数字集成电路容错设计：容缺陷/故障、容参数偏差、容软错误 李晓维 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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李晓维 著

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• 李晓维

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030305763

商品编码：29658879934

包装：精装

出版时间：2011-04-01

基本信息

书名：数字集成电路容错设计：容缺陷/故障、容参数偏差、容软错误

定价：68.00元

作者：李晓维

出版社：科学出版社

出版日期：2011-04-01

ISBN：9787030305763

字数：

页码：

版次：1

装帧：精装

开本：16开

商品重量：0.922kg

编辑推荐

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内容提要

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《数字集成电路容错设计--容缺陷故障、容参数偏差、容软错误》主要内容涉及数字集成电路容错设计的三个主要方面：容缺陷(和故障)、容参数偏差以及容软错误；包括3s技术(自测试、自诊断、自修复)的基本原理。从嵌入式存储、多核处理器和片上网络三个方面论述了缺陷(故障)容忍方法；从参数偏差容忍的角度，论述了抗老化设计和参数偏差容忍设计方法；从处理器和片上网络两个层次论述了软错误容忍方法；并以国产具有自修复功能的单核及多核处理器为例介绍了相关成果的应用。《数字集成电路容错设计--容缺陷故障、容参数偏差、容软错误》的特点是兼具先进性和实用性，系统性强，体系新颖。
　　《数字集成电路容错设计--容缺陷故障、容参数偏差、容软错误》适合于从事集成电路(与系统)容错设计方向学术研究，以及集成电路kda工具开发和应用的科技人员参考；也可用作集成电路与半导体专业的高等院校教师、研究生和高年级本科生的教学参考书。

目录

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foreword
前言

章 绪论
1.1 数字集成系统容错设计简介
1.1.1 数字集成电路设计的可靠性挑战
1.1.2 数字集成电路的3s和3t可靠性设计框架
1.2 数字集成系统容错设计的关键问题
1.2.1 缺陷容忍
1.2.2 偏差容忍
1.2.3软错误容忍
1.3 章节组织结构
参考文献

第2章 嵌入式存储器的容缺陷设计
2.1 嵌入式存储器的容缺陷设计
2.1.1 缺陷与故障模型
2.1.2 嵌入式存储器的自测试方法
2.1.3 嵌入式存储器的自诊断方法
2.1.4 嵌入式存储器的自修复方法
2.2 利用内容可寻址技术的嵌入式存储器容缺陷设训
2.2.1 相关研究工作
2.2.2冗余资源结构
2.2.3 自测试自诊断和自修复方法
2.2.4 实验结果及其分析
2.3 小结
参考文献

第3章 多核处理器的容缺陷设计
3.1 多核处理器的核级冗余
3.1.1 核级冗余与微体系结构级冗余
3.1.2 核级冗余的降级模式与冗余模式
3.1.3 冗余模式对多核处理器系统的影响
3.2 冗余模式下多核处理器的拓扑重构
3.2.1 拓扑重构的量化评估方法
3.2.2 二维mesh结构的重构问题
3.2.3 问题复杂度分析
3.3 多核处理器的拓扑重构优化算法
3.3.1 直接的算法——模拟退火
3.3.2 一种贪心算法——行波列借算法
3.3.3 行波列借制导的模拟退火算法
3.3.4算法性能分析
3.4 多核处理器的测试与故障诊断
3.5 小结
参考文献

第4章 片上网络路由器容错设计
4.1 片上网络路由器容错设计概述
4.1.1 片上路由器容错设计的关键问题
4.1.2 典型容错路由器结构
4.2 切片路由器
4.2.1 数据通路的切片复用
4.2.2 切片复用微体系结构
4.2.3 切片路由器的工作模式
4.2.4 路由器间的故障关联
4.2.5 切片路由器扩展
4.3 切片路由器的性能开销分析
4.3.1 可靠性参数设计与分析
4.3.2 总体评估
4.4 片上网络路由器的故障检测和诊断方法
4.5 小结
参考文献

