集成電路設計前沿

"王成華，南京航空航天大學二級教授、博士生導師，國家“萬人計劃”教學名師，國務院特殊津貼專家。教育部電工電子基礎課程教學指導分委員會委員（2001-2025年），南航教務處原處長。從事“電子線路”課程的教學工作，研究方向是集成電路設計。國家級精品課程、國家級資源共享課、國家級線上一流課程“電子線路”負責人，國家級教學團隊“電子技術基礎課程教學團隊”負責人。全國工信系統先進工作者，江蘇省大學生最喜愛的教師。主持國家自然科學基金、國家探月工程與火星探測工程預研項目等30余項。指導博士、碩士100余名。主編出版教材8部。獲國家級教學成果一等獎1項、二等獎2項，江蘇省教學成果特等獎1項、一等獎3項、二等獎4項，獲省部級科技進步一等獎2項、技術發明二等獎1項。劉偉強，南京航空航天大學集成電路學院執行院長、國家傑青、“空天集成電路與微系統”工信部重點實驗室主任。研究方向為新興計算芯片與系統。擔任“十四五”國家重點研發計劃“微納電子技術”重點專項總體專家組成員、工信部電子科技委委員、江蘇省交叉學科類研究生教指委委員、IEEE納米技術理事會（NTC）副主席、IEEE Transactions on VLSI Systems期刊指導委員會主席。主持國家專項項目、基金委重點項目等國家級項目10余項。出版英文專著3部，發表國際**期刊會議論文200余篇，授權發明專利50余件。牽頭獲得江蘇省科學技術獎一等獎、霍英東教育基金會高等院校青年科技獎、江蘇省青年科技獎、CCF容錯計算40周年卓越成果、華為優秀合作獎等科技獎勵，參與獲得國家級教學成果二等獎、江蘇省教學成果特等獎、江蘇省研究生教改成果一等獎等教學獎勵。"

 

目錄

 

 

 

 

 

第1章集成電路設計： 從歷史範式到前沿挑戰

 

1．1集成電路發展簡史： 矽基文明的進化之路

 

1．1．1集成電路的誕生

 

1．1．2矽材料的崛起

 

1．1．3工藝節點演進

 

1．1．4產業鏈分工

 

1．1．5集成電路的分類

 

1．2集成電路設計方法： 從手工到智能化的躍遷

 

1．2．1模擬集成電路全流程設計

 

1．2．2數字集成電路全流程設計

 

1．2．3IP核復用與SoC設計

 

1．2．4EDA工具鏈的智能化

 

1．3當前挑戰與發展趨勢： 後摩爾時代的破局之路

 

1．3．1摩爾定律的產生與發展

 

1．3．2後摩爾時代的挑戰

 

1．3．3後摩爾時代的技術路徑

 

1．4未來展望： 集成電路設計的“新範式”

 

1．4．1神經形態芯片

 

1．4．2光電融合芯片

 

1．4．3量子經典混合芯片

 

本章小結

 

參考文獻

 

思考題與習題

 

第2章近似計算技術

 

2．1近似計算技術概述

 

2．1．1近似計算技術分類

 

2．1．2近似計算技術設計指標

 

2．2近似算術運算單元設計

 

2．2．1近似加法器設計

 

2．2．2近似乘法器設計

 

2．2．3其他近似算術運算單元電路設計

 

2．3面向典型應用的近似計算系統

 

2．3．1典型近似算法模塊設計

 

2．3．2近似通信系統設計

 

2．3．3近似人工智能系統設計

 

2．4近似計算的設計自動化

 

2．4．1總體框架

 

2．4．2精度建模與誤差傳播分析

 

2．4．3硬件性能建模

 

2．4．4設計空間探索與優化

 

2．4．5自動化設計框架實例

 

本章小結

 

參考文獻

 

思考題與習題

 

第3章存算一體技術

 

3．1存儲技術概述

 

3．1．1CMOS存儲技術概述

 

3．1．2新興非易失存儲技術

 

3．2存內計算技術

 

3．2．1存內計算發展概述

 

3．2．2近存計算電路與架構設計

 

3．2．3模擬存算電路與架構設計

 

3．2．4數字存算電路與架構設計

 

3．3面向通用處理應用的數字式磁性存算電路與系統設計實例

 

3．3．1磁存儲器基礎

 

3．3．2存內算子電路設計

 

3．3．3存內協處理指令架構設計

 

3．4存內超維計算電路、原理及芯片設計

 

3．4．1超維計算原理

 

3．4．2基於新興存儲技術的存內超維計算電路與架構

 

本章小結

 

參考文獻

 

思考題與習題

 

第4章片上網絡技術

 

4．1片上網絡概述

 

4．1．1片上系統設計的挑戰

 

4．1．2片上網絡的引入與優勢

 

4．1．3片上網絡體系結構特征

 

4．2片上網絡建模與評估技術

 

4．2．1片上網絡性能評價指標

 

4．2．2片上網絡基礎架構建模

 

4．2．3片上網絡通信任務模型

 

4．2．4片上網絡仿真平臺

 

4．3片上網絡體系結構綜合技術

 

4．3．1片上網絡體系結構綜合流程

 

4．3．2片上網絡映射與路徑分配

 

4．3．3片上網絡拓撲生成與布圖規劃

 

4．4片上網絡設計案例

 

4．4．1Intel TeraFLOPS

 

4．4．2Tilera TILE64

 

4．4．3MIT Eyeriss

 

4．4．4NVIDIA Simba

 

4．5新興片上網絡互連技術

 

4．5．1光片上網絡

 

4．5．2無線片上網絡

 

