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刘峰 著

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• Cadence
• Synopsys
• 芯片设计
• 工艺库
• 实战

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出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111514404

商品编码：29483610431

包装：平装

出版时间：2015-10-01

基本信息

书名：CMOS集成电路后端设计与实战

定价：69.00元

作者：刘峰

出版社：机械工业出版社

出版日期：2015-10-01

ISBN：9787111514404

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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作者十年磨铁之作，Intel、睿晟微电子、复旦微电子多位专家联袂推荐。
　　首本由本土作者系统讲解集成电路后端设计的专著，集后端设计之大成。
　　结合后端设计的主流工具，理论联系实践，极具可操作性。

内容提要

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　　集成电路后端设计流程长、环节多，而且每个环节、每个工种都涉及非常多的背景知识和技能。为了让读者能够系统地掌握后端设计的基础知识，本书不仅在广度上全面覆盖集成电路后端设计的三个重要设计大方向：全定制、半定制和静态时序分析，而且在深度上覆盖了后端三大重要设计方向之间相互关联的技术点。并以此来贯穿整个后端设计流程，使读者在广度和技术点衔接两方面深入理解整个后端设计技术和流程细节。本书不拘泥于枯燥理论的灌输，把整个集成电路后端设计过程通过结合业内主流EDA设计工具和实践操作的形式进行讲解，终以理论联系实际的方法来真正地提高读者学以致用的工程技术设计能力。本书是任何想要学习集成电路后端设计的读者必读的。

　　本书特点：
　　系统而且深入，既对后端设计知识的广度有足够的覆盖，同时也不乏深度和细致。
　　从完整工程设计的角度出发，结合主流工具，实操性强。
　　涉及的实验技术资料可以在相关EETOP【后端设计】分论坛下载。
　　作者将定期在EETOP分论坛与本书读者进行互动和交流，解答读者问题。

