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[瑞士] Christian Piguet，陈力颖 著

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• 电路设计

店铺： 夜语笙箫图书专营店

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030315687

商品编码：29649607550

包装：平装

出版时间：2011-07-01

基本信息

书名：低功耗CMOS电路设计--逻辑设计与CAD工具

定价：65.00元

作者：(瑞士)Christian Piguet,陈力颖

出版社：科学出版社

出版日期：2011-07-01

ISBN：9787030315687

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.663kg

编辑推荐

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《低功耗CMOS电路设计》着重叙述低功耗电路设计，包括工艺与器件、逻辑电路以及CAD设计工具三个方面的内容。在工艺器件方面，描述了低功耗电子学的历史、深亚微米体硅SOI技术的进展、CMOS纳米工艺中的漏电、纳米电子学与未来发展趋势、以及光互连技术；在低功耗电路方面，描述了深亚微米设计建模、低功耗标准单元、高速低功耗动态逻辑与运算电路、以及在结构、电路、器件的各个层面上的低功耗设计技术，包括时钟、互连、弱反型超低功耗设计和绝热电路；在低功耗CAD设计工具方面，描述了功耗模型与高层次功耗估计，国际上主要CAD公司的功耗设计工具以及低功耗设计流程。本书由(瑞士)christianPiguet主编。

内容提要

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《低功耗CMOS电路设计》着重叙述低功耗电路设计，部分概述低功耗电子技术和深亚微米下体硅sOI技术的进展、CMOS纳米技术中的漏电流及光互连技术等；第二部分阐述深亚微米设计模型、低功耗标准单元、低功耗超高速动态逻辑与运算电路，以及在结构、电路、器件的各个层面上的低功耗设计技术；第三部分主要针对CAD设计工具及低功耗设计流程进行阐述。本书的内容来自低功耗集成电路设计领域三十多位学者和专家的具体实践，包括学术界与工业界多年来的研究设计成果与经验，所介绍的技术可以直接应用于产品设计。
《低功耗CMOS电路设计》可以作为微电子、电子科学与技术、集成电路等领域的研发、设计人员及工科院校相关专业师生的实用参考资料。本书由(瑞士)christianPiguet主编。

目录

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作者介绍

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ChristianPiguet，瑞士Nyon人，分别在1974年和1981年获得洛桑联邦瑞士大学(EPFL)的电子工程硕士与博士学位。Piguet博士于1974年加入了瑞士纳沙泰尔Centre Electronique HorlogerS.A.实验室。主要研究钟表业的CMOS数字集成电路和嵌入式低功耗微处理器，以及基于门阵列方法的CAD工具。他目前是纳沙泰尔CSEMCentre Suisse d'Electronique et de MicrotechniqueS.A.实验室超低功耗部门的负责人，并参与低功耗和高速CMOS集成电路的设计与管理。他的主要兴趣包括低功耗微处理器与DSP、低功耗标准单元库、门控时钟和低功耗技术及异步设计。

