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《超大规模集成电路:基础•设计•制造工艺》共分为上下两篇，上篇为基础设计篇，主要介绍VLSI的特征及作用、VLSI的设计、逻辑电路、逻辑VLSI、半导体存储器、模拟VLSI、VLSI的设计法与构成法、VLSI的实验等；下篇为制造工艺篇，主要介绍集成工艺、平板印刷、刻蚀、氧化、不纯物导入、绝缘膜堆积、电极与配线等。
现代电子系统设计与前沿技术 本书面向电子工程、计算机科学以及相关领域的科研人员、工程师和高年级学生，旨在深入探讨现代电子系统设计的核心原理、关键技术及其在多个应用领域的最新发展。全书内容聚焦于超越传统集成电路范畴的、涉及系统级架构、新型器件、先进制造工艺以及特定应用场景的复杂电子解决方案的构建。 --- 第一部分：系统级架构与设计方法学 本部分将理论与实践相结合，详细阐述构建高性能、高可靠性电子系统的基础框架和设计流程。 第一章：复杂电子系统的抽象与建模 本章首先界定了“复杂电子系统”的内涵，强调其多尺度、异构性和动态性特征。系统级设计不再局限于芯片内部的逻辑门优化，而是上升到对整个电子子系统的功能划分、接口定义和资源分配的层次。我们将深入探讨不同层次的抽象模型，从系统行为模型（如UML、SysML）到硬件描述语言（HDL）的结构模型。重点讨论模型驱动设计（MDD）在加速设计迭代中的作用，以及如何利用形式化验证方法，在设计早期阶段捕获并消除系统级的不一致性。此外，探讨基于功耗、面积、延迟（Power-Area-Delay, PAD）的权衡分析在系统级决策中的重要地位。 第二章：异构计算架构与互连技术 现代电子系统普遍采用异构计算范式，即整合不同类型的处理器核心（如CPU、GPU、FPGA、专用加速器）以优化特定任务的性能。本章将系统性地分析各类计算单元的优势与局限。核心内容包括：片上网络（Network-on-Chip, NoC）的设计原理，包括拓扑结构选择、路由算法（如XY、自适应路由）和流量控制机制，以确保数据在多核系统中高效、低延迟地传输。同时，深入剖析内存墙问题的应对策略，包括多级缓存层次结构的设计、缓存一致性协议（如MESI、MOESI）的实现，以及新兴的近存计算（Processing-in-Memory, PIM）架构的概念和挑战。 第三章：设计验证与功能安全 随着系统复杂度的增加，验证阶段占据了电子设计流程的绝大部分时间和成本。本章详述先进的验证技术。我们将系统地介绍基于场景的验证方法，包括约束随机测试（Constrained Random Verification）和参考模型（Reference Model）的构建。针对硬件设计，详细阐述形式化验证（如等价性检查、属性验证）在确保设计正确性方面的应用。对于涉及人身安全或关键任务的系统（如汽车电子、航空航天），本章会重点阐述功能安全标准（如ISO 26262）的要求，包括故障注入测试、冗余设计模式（如双核锁步）以及安全机制的硬件实现。 --- 第二部分：新型器件与先进制造工艺 本部分关注支撑未来电子系统性能提升的物理基础，探讨超越传统硅基CMOS极限的新型晶体管和制造技术。 第四章：新一代晶体管结构与器件物理 本章探讨了传统MOSFET尺寸微缩所面临的物理瓶颈（如短沟道效应、量子隧穿）。我们将详细分析鳍式场效应晶体管（FinFET）的结构优势、电荷控制能力及其设计参数优化。在此基础上，展望互补式场效应晶体管（CFET）等下一代器件的研发方向，包括对二维材料（如石墨烯、二硫化钼）在下一代晶体管中的潜能评估。内容涵盖了器件的非理想效应分析，例如电荷陷阱、迁移率衰减和随机掺杂涨落（Random Dopant Fluctuation, RDF）。 第五章：先进封装与系统集成技术 随着摩尔定律的放缓，系统性能的提升越来越多地依赖于封装技术。本章聚焦于先进封装（Advanced Packaging），特别是2.5D和3D异构集成技术。详细介绍硅中介层（Silicon Interposer）、混合键合（Hybrid Bonding）和晶圆级封装（Wafer-Level Packaging）的关键工艺流程和挑战。讨论Chiplet（小芯片）生态系统的概念，包括如何设计具有标准化接口（如UCIe）的小芯片，以及如何通过高密度互连技术实现不同工艺节点或不同材料（如Si与SiC）芯片的集成，从而实现系统级的功能扩展。 第六章：非易失性存储器与新兴存储技术 本章深入研究用于替代或补充SRAM和DRAM的非易失性存储技术。重点分析磁阻随机存取存储器（MRAM）的工作原理（如STT-MRAM和SOT-MRAM），其高读写速度和无限次写入寿命的优势，以及如何将其集成到存储层次结构中。同时，详细探讨相变存储器（PCM）的物理机制、数据保持问题和可靠性挑战。讨论这些新型存储技术如何应用于边缘计算和低功耗物联网设备。 --- 第三部分：特定领域的电子系统应用 本部分选取当前电子技术发展最为迅猛且对系统设计提出严苛要求的三个典型应用领域进行深入剖析。 第七章：面向人工智能的专用硬件加速器 本章探讨为支持深度学习算法而设计的专用硬件架构。重点分析卷积神经网络（CNN）、循环神经网络（RNN）和Transformer模型对计算资源的需求特征。详细介绍脉冲神经网络（SNN）的稀疏性计算优势及其在类脑计算硬件中的实现方式。探讨如何设计高效的张量处理单元（TPU），包括权值和激活值的量化（如INT8、二值化网络）对硬件资源消耗的影响，以及如何优化片上存储器布局以最大化数据重用。 第八章：高可靠性与高安全性嵌入式系统 本章关注在极端环境和安全敏感场景下运行的电子系统。讨论辐射硬化（Radiation Hardening）的设计技术，包括通过增加晶体管冗余、采用错误检测与纠正码（ECC）来对抗单粒子翻转（SEU）。对于汽车和工业控制领域，重点阐述实时操作系统（RTOS）的调度策略（如时间触发、优先级继承协议）以及硬件辅助的内存保护机制（如MPU/MMU）在保障任务隔离和确定性方面的作用。 第九章：低功耗与能量采集系统设计 针对物联网（IoT）和可穿戴设备，本章集中于超低功耗电路设计。探讨亚阈值电路设计的基本原理、噪声裕度问题及电路优化方法。详细分析电源管理单元（PMU）的关键技术，如高效的开关充电泵（Switched-Capacitor Converters）和低压差稳压器（LDO）。此外，深入研究能量采集（Energy Harvesting）技术，包括热电效应、压电效应和光伏效应下的能量转换电路设计，以及如何构建能够适应间歇性电源供应的自适应任务调度机制。 --- 本书的结构设计旨在提供一个连贯的视角，即从系统需求出发，经过架构选择、硬件实现，直至在特定应用场景中的验证与优化。它超越了传统集成电路层面的单元设计细节，更强调跨领域知识的融合，是理解和设计下一代复杂电子系统的必备参考。
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