Low-power High-level Synthesis for Nanoscale CMOS Circuits pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Mohanty, Saraju P./ Ranganathan, Nagarajan/ Kougianos, Elias/ Patra, Priyadarsan

出品人:

页数:336

译者:

出版时间:2008-7

价格:$ 202.27

装帧:

isbn号码:9780387764733

丛书系列:

图书标签:

• Low-Power Design
• High-Level Synthesis
• CMOS Circuits
• Nanoscale VLSI
• Digital Circuit Design
• Hardware-Software Co-design
• Power Optimization
• Synthesis Techniques
• VLSI Design
• Electronic Design Automation

《高性能数字集成电路设计：时序与功耗优化策略》 本书深入探讨了现代数字集成电路设计中至关重要的两个方面：高性能时序收敛和低功耗优化。在纳米级CMOS工艺技术飞速发展的背景下，如何有效地平衡电路的速度和能耗，成为设计者面临的核心挑战。本书旨在为读者提供一套系统化、实用的设计方法和工具应用指南，帮助工程师们在竞争激烈的市场中打造出更具竞争力的产品。 核心内容概览： 本书共分为四个主要部分，层层递进，全面覆盖了从理论基础到高级实践的设计流程。 第一部分：现代数字集成电路设计基础与挑战 纳米级CMOS工艺的演进与影响： 详细阐述了从过去到当前纳米级CMOS工艺的演进历程，重点分析了短沟道效应、漏电流增加、阈值电压偏移、工艺变异性等关键物理现象如何对电路性能、功耗和可靠性产生深远影响。我们将深入理解这些底层物理特性，为后续的设计优化奠定坚实的基础。 高性能时序收敛的原理与方法： 讲解了建立时间和保持时间的概念，以及时序违例的成因。重点介绍基于延迟计算、关键路径分析、时钟树综合（CTS）的基本原理和常用技术，如多阈值电压（Multi-Vt）技术、体偏置（Body Biasing）技术等。我们将分析各种时序优化技术的优缺点及其适用场景。 低功耗设计技术与策略： 系统梳理了数字集成电路的功耗构成（动态功耗和静态功耗），并详细介绍了各种低功耗设计技术，包括时钟门控（Clock Gating）、功率门控（Power Gating）、动态电压和频率调节（DVFS）、低功耗存储器设计等。本书将强调这些技术在不同设计阶段的应用和协同效应。 设计流程中的挑战与权衡： 分析了在实际设计中，如何平衡时序、功耗、面积、设计复杂度以及验证效率等多个设计目标。我们将探讨在资源受限的情况下，如何做出最优的设计决策，以及EDA工具在解决这些挑战中的作用。 第二部分：时序优化的精细化方法 高级时序分析与建模： 深入讲解了更精细的时序分析技术，如静态时序分析（STA）的进阶应用，包括线延迟（Wire Delay）的精确建模、时钟偏差（Clock Skew）与抖动（Jitter）的影响分析、组合逻辑延迟的优化。我们将学习如何利用STA工具进行精确的后仿真时序检查，并识别设计瓶颈。 物理实现阶段的时序优化： 重点介绍在布局布线（Place and Route）阶段的各种时序优化手段。这包括： 布局优化： 详细讲解了单元放置策略（Placement Strategies）、关键路径的物理布局调整（Critical Path Placement）以及如何利用层次化布局来改善时序。 布线优化： 探讨了布线拥塞（Routing Congestion）对时序的影响，以及如何通过多层布线、缓冲插入（Buffer Insertion）、信号重定时（Resizing/Rebuffering）等技术来优化关键路径的延迟。 时钟树综合（CTS）的深度优化： 除了基本原理，还将深入分析复杂的CTS技术，如倾斜时钟树（Skewed Clock Trees）、多周期时钟（Multi-Cycle Clocks）以及如何利用自动时钟树合成（Auto CTS）工具进行高效优化。 跨时钟域（CDC）设计与时序考虑： 详细阐述了跨时钟域信号传输的潜在风险，如亚稳态（Metastability）的产生，并介绍防止CDC错误的常用方法，如同步器（Synchronizers）的设计与时序分析，以及多周期路径（Multi-Cycle Paths）和伪路径（False Paths）的定义与处理。 第三部分：低功耗设计的实践与进阶 门控时钟（Clock Gating）的细致实现： 深入研究了各种门控时钟的实现方法，包括逻辑门控、功能门控、以及与EDA工具协同进行自动化门控插入的策略。我们将分析门控设计的注意事项，如消除门控相关的时序问题和功耗泄漏。 功率门控（Power Gating）的设计与管理： 详细讲解了功率门控的核心技术，包括保留寄存器（Retention Flip-flops）的使用、隔离单元（Isolation Cells）的设计、以及如何有效地管理电源开关和状态恢复。本书将探讨功率门控对功耗降低的显著效果以及相关的设计挑战。 动态电压和频率调节（DVFS）的实现： 深入探讨了DVFS的实现机制，包括电压和频率的动态调整策略、电源管理单元（PMU）的设计、以及如何在软件和硬件层面实现协同控制。我们将分析DVFS在不同工作模式下的功耗和性能优化效果。 低功耗存储器设计技术： 专门章节讲解了在低功耗设计中，存储器（如SRAM、DRAM）的功耗优化技术，包括低功耗模式（如Sleep Mode）的使用、位线（Bitline）的优化、以及电源门控在存储器中的应用。 第四部分：先进设计方法与工具集成 验证在功耗与时序优化中的作用： 强调了仿真（Simulation）、形式验证（Formal Verification）以及电源感知验证（Power-Aware Verification）在确保时序正确性和功耗目标达成中的重要性。我们将介绍如何构建全面的验证环境来覆盖各种工作场景和异常情况。 EDA工具链的集成与自动化： 详细介绍主流EDA工具（如Synopsys, Cadence, Mentor Graphics等）在时序和功耗优化中的应用。我们将展示如何有效地利用这些工具进行设计输入、综合、布局布线、静态时序分析、功耗分析和形式验证，并探讨如何通过脚本化和API接口实现设计流程的自动化。 案例研究与最佳实践： 通过分析实际的芯片设计案例，展示本书所介绍的时序和功耗优化技术的应用效果。我们将总结成功的设计经验和普遍适用的最佳实践，帮助读者将理论知识转化为实际的设计能力。 本书的特点： 理论与实践相结合： 既有扎实的理论基础，又提供详细的实践操作指导和工具使用方法。 面向实际设计挑战： 重点解决纳米级CMOS设计中遇到的实际问题，提供可行的解决方案。 系统化的知识体系： 涵盖从基础概念到高级技术的完整知识框架。 工具应用导向： 强调EDA工具在设计流程中的关键作用，帮助读者掌握实际应用技能。 本书适合于集成电路设计工程师、助理工程师、以及相关领域的研究生学习和参考。通过学习本书，读者将能够更有效地应对现代数字集成电路设计中的时序和功耗挑战，设计出更高性能、更低功耗的创新型芯片。

