數字集成電路容錯設計：容缺陷/故障、容參數偏差、容軟錯誤 李曉維 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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李曉維 著

圖書標籤:

• 數字集成電路
• 容錯設計
• 容缺陷
• 容參數偏差
• 容軟錯誤
• 可靠性設計
• VLSI
• 集成電路
• 電子工程
• 李曉維

店鋪： 久點圖書專營店

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030305763

商品編碼：29658879934

包裝：精裝

齣版時間：2011-04-01

基本信息

書名：數字集成電路容錯設計：容缺陷/故障、容參數偏差、容軟錯誤

定價：68.00元

作者：李曉維

齣版社：科學齣版社

齣版日期：2011-04-01

ISBN：9787030305763

字數：

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版次：1

裝幀：精裝

開本：16開

商品重量：0.922kg

編輯推薦

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內容提要

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《數字集成電路容錯設計--容缺陷故障、容參數偏差、容軟錯誤》主要內容涉及數字集成電路容錯設計的三個主要方麵：容缺陷(和故障)、容參數偏差以及容軟錯誤；包括3s技術(自測試、自診斷、自修復)的基本原理。從嵌入式存儲、多核處理器和片上網絡三個方麵論述瞭缺陷(故障)容忍方法；從參數偏差容忍的角度，論述瞭抗老化設計和參數偏差容忍設計方法；從處理器和片上網絡兩個層次論述瞭軟錯誤容忍方法；並以國産具有自修復功能的單核及多核處理器為例介紹瞭相關成果的應用。《數字集成電路容錯設計--容缺陷故障、容參數偏差、容軟錯誤》的特點是兼具先進性和實用性，係統性強，體係新穎。
　　《數字集成電路容錯設計--容缺陷故障、容參數偏差、容軟錯誤》適閤於從事集成電路(與係統)容錯設計方嚮學術研究，以及集成電路kda工具開發和應用的科技人員參考；也可用作集成電路與半導體專業的高等院校教師、研究生和高年級本科生的教學參考書。

目錄

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foreword
前言

章 緒論
1.1 數字集成係統容錯設計簡介
1.1.1 數字集成電路設計的可靠性挑戰
1.1.2 數字集成電路的3s和3t可靠性設計框架
1.2 數字集成係統容錯設計的關鍵問題
1.2.1 缺陷容忍
1.2.2 偏差容忍
1.2.3軟錯誤容忍
1.3 章節組織結構
參考文獻

第2章 嵌入式存儲器的容缺陷設計
2.1 嵌入式存儲器的容缺陷設計
2.1.1 缺陷與故障模型
2.1.2 嵌入式存儲器的自測試方法
2.1.3 嵌入式存儲器的自診斷方法
2.1.4 嵌入式存儲器的自修復方法
2.2 利用內容可尋址技術的嵌入式存儲器容缺陷設訓
2.2.1 相關研究工作
2.2.2冗餘資源結構
2.2.3 自測試自診斷和自修復方法
2.2.4 實驗結果及其分析
2.3 小結
參考文獻

第3章 多核處理器的容缺陷設計
3.1 多核處理器的核級冗餘
3.1.1 核級冗餘與微體係結構級冗餘
3.1.2 核級冗餘的降級模式與冗餘模式
3.1.3 冗餘模式對多核處理器係統的影響
3.2 冗餘模式下多核處理器的拓撲重構
3.2.1 拓撲重構的量化評估方法
3.2.2 二維mesh結構的重構問題
3.2.3 問題復雜度分析
3.3 多核處理器的拓撲重構優化算法
3.3.1 直接的算法——模擬退火
3.3.2 一種貪心算法——行波列藉算法
3.3.3 行波列藉製導的模擬退火算法
3.3.4算法性能分析
3.4 多核處理器的測試與故障診斷
3.5 小結
參考文獻

第4章 片上網絡路由器容錯設計
4.1 片上網絡路由器容錯設計概述
4.1.1 片上路由器容錯設計的關鍵問題
4.1.2 典型容錯路由器結構
4.2 切片路由器
4.2.1 數據通路的切片復用
4.2.2 切片復用微體係結構
4.2.3 切片路由器的工作模式
4.2.4 路由器間的故障關聯
4.2.5 切片路由器擴展
4.3 切片路由器的性能開銷分析
4.3.1 可靠性參數設計與分析
4.3.2 總體評估
4.4 片上網絡路由器的故障檢測和診斷方法
4.5 小結
參考文獻

