JP3683888B2 - Adiabatic charging logic circuit - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、緩やかに立ち上がり緩やかに立ち下がる波形の電源電圧を使用することにより断熱充電論理を行い、消費電力と回路規模を大幅に低減させる論理回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
断熱充電論理は、論理処理を低消費電力で行うことができる方法として、以前から注目されている。この断熱充電論理の特徴として、電源電圧が緩やかに周期的に変化する(緩やかに立ち上がり緩やかに立ち下がる)ことを挙げることができる。
かりに、Low(低電圧レベル)からHigh(高電圧レベル)にむけて電源電圧が論理回路であるインバータのRC時定数よりも十分ゆっくりと上昇すると、このとき電源電圧のする仕事は、1/2・CV2 となり、負荷容量に蓄えられたエネルギーと一致することが知られている。また、HighからLowへ移行するときに、負荷容量に蓄えられたエネルギーは接地(GND)に放出されず、電源回路の方に戻り(電荷リサイクル)、理想的にはエネルギーをほとんど消費せずに、Low→High→Lowの論理処理を行うことが知られている(文献1:DavidJ.Frank and Paul Solomon,低電力LSIの技術白書、第105頁、日経BP社発行、日経マイクロデバイス編)。
【0003】
これを実現するための電源回路の例として、インダクタとコンデンサを用いる交流回路がある。インダクタとコンデンサにより共振回路を作り交流電圧を発生させ、これを電力再利用型電源として用いるならば、断熱充電および電荷リサイクルが可能である。
また、コンデンサをN−1個用いて、N個の階段状電圧(N個の階段状に変化して立ち上がり、同じようにN個の階段状に変化して立ち下がる電圧)を形成する回路が知られている(前記文献1)。これによっても、断熱充電および電荷リサイクルが可能である。
【0004】
ところが、電力再利用型電源を用いて断熱充電や電荷リサイクルを通常のCMOS回路で行おうとした場合、1つの論理ゲートに対して電力再利用型電源の出力電圧の立ち上がり及び立ち下がりのタイミングをうまく合わせても、次段の論理ゲートに対しては新たにタイミングを合わせ直さなければならない。
ここではタイミングを合わせることが難しい例として、上で述べたCMOS回路とは異なるが、より断熱充電および電荷リサイクルを実現し易いことが知られているトランスミッションゲート型リトラクタイル論理回路について示すことにする。
【0005】
図67(a)はそのリトラクタイル論理回路を示す図であり、501〜504は論理ゲート、505,506はコンデンサである。ここでは、入力信号A,Bを入力して、そのAND論理(=A・B)を処理し、さらにこの結果と入力信号CとのOR論理(=A・B+C)を得ている。このリトラクタイル論理回路の論理ゲートとしては、図68(b)、(c)に示すように、トランスミションゲート507による2線式論理を用いることが提案されている。ここでは、相補入力信号A、*A、相補入力信号B、*Bを入力して、出力信号A・Bと、*(A・B)を出力している。なお、*は反転信号であることを示す。
このリトラクタイル論理回路では、図67(b)〜(f)のタイムチャートに示すように、ゲート数に応じて電源電圧V1,V2の波形を制御する。つまり入力信号A,Bの立ち上がりよりも後に電源電圧V1を緩やかに(一定の傾斜で)立ち上げ、その入力信号A,Bの立ち下がりよりも前に電源電圧V1を緩やかに立ち下げるよう制御する必要がある。入力信号Cと電源電圧V2の関係についても同様である。
【0006】
図69(a),(b)は従来のBDD論理回路の一例を示す図である。この論理回路で使用するBDDグラフ(2分決定グラフ;Binary Dicision Diagram)は、図69(a)に示すように、始点1,2と終点3,4をもつグラフであり、各節点5には入力変数(同図では、A,B,C)が対応する。与えられた入力変数値のもとで論理出力の値を求めるときは、グラフの始点1,又は2から入って下向きに各節点5をたどり、最後に2つの終点3,4のいずれかに到達する。各節点5においては、その入力変数値に対応して2つのブランチ6,7のうちのいずれかをたどる。すなわち、例えば、入力変数CがC=「0」ならば0ブランチ6をたどり、C=「1」ならば1ブランチ7をたどる。つまり、入力が与えられると、始点から終点への1つのパスが指定される。パスの終わりが終点「0」ならば論理出力は「0」、終点「1」ならば論理出力は「1」とするものである。
【0007】
BDD論理回路は、図69(a)のBDDグラフを用いて、図69(b)に示すように、BDDの各ブランチに上記条件を満たすような論理素子、例えばnチャネル型MOSFET8と配線9を対応させる。また、BDDグラフの始点1,2には論理出力を対応させる。さらに、BDDグラフの「0」の終点3に接地(GND)を接続し、BDDグラフの「1」の終点4に定電源電圧VDDを接続した回路である(文献2:黒田、桜井、低電力LSIの技術白書、第98頁、日経BP社発行、日経マイクロデバイス編)。
【0008】
次に、図70は従来のDラッチ論理回路の構成を示す図である。この論理回路は、データ取込回路を構成する2個のトランスミッションゲート601,602と、記憶回路を構成するクロス接続のトランスミッションゲート603,604およびインバータ605,606とから構成されている。トランスミッションゲート601〜604には、クロック信号CKとその反転信号*CKが入力され、インバータ605,606の電源には定電源電圧VDDが印加される。
【0009】
このDラッチ論理回路では、クロック信号CKがHighのとき、ノード607,608に入力した信号が、それぞれトランスミッションゲート601,602を通過してノード609,610に到達し、インバータ605,606で反転されて、ノード611,612に出力する。そして、次にクロック信号CKがLowになると、ノード610と611が接続され、ノード609と612が接続されて、インバータ605,606の出力信号が互いに反対側のインバータ606,605の入力側に与えられ、次にクロック信号CKがHighになるまで、その出力信号を保持する(記憶モード)。
【0010】
また、図71に示す組合せ論理回路やDラッチ論理回路等の従来のCMOS論理回路の配線400は、次段のゲートをps程度の時間で速やかに駆動するために、配線断面積を大きくとっている。この配線断面積は、日本電信電話株式会社(NTT)の0.25umプロセスにおいては、図67に示すように550nm(0.55μm:信号配線幅W0 )×550nm(0.55μm:信号配線厚みH0 )であり、この場合のCR時定数は0.5ns程度である。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
前記したリトラクタイル論理回路では、ゲート数が数百段、数千段にも及ぶような回路に対しては、数百、数千の電源電圧波形を制御しなければならない。したがって、電力再利用型電源を用いて断熱充電および電荷リサイクルを行うと、却って電力が消費されてしまうという問題があった。
また、Dラッチ型の論理回路では、トランスミッションゲートの部分において、トランスミッションゲートを構成するMOSFETのゲートヘの充放電やクロック信号線の充放電を行う必要があり、この充放電においてCTGVDD2 だけ余分なエネルギーが消費されるという問題があった。ここで、VDDは電源電圧、CTGはトランスミッションゲートのゲート容量とクロック信号線の容量の和である。また、記憶回路においても、CMEVDD2 だけ余分にエネルギーが消費されるという問題もあった。なお、CMEは記憶回路の容量である。
また、従来のCMOS論理回路では配線断面積を大きくしているため、回路規模の縮小が困難になるという問題もあった。また、配線の自己キャパシタンス及び配線間の相互キャパシタンスを小さくできないという問題があった。
