遞進，用清晰的邏輯和翔實的論證，引領讀者遨遊於三維集成電路設計的精彩世界。

評分☆☆☆☆☆

坦白說，這本書的深度和廣度都超齣瞭我最初的預期。當我翻到關於先進封裝技術（如TSV和2.5D/3D堆疊）與係統級驗證的章節時，我意識到這已經不僅僅是一本關於傳統“電路設計”的書瞭，它完全可以被視為“未來計算係統構建”的藍圖。作者對熱管理和電源分配網絡（PDN）的詳細分析，特彆是針對三維結構帶來的熱點效應和噪聲耦閤問題的解決方案，展現齣極高的前瞻性。這本書對當前行業麵臨的“摩爾定律放緩”睏境給齣瞭切實可行的齣路——即通過結構創新來彌補工藝進步的不足。這本書的閱讀體驗是需要投入精力的，但所獲得的迴報是巨大的，它為我未來的研究方嚮和職業規劃提供瞭堅實的理論基礎和創新的靈感源泉，絕對是工具書中的瑰寶。

評分☆☆☆☆☆

這本書最讓我感到震撼的是它對於“可靠性”這一維度所給予的重視程度。在當前追求極緻性能和低功耗的浪潮下，很多設計往往會犧牲一部分長期穩定性。然而，這本書花瞭大量的篇幅來探討溫度梯度、電遷移、以及ESD防護等關鍵議題，並提供瞭多套成熟的驗證流程和設計冗餘策略。我發現其中關於老化效應建模的部分，其精度和實用性遠超我以往接觸到的任何資料。它強迫我重新審視瞭設計目標，認識到在一個復雜的係統中，任何一個微小的缺陷都可能導緻災難性的後果。這本書不僅僅是在教我如何“做”芯片，更是在引導我思考如何“長久地、安全地”運行芯片，這是一種更高層次的工程智慧的體現，讓人深思。

評分☆☆☆☆☆

這本書的語言風格非常務實，沒有過多華麗的辭藻，直奔主題，但措辭精準、邏輯嚴密。閱讀過程中，我能明顯感受到作者在力求用最簡潔的方式錶達最復雜的概念。例如，在介紹新型互連技術對延遲和串擾的影響時，作者沒有采用晦澀難懂的數學推導，而是通過生動的類比和工程實踐中的案例來闡述其物理本質，這對於初入行的工程師來說，無疑是極大的福音。書中引用的參考文獻列錶也極具參考價值，涵蓋瞭近幾年的頂會論文和重要的行業標準，顯示齣作者緊跟業界最新動態的嚴謹態度。這本書更像是一位經驗豐富的前輩，手把手地帶領你走過設計中的每一個“陷阱”，在你即將迷茫時及時點撥，這種亦師亦友的閱讀體驗，是許多純理論書籍無法給予的。

評分☆☆☆☆☆

這本書的裝幀設計非常吸引人，封麵采用瞭深邃的藍色調，搭配著簡潔有力的白色字體，給人一種科技感和專業性並存的感覺。內頁的紙張質量也相當不錯，觸感溫潤，即便是長時間閱讀也不會感到刺眼。我尤其欣賞作者在排版上的用心，圖文並茂，許多復雜的電路圖和係統架構圖都清晰明瞭，即使是對這個領域瞭解不深的讀者，也能通過這些直觀的視覺輔助快速抓住核心概念。這本書的目錄結構編排得極為閤理，從基礎的材料科學講起，逐步深入到先進的封裝技術和係統級優化，邏輯鏈條非常完整，讓人感覺這是一本循序漸進、結構嚴謹的教科書。它不僅僅是一本技術手冊，更像是一份帶領我們探索未來集成電路發展方嚮的路綫圖，讓人對後續的內容充滿瞭期待。初翻幾頁，就已經被其對前沿技術的深刻洞察力所摺服，可見作者在學術研究上的功底深厚，這不是一本隨隨便便就能寫齣來的書。

評分☆☆☆☆☆

我讀瞭不少關於半導體和IC設計的書籍，但大多都停留在理論的闡述或者單一環節的深入挖掘上。而這本書的宏大視野和跨學科的融閤能力，著實讓人耳目一新。它巧妙地將微觀的器件特性與宏觀的係統性能緊密結閤起來，討論的不僅僅是如何優化單個晶體管的性能，而是如何在一塊小小的芯片上實現整體效率的最大化。書中對功耗管理的探討尤為細緻，涉及到瞭從時鍾樹的動態調控到低壓差設計的方方麵麵，每一個論述都有詳實的數據和仿真結果作為支撐，這使得書中的觀點具有極強的說服力。我感覺作者像是站在瞭一個極高的高度俯瞰整個集成電路生態，然後纔提筆撰寫這本書，這種全景式的視角，對於希望成為係統架構師的工程師來說，價值是無可估量的。它教會我的，是如何跳齣“點”的思維，用“麵”和“體”的結構去思考設計挑戰。