第5章 片上網絡容錯路由
5.1 容錯路由算法分類
5.2 死鎖避免方法
5.2.1 dally和seitz理論
5.2.2 duato理論
5.2.3 轉嚮模型
5.3 故障模型
5.3.1 凸區域模型
5.3.2 正交凸區域模型
5.4典型算法分析
5.4.1 boppana和chalasani算法
5.4.2 低成本可重構路由算法
5.5 小結
參考文獻

第6章 數字電路的復閤故障診斷方法
6.1 復閤故障診斷方法
6.1.1 掃描設計與故障模型
6.1.2 復閤故障診斷方法
6.2 基於可診斷性螺鏇掃描設計的故障診斷方法
6.2.1 可診斷性設計方法
6.2.2 基於螺鏇掃描設計的故障診斷
6.2.3 實驗結果及其分析
6.3 基於確定性診斷嚮量生成的復閤故障診斷方法
6.3.1 麵嚮復閤故障的掃描鏈故障診斷方法
6.3.2 麵嚮復閤故障的組閤邏輯故障診斷方法
6.4 小結
參考文獻

第7章 處理芯片的抗老化設計
7.1 老化機理與生命期可靠性建模
7.1.1 兩類老化機理簡述
7.1.2 生命期可靠性建模——“浴盆麯綫”
7.2 老化的在綫感知
7.2.1 老化感知原理
7.2.2 電路實現
7.3 老化容忍的微結構設計
7.3.1 基於冗餘重構設計
7.3.2 基於電路狀態控製的設計
7.3.3 基於時序動態優化設計
7.4老化的預測
7.4.1 老化預測框架
7.4.2 識彆關鍵路徑和關鍵門
7.4.3 大電路老化預測模型
7.4.4 實驗結果及其分析
7.5 小結
參考文獻

第8章 多核處理器容參數偏差設計
8.1 參數偏差的分類
8.1.1 工藝偏差
8.1.2 電壓波動
8.1.3 溫度波動
8.2 針對不同類型參數偏差的優化技術
8.2.1 工藝偏差的優化
8.2.2 電壓波動的優化
8.2.3 溫度波動的優化
8.3 參數偏差的協同優化技術
8.3.1 pvt偏差對時序偏差的影響
8.3.2 偏差強度的頻域分析
8.3.3 時域的解釋
8.4 tea方法的可行性分析
8.4.1 實現技術難點
8.4.2 已具備的基礎條件
8.5 實施方案
8.5.1 即時推測各個偏差分量強度
8.5.2 非顯式依賴v分量的即時遷移決策
8.5.3 即時偏差程度預測
8.5.4 硬件開銷
8.6 方案有效性評估
8.6.1 處理器核的配置參數和工作負載
8.6.2 供電網絡模型
8.6.3 pvt偏差與電路時延的關係
8.6.4其他參數定義
8.6.5 評估指標
8.6.6 實驗結果及其分析
8.7 小結
參考文獻

第9章 處理器的容軟錯誤設計
9.1 冗餘執行層次
9.1.1 數據級冗餘執行
9.1.2指令級冗餘執行
9.1.3綫程級冗餘執行
9.1.4 進程級冗餘執行
9.2 利用數據級冗餘執行的軟錯誤檢測與恢復
9.2.1 數據級冗餘執行的條件
9.2.2 數據級冗餘執行的微結構設計
9.2.3 結閤指令復製的軟錯誤檢測機製
9.2.4 基於檢查點的軟錯誤恢復技術
9.2.5 實驗結果及其分析
9.3 冗餘綫程的調度和分配
9.3.1 核間性能不對稱的多核處理器上的綫程冗餘
9.3.2 冗餘綫程的調度算法
9.3.3算法性能分析
9.4 小結
參考文獻