【0012】
本発明は以上のような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、効率的に断熱充電論理を実現でき、また配線断面積も小さくでき、これらにより回路の低消費電力化と回路規模の縮小化を実現可能にした論理回路を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために本発明は、複数の論理素子からなる論理回路と、各論理素子のゲートに入力信号が与えられた後に論理回路に電源を供給して論理処理を行わせるとともに、この論理処理が終了し論理素子のゲートに新たな入力信号が与えられる前に電源の供給を停止する電源部とを備えたものである。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について図面を参照して説明する。
[第1の実施の形態]
第1の実施の形態の内容は、BDDグラフを回路化した既に説明済みの図65Bに示すBDD論理回路の定電源電圧VDDに代えて、電力再利用型電源を使用し、数百段、数千段のゲートの論理を1回の断熱充電で行った後、BDD論理回路に蓄えられた電荷を再び電源回路の方に戻すものである。
ここで、図69(a)を参照して上記BDDグラフについて再度説明する。BDDグラフは、始点1,2と終点3,4をもつグラフであり、各節点5には入力変数(同図では、A,B,C)が対応する。与えられた入力変数値のもとで論理出力の値を求めるときは、グラフの始点1,又は2から入って下向きに各節点5をたどり、最後に2つの終点3,4のいずれかに到達する。各節点5においては、その入力変数値に対応して2つのブランチ6,7のうちのいずれかをたどる。すなわち、例えば、入力変数CがC=「0」ならば0ブランチ6をたどり、C=「1」ならば1ブランチ7をたどる。即ち、入力が与えられると、始点から終点への1つのパスが指定される。パスの終わりが終点「0」ならば論理出力は「0」、終点「1」ならば論理出力は「1」とするものである。
【0015】
図1に示す本発明の第1の実施の形態のBDD論理回路は、こうしたBDDグラフの各ブランチに上記条件を満たすような論理素子、例えばnチャネル型MOSFET8と配線9を対応させる。また、BDDグラフの始点1,2には、論理出力を対応させる。さらに、BDDグラフの「0」の終点3に接地(GND)を接続し、BDDグラフの「1」の終点4に電力再利用型電源10を接続する。この電力再利用型電源10としては、後述するように、例えばインダクタとコンデンサを用いた交流電源回路か、又はコンデンサをN−1個用いたN段の階段状電圧を生成する電源回路を使用する。
そして、この電力再利用型電源10のBDD論理回路及び後述するDラッチ論理回路への電源供給のタイミングは図66に示すようにタイミング制御部450により制御される。なお、図66のBDD論理回路30Aは図1及び図2等に示されるBDD論理回路、図66のBDD論理回路30Bは後述の図30以降の各図に示されるBDD論理回路である。また、BDD論理回路のゲート部分の電力再利用型電源10(#2)によるリサイクルについては、後述の第4,第5,第6,第7の各実施の形態等で説明する。
【0016】
図2はインダクタ11とコンデンサ12を用いた交流電源回路10Aの例を、図3は3個のコンデンサ13〜15を用いて4段の階段状電圧を発生する電源回路10Bの例を示す。
図3において、16〜23はnチャネル型MOSFETである。これらの電源回路10A,10Bでは、その出力電圧を緩やかに上昇させ緩やかに下降させる交流波形(繰り返し波形)とすることができる。なお、電力再利用型電源で発生させるこの他の交流電圧の例として、図4(a)に示す三角波、図4(b)に示す台形波を用いることもできる。さらに、図4(c),図4(d),図4(e)にそれぞれ示す正弦波から生成される電圧波形を用いることもできる。なお、三角波の生成は、例えば、階段状波形の電圧を積分回路を通過させなまらせることにより、近似的に行える。
【0017】
次に、図1に示すBDD論理回路30Aの動作を説明する。まず、時刻t=0において、BDD論理回路の各nチャネル型MOSFET8のゲートに入力電圧*A、*B,*C,A,B,Cをそれぞれ入力する。次に、電力再利用型電源10の出力電圧を緩やかに上昇させる。これにより、BDD論理回路を断熱充電することが可能となる。この充電により論理演算が行われ出力信号が得られる。そして、この断熱充電の後、電力再利用型電源10の出力電圧を緩やかに下降させる。この時、BDD論理回路内に蓄えられた電荷が電力再利用型電源10に再び戻される。BDD論理回路の出力電位がLowになった後の時刻t=Tにおいて、次の入力信号をゲートに入力させる。以下、これを周期Tとして繰り返すことにより、断熱充電および電荷リサイクルを実行することが可能となる。
以上から、ゲート数が数百段、数千段に増加した場合でも、共通の電力再利用型の電源10を用いるので、従来のリトラクタイル論理回路と異なり、消費電力が増大せず、複雑な論理構造を有する論理回路においても低消費電力を実現できる。
図4(f)は本発明のBDD論理回路と従来のリトラクタイル論理回路との電源部における消費電力の比較を示す説明図である。この説明図から明らかなように、従来のリトラクタイル論理回路では論理回路のゲート数が増加するにつれて消費電力が増加するのに対し、本発明のBDD論理回路では消費電力は常に一定の低電力を維持している。
【0018】
図5はBDD論理回路が複数ある場合の例である。ここでは、BDD論理回路が符号301〜30nで示すようにn個(n≧4)あり、i番目とj番目とは隣接しているものとする(j=i+1)。このとき、各々のBDD論理回路は最適の電力再利用型電源101〜10nにより各々独立して動作させる。例えば、k番目のBDD論理回路の電源として、周波数fk 、位相φk の電力再利用型電源を用いる。そして、速い論理動作が必要なBDD論理回路では周波数fk を大きくした電力再利用型電源を用い、遅い論理動作でよいBDD論理回路では周波数fk を小さくした電力再利用型電源を用いる。これにより、BDD論理回路毎に並列処理を効率的に行うことが可能となる。
【0019】
また、特に同じ周波数、同じ位相の電源でよいBDD論理回路については、電源線を結ぶことで共通の電力再利用型電源を用いることとし、電源回路の数を減らすことにより、低電力化を実現することが可能となる。
図6は共通の電力再利用型電源を用いた例を示す図である。ここでは、1番目からi番目までの電源を共通の電力再利用型電源101とし、j番目からn番目までの電源を共通の電力再利用型電源10nとした回路構成としている。
【0020】
[第2の実施の形態]
図7は第2の実施の形態のBDD論理回路を示す図である。
図7では、図1に示したBDD論理回路において、論理素子としてのnチャネル型MOSFET8の中で、ゲートに入力信号として反転信号*A、*B、*Cが入力される素子を、その論理素子と相補型の関係にある論理素子として置き換えた例である。即ち、ここではその論理素子をpチャネル型MOSFET24に置き換え、且つそのゲートヘの入力信号を非反転の信号A,B,Cとしたものである。これにより、入力信号として非反転の信号A,B,Cのみを使用することができるので、非反転の信号から反転信号を作成するためのインバータを各々1個省くことが可能となる。したがって図1に示したBDD論理回路よりも低消費電力化が可能となる。なお、図2,図3,図5,図6の各BDD論理回路についても同様である。
【0021】
以下、シミュレーション結果を用いて、図7に示したnチャネル型MOSFET8とpチャネル型MOSFET24の混在型のBDD論理回路の動作例を詳細に説明する。ここでは、電力再利用型電源として、図8に示すように、3個のコンデンサ13〜15を用いて4段の階段状電圧を発生するタイプの電源10B(図3に示したものと同じ)を使用する。
