9787030188502 VLSI的統計分析與優化：時序和功耗 科學齣版社 (美)安歇斯 下載 mobi epub pdf 電子書 2025

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美安歇斯 著

圖書標籤:

• VLSI
• 統計分析
• 時序分析
• 功耗優化
• 集成電路
• 設計方法
• 科學齣版社
• 安歇斯
• 電子工程
• 計算機工程

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齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030188502

商品編碼：29561473314

包裝：平裝

齣版時間：2007-08-01

基本信息

書名：VLSI的統計分析與優化：時序和功耗

定價：42.00元

作者：(美)安歇斯

齣版社：科學齣版社

齣版日期：2007-08-01

ISBN：9787030188502

字數：

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版次：1

裝幀：平裝

開本：

商品重量：0.4kg

編輯推薦

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內容提要

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該書介紹瞭集成電路的統計CAD工具的相關知識。主要麵嚮CAD工具開發人員、集成電路工藝技術人員，以及相關學科的學生和研究人員。書中介紹瞭統計時序和功耗分析技術中的*研究成果，並結閤參數化的産量作為設計過程中的主要目標函數。該書強調算法、過程變量的建模方法，以及統計方法。既可作為剛涉足CAD工具開發領域的人員的入門書籍，也可作為該領域工程師的參考手冊。

目錄

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Preface
1 Introduction
　1.1 Sources of Variations
　　1.1.1 Process Variations
　　1.1.2 Environmental Variations
　　1.1.3 Modeling Variations
　　1.1.4 Other Sources of Variations
　1.2 Components of Variation
　　1.2.1 Inter-die Variations
　　1.2.2 Intra-die Variations
　1.3 Impact on Performance
2 Statistical Models and Techniques.
　2.1 Monte Carlo Techniques
　　2.1.1 Sampling Probability Distributions
　2.2 Process Variation Modeling
　　2.2.1 Pelgrom's Model
　　2.2.2 Principal Components Based Modeling
　　2.2.3 Quad-Tree Based Modeling
　　2.2.4 Specialized Modeling Techniques
　2.3 Performance Modeling
　　2.3.1 Response Surface Methodology
　　2.3.2 Non-Normal Performance Modeling
　　2.3.3 Delay Modeling
　　2.3.4 Interconnect Delay Models
　　2.3.5 Reduced-Order Modeling Techniques
3 Statistical Timing Analysis
　3.1 Introduction
　3.2 Block-Based Timing Analysis
　　3.2.1 Discretized Delay PDFs
　　3.2.2 Reconvergent Fanouts
　　3.2.3 Canonical Delay PDFs
　　3.2.4 Multiple Input Switching
　3.3 Path-Based Timing Analysis
　3.4 Parameter-Space Techniques
　　3.4.1 Parallelepiped Method
　　3.4.2 Ellipsoid Method
　　3.4.3 Case-File Based Models for Statistical Timing
　3.5 Bayesian Networks
4 Statistical Power Analysis
　4.1 Overview
　4.2 Leakage Models
　4.3 High-Level Statistical Analysis
　4.4 Gate-Level Statistical Analysis
　　4.4.1 Dynamic Power
　　4.4.2 Leakage Power
　　4.4.3 Temperature and Power Supply Variations
5 Yield Analysis
　5.1 High-Level Yield Estimation
　　5.1.1 Leakage Analysis
　　5.1.2 Frequency Binning
　　5.1.3 Yield Computation
　5.2 Gate-Level Yield Estimation
　　5.2.1 Timing Analysis
　　5.2.2 Leakage Power Analysis
　　5.2.3 Yield Estimation
　5.3 Supply Voltage Sensitivity
6 Statistical Optimization Techniques
　6.1 Optimization of Process Parameters
　　6.1.1 Timing Constraint
　　6.1.2 Objective Function
　　6.1.3 Yield Allocation
　6.2 Gate Sizing
　　6.2.1 Nonlinear Programming
　　6.2.2 Lagrangian Relaxation
　　6.2.3 Utility Theory
　　6.2.4 Robust Optimization
　　6.2.5 Sensitivity-Based Optimization
　6.3 Buffer Insertion
　　6.3.1 Deterministic Approach
　　6.3.2 Statistical Approach
　6.4 Threshold Voltage Assignment
　　6.4.1 Sensitivity-Based Optimization
　　6.4.2 Dynamic Programming
References
Index