0章 片上網絡容軟錯誤通信方法
10.1 片上通信的差錯控製方法
10.1.1 基於檢錯糾錯的請求重傳機製
10.1.2 無重傳的通信機製
10.2 數據包分級保護方法
10.2.1數據包分析
10.2.2 分級保護策略
10.2.3性能效率分析
10.3 帶有端到端反饋的容軟錯誤通信方法
10.3.1 一種帶反饋的容錯路由算法
10.3.2 三種容軟錯誤通信算法比較
10.3.3 帶有端到端反饋容錯方法總結
10.4 小結
參考文獻

1章 微體係結構級可靠性評估方法
11.1 微體係結構級可靠性評估方法
11.1.1 背景知識
11.1.2 體係結構脆弱因子計算
11.1.3 分析比較
11.2 體係結構脆弱因子離綫評估
11.2.1 軟錯誤故障注入分析
11.2.2 故障注入流程
11.2.3 實驗結果及其分析
11.3 體係結構脆弱因子在綫評估
11.3.1 整體框圖設計
11.3.2 體係結構脆弱因子在綫計算
11.3.3 體係結構脆弱因子預測算法
11.3.4 實驗結果及其分析
11.4 間歇故障脆弱因子評估
11.4.1 研究背景及動機
11.4.2 間歇故障脆弱因子計算方法
11.4.3 實驗結果及其分析
11.5 小結
參考文獻

2章 處理器芯片的容錯設計實例
12.1 自修復處理器
12.1.1 自修復處理器設計背景及意義
12.1.2 自修復處理器芯片的結構設計
12.1.3 自修復處理器在wsn中的應用
12.2 godson-t眾核處理器容錯設計
12.2.1 godson-t體係結構
12.2.2 片上網絡和基準程序性能分析
12.3 小結
參考文獻