第5章 片上网络容错路由
5.1 容错路由算法分类
5.2 死锁避免方法
5.2.1 dally和seitz理论
5.2.2 duato理论
5.2.3 转向模型
5.3 故障模型
5.3.1 凸区域模型
5.3.2 正交凸区域模型
5.4典型算法分析
5.4.1 boppana和chalasani算法
5.4.2 低成本可重构路由算法
5.5 小结
参考文献

第6章 数字电路的复合故障诊断方法
6.1 复合故障诊断方法
6.1.1 扫描设计与故障模型
6.1.2 复合故障诊断方法
6.2 基于可诊断性螺旋扫描设计的故障诊断方法
6.2.1 可诊断性设计方法
6.2.2 基于螺旋扫描设计的故障诊断
6.2.3 实验结果及其分析
6.3 基于确定性诊断向量生成的复合故障诊断方法
6.3.1 面向复合故障的扫描链故障诊断方法
6.3.2 面向复合故障的组合逻辑故障诊断方法
6.4 小结
参考文献

第7章 处理芯片的抗老化设计
7.1 老化机理与生命期可靠性建模
7.1.1 两类老化机理简述
7.1.2 生命期可靠性建模——“浴盆曲线”
7.2 老化的在线感知
7.2.1 老化感知原理
7.2.2 电路实现
7.3 老化容忍的微结构设计
7.3.1 基于冗余重构设计
7.3.2 基于电路状态控制的设计
7.3.3 基于时序动态优化设计
7.4老化的预测
7.4.1 老化预测框架
7.4.2 识别关键路径和关键门
7.4.3 大电路老化预测模型
7.4.4 实验结果及其分析
7.5 小结
参考文献

第8章 多核处理器容参数偏差设计
8.1 参数偏差的分类
8.1.1 工艺偏差
8.1.2 电压波动
8.1.3 温度波动
8.2 针对不同类型参数偏差的优化技术
8.2.1 工艺偏差的优化
8.2.2 电压波动的优化
8.2.3 温度波动的优化
8.3 参数偏差的协同优化技术
8.3.1 pvt偏差对时序偏差的影响
8.3.2 偏差强度的频域分析
8.3.3 时域的解释
8.4 tea方法的可行性分析
8.4.1 实现技术难点
8.4.2 已具备的基础条件
8.5 实施方案
8.5.1 即时推测各个偏差分量强度
8.5.2 非显式依赖v分量的即时迁移决策
8.5.3 即时偏差程度预测
8.5.4 硬件开销
8.6 方案有效性评估
8.6.1 处理器核的配置参数和工作负载
8.6.2 供电网络模型
8.6.3 pvt偏差与电路时延的关系
8.6.4其他参数定义
8.6.5 评估指标
8.6.6 实验结果及其分析
8.7 小结
参考文献

第9章 处理器的容软错误设计
9.1 冗余执行层次
9.1.1 数据级冗余执行
9.1.2指令级冗余执行
9.1.3线程级冗余执行
9.1.4 进程级冗余执行
9.2 利用数据级冗余执行的软错误检测与恢复
9.2.1 数据级冗余执行的条件
9.2.2 数据级冗余执行的微结构设计
9.2.3 结合指令复制的软错误检测机制
9.2.4 基于检查点的软错误恢复技术
9.2.5 实验结果及其分析
9.3 冗余线程的调度和分配
9.3.1 核间性能不对称的多核处理器上的线程冗余
9.3.2 冗余线程的调度算法
9.3.3算法性能分析
9.4 小结
参考文献