この電力再利用型電源10Bは、4つの定電源電圧VDD,3/4VDD,2/4VDD,1/4VDD,3個のコンデンサ13〜15,8個のnチャネル型MOSFET16〜23より構成される。3つのコンデンサ13〜15は各々3/4VDD,2/4VDD,1/4VDDの電圧に充電される。3つのnチャネル型MOSFET16〜18のゲートには入力信号Preが印加され、4つのnチャネル型MOSFET19〜22のゲートには入力信号T1〜T4が印加され、1つのnチャネル型MOSFET23のゲートには入力信号CLが印加される。なお、3/4VDD,2/4VDD,1/4VDDの各電源は、これらがなくても自然にコンデンサ13,14,15はそれぞれ3/4VDD,2/4VDD,1/4VDDに充電され安定状態となる。しかし、ここでは高速に充電させる場合を考慮して図10のような回路機構としている。
【0022】
この電力再利用型電源10Bの動作の詳細なタイムチャートを図9(a)〜(h)に示す。まず図9(a)の入力信号Preを一定時間だけHighにして、nチャネル型MOSFET16〜18をオンし、コンデンサ13〜15を各々3/4VDD,2/4VDD,1/4VDDの電圧に充電する。次に、図9(e)〜図9(h)の各入力信号T1〜T4を、T1→T2→T3→T4→T3→T2→T1の順に所定時間ずつHighにしてnチャネル型MOSFET19〜22をオンさせ、コンデンサ13〜15に充電されている電圧3/4VDD,2/4VDD,1/4VDDを時分割的に出力電圧Voutとして出力し、最後に入力信号T1がLowになったら入力信号CLをHighにしてnチャネル型MOSFET23を所定時間だけオンして出力電圧Voutを接地電位とする。このようなタイミング制御により、電力再利用型電源10Bの出力電圧Voutは、図9(c)に示すように立ち上がり立ち下がりに4つの階段をもつ波形となる。
【0023】
上記した入力信号(パルス)CL,T1,T2,T3,T4は、図10(a)〜(f)に示すように、例えば3個のT型フリップフロップ回路41〜43,11個のNAND回路44〜54,3個のインバータ55〜57を用いた回路により、生成可能である。この図10(a)〜(f)において、200は所定のクロックCKの入力端子、211は信号T1の出力端子、212は信号T2の出力端子、213は信号T3の出力端子、214は信号T4の出力端子、215は信号CLの出力端子である。他の符号は、ノードであり、同一符号のノードは共通接続される。
【0024】
シミュレーションにおいては、電力再利用型電源10Bのコンデンサ13〜15の容量は各々5000pF,8個のnチャネル型MOSFET16〜23のトランジスタ幅Wは各々36μmとした。また、図8の各々の3入力XORのBDD論理回路において、トランジスタ幅Wを6μmとし、XOR側の出力の負荷容量を0.5pFとした。ここでは、この3入力XORのBDD論理回路を1000個並列接続した回路について、シミュレーションを行った。また、入力クロック信号CKの周波数は4MHzとした。シミュレーション結果を図11,図12に示す。
【0025】
図11は電力再利用型電源10Bの各信号Pre,CK,CL,T1〜T4,Voutの波形図である。確かに、図9(a)〜(h)に示したものと同様の所望の波形が得られていることがわかる。出力の負荷の総和が0.5pFの1000倍(=500pF)であるため、波形は階段状から少し滑らかな形状となっている。
図12は入力信号A,B,C、電源電圧Vout、出力信号XOR,XNORの電圧の波形図である。先に述べたように、入力電圧の切り替えは、電源電圧VoutがLowレベルのとき行われるよう設定している。入力信号A,B,Cがいずれも「1」のときXORは「1」となり、XNORは「0」となる。また、A=B=「1」、C=「0」とのき、XORは「0」であり、XNORは「1」となり、論理処理がうまく行われていることがわかる。信号Cのパルス幅(ビット幅)は2μsであり、出力電圧の周波数は500kHzである。
【0026】
また、消費電力の結果は、500KHzの周波数において、4.76×10-4Wとなる。一方、通常のCMOSの1個のXOR回路の1論理処理当りの消費電力は1.06×10-6Wとなり、1000個のXORの1論理処理当りの消費電力は1.06×10-3Wとなる。本発明の回路を用いると、通常のCMOS論理回路と比較すると、消費電力が約1/2となることがわかる。以上の議論から、本発明の電力再利用型電源を使用するBDD論理回路が低消費電力であることが確認できる。
【0027】
[第3の実施の形態]
図13は電力再利用型電源を使用する第3の実施の形態のBDD論理回路である。ここでは、図1に示したBDD論理回路における論理素子であるnチャネルMOSFET8を、nチャネル型MOSFETとpチャネル型MOSFETとが並列接続されたトランスミッションゲート81に置換して構成している。pチャネル型MOSFETの入力信号はnチャネル型MOSFETの入力信号の反転信号である。これにより、図1に示した回路と比較し、出力信号として得られるHighレベルの信号がVDD−Vth(Vthはnチャネル型MOSFETのしきい値電圧)から、電源電圧VDDに上昇するので、論理信号の電圧振幅を大きくとることができるという利点がある。すなわち、nチャネル型MOSFETではLowレベル信号の伝搬特性は良好であるものの、Highレベル信号の伝搬はしきい値電圧分だけの電圧降下があるが、これを防止することができる。なお、pチャネル型MOSFETではHighレベル信号の伝搬特性は良好であるものの、Lowレベル信号の伝搬は苦手である。トランスミッションゲートではこれらが改善できる。
【0028】
[第4の実施の形態]
図14は電力再利用型電源を使用する第4の実施の形態のBDD論理回路であり、その電力再利用型電源として交流電源を用い、入力ゲートに蓄えられる電荷のリサイクルを行うために、論理素子の入力ゲートに交流電源電圧V1acと同じ周波数と位相を持った交流電圧Aac、Bac,Cacを与える。
図14の回路とインバータ25〜27を組み合わせ、具体的回路によって示したのが図15(a)〜(d)である。ここで、BDD論理回路の電源電圧は交流電圧V1acである。また、反転信号*Aを入力として非反転信号Aを出力するインバータ25の電源電圧も交流電圧V1acである。他のインバータ26,27も同様である。ここで、V1acとして、1Vのオフセット(中心電圧1V)をもち1Vの振幅をもつ正弦波を用いることにする。また、*A,*B,*Cとして、Lowレベルが0V,Highレベルが2Vの信号を用いることとする。
【0029】
動作速度を500KHzとしてシミュレーションした結果が図16である。図16は、交流電圧V1ac、入力信号*A,A、*B,B、*C,C、出力信号XOR,XNORの波形図を示したものである。
入力信号Aにおいて、2Vを山(ピーク)とする交流電圧はHighレベル(「1」)に対応し、0VはLowレベル(「0」)に対応する。A,B,Cは7μsから25μsまで、各々、111100001、110011001、101010101であることがわかる。また、A=B=C=「1」のときXORが「1」、A=B=「1」で、C=「0」とのときXORが「0」であることがわかる。消費電力については、BDD論理回路内で2.71×10-7Wである。ここに示した交流BDD論理回路の消費電力は、CMOSと比較すると約1/4に低減することがわかる。
なお、ここでは交流電圧として正弦波を用いたが、必ずしも正弦波である必要はなく、例えば電圧Vlacとして、図4(a)〜(e)に示した三角波、台形波、正弦波から生成した電圧波形であっても良い。また、図8に示した電力再利用型電源10Bにより得られる階段状の電圧波形(図9(c)のVout)を用いても良いことは勿論である。
【0030】
〔第5の実施の形態]
