JP3601883B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
この発明は半導体装置に係り、特に高集積メモリと複数の演算回路を1チップ上に実現したデータ処理に好適な半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、画像処理のような大量のデータを処理するためにプロセッサとメモリを1ボードに搭載し、専用の処理システムとして用いることによって高速に処理を行う半導体装置が知られている。この従来例では、メモリとプロセッサがバスを介して接続されるためバスアビトレーションが必要で、更に大量のデータにリード/演算/ライトを繰り返すと図3Cに示したように、リード/ライト及びその切り替えに多くの時間がかかり、データ処理の効率が上がらなかった。
【0003】
また、更に進んだ従来例として、複数の演算回路とメモリセルアレイとを同一のチップ上に搭載し、メモリセルアレイ内の1本のワード線上のメモリセルのデータを並列に読み出して、この読み出されたデータの演算処理を並列に実行する半導体装置が知られている。この種の半導体装置としては、例えば、「相本、他”メモリ集積型プロセッサIMAP LSIのメモリ部回路方式” 1994年電子情報通信学会 春季大会講演論文集5−261 C−693」に記載されたものがある。
【0004】
上記従来例では、2MbのSRAMと64個の並列演算回路を集積し、SIMD(Single Instruction stream Multiple Data stream)方式により演算回路を並列に動作させている。このような半導体装置においては、メモリセルアレイと同一のチップ上に搭載した複数の演算回路を1つの命令で並列に動作させ、これを繰返し実行することにより、様々な画像データ処理を行うことができる。この画像データ処理を行う場合、データ処理に必要な演算自体はさほど難しくないが、処理すべきデータ量が膨大なため同じ計算を何回も繰り返す必要がある。
【0005】
上記複数の演算回路とメモリセルアレイとを搭載した従来の半導体装置を用いて画像データを処理する場合、まず、メモリセルに書き込まれているデータを読み出し、次にSIMD型演算回路を用いて必要な演算を行い、最後に、演算結果をメモリセルに書き込むという動作が繰り返し実行される。ここで、読み出しに必要な時間をtr、演算に必要な時間をtc、書き込みに必要な時間をtwとする。上記従来の半導体装置では、読み出し、演算、書き込みの一連の動作を逐次行なうとすると、所要時間は合計で(tr+tc+tw)となり、これをm回繰り返し行なった場合に必要な時間はm×(tr+tc+tw)となる。
今後、半導体製造技術の進展により微細化が進んで演算回路の高速動作が期待できるので、演算内容が同じなら演算に必要な時間tcの短縮は可能である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した複数の演算回路とメモリセルアレイを同一チップ上に集積した従来の半導体装置によれば、半導体製造技術の進展により微細化が進んだとしても、メモリセルアレイに関しては、演算回路の場合とは逆に微細になればなるほど、メモリセルからの信号量を大きくとることが困難となるため、読み出し、書き込みに要する時間tr及びtwをあまり短縮することができない。このため、メモリセルから読み出したデータに演算処理を加え、同じメモリセルに書き戻す動作を繰返す画像データ処理の場合には、読み出し時間tr、書き込み時間twによってデータ処理の動作が律速されてしまうという問題点がある。
【0007】
そこで、本発明の目的は、画像データ処理のように繰り返し同じ演算をする場合のデータ処理時間の高速化を図ることができると共に、消費電力の低減も可能な半導体装置を提供することにある。
【0008】
また、本発明の他の目的は、画像データ処理専用のみならず通常のメモリとして主記憶にも使用できたり、或いは画像データ処理部分と通常のメモリ部分との分割使用もできる多用途に使用可能な半導体装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決するため、本発明に係る半導体装置は、複数のデータ線と複数のワード線の交差部に配置された複数のメモリセルを有するメモリセルアレイと、該メモリセルアレイ内の異なる複数のメモリセルに記憶されている情報をワード線に交差する異なる複数のデータ線に読み出すためにワード線の少なくとも1本を選択するデコーダと、少なくとも1つの演算回路と、該演算回路とメモリセルアレイとの間のデータ転送を行なうデータ転送回路と、少なくともデータ転送回路とデコーダと演算回路を制御する制御回路とを1チップに集積した半導体装置において、前記データ転送回路が、前記デコーダにより選択されたワード線と交差する複数のデータ線の内の一部のデータ線への書き込みと他の一部のデータ線からの読み出しとを少なくとも一部同一時間内に行なうことができるように、リードパスとライトパスをそれぞれ独立して有することを特徴とするものである。
【0010】
前記半導体装置において、前記データ転送回路は、複数のデータ線の内の所要本数のデータ線を選んで、該データ線上に読み出された各データを演算回路へ読出す機能と、該読み出し機能とは独立に、前記複数のデータ線の内の所要本数のデータ線を選んで、該データ線を介して演算回路からメモリセルへ書き込む機能とを有することができる。
【0011】
また、前記データ線上に読み出された各データを演算回路へ読出す機能は、リードパスと各データ線との間にそれぞれ設けた前記制御回路からの信号により制御されるスイッチからなり、前記データ線を介して演算回路からメモリセルへ演算結果を書き込む機能は、ライトパスと各データ線との間にそれぞれ設けた前記制御回路からの信号により制御されるスイッチから構成することができる。
【0012】
更に、前記データ転送回路は、複数のデータ線を所要本数ずつに分割して構成した複数のブロックと、各ブロックに対し設けられた1本もしくは1対のリードパス及び1本もしくは1対のライトパスと、各ブロック内のそれぞれのデータ線と各ブロックのリードパス及びライトパスとの間にそれぞれ設けたリードパスへの接続、ライトパスへの接続、オープンのいずれかの接続状態に前記制御回路により制御されるスイッチとから構成すれば好適である。
【0013】
また更に、前記データ転送回路は、前記各ブロックがそれぞれ更に少ない本数ずつのデータ線に分割した小ブロックに分割されると共に、各小ブロック内のそれぞれのデータ線と各小ブロックのリードパス側及びライトパス側にそれぞれ設けたリードパス接続線への接続、ライトパス接続線への接続、オープンのいずれかの接続状態に前記制御回路により制御されるスイッチと、各小ブロックの前記各リードパス接続線とリードパスとの間にそれぞれ設けた前記制御回路によりオン/オフするスイッチと、各小ブロックの前記各ライトパス接続線とライトパスとの間にそれぞれ設けた前記制御回路によりオン/オフするスイッチとから構成してもよい。
【0014】
また、前記半導体装置のいずれにおいても、前記メモリセルアレイに記憶したデータを外部から直接アクセスする機能を備えるように構成することもできる。
【0015】
更に、本発明に係る半導体装置は、ワード線と、該ワード線に交差する第1及び第2のデータ線と、前記ワード線と第1及び第2のデータ線との交点にそれぞれ設けられた第1及び第2のメモリセルと、演算回路と、該演算回路の入力端子に接続されたリードパスと、前記演算回路の出力端子に接続されたライトパスと、前記第1のデータ線と前記リードパス又はライトパスとの接続を行う第1のスイッチ手段と、前記第2のデータ線と前記リードパス又はライトパスとの接続を行う第2のスイッチ手段とを具備し、前記ワード線が活性化されている間に、前記第1のスイッチ手段は前記第1のデータ線と前記リードパスとの接続を行い、前記第2のスイッチ手段は前記第2のデータ線と前記ライトパスとの接続を行うことを特徴とするものである。
【0016】
【作用】
本発明に係る半導体装置によれば、データを保持しておくメモリセルアレイとデータを受取り演算を行う演算回路との間で、データ転送回路はメモリセルのデータを演算回路へ送るリードパスと演算回路からメモリセルへデータを送るライトパスを別々に持つことによって、メモリセルアレイの出力を演算回路に転送すると同時に演算回路の出力をメモリセルアレイへ転送することを可能とする。すなわち、リードパスとライトパスが独立していることにより、メモリセルアレイと演算回路間で別々のデータ線を選択して読み出し動作と書き込み動作を一部同一時間内に重なりあってそれぞれ実行することができる。従って、メモリセルからデータを読み出し、演算を行い、結果をメモリセルに書き戻すという処理を繰返し行う場合において、リードパスとライトパスを別々に持っているのでデータの読み出しと書込みを同時に行うことができる。このため、一連の処理をm回繰り返す場合に従来必要であった処理時間m×(tr+tc+tw)を、例えば読み出しと書き込みを演算時間tc内に行なうことによって見かけ上tr+m×tc+twに短縮することが可能となる。
【0017】
また、リードパスと各データ線との間にそれぞれ設けた前記制御回路からの信号により制御されるスイッチは、リードパスとデータ線とを接続することによって、前記複数のデータ線の内の選択された所要本数のデータ線上に読み出されたデータを演算回路へ読出すことができ、ライトパスと各データ線との間にそれぞれ設けた前記制御回路からの信号により制御されるスイッチは、前記複数のデータ線の内の選択された所要本数のデータ線を介して演算回路からメモリセルへ演算結果を書き込むことができる。
【0018】
更に、前記データ転送回路は、複数のデータ線を所要本数ずつに分割して構成した複数のブロックと、各ブロックに対し設けられた1本もしくは1対のリードパス及び1本もしくは1対のライトパスと、各ブロック内のそれぞれのデータ線と各ブロックのリードパス及びライトパスとの間にそれぞれ設けた制御回路によりリードパスへの接続、ライトパスへの接続、オープンのいずれかの接続状態に制御されるスイッチとから構成することにより、1つのブロックからのデータ線をリードパスに接続してメモリセルからデータを読み出すことができると同時に、同一ブロック内のデータ線をライトパスに接続して演算回路の演算結果をメモリセルに書き込むことができる。
【0019】
また更に、前記データ転送回路は、前記各ブロックがそれぞれ更に少ない本数ずつのデータ線に分割した小ブロックに分割されると共に、各小ブロック内のそれぞれのデータ線と各小ブロックのリードパス側及びライトパス側にそれぞれ設けたリードパス接続線への接続、ライトパス接続線への接続、オープンのいずれかの接続状態に前記制御回路により制御されるスイッチと、各小ブロックの前記各リードパス接続線とリードパスとの間にそれぞれ設けた前記制御回路によりオン/オフするスイッチと、各小ブロックの前記各ライトパス接続線とライトパスとの間にそれぞれ設けた前記制御回路によりオン/オフするスイッチとから構成してリードパスとライトパスとが階層化され、スイッチを制御するための信号線の数を少なくすることができる。
【0020】
また、前記メモリセルアレイに記憶したデータを外部から直接アクセスする機能を備えることにより、本発明に係る半導体装置を画像処理専用に用いると共に、必要に応じて通常のメモリとしても使用でき、或いはメモリセルアレイのうち画像処理に必要な数のメモリセルだけを演算回路専用に用い、残りの部分を通常のメモリに使用するなどの多用途に1チップで対応することができる。
【0021】
【実施例】
次に本発明に係る半導体装置の実施例について、添付図面を参照しながら以下詳細に説明する。
【0022】
<実施例1>