作者介紹

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文摘

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序言

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現代集成電路設計中的關鍵挑戰：時序與功耗優化 在日新月異的電子技術浪潮中，集成電路（IC）的性能、效率和可靠性直接關係到電子設備的整體水平。從智能手機、高性能計算到物聯網設備，強大的計算能力和極低的功耗需求是設計的永恒主題。而實現這一目標，離不開對集成電路設計過程中兩大核心挑戰——時序（Timing）和功耗（Power）的深刻理解與精妙優化。 時序：確保信號在正確的時間到達 集成電路的本質是將成韆上萬甚至數億個晶體管通過復雜的互連綫連接起來，共同執行特定的邏輯功能。這些信號在電路中傳播，需要足夠的時間纔能完成其邏輯運算並傳遞給下一級。時序問題，顧名思義，就是確保這些信號在預定的時間內到達目的地，從而保證整個電路的正確運行。 想象一下一個巨大的齒輪組，每一個齒輪的轉動都依賴於前一個齒輪的及時帶動。如果某個齒輪轉動得太慢，整個鏈條就會齣現紊亂。在數字電路中，時鍾信號扮演著“節奏指揮傢”的角色，它以穩定的頻率驅動著各個邏輯單元的工作。每一個時鍾周期內，信號都需要完成從輸入到輸齣的所有邏輯運算，並在這個周期結束前穩定下來，準備迎接下一個時鍾周期的到來。 關鍵的時序概念包括： 時鍾周期（Clock Period）： 完成一次完整邏輯操作所需的最短時間。它是係統性能的上限。 時鍾頻率（Clock Frequency）： 每秒鍾時鍾信號完成的周期數，頻率越高，單位時間內能完成的運算越多，性能也越高。 建立時間（Setup Time）： 在時鍾沿到達之前，數據輸入必須保持穩定的最短時間，以確保數據被正確采集。 保持時間（Hold Time）： 在時鍾沿到達之後，數據輸入必須保持穩定的最短時間，以避免數據被錯誤地更新。 最大時鍾頻率（Maximum Clock Frequency）： 由電路中最慢的路徑（關鍵路徑）決定，也就是需要最長時間纔能完成邏輯運算的路徑。 時序違例（Timing Violation）： 當信號的傳播延遲過長，導緻在下一個時鍾沿到來之前未能穩定，或者在時鍾沿之後未能保持足夠的時間，從而引起數據錯誤。這包括建立時間違例（Setup Violation）和保持時間違例（Hold Violation）。 時序優化麵臨的挑戰： 集成電路的規模越來越大，時鍾頻率也越來越高，時序分析和優化變得異常復雜。以下是主要的挑戰： 工藝變化（Process Variations）： 即使是同一批次生産的芯片，晶體管的性能也存在微小的差異，這會導緻信號傳播速度的不確定性。 溫度變化（Temperature Variations）： 溫度升高通常會降低晶體管的速度，增加信號傳播延遲。 電壓變化（Voltage Variations）： 工作電壓的波動也會影響晶體管的性能。 互連綫延遲（Interconnect Delay）： 隨著電路規模的增大，信號需要在越來越多的金屬層和更長的導綫上傳播，導綫電阻和電容帶來的延遲不容忽視，甚至可能超過邏輯門的延遲。 串擾（Crosstalk）： 相鄰信號綫之間的電磁耦閤會影響信號的完整性，産生時序噪聲。 設計復雜性： 現代SoC（System-on-Chip）集成瞭大量的IP核和功能模塊，如何協調這些不同模塊的時鍾域和接口，保證整體的時序收斂，是巨大的挑戰。 時序優化的方法： 為瞭應對這些挑戰，設計師們運用瞭一係列精密的時序分析和優化技術： 靜態時序分析（Static Timing Analysis, STA）： 一種無嚮量（vectorless）的分析方法，通過分析電路中所有可能的信號路徑，來檢測是否存在時序違例。STA是驗證時序收斂的關鍵工具。 邏輯綜閤（Logic Synthesis）： 在設計初期，通過算法將高層次的RTL（Register-Transfer Level）代碼轉換為門級網錶，並在此過程中進行初步的時序優化，例如選擇更快的邏輯門、重新組織邏輯結構等。 布局布綫（Place and Route, P&R）： 將邏輯門放置在芯片的物理位置上，並連接它們之間的導綫。P&R工具會考慮時序約束，盡量縮短關鍵路徑的長度，減少互連綫延遲。 時鍾樹綜閤（Clock Tree Synthesis, CTS）： 設計一個低偏斜（low skew）的時鍾網絡，確保時鍾信號幾乎同時到達芯片上的所有時序單元。 緩衝區插入（Buffer Insertion）： 在信號路徑中插入邏輯緩衝器，以增強信號驅動能力，縮短信號傳播延遲。 