本书全面介绍了现代VLSI芯片先进设计技术和方法，并重点讨论基于IP核的SoC设计方法。书中反映出了SoC芯片设计的新进展及新技术。全书共分8章，内容包括数字系统与VLSI、制备与器件、逻辑门电路、组合逻辑、时序逻辑、子系统设计、平面布图、体系结构设计。每章结尾附有难度不同的习题，附录给出了详细的词汇表和专用名词解释，并介绍了硬件描述语言。     读者对象：本书可作为高等学校电子工程、计算机科学与技术、微电子与集成电路设计等专业的高年级本科生和研究生的教材或教学参考书，同时也非常适合作为从事芯片设计的工程师以及从事该领域研究和开发的工程技术人员的参考书。

译 者 序 VLSI（超大规模集成电路）的快速发展是20世纪后期和21世纪信息技术快速发展的基础，集成电路的设计已经渗透到电子信息的各个学科领域，集成电路应用无处不在，渗透到我们生活和工作的方方面面。与传统集成电路设计相比，现代集成电路设计有许多新的思想和方法，其中IP概念的提出和成功应用具有标志性的意义，IP设计理念颠覆了传统的集成电路设计思想和方法。本书提供了权威的、最新的基于IP的VLSI的全部设计流程，从体系结构、逻辑设计到版图和制备，按照门级、子系统和体系结构三个层次介绍了新的基于IP的集成电路设计技术，在解决串扰问题、低功耗设计、片上网络等方面补充了新的内容。 本书作者Wayne Wolf 博士是资深的集成电路研究和教育专家，先后担任普林斯顿大学教授、佐治亚理工学院教授和多个重要学术组织的技术职务，撰写多部在国际上具有很大影响力的著作，本书是Wayne Wolf 博士在总结Modern VLSI Design前三个版本基础上结合集成电路设计最新进展撰写的，全书结构合理，布局完整，是很好的学术专著和教材。 本书共分8章，第1章介绍了数字系统和VLSI设计，包括CMOS技术概述、层次化设计概述、VLSI设计流程和基于IP设计技术等；第2章介绍了制备和半导体器件，讨论了晶体管、连线、版图，以及半导体制造方面的理论和工艺；第3章讨论了各种逻辑门电路，其中包括组合逻辑、静态逻辑门、延时和功率、交替的门结构、开关电路、连线延时模型、制造性设计和IP门；第4章讨论了组合逻辑电路，其中包括组合逻辑电路的延时、互连线设计和功率优化逻辑电路版图、电路延时、功耗、开关逻辑电路、组合逻辑测试；第5章讨论了时序电路，其中包括锁存器和触发器、时钟构造和时序规则、时序电路设计、有限状态机（FSM）的验证和测试；第6章讨论了子系统设计，其中包括流水线和数据通路、加法器、乘法器、存储器、可编程逻辑阵列、现场可编程门阵列、图像传感器、总线和片上网络、IP标准等；第7章讨论了平面布图设计，其中包括平面布图的种类和方法、全局布线方法、时钟分配、电源分配、封装及焊盘；第8章讨论了体系结构设计，其中包括硬件描述语言、寄存器传输级设计、流水高层综合、低功耗体系结构、体系结构测试、设计方法学等。 本书由李东生教授组织翻译并统稿，高明伦教授审校。参加翻译的是来自合肥工业大学、解放军电子工程学院、中国科学技术大学、南京大学多名具有微电子学博士学位并长期从事集成电路设计技术研究的老师，主要分工如下：中国科学技术大学李垚老师翻译第2章，解放军电子工程学院的雍爱霞老师翻译第3章，合肥工业大学微电子设计研究所的宋宇鲲、张多利、尹勇生、杜高明老师分别翻译第4章、第6章、第7章和第8章，南京大学集成电路设计研究所的李伟和李丽老师翻译了第5章，第1章和附录等剩余内容由李东生老师翻译。李东生阅读了各章初稿并提出详细的修改意见，高明伦老师对译稿进行了审校，并对翻译过程中的一些难点给予了具体的指导。 参与本书翻译工作的所有老师都能本着对读者负责、对自己负责的态度，十分认真对待翻译中的每一个字句和符号，对译稿进行了反复推敲和多次修改，但尽管如此，由于译者水平和时间有限，难免翻译不当甚至错漏，请读者批评指正。