図1は、本発明に係る半導体装置の一実施例を示す基本的な回路構成のブロック図である。図1において参照符号10はメモリセルアレイを示し、このメモリセルアレイ10はn本のワード線WLi(i=1〜n)とm本のデータ線DLj(j=1〜m)の各交点に配置されたi行j列のメモリセルCijから構成されるDRAMセルアレイであり、各ワード線WLiはメモリセルアレイ10内のアクティブとなるメモリセルCijを選択するためのデコーダ70に接続される。また、デコーダ70には、外部からアドレス指定が可能なように入力ポート71が接続される。各データ線DLjは、I/Oポート61を介して外部とのデータ転送を行うシリアルアクセスメモリ60に接続されると共に、メモリセルアレイ10から読出した信号を増幅および保持するセンスアンプ20を介して複数のブロックに分割され、そして各ブロックに対応した複数のデータ転送回路30に接続される。各データ転送回路30は、対応する各演算回路40に接続されて、メモリセルアレイ10から読み出したデータをそれぞれの演算回路40に転送する。各演算回路40は、I/Oポート51を介して外部とのデータの転送を行うシリアルアクセスメモリ50に接続される。さらに、全体を制御する制御回路80がI/Oポート81を介して外部と接続されると共に上記各回路20,30,40,50,60,70に接続される。そして、上記各回路やI/Oポート等が1つのシリコンチップ90上に集積化されている。
【0023】
このように構成される本発明に係る半導体装置の動作を、以下に説明する。
この半導体装置は、チップ90の外部からI/Oポート51及びシリアルアクセスメモリ50を介して入力されたデータと、メモリセルアレイ10内のデータに対して、演算回路40を用いてデータ処理を行うことができる。I/Oポート81を通して外部から命令とクロックを受けた制御回路80は、クロックに従ってデコーダ70、センスアンプ20、データ転送回路30、演算回路40、シリアルアクセスメモリ50、シリアルアクセスメモリ60の動作を制御する。制御回路80から命令を受けたデコーダ70は、入力ポート71又は制御回路80により指定されたアドレスに従って選択されたワード線WLiを立ち上げて、メモリセルアレイ10内のi行のメモリセル列Ci1,Ci2,Ci3,……Cimをアクティブにする。アクティブとなったメモリセルの内容は、各メモリセルと接続されたそれぞれのデータ線DL1〜DLmを介して取り出され、センスアンプ20によって増幅されると共に保持される。各データ転送回路30は、制御回路80によって選択された信号線SS1,SS2,SS3,……SSqに従ってi行のメモリセル列Ci1,Ci2,Ci3,……Cimの内容を演算回路40に送る。
【0024】
ここで、データ転送回路30の詳細な構成を図2に示す。尚、図1における複数のデータ転送回路30の1つ分だけを示した。データ転送回路30は、リードパスとライトパスを各1本ずつとq本のデータ線とを1ブロックとして、全体でpブロックから構成される。各ブロックは、ブロック内のq本のデータ線の中からリードパスとライトパスにそれぞれ1本ずつ接続できる。
【0025】
1本のワード線WLiが立ち上げられてi行のメモリセル列Ci1〜Cimの内容がデータ線DL1〜DLmにより取り出され、センスアンプ20によって増幅されると共に保持されると、センスアンプ20を介して各データ転送回路30に接続された各データ線DL1〜DLm上にデータが現れる。図2に示したデータ転送回路30には、データ線DL1〜DLpqのp×q本が接続されているので、データ線DL1〜DLpq上にデータが現れる。
【0026】
例えば、制御回路80から出力された信号線SS1の信号に従って第1ブロック〜第pブロック内の各スイッチS11,S21,S31,……Sp1が、それぞれリードパスR1,R2,R3,……Rp側に接続されるとする。これにより、データ線DL1,DLq+1,DL2q+1,……DL(p−1)q+1上のデータがリードパスR1,R2,R3,……Rpを通して演算回路40に転送される。演算回路40は、データ転送回路30から送られてきたデータと、チップ90の外部からI/Oポート51を介してシリアルアクセスメモリ50へ入力されたデータとを用いて所要の演算を行い、演算結果をそれぞれのライトパスW1,W2,W3,……Wpに出力する。
【0027】
演算結果のデータを、読み出してきた各メモリセルにデータを書き戻す場合は、その演算に対して予め決められた所定の演算時間が経過したら、制御回路80は信号線SS1に信号を送り、上記各スイッチS11,S21,S31,……Sp1をそれぞれライトパスW1,W2,W3,……Wp側に接続する。これにより、演算回路40はデータ転送回路30を通して各メモリセルCi1,Ci(q+1),Ci(2q+1),……Ci((p−1)q+1)に演算結果の書き込みを行う。
【0028】
尚、各スイッチS11,S21,S31,……Sp1は、制御回路80からの信号に応じてリードパス側、ライトパス側、及びオープンのいずれかの接続状態をとるスイッチであり、通常はオープン状態である。また、所定の演算時間が経過した時に制御回路80が信号線SS1〜SSqに信号を送る代わりに、演算が終了したことを示す信号を制御回路80へ送るように演算回路40を構成してもよい。その場合、この演算終了信号によって制御回路80による信号線SS1〜SSqの制御が容易になるため、制御回路80の設計が簡略化できる。すなわち、演算回路40に複雑な演算を行えるように変更した場合でも、予めその複雑な演算の所要時間を見積り、設計し直すという必要が無くなり、制御回路80をそのまま変更せずに使用することができる。
【0029】
ここでは、読み出しを行なったメモリセルにデータを書き戻す場合について説明したが、他のメモリセルに書き込むことも容易である。その場合は、信号線SS1,SS2,……SSqによって所要のデータ線に接続するスイッチを選択すればよい。さらに、複数のメモリセルに同じデータを書き込む場合は、複数の信号線SS1,SS2,……SSqによって複数のスイッチを1つのライトパスに接続すればよい。
【0030】
このように、本実施例の半導体装置によれば、演算回路がライトパスを介してメモリセルに書き込みを行っている最中に、リードパスを用いて別のメモリセルから必要なデータを読み出して来ることができる。例えば、各データ転送回路30は、それぞれのライトパスW1,W2,W3,……Wpを通してメモリセルCi1,Ci(q+1),Ci(2q+1),……Ci((p−1)q+1)にデータの書き込みを行うための経路を、制御回路80からの信号線SS1の信号により、各スイッチS11,S21,S31,……Sp1をそれぞれのライトパス側に接続すると同時に、信号線SS2の信号により各スイッチS12,S22,S32,……Sp2をそれぞれのリードパス側に接続し、データ線DL2,DLq+2,DL2q+2,……DL(p−1)q+2をリードパスR1,R2,R3,……Rpに接続する。これにより、メモリセルCi2,Ci(q+2),Ci(2q+2),……Ci((p−1)q+2)のデータを読み出し演算回路40に転送することができる。必要に応じて、このような書き込み及び読み出し動作を順次繰り返して、デコーダ70により選択されたワード線WLiによってアクティブとなっているi行のメモリセル列Ci1,Ci2,Ci3,……Cimにあるデータの処理を行えばよい。更に、他のワード線を立ち上げて他の行のメモリセル列についても同様に処理を行うことにより、メモリセルアレイ10内の全てのデータについて処理を行うことができる。
【0031】
1本のワード線を立ち上げることにより、アクティブとなった各メモリセル内にあるデータが、前述したように順次処理されて行く様子の一例を、図3Aに模式的に示す。同図において、横軸は時間の経過を表し、上段にはリードパスR1に接続されるデータ線名と読み出しにかかる時間、中段には演算回路40によるデータ処理時間、および下段にはライトパスW1に接続されるデータ線名と書き込みにかかる時間がそれぞれ示されている。
【0032】
データの流れは破線の矢印で示されていて、例えばリードパスR1に接続されたデータ線DL1からtr時間かけてメモリセルから読み出されたデータは、演算回路40でtc時間の間に処理され、ライトパスW1及びデータ線DL1を通してtw時間かかって再びメモリセルに書き込まれる。図3Aを縦方向にデータの流れで見ると、例えば、リードパスR1にデータ線DL3が接続されているときに、演算回路40ではデータ線DL2から転送されたデータを処理しており、ライトパスW1ではデータ線DL1から転送されて演算回路40で処理されたデータをデータ線DL1に転送している。すなわち、メモリセルからの読み出し、データの演算、メモリセルへの書き込みの一連の動作が一度に行われており、見かけ上データ処理に要する時間が短縮されている。
【0033】
メモリセルからの読み出し時間tr、データの演算時間tc、メモリセルへの書き込み時間twのうち、データの演算時間tcが最も長いとすれば、1ブロック分のq本のデータ線DL1,DL2,……DLq上に現れているq個のデータを全て処理するのにかかる時間は、(tr+q×tc+tw)となり、高速なデータ処理が可能である。また、読み出し時間tr、演算時間tc、書き込み時間twのうち、読み出し時間trあるいは書き込み時間twが最も長い場合の処理時間は、それぞれ(q×tr+tc+tw)、(tr+tc+q×tw)となり、いずれにしても前述した従来例の半導体装置の場合には処理時間が、q×(tr+tc+tw)となるのに比べて高速なデータ処理が可能である。
【0034】
図3Bには、上記処理を行った場合のタイミングチャートを示した。1本のワード線が立ち上がっている間に、リードパス/ライトパスを通して読出し/書込みが一部同時に行われている。例えば、データ線DL3からのデータが演算回路のリードパスR1に伝達されているのと同時に演算回路のライトパスW1からデータ線DL1に演算結果のデータが伝達されている。なお、この動作は先にデータ線DL2から読みだしたデータを演算回路で処理する動作と並行して行われている。
【0035】
一方、従来例の図3Cを見ると、ワード線を立ち上げてデータ線DL1’からのデータをリードし、ワード線を立ち下げ、プロセッサがデータ処理をした後、再度ワード線を立ち上げてライトを行い、ワード線を立ち下げて、またワード線を立ち上げて次のデータ線DL2’からのデータをリードするという作業を行っている。このような作業は、バスアビトレーションにより行われるものであり、通常のメモリチップとプロセッサチップがバスで接続されている場合には避けられないものである。
【0036】
従って、本発明における動作を従来例と比べると、本発明ではバスアビトレーションの必要がなく、リード/ライトの切り替え時間が必要ないこと、ワード線の再立ち上げの必要がないこと等の利点があげられる。従って、本発明は高速なデータ処理が可能であることがわかる。
【0037】
更に、データ転送回路30では読み出しと書き込みを独立に行うことができるので、目的に合わせてここで説明した以外のタイミングで動作させることも容易である。例えば、データ線DL1,DL2,DL3から連続してデータを読み出し、3つのデータを用いて演算を行った後にデータ線DL1に書き込むと言ったタイミングでの動作も可能であり、これは画像のフィルタ処理の場合に適している。
【0038】
また、画像用メモリには、画面をクリアするために高速にメモリセルに一定のデータを書き込みたいという要求があるが、この要求を満足するためにもデータ転送回路30は有効である。この場合は、予め書き込みたいデータをライトパスに出力しておき、複数のデータ線を同時にライトパスに接続させればよい。これによって、一度に複数のメモリセルに同時にデータを書き込むことができる。必要ならば複数のワード線を同時に立ち上げることによって、さらに多くのメモリセルに同時に一度にデータを書き込むことも可能となるので、画面のクリアを高速化することができる。
【0039】