0章 片上网络容软错误通信方法
10.1 片上通信的差错控制方法
10.1.1 基于检错纠错的请求重传机制
10.1.2 无重传的通信机制
10.2 数据包分级保护方法
10.2.1数据包分析
10.2.2 分级保护策略
10.2.3性能效率分析
10.3 带有端到端反馈的容软错误通信方法
10.3.1 一种带反馈的容错路由算法
10.3.2 三种容软错误通信算法比较
10.3.3 带有端到端反馈容错方法总结
10.4 小结
参考文献

1章 微体系结构级可靠性评估方法
11.1 微体系结构级可靠性评估方法
11.1.1 背景知识
11.1.2 体系结构脆弱因子计算
11.1.3 分析比较
11.2 体系结构脆弱因子离线评估
11.2.1 软错误故障注入分析
11.2.2 故障注入流程
11.2.3 实验结果及其分析
11.3 体系结构脆弱因子在线评估
11.3.1 整体框图设计
11.3.2 体系结构脆弱因子在线计算
11.3.3 体系结构脆弱因子预测算法
11.3.4 实验结果及其分析
11.4 间歇故障脆弱因子评估
11.4.1 研究背景及动机
11.4.2 间歇故障脆弱因子计算方法
11.4.3 实验结果及其分析
11.5 小结
参考文献

2章 处理器芯片的容错设计实例
12.1 自修复处理器
12.1.1 自修复处理器设计背景及意义
12.1.2 自修复处理器芯片的结构设计
12.1.3 自修复处理器在wsn中的应用
12.2 godson-t众核处理器容错设计
12.2.1 godson-t体系结构
12.2.2 片上网络和基准程序性能分析
12.3 小结
参考文献

