Synthesis Series on Digital Circuits and Systems pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Morgan & Claypool Publishers

作者:Paul Tobin

出品人:

页数:500

译者:

出版时间:2011-10-1

价格:0

装帧:Hardcover

isbn号码:9781608453146

丛书系列:

图书标签:

• 数字电路
• 数字系统
• 集成电路
• VLSI
• 计算机体系结构
• 嵌入式系统
• 信号处理
• 电路设计
• 电子工程
• 半导体

深入理解现代电子系统设计与实现：聚焦新型计算架构、先进半导体工艺与系统级集成 本书导览： 本书籍旨在为电子工程、计算机科学以及相关领域的研究人员、高级学生和行业专业人士提供一个全面且深入的视角，聚焦于当前电子系统设计的前沿挑战与创新解决方案。我们认识到，传统的数字电路和系统设计方法在面对摩尔定律放缓、异构计算需求激增以及能效比成为核心瓶颈的背景下，正经历深刻的范式转变。因此，本书避开了基础的逻辑门、布尔代数和标准CMOS器件介绍，而是直接切入当前驱动下一代计算和通信系统的复杂议题。 全书的结构围绕三大核心支柱构建：新型计算架构的理论与实践、先进半导体工艺的物理极限与工程突破，以及跨越多个抽象层次的系统级集成与验证技术。我们期望通过严谨的理论推导、前沿的研究案例分析以及对未来发展趋势的深刻洞察，为读者构建起一座连接基础物理与高性能系统实现的坚实桥梁。 --- 第一部分：面向特定领域的计算架构（Domain-Specific Architectures, DSA） 在通用CPU性能增长趋缓的时代，计算效率的提升越来越依赖于针对特定任务进行优化的硬件加速器。本部分深入探讨了当前主流和新兴的DSA设计范式，及其对底层硬件结构提出的全新要求。 1. 存内计算（In-Memory Computing, IMC）与近存计算（Near-Memory Computing, NMC） 我们详细分析了冯·诺依依曼瓶颈的本质，并剖析了当前实现IMC和NMC的多种技术路径。 存储器阵列计算： 重点讨论了如何利用电阻式随机存取存储器（RRAM）、相变存储器（PCM）等新型非易失性存储器件（NVMs）的固有物理特性，直接在存储单元内部执行加法、乘法等基本运算。书中将提供严谨的电路级模型，分析模拟域计算（Analog Domain Computation）带来的精度损失、噪声容忍度以及大规模阵列的布线延迟与功耗优化策略。 3D堆叠与异构集成： 针对NMC，本书探讨了混合键合（Hybrid Bonding）技术在实现高带宽内存（HBM）与逻辑层紧密集成中的关键作用。分析了如何设计高效的片上传感器（On-Die Sensors）和片间通信协议，以最小化数据搬运带来的能耗和延迟。 2. 图形处理单元（GPU）与张量处理器（TPU）的高级设计 本章超越了传统的SIMT（单指令多线程）模型，聚焦于现代AI加速器设计的复杂性。 稀疏性处理引擎： 探讨了如何设计硬件结构来高效处理深度学习模型中日益增加的权重和激活稀疏性。内容涵盖稀疏数据压缩格式、硬件支持的索引查找（Indexing）机制，以及如何平衡硬件资源分配给稠密计算单元和稀疏数据路径的调度算法。 数据流与运行时优化： 深入研究了数据依赖图（Data Dependency Graph）到硬件执行的映射过程。分析了用于Tensor Core或Matrix Multiplication Unit (MMU)的片上缓存（Cache）组织策略，以及如何利用运行时编译和动态图重构技术来最大化流水线利用率。 --- 第二部分：先进半导体工艺与器件物理的交叉点 随着工艺节点进入亚10纳米甚至埃米时代，器件行为的非理想性和制造的复杂性对系统可靠性和性能构成了严峻挑战。本部分着重于新材料、新结构以及相关的可靠性问题。 3. 极紫外光刻（EUV）的挑战与后CMOS晶体管结构 本书将EUV技术的引入视为系统设计者必须掌握的关键知识点，因为它直接影响了版图设计规则和互连线的延迟特性。 光刻噪声与线边粗糙度（Line Edge Roughness, LER）： 详细分析了LER如何通过影响栅极长度的随机性，进而影响晶体管的亚阈值摆幅（Subthreshold Swing）和漏电流。提供了在设计阶段进行随机性敏感度分析的方法论。 新型晶体管架构： 评估了全环绕栅极（GAAFET），特别是纳米片（Nanosheet）和纳米线（Nanowire）结构在实现更优的静电控制和降低短沟道效应方面的潜力与工程难题。探讨了这些结构对寄生电容和输入电容的影响。 4. 新型存储器与非易失性逻辑（NVL）的集成 超越传统的SRAM和DRAM，本节探讨了如何利用新型存储器替代部分挥发性逻辑功能。 自旋电子学器件（如MRAM）： 分析了磁隧道结（MTJ）的开关动力学、读写干扰问题，以及如何在系统级设计中权衡其高耐力、非易失性优势与相对较高的写入延迟。重点讨论了如何构建混合缓存结构，结合SRAM的快速读写和MRAM的非易失性。 热效应与功耗管理： 在高度集成的3D堆栈和高密度NVM阵列中，热点管理成为关键的系统级约束。本书介绍了先进的功耗/热模型，并探讨了基于硬件的动态电压与频率调节（DVFS）策略在应对瞬态功耗尖峰方面的局限性。 --- 第三部分：系统级建模、验证与可靠性工程 现代集成电路的复杂度要求验证活动必须提升到更高的抽象层次，并需要结合物理层面的可靠性考量。 5. 跨层级的性能建模与抽象 为了有效地探索设计空间，系统级（System-Level）模型必须足够精确，同时又具备快速的仿真速度。 指令集架构（ISA）扩展与硬件支持： 探讨了如何通过自定义指令集扩展（如RISC-V生态系统中的Vector Extension）来提升特定操作的效率。书中展示了如何构建一个指令级模拟器（ISA Simulator），使其能够准确地反映目标硬件加速器的流水线、内存访问延迟和资源争用情况。 系统级功耗/性能建模（PPA）： 深入介绍了基于事务级建模（Transaction-Level Modeling, TLM）的框架，用于快速评估不同架构选择（如缓存大小、互连带宽）对整体系统能效的影响，避免了昂贵的全定制电路仿真。 6. 制造缺陷与可靠性分析 随着制造精度的下降，系统对随机和系统性错误的鲁棒性需求变得至关重要。 随机工艺变化（RC Variation）与设计裕度： 分析了由于光刻、沉积过程中的随机变化导致的电阻（R）和电容（C）参数的漂移。介绍了如何通过设计统计裕度（Statistical Margin）来确保电路在不同制造批次间的可工作性，并探讨了基于仿真（Monte Carlo Analysis）的收敛性问题。 软错误（Soft Errors）与容错设计： 讨论了高能粒子（如宇宙射线）导致的单比特翻转（Single Event Upset, SEU）问题，特别是在先进的低功耗工艺节点下。书中详述了硬件错误检测与纠正（EDAC）技术，例如在片上存储器中应用更高带宽的纠错码（ECC），以及在处理器流水线中实现检查点和恢复机制的架构实现。 本书通过这些深入的专题探讨，旨在填补现有教材中对前沿设计挑战覆盖不足的空白，为下一代电子系统工程师和研究人员提供必要的知识深度与广度。

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