低功耗CMOS电路设计--逻辑设计与CAD工具 (瑞士)Christian Piguet, pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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瑞士Christian Piguet，陈力颖 著

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店铺： 天乐图书专营店

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030315687

商品编码：29510370589

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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部分 概述
章 低功耗电子技术的发展历史
1.1 引言
1.2 早期的计算机
1.3 晶体管和集成电路
1.4 低功耗消费类电子产品
1.5 功耗的快速增加
1.6 结论
参考文献
第2章 深亚微米下体硅技术与SOI技术的进展
2.1 引言
2.2 ITRS概述
2.3 晶体管的饱和电流和亚阈值电流
2.4 栅和其他隧道电流
2.5 晶体管电气参数的统计离差
2.6 栅氧化层物理厚度和电气厚度
2.7 晶体管的新结构
2.8 结论
参考文献
第3章 CMOS纳米技术中的漏电流
3.1 引言
3.2 MOSFET器件的ILEAK构成
3.3 尺寸缩放
3.4 电路级
3.5 结论
参考文献
第4章 微电子学、纳电子学及电子学的未来
4.1 引 言
4.2 作为纳电子器件的硅MOSFET
4.3 硅MOSFET的限
4.4 硅MOSFET的应用极限
4.5 硅MOSFET以外的晶体管
4.6 FET以外的晶体管
4.7 从微电子学到纳电子学
4.8 结论
4.9 致谢
参考文献
第5章 片上光互连的高级研究
5.1 互连问题
5.2 自顶向下的互连设计
5.3 信号通路中的无源光子器件
5.4 用于信号转换的有源器件
5.5 转换电路
5.6 键合问题
5.7 互连性能(光学系统与电学系统的比较)
5.8 研究方向
5.9 致 谢
参考文献
第2部分 低功耗电路
第6章 深亚微米工艺设计模型
6.1 引 言
6.2 电流模型
6.3 描述性能所使用单位的定义
6.4 在标准单元库中的应用
6.5 在低功耗设计中的应用
6.6 结 论
参考文献
第7章 逻辑电路和标准单元
7.1 引言
7.2 逻辑族
7.3 低功耗和标准单元库
7.4 对于特定应用的逻辑类型
7.5 结论
参考文献
第8章 低功耗超高速动态逻辑电路
8.1 引 言
8.2 单相时钟锁存器和触发器
8.3 高通量CMOS电路技术
8.4 快速有效的CMOS功能电路
8.5 动态逻辑的前景
8.6 结 论
参考文献
第9章 低功耗算法运算器
9.1 引 言
9.2 加 法
9.3 乘 法
9.4 其他运算器、数字系统和限制
参考文献