本実施例のデータ転送回路30によれば、一旦立ち上げたワード線によってアクティブとなったメモリセル列内のデータを、ワード線を立ち上げたまま順次処理することができるので、ワード線の立上げ回数とセンスアンプの動作回数を減らすことになり、データ処理の高速化と消費電力の低減に効果がある。また、例えば、信号線SS1により接続される一連のデータ線DL1,DLq+1,DL2q+1,……DL(p−1)q+1で選択されたメモリセル群からデータを読み出すと同時に、別の信号線SS2により接続される一連のデータ線DL2,DLq+2,DL2q+2,……DL(p−1)q+2で選択されたメモリセル群に対して書き込みを行うことができるため、演算回路40に読み出し/書き込みのための時間待ちをさせる必要がなく、高速なデータ処理ができる。
【0040】
更に、チップ90のレイアウト上で、メモリセルアレイ10のデータ線のピッチと、1つの演算回路40の幅とに大きな隔たりがある場合は、実際にチップ90を設計する上で、データ線のピッチを演算回路40の幅に合わせる必要が生ずるが、本実施例の半導体装置によれば、データ転送回路30によってデータ線ピッチがq対2に緩和できる。したがって、この比をピッチの隔たりに合わせて設定することにより、演算回路40とメモリセルアレイ10を高密度にレイアウトすることができる。
【0041】
また、本実施例の半導体装置は通常のメモリとして用いることも可能である。その場合、制御回路80がI/Oポート81を通して外部から制御信号とクロックを受け取り、クロックに従ってセンスアンプ20、デコーダ70、シリアルアクセスメモリ50及び60を制御する。アドレスは入力ポート71より入力され、データの入出力はシリアルアクセスメモリ50及び60によってI/Oポート51及び61を通して行われる。従って、本実施例の半導体装置を普段は画像処理専用にしておいて、必要が生じたときには通常のメモリとしてシステムの主記憶に用いる等といった時分割で用途を変える使い方も可能であり、この半導体装置を用いることによってより小さなシステム構成が可能である。
【0042】
さらに、メモリセルアレイ10の領域を通常のメモリとして用いる部分と演算回路40で専用に用いる部分とに分けて使用することもできる。例えば、画像処理に応用した場合は処理する画像の性質、画面のサイズ、表示するスピード等に対応するために、演算回路40で専用に用いるメモリサイズをシステムによって変更したいことがある。そのような場合は全体のメモリサイズの内、画像処理に必要なメモリだけを演算回路専用に用いて画像処理を行ない、残りの部分を通常のメモリとしてシステムの主記憶に用いればよい。
【0043】
このように、1チップで多様な用途に対応できるため、チップ設計にかかる労力、時間を節約できる。しかも、不要なメモリをシステムの主記憶用に使えるため、より小さなシステム構成が可能な他、画像処理を本実施例の半導体装置と他のプロセッサとで並列に行うことができ、より高速な処理が可能である。
【0044】
また、画像をディスプレイに表示する場合や、メモリに格納されている画像データを逐次処理していくような場合には、メモリセルアレイ10全体に対してデータ処理が行なわれる。通常はメモリセルにDRAMを用いるとリフレッシュが必要となるが、上記のような場合でメモリセルの情報保持時間よりメモリセルアレイ全体をアクセスする時間が短い場合にはリフレッシュを行なう必要がない。従って、この様な場合にはメモリセルにDRAMを用いてもリフレッシュサイクルが不要なため、より高速な動作が期待できる上に、リフレッシュのための回路が必要なくなるため、リフレッシュ回路を省略してチップサイズを低減することもできる。
【0045】
ここで、図2に示したデータ転送回路30で使用するスイッチSjk(j=1〜p,k=1〜q)をMOSトランジスタを用いて構成した場合について、スイッチS11を例として図6に示す。図6においてスイッチS11は、2つのMOSトランジスタTrRとTrWから構成される。この構成例では、スイッチS11を制御する信号線SS1は、各MOSトランジスタのゲートに入力される必要があるので、リードパス接続用の信号線SS1Rとライトパス接続用の信号線SS1Wの2本となる。信号線SS1RによってMOSトランジスタTrRがオンになるとデータ線DL1がリードパスR1に接続され、信号線SS1WによってMOSトランジスタTrWがオンになるとデータ線DL1がライトパスW1に接続される。
【0046】
また、本実施例の半導体装置において、センスアンプ20に差動増幅器を用いて、データ線DL1,DL2,……DLqを、それぞれ2本1組としたデータ線対DL1T,DL1B,DL2T,DL2B,……DLqT,DLqBにして、相異なった信号を転送する構成としたい場合がある。このような場合には、データ転送回路30で使用するスイッチSjk(j=1〜p,k=1〜q)として、図7に示す構成とすることができる。尚、図7はスイッチS11を例として示してある。この場合スイッチS11は、4つのMOSトランジスタTrRT,TrWT,TrRB,TrWBから構成される。データ線対DL1T,DL1Bに対応して、リードパスR1及びライトパスW1も、それぞれリードパス対R1T,R1B及びライトパス対W1T,W1Bの2本ずつとなる。信号線SS1は、図6と同様にリードパス接続用の信号線SS1Rとライトパス接続用の信号線SS1Wの2本となる。MOSトランジスタTrRTとTrRBが共に信号線SS1Rによってオンとなると、データ線対DL1TとDL1Bがそれぞれ対応するリードパス対R1T,R1Bに接続される。データ線対DL1TとDL1Bをそれぞれ対応するライトパス対W1T,W1Bに接続するには、信号線SS1WによってMOSトランジスタTrWT,TrWBを共にオンさせれば良い。
【0047】
また、リードパスとライトパスの両方共対にする必要がない場合には、スイッチS11は図8に示した構成にしても良い。図8の構成は、データ線対のピッチが狭く、図7の構成例ではトランジスタを配線配置しにくい場合に好適である。ここでは、リードパスを対に、ライトパスを1本の場合を示したが、必要に応じてリードパスを1本、ライトパスを対にしても良いことは勿論である。
【0048】
以上、図6〜図8を用いて、nMOSトランジスタを用いてスイッチSjk(j=1〜p,k=1〜q)を構成した場合を例に示したが、必要に応じてpMOSトランジスタを用いても良いし、CMOSトランジスタによる構成にしても良いことは言うまでもない。
【0049】
<実施例2>
図4は、本発明に係る半導体装置の別の実施例を示す基本的な回路構成のブロック図である。なお、実施例1の図1に示した構成部分と同一の構成部分には、説明の便宜上、同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。すなわち、本実施例では、データ転送回路の構成と、これを制御する制御回路にp本の信号線SSR1〜SSRpとp本の信号線SSW1〜SSWpとを追加して、リードパスとライトパスを階層化している点が相違する。
【0050】
ここで、本実施例のデータ転送回路32の詳細な構成を図5に示す。尚、図5に示した転送回路32は、図4における複数のデータ転送回路32の1つ分のうちの一部だけであり、実施例1の図2に示したデータ転送回路30のブロック1つ分(一例として、図2の第1ブロックを示す。)に相当する。このデータ転送回路32は、q本のデータ線を更にy本ずつの小ブロックとして全体でx個の小ブロックから構成し、各小ブロックのy本のデータ線は、制御回路82からの信号線SSR1〜SSRxの信号により、接続又は開放の2状態をとるそれぞれの小ブロックに対応する各1個のスイッチSR1〜SRxを介して1本のリードパスR1に接続され、信号線SSW1〜SSWxの信号により同様の動作をするそれぞれ各1個のスイッチSW1〜SWxを介して1本のライトパスW1に接続される。従って、各小ブロックは、制御回路82の信号線SS1〜SSyの信号によって各小ブロック内のxy(=q)本のデータ線の中から所要のデータ線が選択されてそれぞれに対応するスイッチS11〜SXyのリードパス側接続線又はライトパス側接続線に接続され、選択されたデータ線は信号線SSR1〜SSRx又はSSW1〜SSWxの信号により、スイッチSR1〜SRx又はスイッチSW1〜SWxが閉じて、対応するリードパスR1又はライトパスW1に接続することができる。
【0051】
このようにリードパスおよびライトパスを階層化することにより、本実施例の制御回路82は新たに全部で2x本の信号線SSR1〜SSRxおよびSSW1〜SSWxの制御が必要となるが、次のような利点がある。
すなわち、図2に示したデータ転送回路30の構成では1本のリードパス又はライトパスに接続されるデータ線の数はq本であるが、図5に示した本実施例のデータ転送回路32は1つのリードパスまたはライトパスに接続されるデータ線の数をq本より少なくすることもできる。このデータ線の数があまり多いと信号線SS1〜SSqの数も増えてリードパス、ライトパス上に現れる容量が増加して動作速度が遅くなるけれども、そのような場合に、データ転送回路32は階層化に伴って必要となった信号線SSR1〜SSRxおよびSSW1〜SSWxを制御回路82によって制御し、接続不要の小ブロックに対応するスイッチSR1〜SRx又はスイッチSW1〜SWxを開くことにより、1つのリードパス、ライトパス上に現れる負荷容量を増やすことなく、より多くのデータ線を1つのリードパス、ライトパスに接続することができるので、読み出し、書き込み動作の高速化が可能である。
【0052】
階層化された構成のデータ転送回路32が、図2のデータ転送回路30に比べて負荷容量が軽くなることを簡単に説明する。ここでは各スイッチS11〜Sxy,S11〜SpqをそれぞれMOSトランジスタ2個で構成し、各スイッチSR1〜SRx,SW1〜SWxをそれぞれMOSトランジスタ1個で構成した場合を例に説明する。
【0053】
リードパスR1に、データ線DL1を接続する場合のおおよその負荷容量を、それぞれのデータ転送回路30,32に対して見積もる。
MOSトランジスタのソース/ドレイン容量をCdとすると、リードパスR1から見た負荷容量は図2のデータ転送回路30の場合、スイッチS11がオフの状態ではCd×qである。なお、Cdにはゲートとの寄生容量も含むものとする。スイッチS11がオン状態になると、更にCdが加わるので、合計の容量CFIG2はCd×(q+1)となる。これに対して、図5のデータ転送回路32の場合、リードパスR1から見た負荷容量は、スイッチSR1〜SRxがオフの状態ではCd×xである。スイッチSR1がオン状態になると、更にCd×(y+1)が加わり、スイッチS11がオン状態になって更にCdが加わるので、合計の容量CFIG5はCd×(x+y+2)となる。
【0054】
ここで、容量CFIG2と容量CFIG5の比をとり、CFIG2/CFIG5=Kが1より小さくなる条件、すなわち、容量CFIG5が容量CFIG2より大きくなる場合を考えると、x,yは共に正の整数であるから次式が得られる。
【0055】
【数1】
従って、(1)式より(x,y)=(2,3)または(3,2)のときだけ、容量CFIG5が容量CFIG2より大きくなる。言い替えると、x,yがそれぞれ3以上になれば、データ転送回路32の負荷容量CFIG5の方が小さくなる。しかも、x,yが大きくなればなるほどKの値は大きくなるため、データ転送回路32の負荷容量はデータ転送回路30に比べて小さくなることが分かる。
【0056】
また、本実施例のデータ転送回路32では、図2のデータ転送回路30においてq本のデータ線を1ブロックとする構成を、x本からなるy個の小ブロックに分けた構成とするので、データ転送回路30では制御回路80からのスイッチを制御する信号線の数がx×y(=q)本であるのに対して、データ転送回路32では制御回路82からの信号線はy+2x本である。このため、本実施例のデータ転送回路32の構成を用いることにより、データ線の数が増加した場合に信号線の数の増加を抑えることができるのでチップ面積の縮小に役立つほか、1本のライトパス、リードパスに接続できるデータ線数の選択の幅が広がるので設計の自由度が向上する。なお、各スイッチS11〜Sxy,S11〜SpqをそれぞれMOSトランジスタ2個で構成した場合には、各ゲートに信号線が入力される必要があるので、上述した制御回路80,82からの各信号線SS1〜SSy,SS1〜SSqの数は2倍の数となる。