目录

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前言
章引论
1.1集成电路发展史简介
1.2集成电路发展现状
1.3国际集成电路发展趋势
第2章集成电路后端设计方法
2.1集成电路后端设计
2.2后端全定制设计方法
2.2.1后端全定制设计流程介绍
2.2.2主流后端全定制设计工具介绍
2.2.3后端全定制设计小结
2.3后端半定制设计方法
2.3.1后端半定制设计流程介绍
2.3.2主流后端半定制设计工具介绍
2.3.3后端半定制设计小结
**部分后端全定制设计及实战
第3章后端全定制设计之标准单元设计技术
3.1设计标准单元库的重要性
3.2标准单元设计技术
3.2.1标准单元的基本介绍
3.2.2标准单元的基本类型
3.2.3标准单元库提供的数据
3.2.4标准单元设计参数
3.3标准单元设计流程
3.3.1方案设计
3.3.2标准单元电路及版图设计
3.3.3标准单元库版图和时序信息的提取
3.3.4库模型与库文档生成
3.3.5设计工具流程验证
3.3.6测试电路设计及工艺流片验证
3.4标准单元设计需要的数据
3.5标准单元设计EDA工具
第4章后端全定制设计之标准单元电路设计技术
4.1CMOS工艺数字电路实现结构
4.1.1静态电路实现结构
4.1.2伪NMOS电路实现结构
4.1.3传输管与传输门电路
4.1.4动态电路实现结构
4.1.5高扇入逻辑电路的实现结构
4.2CMOS数字电路优化
4.3标准单元库中几种时序单元介绍
4.3.1C2MOS触发器
4.3.2真单相触发器
4.3.3脉冲触发器
4.3.4数据流触发器
第5章后端全定制设计之标准单元电路设计实战
5.1电路设计流程
5.2时序单元HLFF的电路设计
5.2.1建立库及电路设计环境
5.2.2VituosoSchematicComposer使用基础
5.2.3时序单元HLFF电路实现
5.2.4时序单元HLFF电路元件的产生
5.2.5时序单元HLFF电路网表输出
5.3时序单元HLFF的电路仿真
5.3.1设置带激励输入的仿真电路图
5.3.2使用VirtuosoSpectreCircuitSimulator进行电路仿真
第6章后端全定制设计之标准单元版图设计技术
6.1基本CMOS工艺流程
6.2基本版图层
6.2.1NMOS/PMOS晶体管的版图实现
6.2.2串联晶体管的版图实现
6.2.3并联晶体管的版图实现
6.2.4CMOS反相器的版图实现
6.2.5缓冲器的版图实现
6.2.6CMOS二输入与非门和或非版图实现
6.3版图设计规则
6.4版图设计中晶体管布局方法
6.4.1基本欧拉路径法
6.4.2欧拉路径法在动态电路中的应用
6.4.3晶体管尺寸对版图的影响
6.5标准单元版图设计的基本指导
6.5.1优化设计标准单元
6.5.2标准单元PIN脚的设计
第7章后端全定制设计之标准单元版图设计实战
7.1版图设计流程
7.2时序单元HLFF版图实现
7.2.1建立项目库及版图设计环境
7.2.2VituosoLayoutEditor使用基础
7.2.3时序单元HLFF版图实现
7.2.4时序单元HLFF版图GDS输出
7.3版图设计规则检查
7.3.1执行版图设计规则检查
7.3.2基于版图设计规则结果的调试
7.4版图与电路等价性检查
7.4.1执行版图与电路等价性检查
7.4.2基于版图与电路等价性检查结果的调试
7.5版图寄生参数提取
第8章后端全定制设计之标准单元特征化技术
8.1标准单元时序模型介绍
8.1.1基本的时序模型归纳
8.1.2时序信息建模方法
8.1.3时序信息文件基本内容
8.2标准单元物理格式LEF介绍
8.2.1LEF文件中重要参数详细说明
8.2.2LEF文件全局设置
8.2.3LEF文件中工艺库物理信息设置
8.2.4LEF文件中单元库物理信息设置
8.2.5LEF对应的图形视图
第9章后端全定制设计之标准单元特征化实战
9.1时序信息提取实现
9.1.1时序信息特征化的实现流程
9.1.2时序信息特征化的数据准备
9.1.3标准单元HLFF的时序信息特征化
9.1.4SiliconSmart工具流程介绍
9.2物理信息抽象化实现
9.2.1物理信息抽象化实现流程
9.2.2建立物理信息抽象化工作环境
9.2.3标准单元HLFF的物理信息抽象化
9.2.4版图抽象化后LEF数据输出

第二部分后端半定制设计及实战
0章后端半定制设计之物理实现技术
10.1半定制物理实现工程师应该具备的能力
10.2半定制物理实现流程
10.3半定制物理实现使用的EDA工具
10.4半定制物理实现需要的数据
10.5布局规划
10.6电源规划
10.6.1电压降与电迁移
10.6.2电源规划前的功耗预估方法
10.6.3电源条带的基本设置方法
10.6.4电源环的基本设置方法
10.6.5电源网络分析的基本方法
10.7时钟树的实现
10.7.1常见时钟网络的实现方法
10.7.2时钟树的综合策略
10.7.3时钟树的基本性能参数
10.7.4时钟树的综合流程
10.7.5门控时钟
10.7.6时钟树优化基本指导
10.8布线
10.8.1天线效应
10.8.2串扰噪声
10.8.3数模混合信号线走线的基本方法
10.9ECO
1章后端半定制设计之Open-SparcT1-FPU布局布线实战
11.1布局布线的基本流程
11.2布局布线工作界面介绍
11.3建立布局布线工作环境
11.4布局布线实现
11.4.1芯片布局
11.4.2电源网络实现
11.4.3自动放置标准单元
11.4.4时钟树综合
11.4.5布线
11.4.6芯片版图完整性实现
11.4.7布局布线数据输出
2章后端半定制设计之Open-SparcT1-FPU电压降分析实战
12.1电压降分析的基本流程
12.2建立电压降分析的工作环境
12.3电压降分析实现
12.3.1设置电源网格库
12.3.2功耗计算
12.3.3电压降分析

