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『簡體書』现代集成电路和电子系统的地球环境辐射效应

書城自編碼: 3314513
分類: 簡體書→大陸圖書→工業技術電子/通信
作者: [日]Eishi H. Ibe[伊部英治]
國際書號(ISBN): 9787121351150
出版社: 电子工业出版社
出版日期: 2019-01-01


書度/開本: 16开 釘裝: 平塑

售價:NT$ 498

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編輯推薦:
地球环境辐射在器件电路中引入故障或错误,从而导致电子系统失效。
本书对多种降低软错误影响的预测、检测、表征和缓解技术进行了分析和讨论;
內容簡介:
本书主要介绍广泛存在的各种辐射及其对电子设备和系统的影响,涵盖了造成ULSI器件出错和失效的多种辐射,包括电子、α射线、介子、γ射线、中子和重离子,从物理角度建模,以确定使用何种数学方法来分析辐射效应。本书对多种降低软错误影响的预测、检测、表征和缓解技术进行了分析和讨论。作者还展示了如何对在凝聚态物质中复杂的辐射效应进行建模,以量化和减少其影响,并解释了在环境辐射中包括服务器和路由器在内的电子系统是如何失效的。
關於作者:
Eishi H. Ibe博士1985年在日本大阪大学核工程系获得博士学位。他的专长较广,包括:基本粒子和宇宙射线物理学,核中子物理,半导体物理,数学和计算技术,离子注入混合和加速器技术,电化学处理,数据库,BS螺旋钻扫描电子显微镜激光束微分析等。他撰写了90多篇国际技术论文和报告,其中有22篇文章对辐射效应的研究作出了巨大贡献。基于Eishi H. Ibe博士对存储设备中的软错误分析的卓越贡献,2008年他被推选为IEEE院士。
毕津顺,博士,中科院微电子研究所硅器件与集成技术研究室副研究员,研究方向为半导体器件和集成电路辐照效应和抗辐射加固技术。
目錄
目录
第1章简介
1.1地球环境次级粒子的基本知识
1.2CMOS半导体器件和系统
1.3两种主要的故障模式:电荷收集与双极放大
1.4电子系统中故障条件下的四种架构:故障-错误-危害-失效
1.5软错误研究的历史背景
1.6本书的一般范围
参考文献
第2章地球环境辐射场
2.1一般性辐射来源
2.2选择地球环境高能粒子的背景知识
2.3航空高度的粒子能谱
2.4地球环境的放射性同位素
2.5本章小结
参考文献
第3章辐射效应基础
3.1辐射效应介绍
3.2截面定义
3.3光子引起的辐射效应(和X射线)
3.4电子引起的辐射效应(射线)
3.5介子引起的辐射效应
3.6质子引起的辐射效应
3.7粒子引起的辐射效应
3.8低能中子引起的辐射效应
3.9高能中子引起的辐射效应
3.10重离子引起的辐射效应
3.11本章小结
参考文献
第4章电子器件和系统基础
4.1电子元器件基础
4.1.1DRAM(动态随机存取存储器)
4.1.2CMOS反相器
4.1.3SRAM(静态随机存取存储器)
4.1.4浮栅存储器(闪存)
4.1.5时序逻辑器件
4.1.6组合逻辑器件
4.2电子系统基础
4.2.1FPGA(现场可编程门阵列)
4.2.2处理器
4.3本章小结
参考文献
第5章单粒子效应辐照测试方法
5.1场测试
5.2射线SEE测试
5.3重离子辐照测试
5.4质子束测试
5.5高能介子测试方法
5.6热冷中子测试方法
5.7高能中子测试
5.7.1使用放射性同位素的中能中子源
5.7.2单色的中子测试
5.7.3类似单色的中子测试
5.7.4散裂中子测试
5.7.5中子能量和通量的衰减
5.8测试条件以及注意事项
5.8.1存储器
5.8.2电路
5.9本章小结
参考文献
第6章集成器件级仿真技术
6.1多尺度多物理软错误分析系统概述
6.2相对二次碰撞和核反应模型
6.2.1一个粒子能量谱的能量刻度设置
6.2.2相对次级碰撞模型
6.2.3ALS绝对实验系统和ALLS(联合实验系统
6.3高能中子和质子的核内级联(INC)模型
6.3.1核子与靶向核子的穿透过程
6.3.2靶核中两个核之间二次碰撞概率的计算
6.3.3核子-核子碰撞条件的确定
6.4高能中子和质子蒸发模型
6.5用于逆反应截面的广义蒸发模型(GEM)
6.6中子俘获反应模型
6.7自动器件建模
6.8设置部件内部核裂变反应点的随机位置
6.9离子追踪算法
6.10错误模式模型
6.11翻转截面的计算
6.12在SRAM的22 nm设计规则下软错误的缩放效应预测