図17(a)〜(f)及び図18は電力再利用型電源を使用する第5の実施の形態のBDD論理回路の例である。ここでは、図13に示したBDD論理回路の電力再利用型電源として交流電源V1acを使用したとき、図15(a)〜(c)に示したインバータ25〜27を用いる代わりに、トランスミッションゲート81を直列接続した回路を使用する。そして、図17(a),(b)に示すように論理信号Ain,*Ainを入力して交流電圧信号A,*Aを作成する。また図17(c),(d)に示すように論理信号Bin,*Binを入力して交流電圧信号B,*Bを作成する。さらに、図17(e),(f)に示すように論理信号Cin,*Cinを入力して交流電圧信号C,*Cを作成する。そしてこの交流電圧A,*A,B,*B,C,*Cを図18のBDD論理回路に入力して論理処理を行う。
【0031】
[第6の実施の形態]
図19(a)〜(d)は電力再利用型電源を使用する第6の実施の形態のBDD論理回路の例であり、入力電圧として前記した交流電圧V1acを用い、電力再利用型電源としては交流電圧V2ac’を用いる。この交流電圧V2ac’は交流電圧V1acの2倍の周波数をもっている。また、BDD論理回路と交流電圧V2ac’との間には、スイッチ機能をもつnチャネル型MOSFET28を接続する。このnチャネル型MOSFET28のゲートに図示のようなクロック信号φ(交流信号V1acと同じ周波数)を与えることにより交流電圧V2ac’のピークを1つ置きに取り出した交流電圧V2acを電源電圧とする。
【0032】
シミュレーション結果を図20に示す。
ここでは、交流電圧V2ac’、クロック信号φ、nチャネル型MOSFET28通過後の交流電圧V2ac、交流電圧V1ac、入力信号C、出力信号XOR,XNORの波形を示している。なお、入力信号A,Bは図示しないが図16の波形と同じである。XOR,XNORの信号が図16に示した結果と同様に正しく出力されていることがわかる。
この回路の場合、消費電力は3.6×10-8Wであり、CMOSと比較すると約1/30の低電力となる。この理由として、入力する交流電圧V1acの波形の中に電源の交流電圧V2acの波形が収まるために、電源から接地へのリークがほとんどなくなるためであると考えられる。
【0033】
[第7の実施の形態]
図21(a)〜(f)及び図22は電力再利用型電源を使用する第7の実施の形態のBDD論理回路の例であり、入力電圧として前記した交流電圧V1acを用い、図18に示したBDD論理回路の電力再利用型電源として交流電圧V2ac’を用いる。この交流電圧V2ac’は交流電圧V1acの2倍の周波数をもっている。また、BDD論理回路と交流電圧V2ac’との間には、図22に示すようにトランスミッションゲート91を接続する。このトランスミッションゲート91に図示のようなクロック信号φ(交流信号V1acと同じ周波数)及びクロック*φを与えることにより交流電圧V2ac’のピークを1つ置きに取り出した交流電圧V2acを電源電圧とする。
なお、この第7の実施の形態及び前記した第5、第6の実施の形態において、先に述べたように、交流電圧は正弦波である必要はなく、台形波や電力再利用型電源10Bによる階段状波形等であっても良い。また、交流電圧V1ac,V2acのタイミング関係は、V1acがV2acよりも速く立ち上がり、遅く立ち下りさえすればよい。いくつかの例を、図23に示した。
【0034】
〔第8の実施の形態]
図24(a)は第8の実施の形態のBDD論理回路を示す図である。ここでは、図1に示したBDD論理回路の電力再利用型電源10を、電力非再利用型電源10’に置き換えている。この電力非再利用型電源10’は、電力を再利用しない交流電源(立ち上がりと立ち下がりが緩慢で周期的に変化する電圧を生成する)である。交流電源と電力再利用型電源10、電力非再利用型電源10’とは図24(b)に示すような関係にある。
図25はこの電力非再利用型電源10’の具体例を含む回路を示す図である。ここでは、インバータ35から出力する矩形波を抵抗36とコンデンサ37により積分して立ち上がりと立ち下がりが緩やかな繰り返し電圧を作成している。このような電力を再利用しない交流電源では電荷のリサイクルはできないが、矩形波とは異なって、断熱的に充電できるため、消費電力が1/2になるという利点がある。
【0035】
[第9の実施の形態]
図26は第9の実施の形態のICカード60の例を示す図である。ここでは、通信(又は電力送電)のために使用するリーダライタ61等の無線の電磁波からインダクタ(アンテナ)62を介して誘導される交流電圧が存在する場合に、この交流電圧そのものをICカード60の電力再利用型電源電圧として用いるようにしたものである。ここで、63はBDD論理回路、64はCMOS論理回路65用の直流電源作成用の整流電源回路、66はコンデンサである。Mは相互コンダクタンスである。
【0036】
[第10の実施の形態]
図27は第10の実施の形態のBDD論理回路の一部を示す図である。ここでは、論理素子として相補型のMOSFETの代わりに相補型のTFT(ThinFilm Transistor)を用いた。このようなTFTを用いた回路構成であっても、断熱充電および電荷リサイクルが可能である。TFTの場合、MOSFETと比較して低速に動作しており、断熱充電に極めて適したデバイスと考えられる。
【0037】
このTFTを使用した回路は3次元的に高集積化が可能であり、これにより厚み方向に素子を並列接続することが可能となって、論理処理速度を向上させることができる。図27において、71はサブストレート、72は絶縁膜、73はメタル又はポリシリコンの配線又はゲート、74はゲート絶縁膜、75はソース又はドレインとなるn型領域、76はチャネルとなるp型領域、77はソース又はドレインとなるp型領域、78はチャネルとなるn型領域、79はグローバルスルホールである。
なお、ここでは、第2〜第7の実施の形態に使用したBDD論理回路(図7、図8,図13,図14,図15(d),図18,図19(d)、図22)を実現するために相補型のTFTを構成しているが、相補型でない図1〜図3及び図5,図6の第1の実施の形態のBDD論理回路にも適用できることは勿論である。
【0038】
[第11の実施の形態]
図28(e)は本発明の第11の実施の形態のBDD論理回路に用いられるBDDグラフを説明する図である。図28(e)に示すBDDグラフは、図28(a)〜(d)に示す各BDDグラフを共有化したものである。
図29(a),(b)は、図28(e)に示される共有化BDDグラフを用いたBDD論理回路である。このように各BDDグラフを共有化することにより、BDD論理回路に用いられるトランジスタの数を低減することができる。
【0039】
[第12の実施の形態]
図30は本発明の第12の実施の形態のBDD論理回路30Bの構成を示す図である。ここでは、入力信号A,*Aと,B,*Bと、C,*Cとを入力して、そのキャリー出力f=(AB+BC+CA)、*f=*(AB+BC+CA)を取り出す場合のBDD論理回路を示した。この第12の実施の形態以降のBDD論理回路30Bは、上述した第1〜第11の実施の形態に示すBDD論理回路30Aと異なり、始点1に電力再利用型電源10を接続して電源電圧として与え、終点4の「1」から出力信号fを、また終点3の「0」から出力信号*fをそれぞれ取り出すものである。なお、この電力再利用型電源10の出力電圧の波形としては、上述した図4(a)〜(e)及び図9(c)に示すような、階段状波形、交流的(極性は変化せず、レベルが滑らかに変化する)波形等がある。
【0040】
図31(a),(b)は、図31(c)に示す2ビットの加算器140において2ビットの入力信号A0,A1と、2ビットの入力信号B0,B1と、1ビットのキャリーC0を入力して、和の出力信号S1、*S1を出力させるときの説明図である。ここで図31(a)はそのBDDグラフ、図31(b)はその論理回路、図31(c)は加算器140の入出力関係を示す図である。