3章 总结与展望
13.1 总结
13.2 展望

参考文献
索引

作者介绍

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文摘

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序言

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《数字集成电路容错设计：容缺陷/故障、容参数偏差、容软错误》 内容简介 数字集成电路（Integrated Circuit, IC）是现代电子设备的核心，其可靠性直接关系到系统的正常运行甚至生命安全。随着集成电路制造工艺的不断进步，器件尺寸日益缩小，集成度不断提高，但与此同时，各种潜在的失效机制也愈发严峻。这些失效机制大致可以归为三类：硬件的永久性缺陷/故障、工艺或工作条件变化导致的参数偏差，以及由辐射等外部因素引起的瞬时软错误。这些失效都会导致电路的功能异常，轻则性能下降，重则系统崩溃，给航空航天、医疗器械、汽车电子、通信基站等高可靠性应用领域带来了巨大的挑战。 本书深入探讨了数字集成电路的容错设计技术，旨在为读者提供一套系统、全面的理论指导和实践方法，以应对上述各类失效。全书围绕“容错”这一核心概念展开，从失效机理分析入手，逐步深入到各种先进的容错设计策略和实现技术。 第一部分：失效机理与挑战 在介绍容错设计之前，我们首先需要清晰地认识到集成电路可能面临的失效源。本部分将详细阐述各类失效的产生原因、表现形式以及对电路功能的影响。 硬件缺陷与故障： 这一部分将深入剖析集成电路制造过程中可能产生的各种永久性缺陷，例如光刻误差、刻蚀过度或不足、材料沉积不均、金属层断裂或短路等。这些缺陷可能导致晶体管的阈值电压偏移、漏电流增大、导通电阻升高，甚至完全失效。我们将讨论这些物理缺陷如何转化为逻辑层面的故障，例如短路故障（stuck-at-fault）和桥接故障（bridging-fault）。此外，还会介绍因老化、热应力、电迁移等导致的器件性能衰减以及最终的永久性故障。 参数偏差： 现代集成电路的设计依赖于精确的参数模型。然而，在实际生产和工作过程中，晶体管的尺寸、掺杂浓度、栅氧化层厚度等关键参数会受到制造工艺波动（如光刻、刻蚀、扩散等过程的非均匀性）和工作环境变化（如温度、电压、负载等）的影响，导致实际参数与设计值产生偏差。这种偏差可能引发逻辑时序问题（如建立时间/保持时间违例）、电平不匹配、驱动能力不足等。本部分将分析这些参数偏差的具体表现，以及它们如何影响数字电路的时序和功能。 软错误（Soft Errors）： 随着器件尺寸的缩小和集成度的提高，敏感的半导体结区体积减小，对高能粒子的防护能力下降。当宇宙射线、地球背景辐射或封装材料中的放射性核素释放出的α粒子等高能粒子轰击半导体器件时，会在PN结区产生电子-空穴对，这些载流子可能漂移到电路节点，改变节点的电荷状态，从而导致临时的逻辑状态翻转。这种现象被称为软错误。本部分将详细介绍软错误的物理机理，包括单粒子翻转（Single Event Upset, SEU）等，以及它们对数字电路（如触发器、存储单元、组合逻辑）的潜在影响，并强调其在航空航天、高海拔地区等特定应用场景的严重性。 第二部分：容错设计策略与技术 基于对失效机理的深刻理解，本部分将系统介绍多种数字集成电路的容错设计策略和具体实现技术。 冗余技术： 冗余是实现容错最直接和有效的方法之一。我们将介绍不同形式的冗余，并分析其在数字电路中的应用。 硬件冗余（Hardware Redundancy）： 静态冗余（Static Redundancy）： 重点介绍三模冗余（Triple Modular Redundancy, TMR）及其变种。TMR通过三个相同的电路模块并行工作，并由表决器（Voter）根据多数输出确定最终结果。我们将深入分析TMR的原理、优势（无需故障检测，无需恢复）、劣势（硬件开销大，表决器本身可能成为瓶颈）及其在关键模块（如寄存器、计数器、加法器）中的应用。还会讨论四模冗余（Quadruple Modular Redundancy, QMR）等其他形式的静态冗余。 动态冗余（Dynamic Redundancy）： 介绍基于故障检测与纠错的动态冗余策略。这通常涉及到故障检测电路（如检查码、监督电路）和备用冗余模块。当检测到故障时，系统切换到备用模块工作。我们将讨论动态冗余的触发机制、切换逻辑以及其在存储器、处理器核心等部件中的应用。 信息冗余（Information Redundancy）： 编码与解码技术： 详细阐述纠错码（Error Correcting Code, ECC）的设计原理和应用。我们将从理论层面讲解线性分组码、循环码、BCH码、RS码等基本编码方式，并重点介绍在数字电路中常用的ECC，如汉明码（Hamming Code）用于单比特纠错（SEC）和双比特检测（DED），以及更强大的ECC如SEC-DED（Single Error Correction, Double Error Detection）和多比特纠错码，它们如何集成到存储器（如SRAM, DRAM, Flash）和通信总线中，有效检测和纠正存储或传输过程中的比特翻转。 