【0057】
前記実施例1と同様に本実施例の半導体装置も、通常のメモリとして用いることも可能であり、普段は画像処理専用として用い、必要が生じたときには通常のメモリとしてシステムの主記憶に用いる等といった時分割で用途を変える使い方も可能である。また、メモリセルアレイの領域を通常のメモリとして用いる部分と演算回路で専用に用いる部分と分けて使用することもできる等、実施例1と同様の効果を有することは言うまでもない。
【0058】
また、図5に示したデータ転送回路32で使用する各スイッチS11〜SxyのMOSトランジスタによる具体的な構成は、実施例1と同様に、図6〜図8に示したいずれかの構成を必要に応じて使用すれば良い。
【0059】
以上、本発明の好適な実施例について説明したが、本発明は前記実施例に限定されることなく、本発明の精神を逸脱しない範囲内において種々の設計変更をなし得ることは勿論である。
【0060】
【発明の効果】
前述した実施例から明らかなように、本発明の半導体装置によれば、メモリセルアレイと演算回路との間に設けたデータ転送回路に、メモリセルからのデータ読み出し、メモリへセルへの書き込みのパスをそれぞれ独立して設けて、読み出し/書き込み動作を同時に行なえるように構成したことにより、データ処理にかかる時間m×(tr+tc+tw)を、(m×tr+tc+tw)、又は(tr+m×tc+tw)、又は(tr+tc+m×tw)等に短縮でき、大幅な高速化が可能となると共に一旦立ち上げたワード線上にあるメモリセル内のデータ処理を順次行うことによってワード線の立ち上げ回数を減らして消費電力の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る半導体装置の一実施例を示す基本構成のブロック図である。
【図2】図1の半導体装置に使用するデータ転送回路の一例を示す詳細な回路構成図である。
【図3】本発明に係る半導体装置の動作および従来の動作を比較説明する図であり、図3Aおよび図3Bは図1の半導体装置の動作例、図3Cは従来の動作例を示すタイミング図である。
【図4】本発明に係る半導体装置の別の実施例を示す基本構成のブロック図である。
【図5】図4の半導体装置に使用するデータ転送回路の一例を示す詳細な回路構成図である。
【図6】本発明に係る半導体装置のデータ転送回路で使用するスイッチS11の具体的構成例の一例を示す回路構成図である。
【図7】本発明に係る半導体装置のデータ転送回路で使用するスイッチS11の具体的構成例の別の例を示す回路構成図である。
【図8】本発明に係る半導体装置のデータ転送回路で使用するスイッチS11の具体的構成例のまた別の例を示す回路構成図である。
【符号の説明】
10…メモリセルアレイ、
20…センスアンプ、
30…データ転送回路、
32…データ転送回路、
40…演算回路、
50…シリアルアクセスメモリ、
51…I/Oポート、
60…シリアルアクセスメモリ、
61…I/Oポート、
70…デコーダ、
71…入力ポート、
80…制御回路、
81…I/Oポート、
82…制御回路、
90…シリコンチップ、
Cij(i=1〜n,j=0〜m)…メモリセル、
DLj,DLj’(j=1〜m)…データ線、
DL1B,DL1T…データ線、
WLi(i=1〜n)…ワード線、
Sjk(j=1〜p,k=1〜q)…スイッチ、
SR1〜SRx…スイッチ、
SW1〜SWy…スイッチ、
SSj(j=1〜q),SS1R,SS1W…信号線、
SSR1〜SSRy…信号線、
SSW1〜SSWx…信号線、
TrR,TrRB,TrRT…トランジスタ、
TrW,TrWB,TrWT…トランジスタ、
Rj(j=1〜p),R1B,R1T…リードパス、
Wj(j=1〜p),W1B,W1T…ライトパス。[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device suitable for data processing in which a highly integrated memory and a plurality of arithmetic circuits are implemented on one chip.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a semiconductor device in which a processor and a memory are mounted on one board for processing a large amount of data such as image processing, and are used as a dedicated processing system to perform high-speed processing. In this conventional example, since a memory and a processor are connected via a bus, bus arbitration is necessary, and when read / calculation / write is repeated for a large amount of data, as shown in FIG. Switching took a lot of time and did not increase the efficiency of data processing.
[0003]
Further, as a further advanced conventional example, a plurality of arithmetic circuits and a memory cell array are mounted on the same chip, and data of memory cells on one word line in the memory cell array are read in parallel, and the read data is read out. 2. Description of the Related Art There are known semiconductor devices that execute arithmetic processing of data in parallel. Examples of this type of semiconductor device include those described in, for example, "Aimoto et al.," Memory unit circuit method of memory integrated processor IMAP LSI ", Proceedings of the 1994 IEICE Spring Conference 5-261 C-693". There is.
[0004]
In the above-described conventional example, a 2 Mb SRAM and 64 parallel operation circuits are integrated, and the operation circuits are operated in parallel by a SIMD (Single Instruction Stream Multiple Data Stream) method. In such a semiconductor device, various image data processing can be performed by operating a plurality of arithmetic circuits mounted on the same chip as the memory cell array in parallel with one instruction and repeatedly executing the instructions. . When performing this image data processing, the calculation itself required for the data processing is not so difficult, but the amount of data to be processed is enormous, so the same calculation needs to be repeated many times.
[0005]
When processing image data using a conventional semiconductor device equipped with a plurality of arithmetic circuits and a memory cell array, first, data written in a memory cell is read out, and then the necessary data is read using a SIMD type arithmetic circuit. The operation is performed, and finally, the operation of writing the operation result to the memory cell is repeatedly performed. Here, the time required for reading is tr, the time required for calculation is tc, and the time required for writing is tw. In the above-described conventional semiconductor device, if a series of operations of reading, calculating, and writing are sequentially performed, the required time is (tr + tc + tw) in total, and the time required when this operation is repeated m times is m × (tr + tc + tw). It becomes.
In the future, with the progress of semiconductor manufacturing technology, miniaturization is advanced and high-speed operation of the arithmetic circuit can be expected. Therefore, if the arithmetic content is the same, the time tc required for the arithmetic can be reduced.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to a conventional semiconductor device in which a plurality of arithmetic circuits and a memory cell array described above are integrated on the same chip, even if the miniaturization progresses due to the development of semiconductor manufacturing technology, the memory cell array is different from the case of the arithmetic circuit. Conversely, as the size becomes smaller, it becomes more difficult to increase the amount of signals from the memory cells, so that the times tr and tw required for reading and writing cannot be reduced much. For this reason, in the case of image data processing in which an operation is added to data read from a memory cell and an operation of writing back to the same memory cell is repeated, the data processing operation is limited by the read time tr and the write time tw. There is a problem.