図32(a),(b)は、図32(c)に示した2ビットの加算器140において、2ビットの入力信号A0,A1と、2ビットの入力信号B0,B1と、1ピットのキャリーC0を入力して、キャリーの出力信号C2、*C2を出力させるときの説明図である。ここで、図32(a)はそのBDDグラフ、図32(b)はその論理回路、図32(c)は加算器140の入出力関係を示す図である。
【0041】
ここで電力再利用型電源10としては、インダクタとコンデンサを用いた交流的電源回路、或いはコンデンサをN−1個用いたN段の階段状電圧を生成する電源回路を使用することができる。
図33はインダクタ11とコンデンサ12を用いた交流的電源回路10Aの例を示す。
また、図34は3個のコンデンサ13〜15を用いて4段の階段状電圧を発生する電源回路10Bの例を示す。図34において、16〜23はnチャネル型MOSFETである。これらの電源回路10A,10Bでは、その出力電圧を緩やかに上昇させ緩やかに下降させることができる。
【0042】
次に図34に示すBDD論理回路の動作を説明する。
まず、時刻t=0において、BDD論理回路の各nチャネル型MOSFET8のゲートに入力信号*A,*B,*C,A,B,Cを入力する。次に、電力再利用型電源10Bの出力電圧を緩やかに上昇させる。これにより、BDD論理回路を断熱充電することが可能となる。この充電により論理演算行われ出力信号が得られる。そして、この断熱充電の後、電力再利用型電源10Bの出力電圧を緩やかに下降させる。この時、BDD論理回路内に蓄えられた電荷が電力再利用型電源10Bに再び戻される。BDD論理回路の電位がLowになった後に、時刻t=Tにおいて、次の入力信号をゲートに入力させる。以下、これを周期Tとして繰り返すことにより、断熱充電および電荷リサイクルを実行することが可能となる。
【0043】
以上から、ゲート数が数百段、数千段に増加した場合でも、共通の電力再利用型の電源を用いるので、消費電力が増大せず、複雑な論理構造を有する論理回路においても低消費電力を実現できる。
なお、図34に示す電力再利用型電源10Bの具体的な動作は既に図9のタイムチャートで説明した動作と同等であるのでその動作説明は省略する。
また、電力再利用型電源10Bに与える各入力信号の生成回路も図10の回路と同等であるのでその説明を省略する。
また、この電力再利用型電源10Bでは、既に説明した図9(c)のVoutと同等の電圧波形を発生し、BDD論理回路に与える。
【0044】
図35はBDD論理回路が複数ある場合の例である。ここでは、BDD論理回路が301〜30nに示すようにn個(n≧4)あり、i番目とj番目とは隣接しているものとする(j=i+1)。このとき、各々のBDD論理回路は最適の電力再利用型電源101〜10nにより各々独立して動作させる。例えば、k番目のBDD論理回路の電源として、周波数fk 、位相φk の電力再利用型電源を用いる。そして、速い論理動作が必要なBDD論理回路ではfk を大きくした電力再利用型電源を用い、遅い論理動作でよいBDD論理回路ではfk を小さくした電力再利用型電源を用いる。これにより、BDD論理回路毎に並列処理を効率的に行うことが可能になる。
また、特に同じ周波数、同じ位相の電源でよいBDD論理回路については、電源線を結ぶことで共通の電力再利用型電源を用いることとし、電源回路の数を減らすことにより、低電力化を実現することが可能となる。
図36は、共通の電力再利用型電源を用いる例を示す図であり、1番目からi番目までの電源を共通の電力再利用型電源101とし、j番目からn番目までの電源を共通の電力再利用型電源10nとした回路構成としている。
【0045】
[第13の実施の形態]
図37は第13の実施の形態のBDD論理回路を示す図である。ここでは、図30に示したBDD論理回路において、論理素子としてのnチャネル型MOSFET8の中で、入力信号として図30の反転信号*A、*B、*Cがゲートに入力される素子を、その論理素子と相補型の関係にある論理素子に置き換える。即ち、ここではpチャネル型MOSFET24に置き換え、且つそのゲートヘの入力信号を非反転の信号A,B,Cとしたものである。これにより、入力信号として非反転の信号A,B,Cのみを使用することができるので、非反転の信号から反転信号を作成するためのインバータを各々1個省くことが可能となる。したがって、図30に示した回路よりも小回路規模化、低電力化が可能となる。図31(b),図32(b),図33,図34,図35,図36のBDD論理回路についても同様に適用できる。
【0046】
〔第14の実施の形態]
図38は電力再利用型電源を使用する第14の実施の形態のBDD論理回路である。ここでは、図30に示したBDD論理回路における論理素子である各nチャネルMOSFET8を、nチャネル型MOSFETとpチャネル型MOSFETとが並列接続されたトランスミッションゲート81に置換して構成している。pチャネル型MOSFETの入力信号はnチャネル型MOSFETの入力信号の反転信号である。これにより、図30に示した回路と比較し、出力信号として得られるHighレベルの信号がVDD−Vth(VthはnチャネルMOSFETのしきい値電圧)から、電源電圧VDDに上昇するので、論理信号の電圧振幅を大きくとることができるという利点がある。すなわち、nチャネル型MOSFETではLowレベル信号の伝搬特性は良好であるものの、Highレベル信号の伝搬はしきい値電圧分だけの電圧降下があるが、これが防止できる。なお、pチャネル型MOSFETではHighレベル信号の伝搬特性は良好であるものの、Lowレベル信号の伝搬は苦手である。トランスミッションゲートではこれらが改善できる。
【0047】
[第15の実施の形態]
図39は電力再利用型電源を使用する第15の実施の形態のBDD論理回路であり、その電力再利用型電源として交流的電源を用い、さらに入力ゲートに蓄えられる電荷のリサイクルを行うために、各論理素子の入力ゲートに、電源の交流的電圧V1acと同じ周波数と位相を持った交流的電圧Aac,Bac,Cacを与える。
図39の回路とインバータ25〜27を組み合わせ、具体的回路によって示したのが図40(a)〜(d)である。BDD論理回路の電源電圧は交流的電圧V1acである。また、反転信号*Aを入力として非反転信号Aを出力するインバータ25の電源電圧も交流的電圧V1acである。他のインバータ26,27の電源電圧も同様である。ここでは、V1acとして、例えば、1Vのオフセット(中心電圧1V)をもち1Vの振幅をもつ正弦波を用いる。また、*A,*B,*Cとして、Lowレベルが0V,Highレベルが2Vの信号を用いる。
なお、ここでは、交流的電圧として正弦波を用いたが、必ずしも正弦波である.必要はなく、例えば電圧V1acとして、図4(a)〜図4(e)に示した三角波、台形波、正弦波から生成した電圧波形であっても良い。また、図8に示した電力再利用型電源10Bにより得られる階段状の電圧波形(図9(c)のVout)を用いても良いことは勿論である。
【0048】
〔第16の実施の形態]
図41(a)〜(f)及び図42は電力再利用型電源を使用する第16の実施の形態のBDD論理回路の例である。ここでは、図39に示したBDD論理回路の電力再利用型電源として交流的電源V1acを使用したとき、図40(a)〜(c)に示したようなインバータ25〜27を用いる代わりに、トランスミッションゲート81を直列接続した回路を使用する。そして、図41(a),(b)に示すように論理信号Ain,*Ainを入力して交流電圧信号A,*Aを作成する。また図41(c),(d)に示すように論理信号Bin,*Binを入力して交流電圧信号B,*Bを作成する。さらに、図41(e),(f)に示すように論理信号Cin,*Cinを入力して交流電圧信号C,*Cを作成する。そして生成したこの交流的電圧A,*A,B,*B,C,*Cを図42のBDD論理回路に入力して論理処理を行う。
【0049】
[第17の実施の形態]