扇齣優化（Fanout Optimization）： 減少一個門輸齣驅動的門數量，以避免扇齣過大導緻信號衰減和延遲增加。 邏輯修復（Logic Repair）： 針對STA發現的時序違例，自動或手動修改邏輯電路，以滿足時序要求。 時序導嚮的優化（Timing-Driven Optimization）： 在整個設計流程中，持續將時序約束作為重要的優化目標，指導設計決策。 功耗：高效利用每一份能量 隨著電子設備朝著小型化、移動化和長續航方嚮發展，功耗問題變得前所未有的重要。芯片的功耗不僅影響設備的續航時間，還直接關係到散熱設計、成本以及環境可持續性。在某些應用場景，例如電池供電的物聯網設備或可穿戴設備，低功耗更是設計的首要考量。 集成電路的功耗主要分為兩大類： 動態功耗（Dynamic Power）： 這是電路工作時消耗的能量，主要來源於對芯片內部寄生電容的充放電以及信號切換時的電流消耗。它與時鍾頻率、工作電壓以及芯片的開關活動密切相關。 電容充放電功耗： 當邏輯門輸齣狀態改變時，需要對連接在其輸齣端的下一級門的輸入電容進行充放電。這一過程會消耗能量。 短路功耗（Short-Circuit Power）： 在CMOS電路中，當一個門輸齣狀態切換過程中，一段時間內，PMOS和NMOS同時導通，形成一條從電源到地的通路，産生短暫的短路電流，消耗能量。 靜態功耗（Static Power）： 這是電路即使在不工作時（無時鍾信號或輸入信號變化）也會消耗的能量，主要來源於晶體管的漏電流（Leakage Current）。隨著晶體管尺寸的不斷縮小，漏電流問題日益嚴重，成為限製芯片功耗的主要瓶頸之一。 功耗優化麵臨的挑戰： 工藝節點的縮小： 更小的晶體管尺寸帶來瞭更高的集成度，但同時也增加瞭漏電流，導緻靜態功耗顯著上升。 性能提升的需求： 追求更高的時鍾頻率和更復雜的邏輯功能，往往會增加動態功耗。 異構計算： 現代SoC集成瞭CPU、GPU、DSP等多種處理單元，不同單元的功耗特性差異很大，如何協同管理它們的功耗成為難點。 動態工作負載： 芯片的工作負載是動態變化的，如何根據實時需求動態調整功耗，實現精細化管理，是一項復雜的技術。 溫度效應： 漏電流與溫度呈指數關係，高溫會顯著增加靜態功耗，形成惡性循環。 功耗優化的方法： 設計師們采用瞭多種策略來降低芯片的功耗： 動態電壓頻率調整（Dynamic Voltage and Frequency Scaling, DVFS）： 根據當前的工作負載，動態調整芯片的工作電壓和時鍾頻率。當需要高性能時，提高電壓和頻率；當負載較低時，降低電壓和頻率，從而大幅降低動態功耗。 時鍾門控（Clock Gating）： 當某個模塊不需要工作時，將其時鍾信號關閉，阻止其內部信號切換，從而避免動態功耗。這是降低動態功耗最有效的技術之一。 功率門控（Power Gating）： 將不使用的模塊完全斷電，將其漏電流降至零。這可以顯著降低靜態功耗，但需要額外的開/關機控製邏輯和較長的恢復時間。 多閾值電壓（Multi-Threshold Voltage, MTV）設計： 在同一工藝下，使用不同閾值電壓的晶體管。低閾值電壓的晶體管速度快，但漏電流大；高閾值電壓的晶體管速度慢，但漏電流小。可以通過在關鍵路徑使用低閾值電壓晶體管，在對速度要求不高的路徑使用高閾值電壓晶體管，從而在性能和功耗之間取得平衡。 低功耗邏輯設計： 采用更精簡的邏輯結構，避免冗餘邏輯，優化狀態機的設計等。 並行化和多核技術： 通過增加並行度，使用多個低功耗核心協同工作，而不是一個高性能核心高負荷運行，可以更有效地降低整體功耗。 架構級優化： 在係統架構層麵考慮功耗，例如選擇更節能的IP核，設計高效的數據通路，優化內存訪問模式等。 靜態功耗分析與優化： 通過掃描和分析漏電流的來源，采取針對性的措施，例如優化柵極氧化層厚度，使用具有較低漏電流特性的材料等。 時序與功耗的權衡： 時序和功耗之間往往存在著密切的權衡關係。通常情況下，為瞭提高時序性能，我們會選擇更快的邏輯門、更低的閾值電壓、更高的工作電壓和時鍾頻率，這些都會增加功耗。反之，為瞭降低功耗，我們可能會犧牲一部分時序性能，例如使用更慢的邏輯門、更高的閾值電壓、更低的工作電壓和時鍾頻率。 因此，在集成電路設計中，時序和功耗的優化是一個復雜的權衡過程，需要在滿足係統性能要求的前提下，盡可能地降低功耗，或者在滿足功耗預算的前提下，盡可能地提高性能。 設計師需要根據具體的應用需求和設計目標，綜閤運用各種分析和優化技術，在時序和功耗之間找到最佳的平衡點。 隨著技術的不斷發展，對集成電路的時序和功耗優化的要求也越來越高。未來的集成電路設計將更加注重智能化、自適應性和全局性的優化，以應對日益增長的性能需求和日益嚴峻的功耗挑戰，驅動著電子技術嚮著更高效、更強大、更可持續的方嚮發展。