第 四 版 序 在撰写《现代VLSI设计》的时候，我为自己设定了两个目标。首先，这本书应该尽可能地涵盖工艺技术和设计方法的最新成果，包括那些大家熟知的技术进步，例如特征尺寸的逐年降低以及由此衍生的工艺变革；同时也要反映对系统级课题的重视，如基于IP的设计方法。其次，这本书应该秉承它一贯的风格，继续关注逻辑设计基础知识的阐述。通常，人们对VLSI的认识只停留在电路设计层面上，这就意味着一些传统的逻辑设计课题，如流水线技术，常常被忽视。 在本书的第三版出版后，我又把第三版改写为基于FPGA的系统设计，把当时刚刚出现不久的面向FPGA的技术资料与现代VLSI设计糅合在一起。在撰写本书第四版的时候，我决定从那本有关FPGA的书中借用一些内容，其中大部分将放在时序系统性能一章中。一直以来，我对这部分内容的阐述总是很不满意。经过10年的努力，终于找到了一种更好的方法阐述时钟技术和时序技术，并写在了有关FPGA那本书中。现在，我将把这部分内容带回VLSI。我添加了总线技术、Rent准则、流水线技术和硬件描述语言。同时，由于FPGA技术本身在不断进步，新书介绍的FPGA技术将更新上一个版本中的相关技术内容。现在，越来越多的设计在产品中嵌入FPGA结构以提高产品的灵活性，而FPGA技术也提供越来越多的功能以适应各类VLSI产品。在本书中，基于IP的设计技术将出现在不同的抽象层次，包括门级、子系统级和系统架构级。 作为版本升级的一部分，有关CAD的章节被删去了，因为我最终意识到，在本书中详细介绍CAD工具不会对读者产生实质性的帮助。另外芯片设计一章也被删去了。 从我开始撰写这本书以来的20年时间里，芯片设计技术已经完全变了。设计者越来越不关心底层设计了，他们的注意力越来越集中到上层的功能模块上。为了反映这种变化，本书增加了一章，专题讨论片上系统（system-on-chip）的设计。现在，IP的设计者和IP的使用者都承认一个无可争辩的事实，知识产权（Intellectual Property，IP）是VLSI设计的基础。 除了内容的增删以外，各章的习题也做了彻底更新。新的习题不但与各章介绍的知识相呼应，而且也为学生们提供了新的挑战。 作者为本书建立了一个新的网站，用搜索引擎搜索Wayne Wolf books或者登录http://www.waynewolf.us，该网站包括本书的勘误表和教学资料，以及一些关于VLSI设计的有用链接。 十分感谢以下朋友的帮助，他们是：Saibal Mukhopadhyay在低功耗方面的建议，Jeremy Tolbert在Spice方面的帮助，Massoud Pedram关于热量方面的建议，Shekhar Borkhar关于可靠性方面的建议，Deepu Talla和Cathy Wicks 提供的达芬奇芯片的照片，Axel Jantsch关于片上网络的建议，Don Bouldin关于基于IP设计以及其他课题的建议，Yuan Xie在可靠性和三维芯片设计方面的帮助，感谢本书编辑Bernard Goodwin的坚持和耐心，当然，本书的所有错误都由我本人负责。 Wayne Wolf佐治亚州，亚特兰大第 三 版 序 本书既包含了新增的精华内容，又给出一些新的课题。所有这些修改都是为了跟上快速发展的VLSI工艺和设计技术的发展步伐。 本书增加的内容包含对于低功耗设计、芯片设计和设计师词典的修改，低功耗设计在第二版已经讨论过，但是由于更小尺寸的晶体管就会有更大的电流泄漏，所以低功耗设计也就变得更复杂。在先前的版本中，采用的PDP-8已经在本书中由更先进的现代数字通路所替代，设计一个完整的计算机却超出了VLSI课程的内容范围，但数据通路仍然是一个适合在课堂上讨论的好内容，书后给出的词汇表可指导读者理解书中的专业术语。 该版本在互连线和硬件描述语言上做了较大的改进。在过去的几年中，互连线的重要性在逐渐增加，互连线的延时经常决定着系统的总延时，随着铜互连线的使用，已经真正占据了互连线的主导地位。