図43(a)〜(d)は電力再利用型電源を使用する第17の実施の形態のBDD論理回路の例であり、入力電圧として前記した交流的電圧V1acを用い、BDD論理回路の電源としては交流的電圧V2ac’を用いる。この交流的電圧V2ac’は交流的電圧V1acの2倍の周波数をもっている。また、BDD論理回路と交流的電圧V2ac’との間には、スイッチ機能をもつnチャネル型MOSFET28を接続する。このnチャネル型MOSFET28のゲートに図示のようなクロック信号φ(交流信号V1acと同じ周波数)を与えることによって、交流的電圧V2ac’のビークを1つ置きに取り出した交流的電圧V2acを電源電圧とする。
【0050】
[第18の実施の形態]
図44(a)〜(f)及び図45は電力再利用型電源を使用する第18の実施の形態のBDD論理回路の例であり、入力電圧として前記した交流的電圧V1acを用い、図42に示したBDD論理回路の電力再利用型電源として交流的電圧V2ac’を用い、図43(d)のBDD論理回路と同様に、交流的電圧V2ac’のビークを1つ置きに取り出した交流的電圧V2acを電源電圧とするものである。
なお、この第18の実施の形態及び前記した第16、第17の実施の形態において、交流的電圧は正弦波である必要はなく、上述した図23(a)〜(h)に示すような、台形波や三角波、及び正弦波をもとにした交流的電圧や電力再利用型電源10Bによる階段状波形等であっても良い。また、交流的電圧V1ac,V2acのタイミング関係は、V1acがV2acよりも速く立ち上がり、遅く立ち下りさえすればよい。
【0051】
[第19の実施の形態]
図46(a)は第19の実施の形態のBDD論理回路を示す図である。ここでは、図30で示したBDD論理回路の電力再利用型電源10を、電力非再利用型電源10’に置き換えている。この電力非再利用電源10’は電力を再利用しない交流的電源である。交流的電源と電力再利用型電源10,電力非再利用型電源10’とは、図46(b)に示すような関係にある。
図47はこの電力非再利用型電源10’の具体例を示す図である。ここでは、インバータ35から出力する矩形波を抵抗36とコンデンサ37により積分して立上りや立ち下がりが緩やかな交流的電圧を作成している。このような電力を再利用しない交流的電源であっても、矩形波とは異なって、断熱的に充電できるため、消費電力が1/2になるという利点がある。
なお、以上の第12〜第19の実施の形態の論理回路の素子には、既に述べたように断熱充電に極めて適したTFTを使用することができる。また、図27で示したように三次元的に集積化することも可能である。
また、以上の第12〜第19の実施の形態の論理回路は、既に図26の第9の実施の形態で説明したICカード60に同様に適用することができる。
【0052】
[第20の実施の形態]
図48(a)は本発明の第20の実施の形態の論理回路であるDラッチ論理回路90を示す図である。この回路90は、データ取込回路を構成する2個のトランスミッションゲート91,92と、記憶回路を構成するクロス接続のトランスミッションゲート93,94およびインバータ95,96とから構成されている。
【0053】
ここでは、インバータ95,96の電源電圧として、図48(b)に示すように、立ち上がりと立ち下がりが緩やかな波形の電圧V3acを使用する。また、クロック信号としては、図48(c)に示すように、電圧V3acが立ち下がった後に立ち上がり、電圧V3acの立ち上がる前に立ち下がり、且つ立ち上がりと立ち下がりが緩やかなデューティの小さい波形の電圧V4acとその反転電圧*V4acを使用する。これら電圧V3ac,V4acの発生には、インダクタとコンデンサを組み合わせた図2に示す発振型の電源回路10A、複数のコンデンサを用いてその切替や充放電を行い階段状の電圧を発生するようにした図3及び図8に示す階段状電源回路10B、sin波の1波又は複数波を利用し図4(a)〜(e)に示すように生成した電源回路等の電力再利用型電源、既に図26で説明した無線の電磁波を誘導するインダクタで得られる交流などを使用する。また、図23(a)〜(h)に示したものと類似の波形(V1acに対してV2acを180度位相をずらせた波形)を使用することもできる。さらに、電圧V3ac,V4acの発生には、電力非再利用型電源10’(図24(a),図25)を使用することもできる。
【0054】
このDラッチ論理回路90は、まず電圧V4acがLow→High→Lowに変化する過程において、トランスミッションゲート91,92が一時的に導通し、このときノード97,98に入力している信号がノード99,100に転送される。また、電圧V4acがHigh→Lowになると、トランスミッションゲート91,92が遮断してトランスミッションゲート93,94が導通し、記憶モードに入る。この記憶モードに入ったときは、最初はV3ac=0であるので、ノード102又は103は、たとえそのときの出力信号がHighの状態になるべきときであっても、電圧Vth(インバータ95,96を構成するpチャネル型MOSFETのしきい値電圧)にまで低下している。Lowの状態になるときであれば、0Vのままである。
【0055】
次に、電圧V3acが0Vから電源電圧VDDに向けて立ち上がると、前記しきい値Vthであったノード102又は103の電位は、ゆっくりと電源電圧VDDに立ち上がる。この後に電圧V3acがVDDから0Vになると、電源電圧VDDになっていたノード102又は103の電位は、しきい値電圧Vthに低下する。
このような一連の過程により、しきい値電圧Vthから電源電圧VDDに上昇する過程でほぼ断熱的に充電が行われる。さらに電圧V3acには電力再利用型電源を使用すると、電源電圧VDDからしきい値Vthに下降する過程では断熱的に電荷をV3acの電源側にリサイクルする。このような断熱充電と電荷リサイクルは、電圧V4ac、*V4acで駆動されるトランスミッションゲートの部分においても同様に実施される。
【0056】
以上から、クロック信号で駆動する部分(トランスミッションゲート91〜94)においては、その充放電エネルギーが従来回路(図70)では前述したように、CTGVDD2 であったものが、本発明の回路では、CTGVDD2 ・2τ/Tのように、2τ/T倍になる。ここでτは電圧V4acで充電する際の回路のCR時定数、Tは電圧V4acの立ち上がり時間(立ち下がり時間)である。したがって、τ<<Tとすることで、十分にゆっくりと充放電してやれば、図49(a)に示すように、そのエネルギーを十分小さくすることができ、消費電力を低減できる。
一方、記憶回路に関する部分では、本発明の回路では、情報をVDDではなくVthで記憶するために、帯電エネルギーは、従来回路の1/2・CMEVDD2 から1/2・CMEVth2 に低減できる。よって、この部分の充放電に必要なエネルギーが従来回路では前述したように、CMEVDD2 であったものが、CMEVth2 +CMEVDD2 ・2τ/Tとなる(図49(b))。なお、Tやτはクロック信号部分を駆動する場合と同じとした。
このように、本発明のDラッチ論理回路90は、トランスミッションゲートの部分および記憶回路の部分ともに、低消費電力化が可能となることがわかる。
【0057】
[第21の実施の形態]
図50は本発明の第21の実施の形態のDラッチ論理回路を示す図であって、図48(a)に示したDラッチ論理回路90の入力側のノード97,98に、各々電力再利用型のBDD論理回路110,120の出力を接続したものである。
このBDD論理回路110,120はnチャネル型MOSFET8とpチャネル型MOSFET24の組み合わせで構成される。そして、それらMOSFETのゲートに印加する信号A,B,Cは、図51(a)〜(c)に示すように、電圧V3acを電源電圧とするインバータ131〜133により、矩形波の入力信号*a,*b,*cを波形変換した(反転すると共に立ち上がりと立ち下がり傾斜を電圧V3acの立ち上がりと立ち下がりに対応させた)ものである。
【0058】