0章 降低动态功耗的电路设计方法
10.1 引 言
10.2 动态功耗的形成
10.3 电路结构的平行化
10.4 改变固定电压降低功耗技术
10.5 不改变电路主体设计技术方法来降低电路的功耗
10.6 改变电路主体结构的设计技术
10.7 结 论
参考文献
1章 低功耗设计中的硬件描述语言
11.1 引 言
11.2 基础知识
11.3 减少毛刺
11.4 时钟门控技术
11.5 有限状态机
11.6 数据通路
11.7 总线编码
11.8 结 论
11.9 致 谢
参考文献
2章 工作时钟频率在数GHZ下的系统设计
12.1 引言
12.2 连续系统中的时钟设计注意事项
12.3 异步系统
12.4 全局异步一局部同步系统
12.5 结 论
参考文献
3章 减小漏电流的电路设计方法
13.1 引言
13.2 漏电流的组成
13.3 逻辑电路设计中减小漏电流的技术
13.4 时序设计技术
13.5 运行状态下闲置漏电流减小技术
13.6 运行状态时漏电流减小技术
13.7 减小高速缓存中的漏电流技术
参考文献
4章 SoC的低功耗和低电压通信
14.1 引 言
14.2 互连线的基础理论
14.3 与互连线相关的功耗
14.4 减小互连线功耗的办法
14.5 光互连线的分析
14.6 结论
参考文献
5章 绝热与时钟供电电路
15.1 引言
15.2 绝热充电技术的原理
15.3 实现问题
15.4 结论
参考文献
6章 用于基本低功耗逻辑的弱反型
16.1 引言
16.2 MOS弱反型区模型和假设
16.3 静态MOS反相器
16.4 CMOS反相器的动态特性
16.5 标准传输下反相器的特性
16.6 进入中等反型区与强反型区的效应
16.7 逻辑门和数值实例扩展
16.8 实际考虑和条件限制
16.9 结论
参考文献
7章 低电压下数字电路的鲁棒性
17.1 引言
17.2 信号完整性
17.3 可靠性
17.4 结论
17.5 致谢
参考文献
第3部分 低功耗设计的CAD工具
8章 高级功耗估计与分析
18.1 引言
18.2 低功耗应用的通用设计流程
18.3 系统级功耗分析
18.4 算法级功耗估计与分析
18.5 ORINOCO：一种算法级功耗估计工具
18.6 结论
参考文献
9章 高级功耗估计的功耗宏模型
19.1 引言
19.2 RTL功耗建模
19.3 RTL功耗宏建模和估计
19.4 现实设置的RTL功耗估计
19.5 结论
19.6 致谢
参考文献
第20章 Synopsys低功耗设计流程
20.1 引 言
20.2 时钟门控
20.3 寄存器级的自动时钟门控
20.4 操作数隔离
20.5 逻辑优化
20.6 泄漏控制一一阈值管理
20.7 电压缩放
20.8 建模基础
20.9 分析流程
20.10 结论
参考文献
第21章 Magma低功耗流程
21.1 引言
21.2 功耗
21.3 功耗分析
21.4 功耗优化
21.5 供电轨分析
21.6 电源网络综合
21.7 结论
第22章 功耗敏感设计的时序设计流程
22.1 引言
22.2 设计流程概述
22.3 用于功耗敏感设计的时序工具
22.4 设计实例
22.5 结论
参考文献