3章 總結與展望
13.1 總結
13.2 展望

參考文獻
索引

作者介紹

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文摘

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序言

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《數字集成電路容錯設計：容缺陷/故障、容參數偏差、容軟錯誤》 內容簡介 數字集成電路（Integrated Circuit, IC）是現代電子設備的核心，其可靠性直接關係到係統的正常運行甚至生命安全。隨著集成電路製造工藝的不斷進步，器件尺寸日益縮小，集成度不斷提高，但與此同時，各種潛在的失效機製也愈發嚴峻。這些失效機製大緻可以歸為三類：硬件的永久性缺陷/故障、工藝或工作條件變化導緻的參數偏差，以及由輻射等外部因素引起的瞬時軟錯誤。這些失效都會導緻電路的功能異常，輕則性能下降，重則係統崩潰，給航空航天、醫療器械、汽車電子、通信基站等高可靠性應用領域帶來瞭巨大的挑戰。 本書深入探討瞭數字集成電路的容錯設計技術，旨在為讀者提供一套係統、全麵的理論指導和實踐方法，以應對上述各類失效。全書圍繞“容錯”這一核心概念展開，從失效機理分析入手，逐步深入到各種先進的容錯設計策略和實現技術。 第一部分：失效機理與挑戰 在介紹容錯設計之前，我們首先需要清晰地認識到集成電路可能麵臨的失效源。本部分將詳細闡述各類失效的産生原因、錶現形式以及對電路功能的影響。 硬件缺陷與故障： 這一部分將深入剖析集成電路製造過程中可能産生的各種永久性缺陷，例如光刻誤差、刻蝕過度或不足、材料沉積不均、金屬層斷裂或短路等。這些缺陷可能導緻晶體管的閾值電壓偏移、漏電流增大、導通電阻升高，甚至完全失效。我們將討論這些物理缺陷如何轉化為邏輯層麵的故障，例如短路故障（stuck-at-fault）和橋接故障（bridging-fault）。此外，還會介紹因老化、熱應力、電遷移等導緻的器件性能衰減以及最終的永久性故障。 參數偏差： 現代集成電路的設計依賴於精確的參數模型。然而，在實際生産和工作過程中，晶體管的尺寸、摻雜濃度、柵氧化層厚度等關鍵參數會受到製造工藝波動（如光刻、刻蝕、擴散等過程的非均勻性）和工作環境變化（如溫度、電壓、負載等）的影響，導緻實際參數與設計值産生偏差。這種偏差可能引發邏輯時序問題（如建立時間/保持時間違例）、電平不匹配、驅動能力不足等。本部分將分析這些參數偏差的具體錶現，以及它們如何影響數字電路的時序和功能。 軟錯誤（Soft Errors）： 隨著器件尺寸的縮小和集成度的提高，敏感的半導體結區體積減小，對高能粒子的防護能力下降。當宇宙射綫、地球背景輻射或封裝材料中的放射性核素釋放齣的α粒子等高能粒子轟擊半導體器件時，會在PN結區産生電子-空穴對，這些載流子可能漂移到電路節點，改變節點的電荷狀態，從而導緻臨時的邏輯狀態翻轉。這種現象被稱為軟錯誤。本部分將詳細介紹軟錯誤的物理機理，包括單粒子翻轉（Single Event Upset, SEU）等，以及它們對數字電路（如觸發器、存儲單元、組閤邏輯）的潛在影響，並強調其在航空航天、高海拔地區等特定應用場景的嚴重性。 第二部分：容錯設計策略與技術 基於對失效機理的深刻理解，本部分將係統介紹多種數字集成電路的容錯設計策略和具體實現技術。 冗餘技術： 冗餘是實現容錯最直接和有效的方法之一。我們將介紹不同形式的冗餘，並分析其在數字電路中的應用。 硬件冗餘（Hardware Redundancy）： 靜態冗餘（Static Redundancy）： 重點介紹三模冗餘（Triple Modular Redundancy, TMR）及其變種。TMR通過三個相同的電路模塊並行工作，並由錶決器（Voter）根據多數輸齣確定最終結果。我們將深入分析TMR的原理、優勢（無需故障檢測，無需恢復）、劣勢（硬件開銷大，錶決器本身可能成為瓶頸）及其在關鍵模塊（如寄存器、計數器、加法器）中的應用。還會討論四模冗餘（Quadruple Modular Redundancy, QMR）等其他形式的靜態冗餘。 動態冗餘（Dynamic Redundancy）： 介紹基於故障檢測與糾錯的動態冗餘策略。這通常涉及到故障檢測電路（如檢查碼、監督電路）和備用冗餘模塊。當檢測到故障時，係統切換到備用模塊工作。我們將討論動態冗餘的觸發機製、切換邏輯以及其在存儲器、處理器核心等部件中的應用。 信息冗餘（Information Redundancy）： 編碼與解碼技術： 詳細闡述糾錯碼（Error Correcting Code, ECC）的設計原理和應用。我們將從理論層麵講解綫性分組碼、循環碼、BCH碼、RS碼等基本編碼方式，並重點介紹在數字電路中常用的ECC，如漢明碼（Hamming Code）用於單比特糾錯（SEC）和雙比特檢測（DED），以及更強大的ECC如SEC-DED（Single Error Correction, Double Error Detection）和多比特糾錯碼，它們如何集成到存儲器（如SRAM, DRAM, Flash）和通信總綫中，有效檢測和糾正存儲或傳輸過程中的比特翻轉。 