文摘

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序言

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低功耗CMOS电路设计：逻辑设计与CAD工具 内容概述 本书深入探讨了低功耗CMOS电路设计的核心理念、关键技术与实际应用。在当今移动化、智能化和物联网飞速发展的时代，电子设备的便携性、续航能力以及环境友好性已成为至关重要的考量因素。CMOS（互补金属氧化物半导体）技术因其固有的低静态功耗和高集成度，成为设计现代低功耗电子系统的基石。本书旨在为读者提供一个全面而深入的知识体系，使其能够掌握从逻辑设计到CAD工具应用的全流程，以期设计出满足严格功耗约束的CMOS电路。 第一部分：低功耗CMOS电路设计基础 本部分奠定了低功耗CMOS电路设计的理论基础。 CMOS基本原理与功耗分析： 详细回顾了CMOS晶体管的工作原理，包括其开关特性、跨导以及关键的栅极、源极、漏极等结构。在此基础上，深入分析了CMOS电路中主要的功耗来源，包括动态功耗（充放电、短路功耗）和静态功耗（亚阈值漏电、栅极氧化层漏电、结漏电等）。我们将量化这些功耗成分，并探讨影响它们的关键工艺和设计参数。读者将理解为何动态功耗在高速开关电路中占据主导，而静态功耗在低频率或待机模式下则日益凸显其重要性。 功耗与性能的权衡： 强调了在实际设计中，功耗、性能（速度）、芯片面积和成本之间的内在联系和权衡。本书将介绍常用的功耗-性能指标，例如能量每操作、功耗每门等，并阐述如何在设计决策中进行优化。例如，降低工作电压可以显著降低动态功耗，但也会牺牲电路的速度；增加电路冗余度以提高可靠性，但会增加面积和功耗。通过分析不同设计场景下的功耗-性能曲线，读者将学会做出明智的设计选择。 功耗降低的基本策略： 引入了贯穿全书的低功耗设计策略。这些策略包括： 电压缩减（Voltage Scaling）： 探讨了动态电压缩减（DVS）和静态电压缩减（SVS）的原理与实现。动态电压缩减通过根据电路的计算负载动态调整工作电压，在不影响性能的前提下最大限度地降低功耗。静态电压缩减则在芯片的不同功能模块采用不同的固定电压，实现整体功耗的优化。 频率缩减（Frequency Scaling）： 介绍动态频率缩减（DFS）技术，通过降低时钟频率来减少动态功耗，尤其适用于对实时性要求不高的应用。 时钟门控（Clock Gating）： 详细阐述了时钟门控技术，通过在不需要的模块上关闭时钟信号，彻底消除了该模块的时钟驱动功耗。我们将探讨不同粒度的时钟门控，从门级到寄存器级再到模块级。 功率门控（Power Gating）： 介绍功率门控技术，通过在模块不工作时将其电源断开，从而消除静态功耗。本书将分析功率门控的设计挑战，如恢复延迟和状态保持。 架构级优化： 简要介绍通过优化算法、并行处理、流水线技术等架构层面的改进来降低整体功耗。 第二部分：低功耗逻辑设计技术 本部分聚焦于在逻辑设计层面实现低功耗的具体技术和方法。 低功耗逻辑门设计： 探索了各种低功耗逻辑门（如多阈值电压CMOS - MTCMOS，动态阈值电压CMOS - DTCMOS，双阈值电压CMOS - DTMOS）的结构、工作原理和功耗特性。这些技术通过优化晶体管的阈值电压，在保证正常工作速度的同时，显著降低漏电流。我们将对比分析不同低功耗逻辑门在功耗、速度、噪声容限和工艺兼容性方面的优劣。 亚阈值漏电控制： 深入研究了导致静态功耗的重要因素——亚阈值漏电。本书将讲解亚阈值漏电的物理机制，以及如何通过工艺选项（如提高阈值电压、缩小沟道长度）和设计技术（如选择合适的工艺节点、采用精细的阈值电压控制）来加以缓解。 短路功耗的降低： 分析了在信号转换过程中产生的短路功耗，以及如何通过优化逻辑门的尺寸、输入信号的转换速率和驱动能力来降低短路功耗。 时序优化与功耗： 探讨了时序约束对功耗的影响。例如，在满足时序要求的条件下，选择更短的临界路径，可以允许更低的电压工作；避免竞争冒险（Races and Hazards）也是降低不必要的信号跳变和功耗的关键。 数据相关的功耗优化： 介绍了如何利用数据输入的统计特性来降低功耗。例如，当输入数据变化不大时，某些电路单元的功耗可以降低。我们将讨论基于数据相关的时钟门控和功耗门控技术。 