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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数字世界的前沿：低功耗CMOS电路设计与现代EDA工具 在信息技术飞速发展的今天，对计算设备性能和能效的要求从未如此之高。从智能手机、可穿戴设备到物联网传感器，再到高性能计算和数据中心，每一个电子系统的核心都在于高效地执行指令。而低功耗CMOS（互补金属氧化物半导体）电路设计，正是实现这一目标的关键技术。它不仅关乎设备的续航能力，更直接影响着设备的运行温度、成本以及对环境的影响。本文旨在深入探讨低功耗CMOS电路设计这一至关重要的领域，重点关注其逻辑设计策略以及现代电子设计自动化（EDA）工具在这一过程中的核心作用。 一、低功耗CMOS电路设计的必然性与挑战 随着集成电路晶体管密度的不断增加，芯片的功耗也随之水涨船高。过高的功耗不仅会导致设备发热严重，缩短电池寿命，还可能引发可靠性问题，限制了芯片的性能提升。因此，从系统级到晶体管级，全面地降低功耗成为了CMOS电路设计的核心目标之一。 低功耗设计面临着多重挑战。首先，功耗主要分为动态功耗和静态功耗。动态功耗与电路的开关频率和负载电容成正比，而静态功耗则主要由漏电流引起。在追求高性能的同时，需要巧妙地平衡这两者。其次，不同应用场景对功耗的需求差异巨大，例如，对便携性要求极高的设备需要极致的低功耗，而对性能有严格要求的服务器则可能在一定范围内容忍较高的功耗。因此，低功耗设计需要根据具体需求进行定制化和优化。此外，低功耗设计往往需要与性能、面积、成本等其他设计目标进行权衡，这使得设计过程变得更加复杂。 二、低功耗CMOS电路的逻辑设计策略 在逻辑设计层面，有多种行之有效的策略可以用来降低CMOS电路的功耗。这些策略通常从架构、算法和门级电路设计等多个层面着手。 1. 架构层面： 功耗感知型架构（Power-Aware Architectures）： 设计师需要从宏观上考虑如何构建一个功耗最优的系统架构。这包括选择合适的处理器核心、数据通路和存储器层次结构。例如，采用多核处理器，可以根据任务的并行度和复杂性动态地调整工作核心数量，甚至让部分核心进入低功耗睡眠模式。 动态电压和频率调整（DVFS - Dynamic Voltage and Frequency Scaling）： 这是最普遍且有效的动态功耗管理技术之一。通过根据当前的工作负载动态地调整电路的工作电压和时钟频率，可以显著降低动态功耗。当系统负载较低时，降低电压和频率，从而大幅减少功率消耗。EDA工具能够辅助实现精密的DVFS控制策略。 电源门控（Power Gating）： 这种技术通过在不需要工作的电路模块上切断电源来消除静态功耗。当一个模块不再需要运行时，可以通过一个“断电开关”将其完全隔离，使其漏电流降至接近于零。随后，在需要时再重新上电。电源门控的设计需要精细的状态保持和快速唤醒机制。 时钟门控（Clock Gating）： 动态功耗的一个重要来源是时钟信号的传播。时钟门控技术通过在不需要的逻辑单元上关闭时钟信号来减少开关活动，从而降低动态功耗。这可以通过在时钟树的末端插入门控单元实现。 2. 算法层面： 低功耗算法选择： 在软件层面，选择能够以更少的计算量完成相同任务的算法，能够直接降低功耗。例如，在信号处理领域，存在多种算法可以实现相同的滤波效果，但计算复杂度差异很大。 数据表示优化： 使用更紧凑或更高效的数据表示方式，可以减少数据传输量和存储需求，间接降低功耗。例如，采用定点数运算替代浮点数运算（在精度允许的情况下），或者使用数据压缩技术。 3. 门级电路设计层面： 优化逻辑门的面积和负载： 逻辑门的尺寸（W/L比）直接影响其驱动能力和功耗。在满足时序要求的前提下，尽量减小门尺寸可以降低开关功耗。同时，优化门连接，减少扇出（Fan-out）和串联门数量，也可以降低功耗。 使用低功耗逻辑风格（Low-Power Logic Styles）： 传统的CMOS逻辑门（如静态CMOS）在开关时存在短暂的直通电流。一些特殊的低功耗逻辑风格，如穿通式CMOS（Transmission Gate CMOS）或穿通式逻辑（Transmission Logic），可以在一定程度上减少这种直通电流，或者在设计上更易于实现电源门控。 多阈值电压（Multi-Vt）设计： CMOS晶体管的阈值电压（Vt）是影响漏电流的关键参数。使用高阈值电压的晶体管可以显著降低漏电流，从而减少静态功耗。