時間冗餘（Time Redundancy）： 介紹通過多次執行同一操作來檢測和糾正錯誤的技術。例如，重復執行算術運算，然後比較結果。我們將討論時間冗餘的適用場景、執行策略以及其與硬件冗餘的結閤使用。 抗參差性設計（Robust Design）： 針對參數偏差引起的失效，本部分將聚焦於如何設計能夠容忍工藝和工作條件變化的電路。 參數裕度分析（Parameter Margin Analysis）： 講解如何通過詳細的仿真分析，確定電路在不同參數條件下的最壞情況性能，並為設計預留足夠的裕度。 過程無關型設計（Process-Independent Design）： 介紹一些設計技巧，力求使得電路性能對工藝參數變化不敏感，例如采用差分信號、自適應偏置等技術。 工作條件適應性設計（Operating Condition Adaptive Design）： 探討如何設計能夠根據當前溫度、電壓等工作條件進行自適應調整的電路，以維持穩定的性能。例如，自適應時鍾頻率調整、動態電壓頻率調整（DVFS）在容錯場景下的應用。 軟錯誤防護技術（Soft Error Mitigation Techniques）： 針對軟錯誤，本部分將重點介紹專門的防護方法。 硬件層麵的防護： 保護性編碼（Protective Coding）： 除瞭ECC，還會討論在寄存器、觸發器等時序電路中使用的特定編碼，如鎖步（Lock-step）執行（類似於TMR的思想，但用於檢測）、冗餘觸發器（Redundant Flip-Flops）等。 電路結構優化（Circuit Structure Optimization）： 介紹如何設計對軟錯誤不敏感的電路結構，例如，使用傳輸門（Transmission Gate）代替簡單的CMOS門，或者采用更魯棒的時序單元設計。 瞬態故障檢測與抑製（Transient Fault Detection and Suppression）： 探討如何設計能夠檢測到因軟錯誤引起的短暫狀態變化，並嘗試糾正或抑製其傳播的機製。 係統層麵的防護： 軟件容錯（Software Fault Tolerance）： 盡管本書側重於硬件設計，但也會簡要提及軟件層麵的容錯技術，如冗餘執行、檢查點與恢復（Checkpointing and Recovery）等，以及它們與硬件容錯的協同作用。 故障監控與診斷（Fault Monitoring and Diagnosis）： 介紹如何設計係統級的監控和診斷機製，以便及時發現和定位軟錯誤，並采取相應的措施。 第三部分：高級應用與實踐 在掌握瞭基礎的容錯設計原理和技術後，本部分將進一步探討容錯設計在實際應用中的高級考量和實現細節。 可靠性建模與分析（Reliability Modeling and Analysis）： 介紹如何對集成電路的可靠性進行量化評估，包括失效率（Failure Rate）、平均無故障時間（Mean Time Between Failures, MTBF）等指標的計算。我們將討論如何將容錯設計引入到可靠性模型中，以量化其提升效果。 功耗與麵積開銷的權衡（Power and Area Overhead Trade-offs）： 容錯設計往往會帶來額外的功耗和芯片麵積開銷。本部分將指導讀者如何在滿足可靠性需求的前提下，有效地平衡功耗和麵積指標，選擇最優的容錯方案。 設計自動化與工具鏈（Design Automation and Toolchains）： 介紹支持容錯設計的EDA（Electronic Design Automation）工具和流程。我們將討論如何利用自動化工具來實現冗餘模塊的插入、ECC的生成、故障注入測試（Fault Injection Testing, FIT）以及可靠性分析。 特定應用領域的容錯設計（Fault-Tolerant Design for Specific Applications）： 航空航天與軍事領域： 強調抗輻射加固（Radiation Hardening）技術，以及對高能粒子轟擊的防護需求。 汽車電子領域： 重點關注對瞬態和永久性故障的防護，以及滿足ISO 26262等功能安全標準的要求。 醫療電子領域： 突齣對高可靠性和生物兼容性的要求，以及對潛在故障的嚴格控製。 本書特色 本書的顯著特點在於其全麵性和係統性。它不僅詳細闡述瞭數字集成電路失效的三個主要方麵——缺陷/故障、參數偏差和軟錯誤，而且針對每種失效類型，都提供瞭詳細的容錯設計策略和技術。從基礎的冗餘技術，到先進的編碼理論，再到針對參數敏感性的設計方法，本書都進行瞭深入的講解。同時，本書也關注瞭容錯設計在實際應用中的權衡，如功耗和麵積開銷，以及對特定應用場景的考量。 麵嚮讀者 本書適閤於集成電路設計工程師、係統設計工程師、微電子專業的研究生以及對集成電路可靠性與容錯技術感興趣的讀者。通過閱讀本書，讀者將能夠： 深刻理解數字集成電路麵臨的各種失效機理。 掌握多種先進的數字集成電路容錯設計方法和技術。 能夠根據實際應用需求，選擇並設計齣滿足可靠性要求的容錯電路。 瞭解容錯設計在不同應用領域中的具體實踐。 本書旨在成為一本集理論深度與工程實踐於一體的參考書，為推動數字集成電路嚮更高可靠性、更強魯棒性的方嚮發展貢獻力量。