[0007]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a semiconductor device capable of shortening the data processing time when repeatedly performing the same operation as in image data processing and reducing power consumption.
[0008]
Further, another object of the present invention is that it can be used not only for image data processing but also as a main memory as a main memory, or can be used for versatile use in which an image data processing part and a normal memory part can be divided and used. To provide a simple semiconductor device.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problem, a semiconductor device according to the present invention includes a memory cell array having a plurality of memory cells disposed at intersections of a plurality of data lines and a plurality of word lines, and a plurality of different memory cells in the memory cell array. A decoder for selecting at least one of the word lines to read information stored in the memory cell to a plurality of different data lines intersecting the word line; at least one arithmetic circuit; And a control circuit for controlling a data transfer circuit, a decoder, and an arithmetic circuit on a single chip, wherein the data transfer circuit is a word line selected by the decoder. Write to some data lines and read from some other data lines among multiple data lines that intersect As can be performed in at least a portion same in one hour, it is characterized in that it has been independently the read path and the write path.
[0010]
In the semiconductor device, the data transfer circuit selects a required number of data lines out of the plurality of data lines, and reads out each data read out on the data lines to an arithmetic circuit; Can independently have a function of selecting a required number of data lines from the plurality of data lines and writing the data from an arithmetic circuit to a memory cell via the data lines.
[0011]
Further, the function of reading each data read on the data line to the arithmetic circuit includes a switch controlled by a signal from the control circuit provided between the read path and each data line. The function of writing the operation result from the operation circuit to the memory cell via the data path can be constituted by a switch controlled by a signal from the control circuit provided between the write path and each data line.
[0012]
Further, the data transfer circuit includes a plurality of blocks formed by dividing a plurality of data lines into a required number, and one or one pair of read paths and one or one pair of write paths provided for each block. The connection to the read path, the connection to the write path, the connection to the write path, or the open state, which is provided between each data line in each block and the read path and write path of each block, is controlled by the control circuit. It is preferable to configure the switch with a switch.
[0013]
Still further, the data transfer circuit may be configured such that each of the blocks is divided into small blocks each having a smaller number of data lines, each data line in each small block, a read path side of each small block, and a write path. A switch controlled by the control circuit in one of a connection state to a read path connection line, a connection to a write path connection line, and an open state provided on the path side, and the read path connection line and the read path for each small block. And a switch that is turned on / off by the control circuit provided between the light path connection lines of each small block and a light path that is turned on / off by the control circuit provided between the light path connection line of each small block. May be.
[0014]
In addition, any of the semiconductor devices may be configured to have a function of directly accessing data stored in the memory cell array from outside.
[0015]
Further, the semiconductor device according to the present invention is provided at a word line, first and second data lines intersecting the word line, and at intersections of the word line and the first and second data lines. A first and a second memory cell, an arithmetic circuit, a read path connected to an input terminal of the arithmetic circuit, a write path connected to an output terminal of the arithmetic circuit, the first data line and the read path A first switch for connecting to the write path; and a second switch for connecting the second data line to the read or write path, wherein the word line is activated. While the first switch means connects the first data line to the read path, and the second switch means connects the second data line to the write path. Features A.