第三部分静态时序分析及实战
3章静态时序分析技术
13.1静态时序分析介绍
13.1.1静态时序分析背景
13.1.2静态时序分析优缺点
13.2静态时序分析基本知识
13.2.1CMOS逻辑门单元时序参数
13.2.2时序模型
13.2.3互连线模型
13.2.4时序单元相关约束
13.2.5时序路径
13.2.6时钟特性
13.2.7时序弧
13.2.8PVT环境
13.3串扰噪声
13.3.1串扰噪声恶化原因
13.3.2串扰噪声的体现形式
13.3.3串扰噪声相互作用形式
13.3.4时间窗口
13.4时序约束
13.4.1时钟约束
13.4.2I/O延时约束
13.4.3I/O环境建模约束
13.4.4时序例外
13.4.5恒定状态约束
13.4.6屏蔽时序弧
13.4.7时序设计规则约束
13.5静态时序分析基本方法
13.5.1时序图
13.5.2时序分析策略
13.5.3时序路径延时的计算方法
13.5.4时序路径的分析方法
13.5.5时序路径分析模式
4章静态时序分析实战
14.1静态时序分析基本流程
14.2建立静态时序分析工作环境
14.3静态时序分析实现
14.3.1建立时间分析
14.3.2保持时间分析
14.3.3时序设计规则分析
14.3.4时序违反修复
参考文献

作者介绍

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刘 峰　EETOP社区【后端设计】设计分论坛版主，拥有10年以上集成电路后端设计工程经验。目前主要从事集成电路后端设计的研究和开发工作，先后供职于多家外知名集成电路设计公司和科研院所，参与了多项国家863计划、核高基重大科技项目和重要的产品的研发。

