大规模集成电路片上供电网络仿真与验证算法研究（精）/清华大学优秀博士学位论文丛书

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第1章 引言 大规模集成电路片上供电网络仿真与验证算法研究第1章引言 本章介绍集成电路设计及其计算机辅助设计领域的发展和前沿技术背景，以及片上供电网络设计与分析的相关技术基础，并介绍该领域已有的研究现状和面临的挑战。同时，在此基础上给出本文的主要研究内容和论文组织结构。 1.1超大规模集成电路与EDA技术 集成电路自20世纪50年代末诞生以来，经过60多年的发展，已经融入到国计民生的各个方面，对人类社会的生存与发展产生了深远的影响。尤其是20世纪70年代初微处理器的诞生，宣告集成电路进入大规模集成电路时代，从此集成电路一直按照摩尔定律以惊人的速度发展，平均每隔18个月集成度就翻一番。目前超大规模集成电路（VLSI）广泛应用于信息科学与技术等领域，集成电路工业在国民经济中占有越来越重要的地位，其发展规模与制造水平的高低直接衡量了一个国家的科技水平和综合国力。随着新兴材料领域和先进制造工艺的日新月异，集成电路特征尺寸持续降低，芯片规模越来越大，而新器件的发明和复杂体系结构设计的迅猛发展，使得新产品的更新换代也愈加频繁。 在国际半导体路线图2006年的报告中\[1\]，曾预测未来22 纳米工艺节点下的等效物理氧化层厚度将会降到0.5纳米以下（大约为硅原子直径的两倍）。这意味着CMOS工艺下的按比例缩小原则将会接近一个物理极限，从而适用了近半个世纪的摩尔定律将会失效。然而，随着2008 年22纳米下的SRAM研制成功，以及2011年Intel公司基于22纳米采用3D三闸极晶体管的Ivy Bridge家族处理器的诞生，似乎宣告了摩尔定律仍然适用。甚至从2012 年开始，Intel公司决定开始使用FinFET来继续开发新一代的产品。而同年9月，Global Foundries宣布在2014 年开始提供14纳米工艺下的3D FinFET晶体管制造技术。时隔一个月，TSMC也宣布将于2013年11月开始生产16纳米FinFET晶体管。如图1.1所示图1.1主流处理器与内存芯片所集成的晶体管数目增长趋势 ，在过去的短短几年内，半导体制造工艺从32纳米水平跃升到下一个节点22纳米水平，这些工艺水平已经成为高端通用处理器和图形处理器的主流制程。芯片制造工艺的不断进步，使得其集成密度获得了持续的提高。截至目前，数十亿级别晶体管的处理器已经得到商用，例如Intel Core i7系列处理器的芯片集成度达到了14亿个晶体管，而NVIDIA Geforce GTX TITAN系列的图形处理器集成了71亿个晶体管来处理数字逻辑，如此大规模的集成度以及系统设计复杂度早已是今非昔比。 早期集成电路设计复杂度较低，设计人员可以手工完成集成电路的设计和版图绘制以及性能优化等工作。到了20世纪70年代中期，由于芯片性能需求的不断上升，开发人员为了设计更大规模的集成电路，开始致力于将整个设计过程自动化。通过编程语言来进行芯片设计的思想在各个设计阶段和制造流程中广泛普及，集成电路逻辑仿真和功能验证工具的性能得到了很大程度的改善，芯片设计的复杂度得到了显著提升。以此为标志，电子设计自动化（electronic design automation，EDA）也逐渐开始商业化，同时计算机仿真技术的迅猛发展也使得芯片设计可以在构建实际硬件电路之前进行系统编译仿真以及物理布图实现等，从而减少对人工设计的依赖，而且软件错误率不断降低。这种通过编程语言设计和验证电路预期行为，利用工具软件综合得到低抽象级后端物理设计的途径，使得设计效率得到了突飞猛进的提升。可以说集成电路的飞速发展很大程度上得益于设计自动化技术的有利推动，EDA技术可谓是整个半导体产业的基石。然而由于技术规模不断扩大，微处理器的复杂程度也不断提高，设计者在如何利用原有的设计经验来延续以往单位容量内性能同步增长的时候遇到了前所未有的挑战。尤其是工艺制造技术发展到32纳米及以下水平，诸多以往完全不需考虑的物理效应变得愈发严重，诸如功耗散热问题\[2\]、工艺偏差\[3\]、光学邻近效应\[4\]、信号完整性问题\[5\]以及越来越艰难的设计收敛问题等，使得设计者强烈地认识到必须重新思考以往的设计模式来对整个流程加以改进，激发人们探索更新的设计模型和方法学来完成更先进工艺节点下的复杂设计。这一切问题的解决方案，最终都必须通过EDA工具来贯彻实施，因此EDA领域也是充满了纷繁复杂的挑战。但我们相信，基于目前越来越强大的硬件计算能力，凭借数学和人工智能领域内不断发展和完善的理论及算法，EDA技术将能继续解决上述难题，为集成电路按照摩尔定律继续向前发展提供持续的源泉和动力。 “清华大学优秀博士学位论文丛书”（以下简称“优博丛书”）精选自2014年以来入选的清华大学校级优秀博士学位论文（Top 5%）。每篇论文经作者进一步修改、充实并增加导师序言后，以专著形式呈现在读者面前。“优博丛书”选题范围涉及自然科学和人文社会科学各主要领域，覆盖清华大学开设的全部一级学科，代表了清华大学各学科最优秀的博士学位论文的水平，反映了相关领域最新的科研进展，具有较强的前沿性、系统性和可读性，是广大博硕士研究生开题及撰写学位论文的必备参考，也是科研人员快速和系统了解某一细分领域发展概况、最新进展以及创新思路的有效途径。