[0016]
[Action]
According to the semiconductor device of the present invention, between the memory cell array that holds data and the arithmetic circuit that receives data and performs an arithmetic operation, the data transfer circuit uses a read path that sends data of the memory cell to the arithmetic circuit and the arithmetic circuit. Providing separate write paths for sending data to the memory cells makes it possible to transfer the output of the memory cell array to the arithmetic circuit and simultaneously transfer the output of the arithmetic circuit to the memory cell array. In other words, since the read path and the write path are independent, different data lines can be selected between the memory cell array and the arithmetic circuit, and the read operation and the write operation can be partially overlapped and executed within the same time. . Therefore, in the case where data is read from the memory cell, the operation is performed, and the result is written back to the memory cell, the read path and the write path are separately provided, so that the data can be read and written at the same time. . Therefore, the processing time m × (tr + tc + tw) conventionally required when a series of processing is repeated m times can be apparently reduced to tr + m × tc + tw by performing reading and writing within the calculation time tc, for example. It becomes.
[0017]
Further, a switch controlled by a signal from the control circuit provided between the read path and each data line connects the read path and the data line, thereby selecting a selected one of the plurality of data lines. The data read out on the number of data lines can be read out to the arithmetic circuit, and a switch controlled by a signal from the control circuit provided between the write path and each data line is a switch which is connected to the plurality of data lines. The operation result can be written from the operation circuit to the memory cell through the required number of data lines selected among the lines.
[0018]
Further, the data transfer circuit includes a plurality of blocks formed by dividing a plurality of data lines into a required number, and one or one pair of read paths and one or one pair of write paths provided for each block. And a control circuit provided between each data line in each block and the read path and write path of each block to control the connection state to one of the connection to the read path, the connection to the write path, and the open state. By using a switch, a data line from one block can be connected to a read path and data can be read from a memory cell. At the same time, a data line in the same block is connected to a write path and the operation of the arithmetic circuit can be performed. The result can be written to the memory cell.
[0019]
Still further, the data transfer circuit may be configured such that each of the blocks is divided into small blocks each having a smaller number of data lines, each data line in each small block, a read path side of each small block, and a write path. A switch controlled by the control circuit in one of a connection state to a read path connection line, a connection to a write path connection line, and an open state provided on the path side, and the read path connection line and the read path for each small block. And a switch that is turned on / off by the control circuit provided between the light path connection lines of each small block and a light path that is turned on / off by the control circuit provided between the light path connection line of each small block. The read path and the write path are hierarchized, and the number of signal lines for controlling the switches is reduced. It can be.
[0020]
Further, by providing a function of directly accessing the data stored in the memory cell array from the outside, the semiconductor device according to the present invention can be used exclusively for image processing, and can be used as a normal memory if necessary, Of these, only one memory cell required for image processing is used exclusively for the arithmetic circuit, and the remaining part can be used for a general memory with a single chip.
[0021]
【Example】
Next, embodiments of a semiconductor device according to the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.
[0022]
<Example 1>
FIG. 1 is a block diagram of a basic circuit configuration showing one embodiment of a semiconductor device according to the present invention. In FIG. 1,
[0023]
The operation of the semiconductor device according to the present invention thus configured will be described below.
This semiconductor device uses the
[0024]
Here, a detailed configuration of the
[0025]
When one word line WLi is activated, the memory cell column C in the i-th row is activated. i1 ~ C im Is taken out by the data lines DL1 to DLm and amplified and held by the
[0026]
For example, according to the signal of the signal line SS1 output from the control circuit 80, each switch S in the first to p-
[0027]
When the data of the operation result is to be written back to each memory cell from which the data has been read, when a predetermined operation time for the operation has elapsed, the control circuit 80 sends a signal to the signal line SS1 and Each
[0028]
Each
[0029]
Here, the case where data is written back to the memory cell from which data is read has been described, but it is easy to write data to another memory cell. In that case, a switch connected to a required data line may be selected by the signal lines SS1, SS2,..., SSq. Further, when writing the same data to a plurality of memory cells, a plurality of switches may be connected to one write path by a plurality of signal lines SS1, SS2,.
[0030]
As described above, according to the semiconductor device of the present embodiment, while the arithmetic circuit is writing to the memory cell via the write path, necessary data is read from another memory cell using the read path. be able to. For example, each
[0031]
FIG. 3A schematically shows an example of a state in which data in each memory cell activated by raising one word line is sequentially processed as described above. In the figure, the horizontal axis represents the passage of time, the upper row shows the names of the data lines connected to the read path R1 and the time required for reading, the middle row shows the data processing time by the
[0032]
The flow of data is indicated by a dashed arrow. For example, data read from the memory cell over the time tr from the data line DL1 connected to the read path R1 is processed by the
[0033]
Assuming that the data operation time tc is the longest of the read time tr from the memory cell, the data operation time tc, and the write time tw to the memory cell, q data lines DL1, DL2,. ... The time required to process all q data appearing on DLq is (tr + q × tc + tw), and high-speed data processing is possible. Further, among the read time tr, the calculation time tc, and the write time tw, the processing time when the read time tr or the write time tw is the longest is (q × tr + tc + tw) and (tr + tc + q × tw), respectively. In the case of the above-described conventional semiconductor device, high-speed data processing is possible as compared with the processing time of q × (tr + tc + tw).
[0034]
FIG. 3B shows a timing chart when the above processing is performed. While one word line rises, reading / writing is partially performed simultaneously through a read pass / write pass. For example, at the same time that the data from the data line DL3 is transmitted to the read path R1 of the arithmetic circuit, the data of the operation result is transmitted to the data line DL1 from the write path W1 of the arithmetic circuit. This operation is performed in parallel with the operation of processing the data previously read from the data line DL2 by the arithmetic circuit.
[0035]
On the other hand, referring to FIG. 3C of the conventional example, the word line is raised to read data from the data line DL1 ', the word line is lowered, and after the processor performs data processing, the word line is raised and written again. Is performed, and the word line is lowered, and the word line is raised again to read data from the next data line DL2 '. Such an operation is performed by bus arbitration, and is inevitable when a normal memory chip and a processor chip are connected by a bus.
[0036]
Therefore, when the operation of the present invention is compared with the conventional example, the present invention has advantages such as no need for bus arbitration, no need for read / write switching time, and no need for restarting the word line. can give. Therefore, it is understood that the present invention can perform high-speed data processing.
[0037]
Furthermore, since the
[0038]
Further, in the image memory, there is a request to write constant data into the memory cell at high speed in order to clear the screen, and the
[0039]
According to the
[0040]
Further, when there is a large gap between the data line pitch of the
[0041]
Further, the semiconductor device of this embodiment can be used as a normal memory. In that case, the control circuit 80 receives a control signal and a clock from the outside through the I / O port 81, and controls the
[0042]
Further, the area of the
[0043]
As described above, since one chip can cope with various uses, labor and time required for chip design can be saved. In addition, since unnecessary memory can be used for the main memory of the system, a smaller system configuration can be achieved. In addition, image processing can be performed in parallel by the semiconductor device of this embodiment and another processor, thereby achieving higher-speed processing. Is possible.
[0044]
When displaying an image on a display or sequentially processing image data stored in a memory, data processing is performed on the entire
[0045]
Here, the switch S used in the
[0046]
Further, in the semiconductor device of the present embodiment, a data line pair DL1T, DL1B, DL2T, DL2B, DL1T, DL1B, DL2T, DL2B,. ... There may be a case where it is desired to use DLqT and DLqB to transfer different signals. In such a case, the switch S used in the
[0047]
If both the read path and the write path do not need to be paired, the
[0048]
As described above, referring to FIG. 6 to FIG. j Although the case where k (j = 1 to p, k = 1 to q) is shown as an example, it is needless to say that a pMOS transistor or a CMOS transistor may be used as necessary. .
[0049]
<Example 2>
FIG. 4 is a block diagram of a basic circuit configuration showing another embodiment of the semiconductor device according to the present invention. The same components as those of the first embodiment shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals for convenience of description, and detailed description thereof will be omitted. That is, in the present embodiment, the read path and the write path are hierarchically formed by adding the p signal lines SSR1 to SSRp and the p signal lines SSW1 to SSWp to the configuration of the data transfer circuit and the control circuit for controlling the data transfer circuit. Is different.
[0050]
Here, a detailed configuration of the
[0051]
By hierarchizing the read path and the write path in this way, the control circuit 82 of the present embodiment newly needs to control a total of 2x signal lines SSR1 to SSRx and SSW1 to SSWx. There are advantages.