文摘

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序言

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《晶体管世界的奇妙之旅：从硅片到精密芯片》 前言： 在现代科技飞速发展的浪潮中，我们无时无刻不被各种智能设备所包围。智能手机的便捷通信、高性能电脑的强大计算能力、嵌入式系统在汽车和家电中的广泛应用，这一切的背后，都离不开那个微小而神奇的电子元件——晶体管。它们如同电子世界的基石，构筑了我们所依赖的数字文明。然而，从一块普通的硅片，到承载着亿万晶体管的精密芯片，这其中蕴含着怎样令人惊叹的科学原理和工程智慧？《晶体管世界的奇妙之旅》将带您踏上一段探秘之旅，深入了解晶体管的奥秘，理解芯片是如何被设计、制造并最终融入我们生活的方方面面的。 第一章：微观世界的舞者——晶体管的诞生与演进 本章将从最基本的半导体物理学出发，为您揭开晶体管的神秘面纱。我们将一同回顾晶体管的发现历程，从早期的真空管到颠覆性的固体晶体管。您将了解到硅这种神奇的材料是如何成为晶体管制造的主角，以及掺杂、PN结等核心概念是如何赋予半导体材料导电特性的。 硅的魅力： 为什么选择硅？探讨硅的原子结构、能带理论以及其作为半导体材料的优越性。 PN结的形成： 深入剖析N型和P型半导体的特性，以及它们结合形成的PN结在控制电流流动中的关键作用。 晶体管的类型： BJT（双极结型晶体管）和MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）——两种截然不同但同样重要的晶体管家族。我们将详细介绍它们的结构、工作原理和各自的特点，为后续更复杂的集成电路打下基础。 摩尔定律的启示： 晶体管尺寸不断缩小的背后，是人类不断挑战物理极限的努力。本节将探讨摩尔定律对半导体产业的深远影响，以及它如何驱动着集成电路的进步。 第二章：数字逻辑的语言——门电路与组合逻辑 晶体管并非孤立存在，它们被巧妙地连接起来，构成了执行特定逻辑功能的“门电路”。这些门电路是构建一切数字系统的基本单元。本章将带领您走进数字逻辑的世界，理解基本逻辑门（AND、OR、NOT、NAND、NOR、XOR）的工作原理，以及如何通过组合这些门电路来实现更复杂的计算和控制功能。 逻辑门的基本构成： 了解AND、OR、NOT门是如何通过晶体管的组合来实现的，以及它们各自的逻辑真值表。 布尔代数的魔法： 学习如何使用布尔代数来描述和化简逻辑电路，这是设计复杂数字系统的必备工具。 组合逻辑电路设计： 从简单的加法器、译码器到更复杂的算术逻辑单元（ALU），我们将展示如何将基本逻辑门构建成能够执行算术和逻辑运算的电路。 电路的抽象与模块化： 理解如何将复杂的逻辑功能封装成可重用的模块，以提高设计效率和可维护性。 第三章：存储信息的奥秘——触发器与时序逻辑 数字系统不仅需要进行计算，还需要存储信息。本章将聚焦于能够“记住”状态的电路元件——触发器，以及基于触发器的时序逻辑电路。您将了解到，正是这些能够储存上一刻信息的电路，使得我们能够构建出具有“记忆”功能的数字系统。 触发器的种类与原理： SR触发器、D触发器、JK触发器、T触发器……我们将逐一解析它们的结构和工作机制，理解它们如何利用时钟信号来改变和保持状态。 寄存器： 学习如何将多个触发器组合成寄存器，用于存储多个比特的数据。 计数器： 探究不同类型的计数器（行波计数器、同步计数器）的设计，它们在频率分频、定时等方面的应用。 有限状态机（FSM）： 理解FSM的概念，它是描述系统在不同状态之间转换的强大模型，广泛应用于控制器设计。 第四章：微型计算机的大脑——处理器架构的演进 本章将把视角从单个电路单元提升到整个处理器系统。我们将探讨不同类型的处理器架构，以及它们是如何通过协同工作来实现强大的计算能力。 指令集架构（ISA）： RISC（精简指令集计算机）与CISC（复杂指令集计算机）的优缺点对比，以及它们如何影响处理器的设计和性能。 流水线技术： 揭示处理器如何通过将指令执行过程分解成多个阶段，并同时处理多条指令来提高效率。 缓存与内存层次结构： 深入理解缓存的原理，它如何通过存储常用数据来大幅缩短处理器访问内存的时间。 并行处理： 多核处理器、GPU（图形处理器）的兴起，以及并行计算在现代计算中的重要性。 第五章：绘制数字蓝图——硬件描述语言（HDL）入门 在现代电子设计中，硬件描述语言（HDL）已经成为不可或缺的工具。它允许工程师以文本化的方式描述硬件电路，并能通过仿真和综合工具将其转化为实际的电路。