评分☆☆☆☆☆

這本《統計分析與優化：時序和功耗》的作者，安歇斯，真是個將冰冷的時序約束和功耗優化問題，用一種近乎詩意的方式呈現齣來的“魔法師”。初讀這本書時，我最深的感受是它那股撲麵而來的嚴謹和深度，完全不是那種流於錶麵的教科書能比擬的。它不像某些同行書籍，隻是羅列公式和算法，而是真正深入到VLSI設計流程的每一個關節，用統計學的視角去審視那些我們習以為常的工程挑戰。我記得翻到討論SRAM單元的功耗建模那幾章，作者並沒有簡單地套用經典的電學模型，而是巧妙地引入瞭概率分布，來捕捉工藝變化帶來的不確定性。那種感覺就像是，原本隻能看到一片模糊的雲，突然間，有人遞給你一副高清眼鏡，讓你清晰地看到瞭雲層內部的每一滴水珠是如何運動的。特彆是關於濛特卡洛模擬在設計收斂性驗證中的應用，其詳盡的步驟解析，幾乎可以作為我個人工具箱裏最可靠的參考手冊。這本書的價值，在於它教會我們如何從“確定性思維”的舒適區走齣來，擁抱半導體設計中無處不在的隨機性，並將這種不確定性轉化為可控的設計裕度。這無疑是為我們這些奮戰在前端和後端交界處的工程師，提供瞭一把洞察未來的瑞士軍刀。

评分☆☆☆☆☆

坦白講，這本書的閱讀體驗，更像是一次與領域內頂級專傢的“深度對話”，而不是單嚮的知識灌輸。安歇斯在書中討論的那些關於工藝角（PVT Corner）選擇的統計學依據，徹底顛覆瞭我過去基於經驗選擇PVT的習慣。過去我們總是按照最壞情況設計，留齣巨大的安全裕度，這導緻瞭芯片性能的巨大浪費。這本書則通過對工藝變異的概率密度函數進行細緻的分析，指導我們如何選擇更具代錶性的、能覆蓋99.9%設計樣本的“有效角”，從而顯著減小設計冗餘。這種從經驗主義嚮科學決策轉變的過程，是這本書帶給我的最寶貴的財富。它不僅提供瞭技術，更重要的是，提供瞭一種看待和解決問題的全新哲學——即用量化的不確定性管理，來駕馭日益復雜的半導體物理世界。對於所有希望在尖端集成電路設計領域走得更遠的人來說，這本書是不可多得的基石讀物。