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坦率地说，市场上的技术书籍往往在“深度”和“时效性”之间摇摆不定。纳米CMOS技术的迭代速度极快，今天的先进工艺明天可能就成为成熟工艺。因此，一本优秀的著作必须具备**前瞻性**，能够预见未来三到五年内的主流设计挑战。这本书既然提到了“Nanoscale CMOS”，我期望它能深入探讨在**FinFET乃至GAA晶体管结构**下，传统低功耗技巧如何失效，以及需要采纳哪些新的设计范式。例如，在处理**亚阈值偏置（Subthreshold Operation）**时，如何在高层次综合流程中精确建模其对时序和可靠性的影响？此外，对于**新兴的非易失性存储器（NVM）**在低功耗架构中的集成，这本书是否有涉及？例如，如何在高层次设计中利用这些存储单元来快速恢复断电状态，从而减少维持状态的静态功耗。如果它只是重复了过去十年间成熟的DVFS（动态电压和频率调整）技术，那么它的价值会大打折扣。我希望看到的是对**下一代工艺挑战**的深刻理解，并能将这些挑战转化为高层次设计语言中的可操作性约束和优化目标。这本书的成功，将在于它是否能为应对22nm及以下节点带来的功耗壁垒，提供一套可行的、基于高级抽象的方法论。