第三版充分讨论了互连线模型、串扰和以互连线为中心的逻辑设计，第三版还对硬件描述语言做了更透彻的讨论。第8章描述了结构设计，并介绍了现在作为主流硬件描述语言VHDL和Verilog，我们不打算将这一部分写成详细的语言指导书，但却给读者提供了足够的硬件描述语言的概念，让读者能够读懂这些语言编写的设计例子。 与第二版一样，在网页http://www.ee.princeton.edu/~wolf/modern-vlsi提供了一些对读者有价值的材料，这个网站提供了许多对教学和自学都有用的材料，网站也包含一些增补材料，例如版图设计和VHDL语言的描述，读者可以直接打电话到Prentice出版社询问一些关于本书的问题。 特别感谢Al Casavant和Ken Shepard在互连线分析方面的建议，感谢Joerg Henkel在设计上的建议，我也同样感谢Fred Rosenberger，他给本书提了许多有帮助的注释。同样，书中若有错误，责任完全是我本人。 Wayne Wolf新泽西州，普林斯顿第 二 版 序 本书第二版的每一章都经过了修改，这些修改反映了VLSI系统设计具有许多富有挑战性的新知识。在许多情况下，现在的VLSI芯片不仅包含数以千万（很快会是上亿）个晶体管，而且还必须工作在很高的频率上。因此，本书以多种不同的方式介绍电路设计：在芯片制作的章节，花了不少篇幅介绍晶体管特性；门电路设计一章涵盖了不同种类的电路设计；组合逻辑一章加强了互连延时内容，增加了新的一章关于串扰的内容；时序逻辑一章清晰地描述了时钟周期的确定方法；子系统一章给出了乘法器和RAM设计的描述；平面布图一章花了不少篇幅描述时钟分配。 现代VLSI系统设计除了要考虑高速和超大规模以外，通常还必须考虑低功耗设计，对于依靠电池来工作的设备来说，低功耗设计要求更加严格，而对于这些超大规模VLSI系统，功耗太大会导致散热问题。像测试一样，低功耗设计问题在多个抽象级别设计中都会碰到，本书用新的章节阐述了低功耗设计问题。 熟悉本书第一版的读者将会注意到第3章的组合逻辑电路的内容已经分成两章，即逻辑门和组合电路，分开的原因主要是因为本书的前几章中加入了大量电路设计的内容，另外，本书还做了一些小的改动，希望能使内容更加清晰。 在网页http://www.ee.princeton.edu/~wolf/modern-vlsi上提供了一些有用的材料，这个网站提供了许多对教学和自学都有用的材料，网站也包含一些增补材料，例如版图设计和VHDL语言的描述，读者可以直接打电话到Prentice出版社询问一些关于本书的问题。 特别要感谢Derek Beatty， Luc Claesen， John Darringer，Srinivas Devadas, Santanu Dutta，Michaela Guiney，Alex Ishii，Steve Lin，Rob Mathews，Cherrice Traver和 Steve Trimberger，他们给本书第二版提出了许多评注和建议。 Wayne Wolf新泽西州，普林斯顿前 言 本书认为VLSI设计就是系统设计。尽管设计快速反相器很有趣，但是如果要设计一个高性能、成本效益型的集成电路，设计者必须掌握应用算法、制备和封装等多方面的数字系统设计知识。Carver Mead 和 Lynn Conway 把这个过程叫做由厚到薄（tall-thin）的变化过程。如今的热门设计师所采用的设计方法比其1979年的前辈们要多一些，因为现在的设计师知道更多的VLSI设计知识，比当初Mead和Conway首次提出这种方法时要多得多。可道理并没有什么不同，设计者必须熟练使用不同层次的设计技术，以充分发挥自己的设计技巧。 随着VLSI从昂贵的珍稀品发展成今天的日用品，大学课程已经重新将VLSI设计从电路设计课程中分离出来，并进一步开设高级逻辑和系统设计课程。