6.13半导体器件中重元素核裂变效应影响的评估
6.14故障上限仿真模型
6.15故障上限仿真结果
6.15.1电子
6.15.2介子
6.15.3质子的直接电离
6.15.4质子裂变
6.15.5低能中子
6.15.6高能中子裂变
6.15.7次级宇宙射线的对照
6.16SOC的上限仿真方法
6.17本章小结
参考文献
第7章故障、错误和失效的预测、检测与分类技术
7.1现场故障概述
7.2预测和评估SEE引起的故障条件
7.2.1衬底阱器件级
7.2.2电路级
7.2.3芯片处理器级
7.2.4PCB板级
7.2.5操作系统级
7.2.6应用级
7.3原位检测SEE引起的故障条件
7.3.1衬底阱级
7.3.2器件级
7.3.3电路级
7.3.4芯片处理器级
7.3.5PCB板操作系统应用级
7.4故障条件分类
7.4.1故障分类
7.4.2时域中的错误分类
7.4.3拓扑空间域中的存储器MCU分类技术
7.4.4时序逻辑器件中的错误分类
7.4.5失效分类:芯片板级的部分全部辐照测试
7.5每种架构中的故障模式
7.5.1故障模式
7.5.2错误模式
7.5.3失效模式
7.6本章小结
参考文献
第8章电子元件和系统的故障减缓技术
8.1传统的基于叠层的减缓技术及其局限性与优化
8.1.1衬底器件级
8.1.2电路芯片处理器层
8.1.3多核处理器
8.1.4PCB板操作系统应用级
8.1.5实时系统:机动车与航空电子
8.1.6局限性与优化
8.2超减缓技术面临的挑战
8.2.1软硬件协同工作
8.2.2SEE响应波动下的失效减缓
8.2.3跨层可靠性(CLR)层间内建可靠性(LABIR)
8.2.4症状驱动的系统容错技术
8.2.5比较针对系统失效的减缓策略
8.2.6近期挑战
8.3本章小结
参考文献
第9章总结
9.1总结甚大规模集成器件和电子系统的地球环境辐射效应
9.2将来的方向与挑战
附录
英文缩略语对照表
內容試閱
Preface from author
When I have received the offer from ProfBi to translate my book published by Wiley and IEEE Press in English to Chinese,everyone in my Hitachi officenow I am the CEO of exaPalette,LLC,in Japan,was amazed at the newsThat must be a really new stage in Asian scientificengineering horizon!
I appreciate very much for the efforts by ProfBi,and DrShi-Jie Wen with Cisco System Incwho is among the most powerful leaders in the field of terrestrial radiation effects in electronic devices and components
I have been very happy with DrWen and other outstanding researchers in the world especially in the USA and Europe that I could have shared important outcome with them
I am indeed hoping the new connection between Chinese and Japanese scientists and engineers would bring fruitful breakthroughs!
Eishi H. Ibe
Japan
原著作者写给中文版的序言
当我得知毕教授将我之前在Wiley IEEE出版社出版的英文专著翻译成中文时,我的日本日立的所有同事都感到非常的惊喜(我现在在exaPalette公司任CEO)。这绝对是亚洲科学界和工程界新的阶段和里程碑!
我非常感谢毕教授和思科公司文世杰博士所付出的努力。思科公司是电子器件和部件的地球环境辐射效应领域的最有实力的引领者之一。
很高兴和文博士以及国际上特别是欧美国家的其他杰出学者一道努力,共享重要的成果产出。
我非常希望中日科学家和工程师之间新的连接纽带能够带来富有成果的突破!