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这本书的书名在特定领域引起了我的极大兴趣，它精准地触及了当前半导体设计中最为关键的两个前沿交叉点：功耗优化与高级综合技术。我此前在处理一些边缘计算设备和物联网（IoT）前端芯片时，深切体会到传统设计流程在能效比上的瓶颈。我一直在寻找一本能够系统性地、深入浅出地剖析如何在**高级描述层面**（例如RTL甚至更高抽象层次）就开始嵌入低功耗策略的著作。市面上很多书籍要么过于侧重底层的晶体管级别优化，忽略了架构级和算法级的决定性影响；要么只停留在高层，缺乏对具体物理实现约束（如亚阈值漏电、动态功耗管理）的理解。这本书的标题暗示它正好填补了这一空白，承诺提供一套从**高层次设计意图**到**纳米级CMOS实现**之间的桥梁。我期望它能详尽阐述如时序预算的动态分配、数据路径的并行度与能耗的权衡、以及针对不同功耗模式（如深度睡眠、快速唤醒）的自动化综合流程。如果它真的能提供一套实用的、可复用的方法论，指导工程师超越简单的时钟门控或电源门控，而是从根本上重塑电路结构以适应极低功耗目标，那么它无疑将是业内工程师和资深研究生的宝贵参考资料，是迈向下一代能效革命的关键指南。我尤其关注它对**新颖电源管理技术**在HLS流程中的映射和实现细节的探讨，这对我当前的项目至关重要。

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我拿到这本书时，内心是带着一丝怀疑和极大的期盼的。这种将“Low-power”和“High-level Synthesis”并置的提法，在技术文献中常常意味着概念大于实践。然而，我翻阅目录后，发现其结构安排颇具匠心。它似乎没有采取传统的自底向上的讲解方式，而是从应用场景和设计约束出发，反推所需的综合技术。我关注到其中关于**“可重构架构下的功耗感知调度”**的章节，这正是我工作中的一个痛点。当前的HLS工具链在处理高度动态变化的计算负载时，往往只能应用通用的节流策略，远非最优。我希望这本书能深入剖析如何将**功耗模型**直接耦合到调度算法中，使其能够预测特定操作序列在目标工艺节点下的实际能耗，并据此调整流水线深度、寄存器分配乃至操作符的选择。更重要的是，我期望看到它对**遗留代码和IP复用**的兼容性分析——如果一个既有的、高吞吐量的RTL模块需要被纳入新的低功耗框架，该如何进行最小代价的“能效改造”。一本真正实用的书，必须能够指导我们如何在不牺牲过多性能的前提下，实现数倍的能耗降低，并且这个过程应该是可验证、可重复的，而不是依赖于某个特定EDA厂商的黑箱优化。这本书的深度似乎暗示了它不仅仅是一本教程，更像是一份**工程实践的白皮书**。

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阅读这种高度专业化的书籍，往往考验的不仅是作者的广度，更是其对**新兴设计范式**的理解深度。在当前芯片设计正加速向“特定应用集成电路（ASIC）”和“领域特定架构（DSA）”演进的背景下，低功耗和定制化是相互促进的。这本书的标题预示着它可能触及了**算法-架构-电路协同设计（Co-design）**的最新进展。我特别关注那些涉及**近似计算（Approximate Computing）**和**不确定性管理**的章节。在许多传感和AI推理应用中，我们可以容忍一定程度的计算误差以换取巨大的功耗节省。这本书是否提供了在HLS阶段，如何根据用户定义的误差容忍度（Quality of Service, QoS）来自动选择和优化运算精度的方法？例如，通过动态调整乘法器的位宽，或使用更低电压运行非关键路径的计算单元。如果它能提供一套严谨的数学框架，来量化这种设计选择带来的**能耗-精度-延迟**三维权衡，那么它将不仅仅是一本技术手册，更是一本指导未来DSA创新的哲学指南。这种对跨领域耦合的深刻洞察，远比单纯的工具操作指南更具价值。

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作为一名长期从事EDA工具链研究的学者，我对“高层次综合”的定义有着相对苛刻的标准。它不仅仅是将C/C++代码转化为门级网表，更重要的是它必须能够体现设计者的**高级意图**，并对底层物理实现产生显著影响。这本书的成功与否，取决于它能否有效解决**抽象层次的损失问题**。在追求极致低功耗的纳米工艺节点下，栅极漏电、热点效应和静电噪声的影响是巨大的，这些因素在C语言描述层面是完全不可见的。因此，我迫切想知道作者如何在高层次描述中引入对这些物理效应的**显式建模和约束**。例如，是否提出了新的语言扩展或特定的指令集来描述**电压岛的切换时序**，或者如何在高层次上管理**数据保持和状态恢复**的能耗开销。如果这本书仅仅是将传统的低功耗设计技巧（如时钟树综合的局部优化）嫁接到HLS的输出阶段，那么它就失去了创新价值。我期待它能展现出一种**颠覆性的方法论**：让编译器和综合器能够像一个经验丰富的片上系统架构师一样思考，自动推断出最佳的电源域划分和唤醒策略。这种深层次的系统级认知，才是真正能将“低功耗”融入“高层次综合”的精髓所在。

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