本章将为您提供HDL的基础知识，让您领略用代码构建数字世界的魅力。 Verilog HDL 基础： 学习Verilog的基本语法，包括模块定义、端口声明、信号类型、运算符以及基本的语句结构。 模块化设计思维： 如何将复杂的逻辑功能分解成小的、可管理的模块，并利用HDL进行实例化和连接。 行为级建模： 使用过程语句（always块）来描述电路的行为，这是实现复杂逻辑功能的常用方法。 数据流建模： 利用连续赋值语句来描述数据在电路中的流动，适用于组合逻辑的设计。 简单的HDL项目实践： 通过一个简单的设计示例，如一个8位加法器或一个简单的计数器，来巩固所学知识。 第六章：从代码到芯片——数字集成电路设计流程概览 芯片的设计是一个复杂且多阶段的过程。本章将为您描绘一幅宏伟的集成电路设计流程图，让您了解从一个设计概念到最终生产出可用芯片的每一步。 需求分析与规格定义： 任何设计的起点，明确芯片需要实现的功能和性能指标。 逻辑设计与验证： 利用HDL进行功能设计，并通过仿真验证其正确性。 综合（Synthesis）： 将HDL代码转换为门级网表，即电路的逻辑结构描述。 布局与布线（Place & Route）： 将逻辑门分配到物理位置，并连接它们形成实际的电路版图。 物理验证： DRC（设计规则检查）、LVS（版图与原理图一致性检查）等，确保芯片制造的可行性和设计的正确性。 版图生成与制造： 将最终的版图信息发送给晶圆厂进行制造。 测试与封装： 对制造出的芯片进行功能和性能测试，并进行封装。 第七章：芯片的“内在美容”——版图设计与物理实现 在这一章，我们将深入了解芯片的物理形态。您将了解到，一个芯片的性能、功耗和稳定性，很大程度上取决于其物理版图的设计。 CMOS工艺的基石： 简要介绍CMOS工艺的基本原理，以及NMOS和PMOS晶体管如何协同工作。 电路的物理布局： 理解如何将门级网表中的逻辑单元放置在硅片上，并考虑面积、时序和功耗等因素。 金属互连： 学习如何设计多层金属布线，将不同的电路单元连接起来，并考虑信号的串扰和电迁移。 时钟树综合： 保证时钟信号能以最小的偏移量到达芯片上的所有寄存器，这是高速设计的关键。 功耗与时序优化： 介绍如何通过版图设计来降低芯片的功耗，并满足严格的时序要求。 第八章：让芯片“动起来”——仿真与验证的艺术 “没有经过验证的设计是危险的设计”。本章将强调仿真与验证在芯片设计中的核心地位。您将了解到，如何通过各种仿真手段，在芯片生产之前发现和修复潜在的设计缺陷。 功能仿真： 验证电路在功能上是否符合设计规格。 时序仿真： 考虑门延迟、线延迟等因素，验证芯片在实际工作速度下的时序是否满足要求。 形式验证： 利用数学方法证明设计在所有可能输入情况下都满足规格，是一种更严格的验证方式。 验证方法学： 介绍如UVM（通用验证方法学）等先进的验证框架，它们能够提高验证的效率和覆盖率。 故障注入与可测试性设计（DFT）： 探讨如何设计芯片以便于测试，以及如何通过注入故障来评估芯片的鲁棒性。 第九章：芯片的“生命周期”——测试、封装与可靠性 芯片设计完成后，还需要经过一系列的流程才能真正投入使用。本章将带您了解芯片从生产线上下来后的“生命周期”。 芯片测试的挑战： 介绍不同类型的芯片测试，如生产测试、系统级测试等。 封装的种类与作用： 塑料封装、陶瓷封装、BGA封装等，它们如何保护芯片并提供与外部电路的连接。 芯片的可靠性： 探讨影响芯片可靠性的因素，如温度、电压、制造工艺等，以及如何通过设计和测试来提高芯片的可靠性。 失效分析： 当芯片出现问题时，如何进行失效分析以找到根本原因。 第十章：未来的展望——新材料、新架构与智能时代的芯片 集成电路技术仍在不断发展。本章将展望未来的芯片技术趋势，包括新材料的应用、新型计算架构的探索以及AI等技术对芯片设计的推动。 超越硅的探索： III-V族半导体、石墨烯等新材料在未来高性能芯片中的潜力。 三维集成技术： 堆叠芯片以提高集成密度和性能。 忆阻器与类脑计算： 探索非冯·诺依曼架构，为人工智能时代提供新的计算范式。 AI在芯片设计中的应用： AI如何辅助电路设计、验证和优化。 定制芯片与领域专用处理器： 针对特定应用场景（如AI推理、自动驾驶）设计的专用芯片。 结语： 《晶体管世界的奇妙之旅》旨在为您打开一扇了解现代电子技术核心的窗口。从微观的晶体管原理到宏观的芯片设计流程，我们希望通过深入浅出的讲解，激发您对这一充满挑战与机遇的领域的兴趣。芯片技术的发展不仅仅是科学技术的进步，更是人类智慧的结晶，它驱动着我们社会不断向前，塑造着我们的未来。愿这段旅程能为您带来启发，并鼓励您继续探索这个令人着迷的晶体管世界。