また、ここでは、図50のBDD論理回路110,120の出力をDラッチ論理回路90のノード97,98に対して伝達する経路に、pチャネル型MOSFET24を接続し、そのゲートに図52(b)に示すような波形の電圧V5acの反転電圧*V5acを印加している。この電圧V5acも、前述した電力再利用型電源又は電力非再利用型電源により生成される電圧であって、図52(a)の電圧V3acよりも遅く立ち上がり速く立ち下がる波形をもつ電圧であり、BDD論理回路110の一方の終点、BDD論理回路120の他方の終点にも印加されている。
【0059】
次に図50のBDD論理回路の動作を説明する。
まず入力信号A,B,Cは電圧V3acに同期してHigh,Lowに変化しながらBDD論理回路110,120に入力される。次に、電圧V5acが立ち上がることによって、そのBDD論理回路110,120に電源電圧が印加される。そこで、論理処理(BDD回路110では、信号A,B,Cの排他的論理和(XOR)の処理、BDD論理回路120では信号A,B,Cの反転排他的論理和(XNOR)の処理)が行われて、この論理処理の結果(Low又はHighの信号)が電圧V5acの立ち上がりに同期してノード97,98に伝えられ、その後に電圧V5acが立ち下がる。この時点でノード97,98にその信号が蓄えられる。また、電圧V5acの立ち下がりの後に電圧V3acも立ち下がり、BDD論理回路110,120の入力信号A,B,Cが立ち下がる。
【0060】
次に、電圧V4acが立ち上がるとトランスミッションゲート91,92が導通して、ノード97,98の信号がノード99,100に転送される。これ以後は、図48(a)の回路について説明した動作と同様の動作がDラッチ論理回路90において行われ、ノード97,98に入力した信号を反転した信号が電圧V3acに同期してノード102,103に出力される。このノード102,103に出力した信号Q又はその反転信号*Qは、次段の同様な構成のDラッチ論理回路の入力信号としたり、あるいはBDD論理回路110,120の入力信号A,B,Cのいずれか1つとすることができる。
図52(d)〜(h)はDラッチ論理回路90の出力をBDD論理回路110,120に入力するようにしたときの説明図である。
以上のように、この第21の実施の形態の論理回路では、BDD論理回路110,120において断熱充電と電荷リサイクルにより論理処理を行い、その処理結果をDラッチ論理回路90に入力して同様に断熱充電と電荷リサイクルにより論理処理を行い、次段の別の回路又はBDD論理回路110,120の入力側に送り出すことができるので、低消費電力を実現できる。
【0061】
[第22の実施の形態]
図53(a)は本発明の第22の実施の形態のDラッチ論理回路を示す図であって、図48(a)に示したDラッチ論理回路90の出力側のノード102,103に、インバータ104,105の対からなるインバータ回路130を接続したものである。なお、図中、106,107は出力ノードである。
ここでは、インバータ104,105の電源電圧V6acを、図53(c)に示すように、立ち上がり、立ち下がりが緩やかで、かつ図53(b)の電圧V3acの立ち上がりよりも遅く立ち上がり速く立ち下がる波形の電圧としている。この電源V6acも、前述した電力再利用型電源又は電力非再利用型電源によって生成される電圧である。
【0062】
インバータ回路130がないとき、Dラッチ論理回路90の出力ノード102,103に容量の非常に大きな負荷が接続された場合には、そのノード102又は103がトランスミッションゲート93,94を伝達してくる信号によりHighになるべきとき(このときはV3ac=0Vであるので、前記したようにしきい値Vthになる)であっても、瞬間的に0Vになり、これが負荷側に伝達されて、データ保持に誤りが生じる可能性がある。
この点について、この実施の形態のように、そのノード102,103にインバータ回路130を接続し、そのインバータ回路130のノード106,107に大容量の負荷を接続することにより、ノード106,107はもはやトランスミッションゲート93,94で伝達される信号を直接的には受けなくなるので、正しくデータを保持することができる。
【0063】
[第23の実施の形態]
図54は本発明の第23の実施の形態のDラッチ論理回路を示す図であって、図53(a)に示したDラッチ論理回路90の入力側のノード97,98に、図50に示したBDD論理回路110,120を接続したものである。
この実施の形態では、電圧V3ac,V4ac,V5ac,V6acとして、図55(a)〜(d)に示すようなタイミングと波形の電圧を使用する。とりわけ、電圧V5acは電圧V6acよりも遅く立ち上がり速く立ち下がる波形とし、また電圧V6acは電圧V3acよりも遅く立ち上がり速く立ち下がる波形とする。
この結果、BDD論理回路110,120の各MOSFETに入力した信号A,B,Cの処理内容(XOR,XNOR)が、電圧V5acに同期してノード97,98に出力され、次に電圧V4acに同期してノード99,100に転送され、続いて電圧V3acに同期してノード102,103に転送され、さらに電圧V6acに同期してノード106,107に転送される。このノード106,107に得られる信号は、BDD論理回路110,120の入力信号とすることができる。
【0064】
[第24の実施の形態]
図56(a)は本発明の第24の実施の形態のDラッチ論理回路90Aを示す図であって、図48(a)に示したDラッチ論理回路90のトランスミッションゲート91,92をnチャネル型MOSFET8に代えたものである。この場合、MOSFET8のゲートには、非反転の電圧V4acを印加する。なお、図56(b)のDラッチ論理回路90Bに示すように、同トランスミッションゲート91,92をpチャネル型MOSFET24に代えることもできる。このときは、MOSFET24のゲートには、電圧V4acを反転した電圧*V4acを印加する。
これらのように単一のMOSFETを転送ゲートに使用することにより、トランジスタ数を削減することができる。
【0065】
[第25の実施の形態]
図57(a)〜(c)は第25の実施の形態の論理回路を示す図である。ここでは、図57(c)に示す2ビット加算器140において、2ビットのデータA1,A0とB1,B0と1ビットのキャリーC0から、その和S1とその反転信号*S1を出力させる回路部分を、図57(b)に示すようにPMOSラッチ論理回路140AとBDD論理回路140Bから構成したものである。
まず、PMOSラッチ論理回路140Aには、トランスミッションゲートやインバータを使用せず、2個のpチャネル型MOSFET24を使用し、ソースに電圧V3acを接続している。また、BDD論理回路140Bは、図57(a)に示すBDDグラフを複数個のnチャネル型MOSFET8により実現したものであり、ノード141,142に現れるこのBDD論理回路140Bの出力信号S1とその反転信号*S1がPMOSラッチ論理回路140Aで保持され、次段(図示せず)に転送される。このBDD論理回路140Bの始点は接地されている。
【0066】
この実施の形態では、入力信号A1,A0,B1,B0,C0が入力した後に電源の電圧V3acが立ち上がり、これによって論理処理が行われ、その後に電圧V3acが立ち下がり、その後に入力信号A1,A0,B1,B0,C0が立ち下がる。PMOSラッチ論理回路140Aの出力ノード141,142は、電圧V3ac=0のときはそのHigh側がpチャネル型MOSFETのしきい値電圧Vthに低下しており、電圧V3acが電源電圧VDDに上昇するとき断熱充電され、その後電圧V3acが0Vに低下する際に電荷リサイクルが行われるので、消費電力を低減することができる。
【0067】
すなわち、PMOSラッチ論理回路とBDD論理回路を組み合わせることにより、出力信号S1とその反転信号*S1を、HighはV3acのピーク値に、Lowは0Vに正しく信号の電圧値をもっていくことができる。また、BDD論理回路を用いると、トランジスタ数を少なくして効率的に回路を組み込むことが可能となり、またコンピュータを用いた設計により、大規模なBDD論理回路であってもその設計・構成を容易に行い得るという利点がある。