Eishi H. Ibe
日本
译者序
感受不到,并不代表不存在。地球辐射环境中的中子和其他带电粒子对现代集成电路可靠性的影响越来越严重。它们在器件电路中引入故障或错误,进而导致电子系统失效。当我们进入后摩尔时代,讨论More Moore、More than Moore和Beyond CMOS发展技术路线时,我们也应该清楚地认识到节点存储电荷减少、电荷共享、多位翻转、单粒子瞬态和串扰耦合等问题的严重性。对于民用电子元器件而言,需要在考虑可靠性和成本以及性能之间进行折中优化,而不能采用像军用和宇航级产品那样几乎不计成本的加固方案。如何准确理解地球辐射环境?该环境如何作用于集成电路?如何有效地进行辐射效应评估?如何建立模型?如何对不同层级进行加固优化?如何设立标准和规范?如何面对未来集成电路技术发展的挑战?针对这一系列问题,Terrestrial Radiation Effects in ULSI Devices and Electronic Systems一书给出了明确的答案。这需要天文学、宇宙射线物理、核物理、加速器物理、半导体物理、电路理论、计算机理论、数值仿真、EDA(电子设计自动化)工具、编码理论、可靠性物理和数据库管理等多学科交叉与协同努力。
原著作者Eishi HIbe博士曾是日本日立公司(Hitachi)的首席研究员、IEEE会士,单粒子效应和软错误研究领域的国际权威。2017年5月,本人非常有幸和Ibe博士在成都相见。Ibe博士温文尔雅,学识渊博,给我留下了非常深刻的印象。在得知我在翻译他的著作时,Ibe博士给了我很多的鼓励和支持,让我非常感动。
在开始翻译本书的时候,我的儿子刚刚出生。如今图书出版,他也成长为满地乱跑的淘气小孩。感谢我的孩子,感谢我的爱人,更要感谢我的父母。他们的支持,是我前进的动力。此书也是我献给他们的礼物。
本书的第5章和第6章分别由四川大学马瑶博士和哈尔滨工业大学王天琦博士翻译。对他们的辛勤付出以及领导和同事的支持,一并表示感谢。
由于译者水平所限,译本中错误在所难免,敬请广大读者批评指正。
毕津顺
于北京
前 言
在日常生活中,我们意识不到地球环境辐射的存在宇宙射线和地表放射性同位素辐射产生次级粒子。地球环境辐射非常弱(低注量率),以至于对人体器官有无法观测的影响,但对地表电子系统中的LSI、VLSI和ULSI器件有可观测的影响。
1974年,我还是京都大学大四学生,主要研究如何测量地球环境介子的寿命。那时没有人(包括我本人)知道或想到,来自地球环境中子的影响。
半导体工业的快速发展,使我们认识到了地球环境辐射对半导体器件的影响。首先,放射性同位素玷污释放射线,在DRAM(动态随机存取存储器)和SRAM(静态随机存取存储器)器件中引起软错误。读者将在本书中看到,由于诸多原因,直到20世纪90年代晚期,人们才认识到地球环境中子软错误。随着器件特征尺寸等比例缩小到100 nm以下,地球环境辐射的影响面和深度都大为增加。科学探索的焦点不仅聚集在地球环境中子,还包括质子和介子等地球环境辐射粒子。除了存储器,人们还研究时序组合逻辑器件和电路。人们之前主要关注服务器路由器失效,目前也拓展到了机动车工业领域。
人们广泛认识到,地球环境辐射在器件电路中引入故障或错误,从而导致电子系统失效,而要想降低失效,就需要采用两种或多种减缓技术组合或协同,例如衬底、单元、电路、CPU(中央处理器)、中间件、OS(操作系统)和应用。这是一项极具挑战性的任务,涵盖多个学科,包括天文学、宇宙射线物理、核物理、加速器物理、半导体物理、电路理论、计算机理论、数值仿真、EDA(电子设计自动化)工具、编码理论、可靠性物理和数据库管理,等等。
同时,这项工作也是非常有趣和吸引人的。我本人在该领域开展研究期间,学习到了关于地球的很多有趣和令人兴奋的知识。
地球上方的大气层仅有50 km厚,约为地球半径的1250,如果没有它,我们就无法生存。由于暴露在宇宙射线下存在辐射极限,宇航员在内层外层太空中停留的时间是有限的。没有大气层,我们人类就无法在地球上生存。地球外部薄薄的大气层,保护我们免受外太空恶劣宇宙辐射的影响。
美丽的南北极光就是宇宙射线与大气层相互作用的结果。
用于放射性碳年代测定的14C,就是由14N与宇宙射线质子在大气层中核反应产生的。根据CERN团队最近的报道,天上的云朵也很可能由宇宙射线所引发。
作者希望本书能够激发起读者的兴趣,关注宇宙射线对地球和我们日常生活的影响。

 

 

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