然而，高Vt晶体管的开关速度较慢。多Vt设计策略则是在电路中混合使用低Vt和高Vt的晶体管：关键路径（需要高速）使用低Vt晶体管，而非关键路径（对速度要求不高）则使用高Vt晶体管，从而在保持整体性能的同时，降低静态功耗。 并行性与流水线优化： 在某些情况下，通过增加适度的并行性或者引入流水线技术，可以降低整体的平均工作频率，从而降低动态功耗。这需要在功耗、面积和性能之间进行仔细权衡。 三、现代EDA工具在低功耗CMOS设计中的核心作用 在设计如此复杂的低功耗CMOS电路时，手动进行所有优化几乎是不可能的。现代电子设计自动化（EDA）工具为设计师提供了强大的支持，能够高效地完成低功耗设计和验证的各个阶段。 1. 逻辑综合（Logic Synthesis）： 功耗驱动综合（Power-Aware Synthesis）： 现代逻辑综合工具能够理解并执行功耗优化策略。在综合过程中，它们可以根据预设的功耗目标，自动选择最优的逻辑门、优化门连接、应用门控技术（包括时钟门控和部分电源门控）、以及选择合适的阈值电压（如果支持多Vt设计）。 约束驱动优化： 设计师可以通过在综合阶段设定功耗约束（如最大总功耗、各模块功耗上限）以及时序、面积约束，指导综合工具进行定向优化。 2. 静态功耗分析（Static Power Analysis）： 漏电流建模与分析： EDA工具能够基于先进的半导体物理模型，精确地估算电路的漏电流。这包括对各种漏电流成分（如亚阈值漏、栅极漏、穿通漏）的建模。 漏电流优化： 通过静态功耗分析工具，可以识别出功耗贡献最大的电路单元和区域，从而指导设计师进行针对性的改进，例如调整门尺寸、改变逻辑风格或应用多Vt技术。 3. 动态功耗分析（Dynamic Power Analysis）： 开关活动（Activity）建模： 动态功耗与信号的开关活动（transition activity）密切相关。EDA工具可以分析电路的逻辑结构和输入向量（test vectors），估算出各个信号的开关频率。 功耗估算： 结合开关活动和电路的负载电容、工作电压等信息，EDA工具能够精确地估算出电路的动态功耗。这些工具还可以进行门级和寄存器传输级（RTL）的功耗估算。 功率优化： 通过动态功耗分析，可以发现高开关活动的区域，并指导优化，例如通过改变算法、引入数据编码技术或优化数据通路来降低信号的活动。 4. 低功耗设计自动化（Low-Power Design Automation）： 功耗管理IP集成： EDA工具支持集成各种低功耗管理IP（Intellectual Property），例如电源控制器、电压调节器、时钟门控控制器等，并自动化其配置和连接。 电源门控和时钟门控的自动化实现： 现代EDA工具能够自动地将电源门控和时钟门控的逻辑插入到设计中，并处理相关的状态保存和唤醒信号，大大减轻了设计师的手工负担。 DVFS控制器设计与验证： EDA工具能够辅助设计和验证复杂的DVFS控制器，确保其能够根据系统状态准确地调整电压和频率。 5. 形式验证（Formal Verification）在低功耗设计中的应用： 功耗策略的正确性验证： 形式验证技术可以用来证明低功耗策略（如电源门控、时钟门控）在所有可能的运行条件下都能正确工作，而不会引入功能错误。 状态空间的覆盖： 通过形式验证，可以确保对电源门控等技术的状态空间进行了充分的探索和验证，避免遗漏潜在的功耗泄漏或功能失效。 6. 功耗和性能协同优化（Power and Performance Co-Optimization）： 综合与布局布线（Place and Route）的协同： 现代EDA流程强调功耗、性能和面积的协同优化。在布局布线阶段，工具会考虑布线长度、时钟树的长度等因素对功耗和时序的影响，并进行相应优化。 虚拟测试平台（Virtual Test Platform）： 构建虚拟测试平台，可以在设计早期就对系统的功耗和性能进行仿真和分析，从而尽早发现问题并进行修正，避免后期返工。 四、总结 低功耗CMOS电路设计是一个复杂但至关重要的领域，它直接关系到现代电子设备的性能、续航、成本和可持续性。从精妙的逻辑设计策略到先进的EDA工具，每一个环节都扮演着不可或缺的角色。通过深入理解和应用本文所述的逻辑设计原则，并充分利用现代EDA工具提供的强大功能，设计师们能够有效地应对低功耗设计的挑战，创造出更高效、更节能、更智能的数字世界。随着技术的不断进步，低功耗设计将继续是CMOS电路设计的核心驱动力之一，推动着半导体行业的未来发展。

