根據(jù)中國半導體行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計,集成電路設計業(yè)銷售收入2011年為473.74億元人民幣,2019年增長到3 063.5億元人民幣,2020年增至3 778.4億元人民幣,同比增長了23.3%。集成電路的高速發(fā)展足以證明其已經(jīng)成為高科技發(fā)展的基石。2000年,國務院出臺《鼓勵軟件產(chǎn)業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的若干政策》(國發(fā)〔2000〕18號),極大地鼓勵和推動了我國集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2020年,國務院發(fā)布《新時期促進集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質量發(fā)展的若干政策》(國發(fā)〔2020〕8號),再次確認了集成電路的戰(zhàn)略發(fā)展地位。

近年來,隨著國家對電子信息產(chǎn)業(yè)的大力扶持和推進,以及讀者對集成電路設計圖書需求的激增,國內(nèi)有關數(shù)字集成電路設計的書籍也是越來越多,可以歸納為以下三類:① 國外教材翻譯類,主要翻譯國外經(jīng)典的集成電路教材。② 語言介紹類,以講述硬件描述語言為主,包括Verilog HDL和VHDL。③ 工具實現(xiàn)類,以介紹FPGA 的應用實現(xiàn)方法為主,是對FPGA 產(chǎn)品的介紹和推廣。這些圖書既包括國外引進的版本,也包括國內(nèi)編寫的版本。數(shù)字集成電路設計不僅依賴硬件描述語言,更重要的是,設計人員需要掌握邏輯電路、數(shù)字信號系統(tǒng)和體系架構的專業(yè)知識。設計過程中不僅要考慮數(shù)字系統(tǒng)的邏輯功能,還要考慮其物理性能。數(shù)字系統(tǒng)的邏輯功能融合了邏輯綜合、數(shù)字計算、數(shù)據(jù)路徑和邏輯控制等,而物理性能則包含面積、功耗、速度、時延和吞吐率等多方面。目前,國內(nèi)數(shù)字系統(tǒng)集成電路設計與性能優(yōu)化的圖書相對較少,這或將使高性能數(shù)字系統(tǒng)集成化設計水平的提升受到制約。

本教材以數(shù)字邏輯為基礎,以數(shù)字計算和數(shù)字信號體系架構為重點,深入討論數(shù)字系統(tǒng)的設計原理;同時,從集成化的角度,重點講述邏輯綜合、時序、速度、面積和功耗等物理性能的設計優(yōu)化,通過對各物理性能的折中分析,實現(xiàn)高性能數(shù)字系統(tǒng)的設計方案。本書的具體內(nèi)容如下:

第1章,概述了在電子信息社會背景下,高級復雜數(shù)字系統(tǒng)設計所面臨的集成化挑戰(zhàn)、設計流程、發(fā)展趨勢和未來的應用前景等。

第2章,介紹了Verilog硬件描述語言,其中包括基本結構、模塊與聲明、數(shù)據(jù)類型與運算符、行為建模和Verilog2001設計規(guī)則等內(nèi)容。

第3章,討論了電路邏輯綜合優(yōu)化,其中包括電路面積優(yōu)化、速度優(yōu)化、模塊間接口設計、復位信號與結構的優(yōu)化等;介紹了在實現(xiàn)相同邏輯功能的前提下,不同代碼描述對應的不同物理結構,從而對面積、速度、功耗帶來不同的結果。

第4章,描述了數(shù)字系統(tǒng)設計常用的運算單元結構,其中包括邏輯電路中數(shù)的表示方法,以及加法器、乘法器等數(shù)值計算的基本內(nèi)容。

第5章,討論了數(shù)字信號計算、數(shù)字信號處理的基礎,主要包括基本概念、流水線與并行處理、重定時、乘累加計算和脈動陣列等內(nèi)容。

第6章,介紹了馮·諾依曼體系架構的重點問題狀態(tài)機與數(shù)據(jù)路徑,其中包括狀態(tài)機的概念、分類、描述方法、編碼風格、可綜合化、性能優(yōu)化等方面的內(nèi)容, 以及數(shù)據(jù)路徑中的FSMD、寄存器級數(shù)據(jù)路徑的設計方法、調(diào)度與分配等集成化設計實例。

第7章,介紹了數(shù)字電路中的重要概念時序、同步和異步。隨著數(shù)字系統(tǒng)計算速度的提升,對電路時序的要求日趨嚴峻,為此介紹了時序參數(shù)定義、時鐘抖動與偏差、時鐘分布、延遲時間等問題,進而討論了同步與異步邏輯電路的概念和設計方法。

第8章,介紹了集成電路設計中的重點問題低功耗,包括功耗的種類、定義等概念;討論了低功耗設計的方法,如系統(tǒng)級、算法級、結構級和電路級等。

第9章,介紹了可重構電路FPGA 和可重構計算,其中包括可重構器件的現(xiàn)狀和分類、FPGA 電路結構、可重構系統(tǒng)等。

第10章,作為實例,介紹了當前深度學習人工智能芯片和AES加解密芯片的設計方法,通過神經(jīng)網(wǎng)絡和加解密算法講解了復雜數(shù)字系統(tǒng)算法、架構、電路的設計方法。

限于篇幅,有關FPGA 設計實現(xiàn)方法和ASIC設計實現(xiàn)方法的內(nèi)容,本書作為增值服務材料給出,有需要的讀者請到增值服務材料包中獲取。

本書由李洪革構思并主筆撰寫完成,全書凝結了作者數(shù)十年集成數(shù)字系統(tǒng)設計的工作經(jīng)驗,并吸收、總結了多位學者的研究成果。參與本書編寫的人員有郭曉宇、陳宇昊、李玉亮、祝亞楠、高云飛、張子裕、薛翔宇、李巖等多名研究生。在本書的編寫過程中,得到了多方面的支持與幫助。特別感謝清華大學王志華老師、北京航空航天大學夏宇聞老師、清華大學劉雷波教授、中國科學院大學楊海鋼教授、電子科技大學周軍教授的審閱和支持。我校國家集成電路人才培養(yǎng)基地北京航空航天大學電子信息工程學院的領導和師生,一直對本書給予大力的支持和幫助。本書還獲得了北京航空航天大學教材出版基金的支持。北京航空航天大學出版社對本書的出版提供了直接幫助。在此謹向所有為本書的編寫、出版給予鼓勵和幫助的社會各界人士表示衷心的感謝!

盡管作者對書稿進行了多次修改和推敲,但由于集成系統(tǒng)設計的先進性和快速發(fā)展的特點,且作者學識所限,書中不當之處在所難免,懇請使用本書的師生和社會各界人士給予批評、指正。作者的郵箱:honggeli@buaa.edu.cn。

編 者

2021年8月