评分☆☆☆☆☆

这本书绝对是为那些想深入了解集成电路后端设计的工程师准备的“圣经”。我用了好几个月的时间才把这本书啃下来，感觉收获巨大。它不仅仅是罗列了一些设计流程和工具的使用方法，更重要的是，它深入剖析了后端设计中那些最容易让人头疼的瓶颈问题，比如时序收敛、功耗优化和物理实现中的各种陷阱。作者的讲解非常细致，很多在实际工作中难以找到清晰解答的难题，都能在这本书里找到答案。尤其是关于寄生参数提取和签核（Sign-off）流程的章节，写得尤为透彻。我记得有一次在处理一个低功耗设计时遇到了意想不到的IR Drop问题，翻阅这本书后，找到了非常实用的处理建议和调试思路，最终顺利解决了问题。这本书的难度不低，需要有一定的数字IC设计基础才能更好地吸收，但对于希望从“会用工具”进阶到“精通设计”的工程师来说，这本书的价值无可估量。它真的能帮助你建立起一个完整的、系统的后端设计思维框架，而不是零散的知识点堆砌。

评分☆☆☆☆☆

说实话，这本书的内容深度非常挑战我的现有知识体系，尤其是关于物理验证和签核的章节，涉及到的规则检查（DRC/LVS/ERC）和各种复杂的模型文件（如Liberty、SPEF）处理，简直是把我带到了另一个维度。作者在描述这些复杂流程时，非常注重细节的准确性，这一点在IC设计领域至关重要，因为一个小小的参数设置错误可能导致整个芯片流片失败。书中对功耗敏感性的分析和降噪技术（如使用缓冲器插入、逻辑重定时）的介绍，是真正体现了高级工程师水平的干货。我个人认为，这本书非常适合作为研究生阶段的参考教材，因为它提供的不仅仅是操作指南，更是一种工程思维的训练。它促使我去质疑每一个默认设置背后的合理性，去探究工具是如何做出决策的，从而真正掌握设计的主动权。

评分☆☆☆☆☆

这本书的编排方式非常贴合实际项目需求，几乎是按部就班地带着你走过一个完整的芯片后端流片流程。我特别欣赏它在讲解每个阶段时，不仅关注“怎么做”，更深入探讨了“为什么这么做”。比如在布局规划阶段，它对电源网络的设计拓扑结构做了详细的对比分析，让我明白了不同结构在噪声抑制和电流分配上的优劣。书中大量使用了业界成熟的工具链作为案例，这使得书中的内容具有极强的实操性。对于初入职场的后端工程师而言，这本书就像是一个经验丰富的导师，随时为你答疑解惑。我发现书中对版图（Layout）与时序（Timing）之间的相互作用的论述非常精辟，很多书只谈时序或只谈版图，而这本书把两者紧密地结合起来分析，这才是现代IC设计真正的挑战所在。读完后，感觉自己对后端流程的掌控力大大增强，不再是盲目地点击按钮等待结果，而是能主动预判和干预设计中的关键点。

评分☆☆☆☆☆

如果要用一个词来形容这本书给我的感受，那就是“厚重”。这绝不是那种浮于表面的入门教程，它需要读者投入大量时间和精力去理解和消化其中蕴含的深刻设计哲学。我印象最深的是关于DFM（Design for Manufacturability，可制造性设计）的部分，它详尽地阐述了如何在前段设计阶段就开始考虑后续制造的限制，尤其是对金属层桥接（Via stitching）和光刻热点（Hotspot）的处理，都有非常具体的指导。这本书的文字风格偏向于严谨的技术报告，逻辑清晰，推导严密，没有太多花哨的修饰，每一个公式和每一个步骤都有其存在的理由。对于那些追求极致性能和良率的团队来说，这本书提供的技术深度是其他同类书籍难以比拟的。它不仅教会你如何解决当前的问题，更重要的是，它让你学会如何构建一个面向未来的、鲁棒性更强的后端设计流程。

评分☆☆☆☆☆

这本书的价值在于其对“实战”二字的完美诠释。它没有停留在理论层面空谈，而是大量地穿插了基于业界标准流程的实际操作案例和疑难杂症的解决方案。例如，书中对静态时序分析（STA）中反馈路径和交叉时钟域（CDC）处理的讲解，细致到令人发指，直接解决了我在项目收尾阶段一直悬而未决的几个棘手时序违例。作者的写作风格非常务实，就像是你在项目现场拉着一位资深负责人请教问题一样，得到的回答既专业又直接指向核心。对于希望快速提升自己在高速接口（如SerDes/DDR）后端实现能力的读者来说，这本书提供了宝贵的经验积累。它让我深刻体会到，后端设计远非简单的布线和优化迭代，而是一门平衡速度、面积和功耗的复杂艺术，而这本书正是教授这门艺术的权威指南。