评分☆☆☆☆☆

从作者的背景来看（瑞士，Christian Piguet），这本书必然带着浓厚的欧洲严谨学风。这种风格通常意味着对基础理论的推导极其扎实，不会放过任何一个数学模型的建立过程。我个人对那些只是罗列公式而不解释其物理意义的书籍非常反感。因此，我预想这本书在讲解功耗模型，比如动态功耗 $P_{dyn} = alpha C V_{dd}^2 f$ 的各个参数（$alpha$ 的随机性、等效电容 $C$ 的精确建模）时，会给出非常详尽的推导过程和适用边界。对于静态功耗（亚阈值漏电流）的分析，特别是在深亚微米甚至更小工艺节点下，漏电流成为决定总功耗的关键因素时，作者如何处理其温度和电压依赖性，将是衡量这本书深度的一把尺子。我希望看到的是对这些模型在实际电路设计中的局限性和修正方法的探讨，而非教科书式的理想化模型陈述。

评分☆☆☆☆☆

我是一个正在准备相关领域研究生入学考试的学生，选择参考书时非常注重其知识的系统性和前沿性。对于《低功耗CMOS电路设计》，我关注的重点在于它如何平衡“经典理论”与“新兴技术”。低功耗设计领域变化极快，新的架构和工艺技术不断涌现。这本书如果能够涵盖诸如多电压域（Multi-Voltage Domains）设计、动态电压频率调整（DVFS）在逻辑层面的实现策略，以及一些面向新兴存储器技术（如MRAM, ReRAM）的功耗管理技巧，那么它的参考价值将大大提升。我非常希望这本书能为读者提供一个全面的知识框架，使得我们在面对未来几年工艺节点的挑战时，能够拥有一个可追溯、可验证的设计基准。如果内容过于陈旧，那它就只是历史文献；但如果它能巧妙地将坚实的CMOS基础与最新的设计趋势结合起来，它无疑会成为我书架上最常用的那本工具书。

评分☆☆☆☆☆

作为一名多年从事数字电路验证工作的工程师，我对任何涉及到实际设计流程和工具链整合的书籍都抱有极高的期待。我猜测这本书在“CAD工具”这一块的论述会是其核心竞争力之一。在今天的芯片设计中，仿真和综合工具的选择与使用，直接决定了设计效率和最终功耗的实现程度。我希望书中能深入探讨如何将理论上的低功耗策略，例如时钟门控（Clock Gating）、电源门控（Power Gating）的插入，与主流的EDA套件进行高效的结合。理想情况下，作者应该会提供一些针对特定工具的脚本示例或者最佳实践，而不是空泛地谈论概念。毕竟，理论模型和实际工具输出的差异是初学者最大的陷阱。如果这本书能够详尽地剖析这些“落地”的细节，帮助读者减少在工具链适配上浪费的时间，那么它对工业界的贡献将是不可估量的，绝对是值得投资的工具书。

评分☆☆☆☆☆

这本书的标题中点明了“逻辑设计”的重要性，这一点非常吸引我。很多关于CMOS的书籍往往将重点放在晶体管级或物理实现上，使得最终的功耗优化停留在较为底层的阶段。然而，真正实现颠覆性低功耗，往往需要在逻辑结构设计之初就进行根本性的重构。我期待作者能够展示一些非传统的逻辑设计范式，例如异步电路设计（Asynchronous Design）在降低动态功耗方面的潜力，或者如何通过精妙的状态机设计来避免不必要的开关活动。这种从上而下的设计方法论，远比事后打补丁要有效得多。我希望看到的是对不同逻辑单元在不同工艺节点下的功耗特性进行深入的对比分析，用具体的数据说话，而不是仅仅停留在“应该这样做”的定性描述上。如果能提供一些案例研究，分析某个特定功能模块（比如一个高性能DSP的控制单元）是如何通过逻辑重构实现功耗降低的，那简直是完美。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计得非常专业，那种深邃的蓝色调和严谨的字体排版，一下子就给读者一种“这是硬核技术”的感觉。我拿到书的时候，首先就被它的厚度和分量所折服，这可不是那种轻描淡写、浮于表面的入门读物，显然是为那些真正想在CMOS低功耗领域深耕的工程师和研究人员准备的案头宝典。从目录的布局来看，结构组织得极为清晰，它似乎是以一种循序渐进的方式，先搭建起理论的基石，然后逐步深入到实际的设计方法论和工具链的应用。特别是对于逻辑设计的精妙之处，书中想必会有独到的见解，毕竟瑞士的工程教育体系在全球享有盛誉，其严谨性和前瞻性是毋庸置疑的。我非常期待看到作者是如何将复杂的功耗优化技巧，通过清晰的逻辑推导展现出来，尤其是在面对现代SoC设计中日益严峻的功耗约束时，这种系统性的方法论显得尤为重要。这本书的价值，绝不仅仅在于传授几个技巧，更在于培养一种面向低功耗设计的思维模式。