本章小結

 

參考文獻

 

思考題與習題

 

第5章可重構計算技術

 

5．1可重構計算技術概述

 

5．1．1可重構計算技術研究意義

 

5．1．2可重構計算技術分類

 

5．1．3可重構計算技術特性

 

5．2領域專用粗粒度可重構計算架構設計

 

5．2．1映射方法及計算陣列設計

 

5．2．2可重構算法控制器設計

 

5．2．3典型可重構微架構設計

 

5．3面向信號處理應用的可重構計算協處理器

 

5．3．1原型芯片RASP簡介

 

5．3．2RASP可重構架構設計

 

5．3．3RASP性能分析與總結

 

5．4面向人工智能應用的可重構計算協處理器

 

5．4．1原型芯片Thinker簡介

 

5．4．2Thinker可重構架構設計

 

5．4．3Thinker性能分析與總結

 

5．5高能效深度卷積神經網絡可重構加速器

 

5．5．1原型芯片Eyeriss簡介

 

5．5．2Eyeriss可重構架構設計

 

5．5．3Eyeriss性能分析與總結

 

5．6可重構計算技術挑戰與發展趨勢

 

5．6．1設計面臨的主要挑戰

 

5．6．2未來可能的發展方向

 

本章小結

 

參考文獻

 

思考題與習題

 

第6章後量子密碼算法硬件設計與硬件安全

 

6．1硬件安全的類型及其主要分類

 

6．1．1密碼學安全

 

6．1．2身份認證安全

 

6．1．3硬件木馬檢測與防禦

 

6．1．4側信道攻擊與防護

 

6．2後量子密碼算法發展

 

6．2．1後量子密碼算法標準化進程

 

6．2．2基於格的後量子密碼算法

 

6．2．3其他後量子密碼算法

 

6．3後量子密碼算法的硬件電路設計

 

6．3．1基於格的MLKEM密鑰封裝系統設計

 

6．3．2SLHDSA數字簽名電路設計

 

6．4後量子密碼的側信道防護

 

6．4．1主流防護技術分類

 

6．4．2能量攻擊實驗與測量環境

 

6．5物理不可克隆函數基本原理

 

6．5．1物理不可克隆函數研究意義

 

6．5．2物理不可克隆函數分類

 

6．5．3物理不可克隆函數設計指標

 

6．6物理不可克隆函數設計方法

 

6．6．1基於FPGA的物理不可克隆函數電路設計

 

6．6．2基於ASIC的物理不可克隆函數電路設計

 

6．6．3基於新型存儲器的物理不可克隆函數電路設計

 

6．6．4物理不可克隆函數的應用

 

6．7後量子密碼與物理不可克隆函數的協同設計

 

本章小結

 

參考文獻

 

思考題與習題

 

第7章人工智能芯片設計

 

7．1人工智能的發展與應用

 

7．1．1人工智能算法的演進與變革

 

7．1．2智能算法對芯片算力的極致挑戰

 

7．1．3“雲邊端”協同的AI芯片生態

 

7．1．4AI芯片的關鍵設計方法與未來趨勢

 

7．2人工智能概述

 

7．2．1符號主義人工智能

 

7．2．2聯結主義人工智能

 

7．2．3行為主義人工智能

 

7．2．4人工智能算法的前沿發展

 

7．3基於通用計算架構的人工智能加速

 

7．3．1GPU的架構與基本運算原理

 

7．3．2CUDA與人工智能加速

 

7．3．3面向智能加速的GPU設計

 

7．4基於領域專用架構的人工智能加速

 

7．4．1人工智能專用加速器的一般性設計思路

 

7．4．2面向通用人工智能算法的加速器

 

7．4．3面向端側智能場景的加速器

 

本章小結

 

參考文獻

 

思考題與習題

 

第8章芯粒集成與封裝技術

 

8．1集成與封裝技術的發展

 

8．1．1傳統集成與封裝技術

 

8．1．2先進集成與封裝技術

 

8．1．3芯粒集成與集成芯片

 

8．2芯粒集成與封裝的關鍵工藝

 

8．2．1TSMC的CoWoS技術

 

8．2．2Intel的EMIB技術

 

8．2．3AMD的3D VCache技術

 

8．3芯粒分解與集成

 

8．3．1芯粒分解

 

8．3．2芯粒互連與接口協議

 

8．3．3芯粒供電系統

 

8．4芯粒系統電源完整性

 

8．4．1芯粒系統電源完整性問題

 

8．4．2芯粒系統PDN建模與優化方法

 

8．4．3芯粒系統PDN驗證方法

 

本章小結

 

參考文獻

 

思考題與習題

 

第9章抗輻照電路設計

 

9．1抗輻照電路設計概述

 

9．1．1抗輻照電路設計研究意義

 

9．1．2抗輻照電路設計分類

 

9．1．3抗輻照電路設計指標

 

9．2數字電路抗輻照加固設計

 

9．2．1數字電路輻射效應實驗測試

 

9．2．2數字電路輻射效應仿真模擬

 

9．2．3數字電路抗輻照加固方法

 

9．3射頻電路抗輻照加固設計

 

9．3．1射頻電路輻射效應實驗測試

 

9．3．2射頻電路輻射效應仿真模擬

 

9．3．3射頻電路抗輻照加固方法

 

9．4機器學習在抗輻照電路設計中的應用

 

9．4．1機器學習仿真模型校準方法

 

9．4．2機器學習輻射效應預估

 

9．4．3機器學習抗輻照加固設計

 

本章小結

 

參考文獻

 

思考題與習題

 

思考題與習題答案

 

縮略語表