低功耗状态机的设计： 针对有限状态机（FSM）的功耗优化，介绍如何通过选择合适的编码方式（如二进制编码、格雷码编码）、状态转移优化以及引入待机模式来降低功耗。 第三部分：低功耗CMOS电路的CAD工具与方法 本部分详细介绍了支持低功耗CMOS电路设计的各种计算机辅助设计（CAD）工具和实用方法，是理论与实践相结合的关键环节。 低功耗设计流程概览： 描绘了从系统级到门级，再到物理实现的全流程低功耗设计流程。我们将介绍在这个流程中，功耗分析和优化在各个阶段的重要性。 功耗分析工具： 静态功耗分析： 讲解如何使用静态功耗分析工具（如Synopsys PrimeTime PX, Cadence Joules）来估算和分析静态漏电功耗。这些工具能够根据电路的结构、工艺参数和工作模式，预测漏电总量。 动态功耗分析： 介绍使用动态功耗分析工具（如Synopsys PrimeTime PX, Cadence PowerArtist）来估算和分析动态功耗。这些工具通常需要仿真波形或统计数据作为输入，能够精确计算信号转换、时钟驱动和组合逻辑的功耗。 集成功耗分析： 探讨如何利用能够同时进行静态和动态功耗分析的集成工具，以获得更全面的功耗视图。 功耗优化工具与技术： 逻辑综合与功耗优化： 介绍逻辑综合工具（如Synopsys Design Compiler, Cadence Genus）如何在综合过程中集成低功耗优化选项，例如自动化的时钟门控插入、多阈值电压逻辑选择、以及优化逻辑结构以降低功耗。 电源网格与IR Drop分析： 详细讨论电源完整性（Power Integrity）的重要性，以及如何使用IR Drop分析工具（如Synopsys IC Compiler II, Cadence Innovus）来识别和缓解由于电源网络电阻和电流引起的电压下降，这直接影响电路的性能和功耗。 物理设计与功耗： 讲解在布局布线阶段如何进行功耗优化，例如通过优化门的时钟树（Clock Tree Synthesis, CTS），减少时钟抖动和驱动功耗；合理放置低功耗模块，优化电源和地线的连接；以及利用物理感知（Physical-Aware）的功耗优化技术。 仿真与验证： 强调在低功耗设计中，仿真和验证的必要性。我们将介绍如何使用仿真工具（如Synopsys VCS, Cadence Incisive）来验证低功耗技术的功能和性能，以及如何设计特定的测试用例来覆盖不同的功耗模式。 先进的功耗管理技术： 多电压域（Multi-Voltage Domain, MVD）设计： 讲解如何设计包含多个不同工作电压区域的复杂系统，以及如何使用电压转换器（Voltage Shifter）来处理不同电压域之间的信号交互。 先进的电源门控和动态电压频率调节（DVFS）实现： 深入研究如何结合使用功率门控和DVFS技术，实现更精细的功耗控制。例如，如何设计电源控制器（Power Management Unit, PMU）来协调这些技术。 自适应电压和频率缩减（AVFS）： 介绍AVFS技术，它结合了内置传感器和反馈机制，能够实时监测电路的实际工作状态和温度，并动态调整电压和频率，以达到最优的功耗-性能比。 第四部分：案例研究与应用 本部分通过具体的案例研究，展示低功耗CMOS电路设计在实际应用中的落地。 移动处理器与SoC（System-on-Chip）设计： 分析智能手机、平板电脑等移动设备中处理器和SoC的低功耗设计挑战，以及如何应用本书介绍的技术来延长电池续航。 物联网（IoT）设备： 探讨传感器节点、智能穿戴设备等对功耗极致要求的IoT设备的低功耗设计策略，例如如何实现超低待机功耗和高效的睡眠模式。 无线通信芯片： 分析基带处理器、射频前端等通信芯片的功耗特点，以及如何通过数字信号处理（DSP）的低功耗优化来减少整体功耗。 嵌入式系统： 针对资源受限的嵌入式系统，介绍如何权衡功耗、性能和成本，设计出满足特定需求的低功耗CMOS电路。 总结 本书不仅提供了关于低功耗CMOS电路设计原理的深入讲解，更强调了CAD工具在实现这些技术中的不可或缺的作用。通过理论知识、设计技巧和工具方法的结合，读者将能够掌握从概念到实现的全过程，设计出满足日益增长的低功耗需求的现代电子系统。本书适合于集成电路设计工程师、数字逻辑设计工程师、芯片架构师以及对低功耗电子设备设计感兴趣的在校学生和研究人员。通过学习本书，读者将能够提升在功耗优化方面的设计能力，应对未来电子产品设计的关键挑战。