时间冗余（Time Redundancy）： 介绍通过多次执行同一操作来检测和纠正错误的技术。例如，重复执行算术运算，然后比较结果。我们将讨论时间冗余的适用场景、执行策略以及其与硬件冗余的结合使用。 抗参差性设计（Robust Design）： 针对参数偏差引起的失效，本部分将聚焦于如何设计能够容忍工艺和工作条件变化的电路。 参数裕度分析（Parameter Margin Analysis）： 讲解如何通过详细的仿真分析，确定电路在不同参数条件下的最坏情况性能，并为设计预留足够的裕度。 过程无关型设计（Process-Independent Design）： 介绍一些设计技巧，力求使得电路性能对工艺参数变化不敏感，例如采用差分信号、自适应偏置等技术。 工作条件适应性设计（Operating Condition Adaptive Design）： 探讨如何设计能够根据当前温度、电压等工作条件进行自适应调整的电路，以维持稳定的性能。例如，自适应时钟频率调整、动态电压频率调整（DVFS）在容错场景下的应用。 软错误防护技术（Soft Error Mitigation Techniques）： 针对软错误，本部分将重点介绍专门的防护方法。 硬件层面的防护： 保护性编码（Protective Coding）： 除了ECC，还会讨论在寄存器、触发器等时序电路中使用的特定编码，如锁步（Lock-step）执行（类似于TMR的思想，但用于检测）、冗余触发器（Redundant Flip-Flops）等。 电路结构优化（Circuit Structure Optimization）： 介绍如何设计对软错误不敏感的电路结构，例如，使用传输门（Transmission Gate）代替简单的CMOS门，或者采用更鲁棒的时序单元设计。 瞬态故障检测与抑制（Transient Fault Detection and Suppression）： 探讨如何设计能够检测到因软错误引起的短暂状态变化，并尝试纠正或抑制其传播的机制。 系统层面的防护： 软件容错（Software Fault Tolerance）： 尽管本书侧重于硬件设计，但也会简要提及软件层面的容错技术，如冗余执行、检查点与恢复（Checkpointing and Recovery）等，以及它们与硬件容错的协同作用。 故障监控与诊断（Fault Monitoring and Diagnosis）： 介绍如何设计系统级的监控和诊断机制，以便及时发现和定位软错误，并采取相应的措施。 第三部分：高级应用与实践 在掌握了基础的容错设计原理和技术后，本部分将进一步探讨容错设计在实际应用中的高级考量和实现细节。 可靠性建模与分析（Reliability Modeling and Analysis）： 介绍如何对集成电路的可靠性进行量化评估，包括失效率（Failure Rate）、平均无故障时间（Mean Time Between Failures, MTBF）等指标的计算。我们将讨论如何将容错设计引入到可靠性模型中，以量化其提升效果。 功耗与面积开销的权衡（Power and Area Overhead Trade-offs）： 容错设计往往会带来额外的功耗和芯片面积开销。本部分将指导读者如何在满足可靠性需求的前提下，有效地平衡功耗和面积指标，选择最优的容错方案。 设计自动化与工具链（Design Automation and Toolchains）： 介绍支持容错设计的EDA（Electronic Design Automation）工具和流程。我们将讨论如何利用自动化工具来实现冗余模块的插入、ECC的生成、故障注入测试（Fault Injection Testing, FIT）以及可靠性分析。 特定应用领域的容错设计（Fault-Tolerant Design for Specific Applications）： 航空航天与军事领域： 强调抗辐射加固（Radiation Hardening）技术，以及对高能粒子轰击的防护需求。 汽车电子领域： 重点关注对瞬态和永久性故障的防护，以及满足ISO 26262等功能安全标准的要求。 医疗电子领域： 突出对高可靠性和生物兼容性的要求，以及对潜在故障的严格控制。 本书特色 本书的显著特点在于其全面性和系统性。它不仅详细阐述了数字集成电路失效的三个主要方面——缺陷/故障、参数偏差和软错误，而且针对每种失效类型，都提供了详细的容错设计策略和技术。从基础的冗余技术，到先进的编码理论，再到针对参数敏感性的设计方法，本书都进行了深入的讲解。同时，本书也关注了容错设计在实际应用中的权衡，如功耗和面积开销，以及对特定应用场景的考量。 面向读者 本书适合于集成电路设计工程师、系统设计工程师、微电子专业的研究生以及对集成电路可靠性与容错技术感兴趣的读者。通过阅读本书，读者将能够： 深刻理解数字集成电路面临的各种失效机理。 掌握多种先进的数字集成电路容错设计方法和技术。 能够根据实际应用需求，选择并设计出满足可靠性要求的容错电路。 了解容错设计在不同应用领域中的具体实践。 本书旨在成为一本集理论深度与工程实践于一体的参考书，为推动数字集成电路向更高可靠性、更强鲁棒性的方向发展贡献力量。