按照系统设计学来研究VLSI设计，需要考虑与电路设计本身不同的一系列课程，诸如ALU、多路复用器设计或高级时钟策略，这些课题常采用TTL和板级元件来讨论，而不常遇到VLSI实现超大规模电路的情况，对于先进逻辑电路的高水平集成还是要依靠集成电路的。 本书囊括了一个优秀IC设计师所需要的各方面课题，诸如全加器和状态机等传统逻辑设计课题，在这些课题中一方面要讨论电路和版图设计技术，另一方面要讨论调度和分配对结构的重要影响。超大规模IC是十分复杂的，仅使用电路设计技术是不行的，优秀的设计师必须充分理解电路结构和逻辑设计，要知道哪一部分电路和版图更需要重点关注。 系统级设计技术与传统逻辑设计的综合（例如调度），是全面了解VLSI系统必不可少的。 为了全面涵盖VLSI数字系统设计可能遇到的问题，本书从制造到架构按照自下而上的顺序组织材料。尽管本人是自上而下设计方法的狂热爱好者，而从芯片制造和版图设计开始讨论，对于决定结构的技术限制最好从制备和版图开始学习。可是，若读者自己没有亲手完成一个芯片的设计，也别指望本书能够给出所有设计细节，只是在芯片设计过程中如何处理好设计步骤，本书应该有所帮助。自下而上组织内容导致的另一个问题是一些课题可能要分开叙述，例如，布局和布线并没有作为单独的课题来处理，而是将晶体管、单元和平面布图放在每个抽象级分别讨论。在许多地方，作者有意识地以某种非常规的方式将一些课题并列在一起，这样有利于按照新的方式理解各种技术之间的关系。 本书重点讨论以下课题，这些课题对于设计者按照系统设计规范来进行VLSI设计实践是必不可少的。 ● 从电路到架构的系统设计方法。现代逻辑设计包括比传统加法器和两级最小化设计技术更多的课题——寄存器传输级设计、调度和分配都是复杂数字系统设计的基本工具，电路和版图设计告诉我们逻辑和架构设计对CMOS设计最有意义。 ● 强调从高级模型开始的自顶向下的设计。虽然没有一种高性能的芯片是完全采用自顶向下方法设计的，但是从完整的（希望是可执行的）描述芯片功能开始却是一个很好的训练方法，一些专家估计有一半的专用集成电路在交付时不能在目标系统中工作，原因就是设计者并不是按照完整意义的设计规范开始设计的。 ● 测试和可测性设计。今天的用户既要求高的产品质量又需要短的设计周期。每个设计者都必须理解芯片的测试方法和测试难点，只要对芯片相关架构做一些改动就可以使测试变得十分容易，而对于不良的设计架构甚至连最优秀的测试工程师也无法进行充分的测试。 ● 算法设计。几乎所有类型的芯片设计都要使用分析和综合工具，但对于超大规模芯片设计，必须完全采用这些工具才能完成设计；而对于较小的ASIC芯片，采用这种方法可以更好地满足性能和面市时间的要求。为了充分利用这些工具，需要先了解这些工具的工作原理以及它们所解决的具体问题。 本书介绍的设计方法学最大限度地利用了各种计算机辅助设计（CAD）工具，包括：综合和分析、版图、电路、逻辑和架构设计。CAD工具不仅是程序的综合，也是一种思维方式、一种生活方式，就像佛教的禅宗一样。CAD对芯片设计最大的贡献就是将设计过程分解成一些容易处理的子过程，这是一种概念的超前，在手工设计情况下也可以使用这些概念。一个设计师应该善于而且有必要将细小的问题描述清楚，并采用容易理解的方法去解决这些问题。不论设计师是采用CAD工具还是采用手工去解决这些问题，其实不重要，重要的是这些方法不是一些含糊不清的组合关系，而应该是一套易于理解的一系列任务。 本书避免讨论一个具体CAD工具的操作，不同的人选择适合于自己的工具，课本不应该成为用户手册。更重要的是，每个具体程序的工作细节是各不相同的，关键是定义问题的基本表达形式，以及用于解决问题的算法，许多CAD算法比较直观，本书试图通过例子来说明如何看待一个CAD的算法。一些不那么直观的CAD算法单独归于一章，理解这些算法有助于解释工具的作用，但对于手工设计没有直接的意义。 