评分☆☆☆☆☆

我发现这本书在处理实际工程问题时的实用性远超我的预期。很多同类书籍往往过于偏重理论的推导，使得读者在合上书本后，面对实际的EDA工具和仿真环境时会感到无从下手。然而，这本书巧妙地在理论讲解与工具应用之间架起了一座桥梁。它并非简单地罗列软件命令，而是深入探讨了不同设计约束（比如速度、面积和功耗）之间相互制约的权衡艺术。书中对时序分析和功耗预算的章节尤其精彩，作者没有回避实际设计中常见的“怪异”现象，反而通过具体的案例分析，展示了如何利用设计规则和仿真模型来预测和解决这些问题。我特别欣赏作者在介绍新的设计方法论时，总会回顾其历史背景，这使得我们不仅知道“怎么做”，更明白了“为什么这样做是最好的选择”。这对于培养一个全面的、具有批判性思维的IC设计工程师至关重要，它教会的不仅仅是技能，更是一种解决问题的思维框架。

评分☆☆☆☆☆

这本书在对现代设计流程的整合性描述方面做得尤为出色。在如今这种高度自动化的设计流程中，许多初学者往往只接触到流程中的某一个环节，缺乏对全局的宏观把握。本书似乎意识到了这一点，它没有孤立地讨论逻辑综合或版图实现，而是将两者置于一个统一的、以设计目标为导向的框架下进行考察。特别是它对设计收敛（Design Closure）的探讨，非常贴近业界真实的工作状态。书中详细描述了在不同设计阶段，应如何利用CAD工具提供的反馈信息来迭代优化设计，这是一个在很多教材中被轻描淡写处理的环节。通过阅读这些内容，我开始更清晰地理解不同阶段的设计决策如何对最终芯片的性能产生累积效应。这本书提供的远不止是技术知识，更像是一份关于如何高效管理复杂IC项目的心得体会，它教会了读者如何成为一个能掌控全局的设计师，而不是仅仅依赖工具的执行者。

评分☆☆☆☆☆

这本书的语言风格非常具有个人特色，它不像那种标准的、中性的技术文档，反而流露出一种作者对这个领域的热情和一丝不苟的匠人精神。读起来，感觉就像是经验丰富的前辈在给你亲自讲解复杂的概念，那种引导性非常强，不会让你感觉被知识点淹没。例如，在讨论低功耗设计中的亚阈值漏电控制策略时，作者采用了一种由浅入深、层层递进的叙述方式，先从物理本质入手，再逐步过渡到寄存器传输级（RTL）和门级优化的具体技术。这种叙述层次感极佳，确保了即便是初次接触这个主题的读者，也能跟上思路。此外，书中的插图和示意图往往不是简单的功能示意，而是深入到晶体管或逻辑门的层级去解释工作原理，极大地增强了抽象概念的具象化。这种深入浅出的表达能力，是衡量一本优秀技术著作的重要标准，而这本书无疑做到了这一点。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计和装帧风格给我留下了非常深刻的印象，那种沉稳的蓝色调和清晰的字体排版，立刻让人感受到一种严谨的学术气息。我是在寻找一本能够系统梳理现代集成电路设计原理的专业书籍时偶然发现它的，初次翻阅时，就被其清晰的章节结构所吸引。它似乎不是那种堆砌术语的教科书，而是更侧重于将复杂的理论概念，通过逻辑清晰的框架进行梳理和阐释。尤其是前几章对于半导体器件特性的基础回顾，虽然是经典内容，但其切入点非常新颖，仿佛是在用一种全新的视角重新审视我们习以为常的晶体管行为。书中对各种设计范式的介绍，从早期的静态逻辑到最新的动态电路优化，都展现了作者深厚的行业积累和对技术演进的深刻洞察。对于任何希望深入理解现代数字系统内核的工程师或学生来说，这本书无疑提供了一个坚实且富有启发性的起点。它的排版布局非常适合长时间阅读和学习，图表的清晰度和信息密度拿捏得恰到好处，避免了视觉疲劳，同时也保证了知识的深度。

评分☆☆☆☆☆

作为一名长期在相关领域摸索的学习者，我必须承认，很少有技术书籍能够如此全面而又保持高度的阅读愉悦感。这本书在细节的准确性上达到了令人称赞的水平，但同时它又避免了陷入那些只有少数专家才会关心的晦涩角落，而是聚焦于那些对大多数从业者都至关重要的核心技术点。对我个人而言，最宝贵的一点是它对于设计哲学层面的探讨。作者似乎在每一章的结尾，都会不经意地抛出一个关于工程伦理或未来趋势的思考，引导读者跳出眼前的代码和电路图，去思考这项技术在更广阔的社会和产业中的定位。这种宏观视野的引入，使得学习过程充满了智力上的挑战和满足感。它让我意识到，设计一个高效的电路，不仅仅是技术问题，更是一种复杂的系统优化艺术，需要结合对物理、数学乃至工程管理的深刻理解。这本书无疑是一次对自身知识体系的系统性重构过程。