評分☆☆☆☆☆

這本書的深度和廣度令人印象深刻，它在多個層麵構建瞭對現代集成電路可靠性挑戰的深刻理解。我尤其注意到作者在描述復雜現象時所展現齣的那種細緻入微的分析能力，許多看似微小的設計細節，在書中都被提升到瞭戰略高度進行討論。這種對細節的把握，使得全書的論述紮實可靠，充滿瞭可操作性。對於從事高可靠性係統研發的工程師來說，這本書中的許多方法論和技術細節都是可以直接藉鑒和應用的寶藏。此外，書中對曆史演進和未來趨勢的穿插描述，也為讀者提供瞭理解當前技術狀態的曆史背景，使得知識的吸收更加立體和深刻。總體而言，這是一部集學術嚴謹性、工程實用性於一體的佳作。

評分☆☆☆☆☆

這本書在介紹數字集成電路設計時，深入淺齣地探討瞭多種復雜問題。作者的敘述方式非常注重理論與實踐的結閤，很多地方的分析都極具深度，讓人在閱讀過程中能清晰地感受到作者在相關領域深厚的積纍。我特彆欣賞書中對基礎概念的梳理，即便是初次接觸這些主題的讀者也能很快抓住重點。書中對各種設計方法的闡述邏輯嚴謹，條理分明，不僅解釋瞭“是什麼”，更重要的是解釋瞭“為什麼”以及“如何做”。特彆是對於一些前沿技術和新興挑戰的探討，作者展現瞭敏銳的洞察力，為讀者提供瞭寶貴的思考方嚮。這本書的內容廣度與深度兼備，是技術人員不可多得的參考資料，也適閤作為高校相關專業的高階教材。它不僅僅是一本教科書，更像是一本關於如何構建可靠數字係統的實戰指南。

評分☆☆☆☆☆

這本書的章節組織結構體現瞭作者高超的駕馭復雜信息的能力。從宏觀的係統級考量到微觀的器件級行為，作者都能遊刃有餘地切換視角，確保讀者在學習過程中始終保持對整體架構的把握。我發現自己不斷地被書中對各種設計範式和權衡取捨的深度剖析所吸引。它教會我的不隻是如何應對已知的睏難，更重要的是培養瞭一種預見潛在風險的敏銳直覺。書中的語言風格偏嚮於冷靜、客觀的學術陳述，但其背後蘊含的巨大信息量和解決問題的決心是顯而易見的。對於想要從“會用”跨越到“精通”這一領域的研究者而言，這本書提供的認知升級是毋庸置疑的。

評分☆☆☆☆☆

要評價這本書，我必須提到其在構建知識體係方麵的齣色錶現。它不是零散知識點的堆砌，而是一個邏輯嚴密、層層遞進的知識網絡。每引入一個新概念，作者都會將其巧妙地嵌入到已建立的理論框架中，使得讀者可以沿著清晰的脈絡進行學習。這種結構化的教學方法，極大地降低瞭學習復雜集成電路可靠性理論的門檻，同時也確保瞭高級內容的深度不被稀釋。我尤其欣賞書中對各種設計約束的現實化處理，它避免瞭純粹的理想化模型，使得讀者能夠更好地將理論知識應用於實際的工程挑戰中。這本書無疑會成為相關領域工作者案頭常備的參考書目，它的價值在於提供瞭一套成熟且經過檢驗的設計方法論。

評分☆☆☆☆☆

閱讀體驗上，這本書的行文風格非常老練，每一個章節的過渡都顯得自然而流暢。作者似乎非常瞭解讀者的思維習慣，總能在關鍵節點提供及時的解釋或實例，避免瞭陷入純理論的枯燥。我個人覺得，這本書的價值很大程度上體現在它對設計哲學層麵的探討。它沒有僅僅停留在技術實現的層麵，而是引導讀者去思考在復雜係統中如何權衡性能、功耗和可靠性。這種宏觀的視角對於提升工程師的綜閤設計能力至關重要。書中的圖錶和案例分析製作精良，視覺上清晰易懂，極大地輔助瞭對復雜電路行為的理解。對於那些希望深入理解現代集成電路可靠性問題的專業人士來說，這本書無疑是一部極具參考價值的著作，它提供的不僅僅是知識點，更是一種係統性的解決問題的思維框架。