That is, in the configuration of the
[0052]
The fact that the load capacity of the hierarchically structured
[0053]
The approximate load capacitance when the data line DL1 is connected to the read path R1 is estimated for each of the
Assuming that the source / drain capacitance of the MOS transistor is Cd, the load capacitance viewed from the read path R1 is the switch S in the case of the
[0054]
Here, the capacity C FIG2 And capacity C FIG5 Take the ratio of C FIG2 / C FIG5 = K is smaller than 1, ie, the capacitance C FIG5 Is the capacity C FIG2 When considering the case where x and y are both larger, the following equation is obtained because both x and y are positive integers.
[0055]
(Equation 1)
Therefore, according to equation (1), only when (x, y) = (2, 3) or (3, 2), the capacitance C FIG5 Is the capacity C FIG2 Be larger. In other words, if x and y each become 3 or more, the load capacitance C of the
[0056]
In addition, in the
[0057]
Similarly to the first embodiment, the semiconductor device of the present embodiment can also be used as a normal memory, and is usually used exclusively for image processing, and when necessary, used as a normal memory for a main memory of a system. It is also possible to change the application by time sharing. Further, it is needless to say that the same effect as that of the first embodiment can be obtained, for example, the area of the memory cell array can be used separately from a part used as a normal memory and a part exclusively used in an arithmetic circuit.
[0058]
Each switch S used in the
[0059]
The preferred embodiment of the present invention has been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various design changes can be made without departing from the spirit of the present invention.
[0060]
【The invention's effect】
As is clear from the above-described embodiment, according to the semiconductor device of the present invention, the data transfer circuit provided between the memory cell array and the arithmetic circuit is used to read data from the memory cell and write data to the memory. Are provided independently so that the read / write operation can be performed at the same time, so that the time mx (tr + tc + tw) required for data processing is reduced to (mxtr + tc + tw), (tr + mxtc + tw), or ( tr + tc + m × tw), etc., enabling a significant increase in speed, and by sequentially performing data processing in memory cells on the word line once started, the number of times the word line starts up is reduced, thereby reducing power consumption. Can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a basic configuration showing one embodiment of a semiconductor device according to the present invention.
FIG. 2 is a detailed circuit configuration diagram showing an example of a data transfer circuit used in the semiconductor device of FIG.
3A and 3B are diagrams for comparing and explaining an operation of the semiconductor device according to the present invention and a conventional operation. FIGS. 3A and 3B are operation examples of the semiconductor device of FIG. 1; It is.
FIG. 4 is a block diagram of a basic configuration showing another embodiment of the semiconductor device according to the present invention.
FIG. 5 is a detailed circuit configuration diagram showing one example of a data transfer circuit used in the semiconductor device of FIG. 4;
FIG. 6 shows a switch S used in the data transfer circuit of the semiconductor device according to the present invention. 1 1 is a circuit configuration diagram illustrating an example of a specific configuration example of FIG.
FIG. 7 shows a switch S used in a data transfer circuit of a semiconductor device according to the present invention. 1 FIG. 9 is a circuit configuration diagram showing another example of the specific configuration example of FIG.
FIG. 8 shows a switch S used in the data transfer circuit of the semiconductor device according to the present invention. 1 FIG. 9 is a circuit configuration diagram showing another example of the specific configuration example 1;
[Explanation of symbols]
10 ... memory cell array,
20: sense amplifier,
30 ... data transfer circuit,
32 ... data transfer circuit,
40 arithmetic circuit,
50 ... Serial access memory,
51 ... I / O port,
60 ... Serial access memory,
61 ... I / O port,
70 ... decoder,
71 input port,
80 ... control circuit,
81 ... I / O port,
82 control circuit,
90 ... silicon chip,
C ij (I = 1 to n, j = 0 to m) ... memory cell,
DLj, DLj '(j = 1 to m) ... data line,
DL1B, DL1T data line,
WLi (i = 1 to n): word line,
S j k (j = 1 to p, k = 1 to q) ... switch,
SR1 to SRx ... switches,
SW1 to SWy ... switches,
SSj (j = 1 to q), SS1R, SS1W ... signal line,
SSR1 to SSRy ... signal lines,
SSW1 to SSWx ... signal lines,
TrR, TrRB, TrRT ... transistor,
TrW, TrWB, TrWT ... transistor,
Rj (j = 1 to p), R1B, R1T... Lead path,
Wj (j = 1 to p), W1B, W1T... Light path.
Claims (17)
演算回路と、
前記演算回路に接続されるリードパス及びライトパスと、
前記複数のビット線のうち少なくとも一つを前記リードパスに接続し、前記複数のビット線のうち少なくとも他の一つを前記ライトパスに接続するためのスイッチ回路と、
前記メモリセルアレイに接続され、I/Oポートを介してデータを入出力するためのシリアルアクセスメモリとを具備する半導体装置であって、
前記半導体装置は、前記メモリセルから前記リードパスを通してデータを前記演算回路へ転送するリード動作と、前記データを前記演算回路で処理する演算動作と、前記演算回路から前記ライトパスを通して前記演算動作の出力データを前記メモリセルへ転送するライト動作と、を実行することが可能であり、
前記リード動作は、前記複数のワード線のうちの1つのワード線によって選択されたメモリセルから前記複数のビット線のうちの一部を前記スイッチ回路を介して前記リードパスに接続することによって、データを読み出す動作であり、
前記ライト動作は、前記リード動作と同一の前記1つのワード線によって選択されたメモリセルに、前記複数のビット線のうちの別の一部を、前記スイッチ回路を介して前記ライトパスに接続することによって、データを書き込む動作であり、
前記半導体装置は、前記リード動作と前記ライト動作を前記1つのワード線によって選択された期間内に並列に行うものであり、
前記半導体装置は、前記リード動作と、前記演算動作と、前記ライト動作をパイプラインで順次行い、
前記リード動作によって前記メモリセルから読み出された読み出しデータを、前記演算動作によって処理し、前記演算動作の結果を前記ライト動作によって書き込む前記メモリセルが、前記リード動作によって前記読み出しデータが格納されていたのと同一のメモリセルであることを特徴とする半導体装置。A memory cell array including a plurality of word lines, a plurality of bit lines, and a plurality of memory cells;
An arithmetic circuit;
A read path and a write path connected to the arithmetic circuit;
A switch circuit for connecting at least one of the plurality of bit lines to the read path, and connecting at least another one of the plurality of bit lines to the write path;
A semiconductor device comprising: a serial access memory connected to the memory cell array for inputting / outputting data via an I / O port;
The semiconductor device may further include a read operation for transferring data from the memory cell to the arithmetic circuit through the read path, an arithmetic operation for processing the data in the arithmetic circuit, and an output of the arithmetic operation from the arithmetic circuit through the write path. And a write operation of transferring data to the memory cell.
The read operation is performed by connecting a part of the plurality of bit lines to a read path via the switch circuit from a memory cell selected by one of the plurality of word lines. Is the operation of reading
In the write operation, another part of the plurality of bit lines is connected to the write path via the switch circuit to a memory cell selected by the one word line that is the same as the read operation. This is the operation of writing data,
The semiconductor device is for performing the read operation and the write operation in parallel within the period selected by the one word line,
The semiconductor device sequentially performs the read operation, the arithmetic operation, and the write operation in a pipeline,
The read data read from the memory cell by the read operation is processed by the arithmetic operation, and the memory cell to which the result of the arithmetic operation is written by the write operation stores the read data by the read operation. A semiconductor device comprising the same memory cell .
前記メモリセルアレイと前記演算回路は、同一半導体チップに形成されることを特徴とする半導体装置。In claim 1 ,
A semiconductor device, wherein the memory cell array and the arithmetic circuit are formed on the same semiconductor chip.
前記複数のメモリセルの夫々は、ダイナミック型のメモリセルであることを特徴とする半導体装置。In claim 1 or 2 ,
Wherein the plurality of Each of the memory cell, the semiconductor device comprising a memory cell der Turkey dynamic type.
前記メモリから前記データを受け取り、演算を行い、演算結果を前記メモリに出力するための演算回路と、
前記データをI/Oポートを介して入出力するためのシリアルアクセスメモリとを具備し、
前記演算回路は、第1データを受け取る第1受取動作と、その後に第2データを受け取る第2受取動作とを有し、
前記第2受取動作後に第3データを受け取る第3受取動作と、前記第1データの演算結果を前記メモリに出力する第1出力動作とを有し、
前記第1データの演算は、前記第2受取動作と並列に実行され、前記第2データの演算は、前記第3受取動作と前記第1出力動作と並列に実行され、
前記第1出力動作は、メモリ内の前記第1データが格納されていた位置に出力するものであり、
前記第1受取動作と前記第1出力動作は、同一のワード線選択期間中に行われるものであり、
前記第3受取動作と前記第1出力動作は、前記同一のワード線で選択された複数のメモリセルのうちの互いに異なるメモリセルに対して並列に行われることを特徴とする半導体装置。A memory for storing data,
An operation circuit for receiving the data from the memory, performing an operation, and outputting an operation result to the memory;
A serial access memory for inputting / outputting the data via an I / O port;
The arithmetic circuit has a first receiving operation for receiving first data, and a second receiving operation for subsequently receiving second data ,
A third receiving operation of receiving the third data after the second receiving operation, and a first output operation of outputting an operation result of the first data to the memory;
The operation of the first data is executed in parallel with the second receiving operation, and the operation of the second data is executed in parallel with the third receiving operation and the first output operation,
The first output operation is to output to a position in the memory where the first data is stored,
The first receiving operation and the first output operation are performed during the same word line selection period,
It said third receiving operation and the first output operation, and wherein a Rukoto conducted in parallel with different memory cells of the plurality of memory cells selected by the same word line.