评分☆☆☆☆☆

說實話，我拿到這本書的時候，心裏其實是打鼓的，畢竟“統計分析”和“優化”這兩個詞放在一起，就意味著大量的數學推導和抽象概念，我生怕自己會陷入一堆看不懂的符號泥潭裏。然而，安歇斯這位作者，在構建理論體係的同時，展現齣瞭驚人的教學天賦。他的敘事邏輯極為清晰，總能把一個復雜的優化目標，層層分解，最終落到一個可以量化的指標上。我尤其欣賞他對時序收斂性問題的處理方式。傳統方法常常是“打地鼠”式的迭代，哪裏齣問題就修哪裏，效率低下且容易遺漏潛在風險。但這本書提供瞭一種基於預測和反饋的閉環優化框架。他引入的那些先進的隨機過程模型，讓原本隻能靠經驗堆砌的布局布綫優化，有瞭一套堅實的理論基礎。我嘗試將書中提齣的幾項敏感度分析技術應用到我們最近一個高頻模塊的收斂驗證中，效果立竿見影，原本需要一周纔能勉強收斂的迭代周期，硬生生被縮短到瞭三天。這本書絕非那種隻能在書架上落灰的理論大部頭，它是一本實實在在能提升項目交付速度和質量的“實戰手冊”，隻不過，它用的“子彈”是統計學的原理。

评分☆☆☆☆☆

對於那些資深的IC設計人員來說，最痛苦的莫過於麵對不斷攀升的功耗牆。我們的設計越來越復雜，晶體管數量幾何級增長，但芯片的功耗預算卻像被施瞭魔咒一樣，紋絲不動。這本書在功耗優化這一塊，簡直是“對癥下藥”。它沒有停留在簡單的門控時鍾或電源門控這些初級技巧上，而是深入到瞭動態電壓和頻率調整（DVFS）策略的精細化層麵。安歇斯對功耗建模的精細程度令人咋舌，他不僅考慮瞭動態功耗，對亞閾值泄漏這種日益嚴重的靜態功耗問題，也進行瞭深入的統計建模和優化。我最感興趣的是關於“功耗-時序聯閤優化”的章節，書中提齣的Pareto前沿分析方法，給瞭我一個全新的視角去看待設計權衡。以往我們總是在時序和功耗之間“掰手腕”，總覺得犧牲一個就得讓渡另一個。這本書卻展示瞭如何通過更智能的算法，在兩者之間找到一個“最優平衡點”，使得設計能夠在滿足性能要求的前提下，實現功耗的最優解。這對於我們設計功耗敏感的移動端或邊緣計算芯片來說，簡直是雪中送炭。

评分☆☆☆☆☆

這本書的排版和配圖，雖然是典型的學術齣版社風格，但內容組織上卻體現瞭作者對讀者體驗的深切關懷。每一章的結構都設計得非常閤理，先是引齣一個實際的設計痛點（比如某個特定工藝節點下的變異性對時序的影響），然後逐步引入所需的統計工具和模型，最後給齣具體的優化算法和仿真驗證案例。這種“問題驅動”的學習路徑，極大地降低瞭理解新概念的門檻。特彆是那些復雜的數學推導，作者總能在關鍵步驟進行清晰的文字注釋，避免瞭讀者迷失在公式的海洋中。我個人特彆喜歡它在引用先進研究成果時的平衡感——既不過分堆砌，也不故作高深，而是精準地將理論與業界最新的研發趨勢結閤起來。讀完後，我感覺自己不僅掌握瞭一套處理時序和功耗問題的“方法論”，更重要的是，提升瞭對整個VLSI設計物理極限的認知高度。它讓你開始思考，在未來的製程節點下，我們現在所依賴的優化手段是否會失效，以及我們應該提前準備哪些新的統計工具來應對。