本书适合于从事实际设计的专业人员、研究生和本科生，学生可以在VLSI课程中按时完成最复杂的逻辑设计课程，对于一个学生来说，VLSI课程中最有益的方面就是将先修课程中关于电路、逻辑、架构设计等基础课程结合起来，从而便于理解不同抽象级之间的权衡。从事VLSI设计或开发VLSI设计的CAD工具的专业人员使用本书可以帮助他们回顾不常涉及的部分设计工作，如果要真正做好每一步设计工作就要求设计者对大局有一个深刻的理解。 许多人对本书的改进提出了建议，普林斯顿大学COS/ELE 420课题组的学生既耐心又热情，C.-K. Cheng、Andrea La Paugh、Miriam Leeser和John “Wild Man” Nestor教授都使用过本书的初稿，并给我一些有用的反馈意见，Giovanni De Micheli、Steven Johnson、Sharad Malik、Robert Rutenbar和James Sturm教授在十分辛苦地使用早期的初稿后给了一些详细和重要的建议，Malik 和 Niraj Jha也耐心地回答了关于文字方面的一些问题，当然，书中若有错误，责任全在我本人。 感谢AT＆T 的Mark Pinto 和 David Boulin 博士提供晶体管横截面照片，感谢AT＆T 的Chong Hao和 Michael Tong博士提供的ASIC照片，原来在斯坦福大学工作的Robert Mathews博士，现在在研究高性能处理器，是他在我易受影响的年代教会了我VLSI设计的教学方法，DEC的John Redford为本书提供了许多十分精彩的专业术语词典。 Wayne Wolf新泽西州，普林斯顿

目 录 第1章 数字系统与VLSI 1.1 为什么要设计集成电路 1.2 集成电路制造 1.3 CMOS工艺 1.4 集成电路设计 1.5 基于IP核的芯片设计 1.6 展望未来 1.7 小结 1.8 参考文献 1.9 习题 第2章 制备和器件 2.1 引言 2.2 制备工艺 2.3 晶体管 2.4 连线和过孔 2.5 制备理论和实践 2.6 可靠性 2.7 版图设计和工具 2.8 参考文献 2.9 习题 第3章 逻辑门 3.1 引言 3.2 组合逻辑函数 3.3 静态互补门 3.4 逻辑开关 3.5 可选的门电路 3.6 低功耗门 3.7 电阻连线的延时 3.8 电感连线的延时 3.9 制造性设计 3.10IP门 3.11参考文献 3.12习题 第4章 组合逻辑电路 4.1 引言 4.2 基于标准单元的布局 4.3 组合电路延时 4.4 逻辑和互连线设计 4.5 功率优化 4.6 开关逻辑电路 4.7 组合逻辑测试 4.8 参考文献 4.9 习题 第5章 时序电路 5.1 引言 5.2 锁存器和触发器 5.3 时序电路和时钟规则 5.4 性能分析 5.5 时钟生成 5.6 时序电路设计 5.7 功耗优化 5.8 设计验证 5.9 时序测试 5.10参考文献 5.11习题 第6章 子系统设计 6.1 引言 6.2 组合移位器 6.3 加法器 6.4 算术逻辑单元 6.5 乘法器 6.6 高密度存储器 6.7 图像传感器 6.8 现场可编程门阵列 6.9 可编程逻辑阵列 6.10总线和片上网络 6.11数据路径 6.12IP子系统 6.13参考文献 6.14习题 第7章 平面布图 7.1 引言 7.2 平面布图方法 7.3 全局互连 7.4 平面布图设计 7.5 片外连接 7.6 参考文献 7.7 习题 第8章 体系结构设计 8.1 引言 8.2 硬件描述语言 8.3 RTL级设计 8.4 流水线技术 8.5 高层综合 8.6 低功耗体系结构 8.7 GALS系统 8.8 体系结构测试 8.9 IP模块 8.10设计方法学 8.11MPSoC设计 8.12参考文献 8.13习题 附录A 芯片设计师词典 附录B 硬件描述语言 参考文献 中英文术语对照表