前記メモリは複数のダイナミック型メモリセルを含むことを特徴とする半導体装置。Oite to claim 4,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the memory includes a plurality of dynamic memory cells.
前記第1ビット線に接続される第1ノードと、前記第2ビット線に接続される第2ノードと、前記第3ビット線に接続される第3ノードと、第4及び第5ノードと、前記第1ノードを前記第4ノード又は第5ノードに接続するための第1スイッチ回路と、前記第2ノードを前記第4ノード又は第5ノードに接続するための第2スイッチ回路と、前記第3ノードを前記第4ノード又は第5ノードに接続するための第3スイッチ回路とを含む転送回路と、
前記第4ノードに接続されデータが入力される第6ノードと、前記第5ノードに接続されデータが出力される第7ノードとを含む演算回路と、
前記メモリセルアレイに接続され、I/Oポートを介してデータを入出力するためのシリアルアクセスメモリとを具備し、
前記半導体装置は、前記演算回路が前記第6ノードを介して、前記第1ビット線から第1データを受け取り前記第2ビット線から第2データを受け取り前記第3ビット線から第3データを受け取り、前記第1、第2及び第3データの演算結果を前記第7ノードを介して出力することを前記複数のワード線の一つが活性化されている期間内に順次行う第1動作を有し、
前記第1動作において、前記第6ノードへの前記第3データの転送と前記演算回路から前記第1ビット線への演算結果の転送は並列に行われることを特徴とする半導体装置。In a semiconductor device having a memory cell array including a plurality of word lines, first, second, and third bit lines, and a plurality of memory cells,
A first node connected to the first bit line, a second node connected to the second bit line, a third node connected to the third bit line, fourth and fifth nodes, A first switch circuit for connecting the first node to the fourth or fifth node; a second switch circuit for connecting the second node to the fourth or fifth node; A transfer circuit including a third switch circuit for connecting three nodes to the fourth node or the fifth node;
An arithmetic circuit including a sixth node connected to the fourth node and receiving data, and a seventh node connected to the fifth node and outputting data;
A serial access memory connected to the memory cell array and for inputting / outputting data via an I / O port;
In the semiconductor device, the arithmetic circuit may receive first data from the first bit line, receive second data from the second bit line, and receive third data from the third bit line via the sixth node. Outputting a calculation result of the first, second, and third data via the seventh node sequentially during a period in which one of the plurality of word lines is activated. ,
In the first operation, the transfer of the third data to the sixth node and the transfer of the operation result from the operation circuit to the first bit line are performed in parallel.
前記第1動作において、前記第1、第2及び第3データは、前記第1、第2及び第3スイッチ回路の夫々の接続状態により前記第4ノードから前記第6ノードに転送され、前記演算結果は、前記第1スイッチ回路により前記第1ビット線に転送され、
前記第1スイッチ回路と、前記第2スイッチ回路と、前記第3スイッチ回路は、それぞれ独立な2本の信号線により制御されていることを特徴とする半導体装置。In claim 6 ,
In the first operation, the first, second, and third data are transferred from the fourth node to the sixth node according to respective connection states of the first, second, and third switch circuits, and the operation is performed. The result is transferred to the first bit line by the first switch circuit,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first switch circuit, the second switch circuit, and the third switch circuit are controlled by two independent signal lines.
前記第1動作は、前記メモリセルアレイに記憶された画像のフィルタ処理であることを特徴とする半導体装置。In claim 6 or 7 ,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first operation is a filtering process of an image stored in the memory cell array.
前記半導体装置は、一つの半導体チップに形成されることを特徴とする半導体装置。In any one of claims 6 to 8 ,
The semiconductor device, wherein the semiconductor device is formed on one semiconductor chip.
前記メモリセルアレイは、4辺形の領域を形成し、
前記演算回路は、前記4辺形の1辺に沿って配置され、
前記転送回路は、前記メモリセルアレイと前記演算回路の間に配置されることを特徴とする半導体装置。In any one of claims 6 to 9 ,
The memory cell array forms a quadrilateral region;
The arithmetic circuit is arranged along one side of the quadrilateral,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the transfer circuit is disposed between the memory cell array and the arithmetic circuit.
前記第1動作において、前記第3スイッチ回路が前記第3ノードと前記第4ノードを接続する際に、前記第1スイッチ回路は、前記第1ノードと前記第5ノードを接続することが可能であることを特徴とする半導体装置。In any one of claims 6 to 10 ,
In the first operation, when the third switch circuit connects the third node to the fourth node, the first switch circuit can connect the first node to the fifth node. A semiconductor device, comprising:
前記第1ビット線と前記第2ビット線は、隣りあって配置され、前記第2ビット線と前記第3ビット線は隣りあって配置されることを特徴とする半導体装置。In any one of claims 6 to 11 ,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first bit line and the second bit line are arranged adjacent to each other, and the second bit line and the third bit line are arranged adjacent to each other.
前記半導体装置は、第2動作を更に有し、
前記第2動作において、前記第1、第2及び第3ノードは、共通に前記第5ノードに接続され、同じ演算結果が前記演算回路から前記第1、第2及び第3ビット線に転送されることを特徴とする半導体装置。In any one of claims 6 to 11 ,
The semiconductor device further has a second operation,
In the second operation, the first, second, and third nodes are commonly connected to the fifth node, and the same operation result is transferred from the operation circuit to the first, second, and third bit lines. A semiconductor device, comprising:
前記第2動作において、前記複数のワード線のうち1つ又は複数が活性化されることを特徴とする半導体装置。In claim 13 ,
In the second operation, one or more of the plurality of word lines are activated.
前記第2動作は、前記メモリセルアレイに記憶された画像データをクリアするための動作であることを特徴とする半導体装置。In claim 14 ,
The semiconductor device according to claim 2, wherein the second operation is an operation for clearing image data stored in the memory cell array.
演算回路と、
前記演算回路に接続される複数のリードパス及び複数のライトパスと、
前記複数のビット線のうち少なくとも一つを前記複数のリードパスの一つに接続し、前記複数のビット線のうち少なくとも他の一つを前記複数のライトパスの一つに接続するためのスイッチ回路とを具備し、
前記演算回路は、順次前記複数のリードパスからデータを受け取り、演算を行い、演算結果を前記複数のライトパスに出力し、
前記データの受け取りの期間に演算された前記演算結果の前記ライトパスへの出力が行われ、
前記半導体装置は、前記データの受け取りと、前記演算結果の出力とを、前記複数のうちの一つのワード線によって選択された期間内に、パイプラインで順次行い、
前記受け取り動作によって読み出された読み出しデータを、前記演算動作によって処理し、前記演算動作の結果を書き込む前記メモリセルが、前記受け取り動作によって前記読み出しデータが格納されていたのと同一のメモリセルであり、
前記複数のメモリセルは、ダイナミック型のメモリセルであることを特徴とする半導体装置。A plurality of word lines, a plurality of bit lines, a memory cell array including a plurality of memory cells,
An arithmetic circuit;
A plurality of read paths and a plurality of write paths connected to the arithmetic circuit;
A switch circuit for connecting at least one of the plurality of bit lines to one of the plurality of read paths and connecting at least another of the plurality of bit lines to one of the plurality of write paths And
The arithmetic circuit sequentially receives data from the plurality of read paths, performs an operation, and outputs an operation result to the plurality of write paths,
Outputting the calculation result calculated during the data receiving period to the light path is performed,
The semiconductor device sequentially performs the reception of the data and the output of the operation result in a pipeline within a period selected by one of the plurality of word lines,
The read data read by the receiving operation is processed by the arithmetic operation, and the memory cell to which the result of the arithmetic operation is written is the same memory cell in which the read data is stored by the receiving operation. Yes,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the plurality of memory cells are dynamic memory cells.
前記メモリセルアレイと前記演算回路は、同一の半導体チップに形成されることを特徴とする半導体装置。In claim 16 ,
The semiconductor device, wherein the memory cell array and the arithmetic circuit are formed on the same semiconductor chip.
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