评分☆☆☆☆☆

要评价这本书，我必须提到其在构建知识体系方面的出色表现。它不是零散知识点的堆砌，而是一个逻辑严密、层层递进的知识网络。每引入一个新概念，作者都会将其巧妙地嵌入到已建立的理论框架中，使得读者可以沿着清晰的脉络进行学习。这种结构化的教学方法，极大地降低了学习复杂集成电路可靠性理论的门槛，同时也确保了高级内容的深度不被稀释。我尤其欣赏书中对各种设计约束的现实化处理，它避免了纯粹的理想化模型，使得读者能够更好地将理论知识应用于实际的工程挑战中。这本书无疑会成为相关领域工作者案头常备的参考书目，它的价值在于提供了一套成熟且经过检验的设计方法论。

评分☆☆☆☆☆

这本书的深度和广度令人印象深刻，它在多个层面构建了对现代集成电路可靠性挑战的深刻理解。我尤其注意到作者在描述复杂现象时所展现出的那种细致入微的分析能力，许多看似微小的设计细节，在书中都被提升到了战略高度进行讨论。这种对细节的把握，使得全书的论述扎实可靠，充满了可操作性。对于从事高可靠性系统研发的工程师来说，这本书中的许多方法论和技术细节都是可以直接借鉴和应用的宝藏。此外，书中对历史演进和未来趋势的穿插描述，也为读者提供了理解当前技术状态的历史背景，使得知识的吸收更加立体和深刻。总体而言，这是一部集学术严谨性、工程实用性于一体的佳作。

评分☆☆☆☆☆

这本书在介绍数字集成电路设计时，深入浅出地探讨了多种复杂问题。作者的叙述方式非常注重理论与实践的结合，很多地方的分析都极具深度，让人在阅读过程中能清晰地感受到作者在相关领域深厚的积累。我特别欣赏书中对基础概念的梳理，即便是初次接触这些主题的读者也能很快抓住重点。书中对各种设计方法的阐述逻辑严谨，条理分明，不仅解释了“是什么”，更重要的是解释了“为什么”以及“如何做”。特别是对于一些前沿技术和新兴挑战的探讨，作者展现了敏锐的洞察力，为读者提供了宝贵的思考方向。这本书的内容广度与深度兼备，是技术人员不可多得的参考资料，也适合作为高校相关专业的高阶教材。它不仅仅是一本教科书，更像是一本关于如何构建可靠数字系统的实战指南。

评分☆☆☆☆☆

这本书的章节组织结构体现了作者高超的驾驭复杂信息的能力。从宏观的系统级考量到微观的器件级行为，作者都能游刃有余地切换视角，确保读者在学习过程中始终保持对整体架构的把握。我发现自己不断地被书中对各种设计范式和权衡取舍的深度剖析所吸引。它教会我的不只是如何应对已知的困难，更重要的是培养了一种预见潜在风险的敏锐直觉。书中的语言风格偏向于冷静、客观的学术陈述，但其背后蕴含的巨大信息量和解决问题的决心是显而易见的。对于想要从“会用”跨越到“精通”这一领域的研究者而言，这本书提供的认知升级是毋庸置疑的。

评分☆☆☆☆☆

阅读体验上，这本书的行文风格非常老练，每一个章节的过渡都显得自然而流畅。作者似乎非常了解读者的思维习惯，总能在关键节点提供及时的解释或实例，避免了陷入纯理论的枯燥。我个人觉得，这本书的价值很大程度上体现在它对设计哲学层面的探讨。它没有仅仅停留在技术实现的层面，而是引导读者去思考在复杂系统中如何权衡性能、功耗和可靠性。这种宏观的视角对于提升工程师的综合设计能力至关重要。书中的图表和案例分析制作精良，视觉上清晰易懂，极大地辅助了对复杂电路行为的理解。对于那些希望深入理解现代集成电路可靠性问题的专业人士来说，这本书无疑是一部极具参考价值的著作，它提供的不仅仅是知识点，更是一种系统性的解决问题的思维框架。