また、上述したゲート入力と電源電圧の制御方法の他に、4相クロック方式による制御が可能なことは言うまでもない(文献3:Y.Moon and D.K.Jeong“An Efficient Chage Recovery Logic Circuit” IEEE Jornal of Solid−state circuits p.514)
【0068】
[第26の実施の形態]
図58(a)〜(c)は第26の実施の形態の論理回路を示す図である。ここでは、図58(c)に示す2ビット加算器140(図57(c)の回路と同じ)において、2ビットのデータA1,A0とB1,B0と1ビットのキャリーC0から、キャリーC2とその反転信号を出力させる回路部分を、図58(b)に示すようにPMOSラッチ論理回路140CとBDD論理回路140Dから構成したものである。
【0069】
PMOSラッチ論理回路140Cは、前記のPMOSラッチ論理回路140Aと同様に、2個のpチャネル型MOSFET24を使用し、ソースに電圧V3acを接続している。また、BDD論理回路140Dは、図58(a)に示すBDDグラフを複数個のnチャネル型MOSFET8で実現したものであり、ノード143,144に現れるこのBDD論理回路140Dの出力信号C2とその反転信号*C2が、PMOSラッチ論理回路140Cでラッチされ、次段(図示せず)に転送される。
この実施の形態の動作は、図57(b)に示した回路とほぼ同じであり、出力ノード143,144は、電圧V3ac=0のときはそのHigh側がpチャネル型MOSFETのしきい値Vthに低下しており、電圧V3acがVDDに上昇するとき断熱充電され、その後電圧V3acが0Vに低下する際に電荷リサイクルされるので、消費電力を低減することができる。
【0070】
[第27の実施の形態]
図59は第27の実施の形態の論理回路を示す図であり、この論理回路を、NMOS型BDD論理回路140B(または140D)と、インバータ140G1,140G2からなるフリップフロップ回路とにより構成したものである。
インバータ140G1,140G2からなるフリップフロップ回路140GとNMOS型BDD論理回路140B(または140D)との接続例を図60(a),(b)に示す。
【0071】
[第28の実施の形態]
図61(a)は第28の実施の形態の論理回路を示す図であり、図57(b)に示した論理回路を変形したものである。ここでは、NMOSラッチ論理回路を140A’に示すように、nチャネル型MOSFET8で構成してそのソースを接地し、BDD論理回路を140B’に示すように、すべてpチャネル型MOSFET24で構成してその始点に電圧V3acを接続したものである。
ここにおいては、BDD論理回路140B’の論理処理結果が、電圧V3acが立ち上がることによってノード141,142に現れ、NMOSラッチ論理回路140A’でラッチされる。すなわち、ここでも断熱充電と電荷リサイクルが行われる。
【0072】
[第29の実施の形態]
図61(b)は第29の実施の形態の論理回路を示す図であり、図58(b)に示した回路を変形したものである。ここでは、NMOSラッチ論理回路を140C’に示すように、nチャネル型MOSFET8で構成してそのソースを接地し、BDD論理回路を140D’に示すように、すべてpチャネル型MOSFET24で構成してその始点を電圧V3ac接続している。
ここでも、BDD論理回路140D’の論理処理結果が、電圧V3acが立ち上がることによりノード143,144に現れ、断熱充電と電荷リサイクルが行われる。
【0073】
[第30の実施の形態]
図62(a)は第30の実施の形態の論理回路を示す図であり、図57(b)に示した回路を変形したものである。ここでは、PMOSラッチ論理回路140Aのpチャネル型MOSFET24のソースに電圧V3acを接続すると共に、BDD論理回路140Bの始点にも同じ電圧V3acを接続している。
ここでは、ノード141,142の内のLowの信号が現れる側がフローティングになるが、ハイインピーダンスではなく、接地電位に近い電位をもつ。これはシミュレーションで確認できた。High信号が現れる側では、断熱充電と電荷リサイクルが行われる。
【0074】
[第31の実施の形態]
図62(b)は第31の実施の形態の論理回路を示す図であり、図58(b)に示した回路を変形したものである。ここでは、PMOSラッチ論理回路140Cのpチャネル型MOSFET24のソースに電圧V3acを接続すると共に、BDD論理回路140Dの始点にも同じ電源V3acを接続している。
ここでも、ノード143,144の内のLowの信号が現れる側がフローティングになるが、ハイインピーダンスではなく、接地電位に近い電位をもつ。High信号が現れる側は、断熱充電と電荷リサイクルが行われる。
【0075】
[第32の実施の形態]
図63(a),(b)は、第32の実施の形態の論理回路を示す図でありPMOSラッチ論理回路140C及びNMOSラッチ論理回路140A’にそれぞれ接続されるBDD論理回路140E,140Fの各MOSFETをNチャネルMOSFET及びPチャネルMOSFETの混在型としたものである。これにより、各入力ゲートに接続されるインバータを省略できる。
なお、以上の第20〜第32の実施の形態の論理回路の素子には、図27で説明したような断熱充電に極めて適したTFTを使用することができる。
【0076】
[第33の実施の形態]
ところで、従来のCMOS論理回路では、配線はエレクトロマイグレーションによる断線をさけるために、電流密度をある上限値J0 以下に設定している。一般にエレクトロマイグレーションによる配線の寿命τは、
τ=KST/{J2 Dexp(−ΔE/kT)} (1)
で表すことができる(文献4:CMOS超LSIの設計、第87頁、菅野卓雄監修、飯塚哲哉編、培風館発行)。ここで、Kは比例定数、Sは配線断面積、Tは絶対温度、Jは電流密度、Dはアルミニウム原子の拡散係数、kはボルツマン定数である。
【0077】
このように、配線幅が短くなり電流密度Jが高くなると、断線するまでの時間τが短くなることがわかる。よって、CMOS論理回路の場合には配線断面積には下限値があることがわかる。換言すれば、電流密度には上限値がある。
たとえば、実際のCMOS論理LSIでは、電源電圧を2Vとしたとき、信号線において8mA程度の電流が流れ、その電流密度は2.7×106 A/cm2 程度である。このときの信号線の断面積は(0.55μm)2 =0.30μm2 程度である(図64(b)及び図71参照)。
【0078】
一方、前記断熱充電論理を利用したBDD論理回路やDラッチ論理回路等では、断熱的に充電、放電を行っているために、金属配線やトランジスタを流れる電流密度が非常に小さくなる。従って、配線におけるエレクトロマイグレーション効果も小さくなる。よって、従来と比較し、その配線断面積を上記した(0.55μm)2 =0.30μm2 よりも小さくすることが可能となる。
そこで、この第33の実施の形態では、断熱充電論理を行う論理回路において、エレクトロマイグレーションによる寿命を従来のCMOS論理回路における場合の寿命と同程度にしたままで、その配線断面積を小さくし、消費電力の低減化を更に増進するようにした。
【0079】
上記の式(1)は、電流IがI=SJであるので、
τ=KTS3 /{I2 Dexp(−△E/kT)} (2)
のように書き換えることができる。これにより、エレクトロマイグレーションによる配線の寿命は、S3 /I2 に比例することがわかる。
CMOS論理回路の場合の配線の平均寿命、配線断面積、配線を流れる電流をτ0 、S0 、I0 とすると、それらの関係は、
τ0 =aS0 3 /I0 2 (3)
のようになる。ここでaは比例定数である。
【0080】
一方、断熱充電を行う論理回路の場合の配線の平均寿命、配線断面積、配線を流れる電流をτ、S、Iとすると、それらの関係は、
τ=aS3 /I2 (4)
のようになる。
したがって、
τ/τ0 =(S/S0 )3(I0 /I)2 (5)
が成立し、両者の平均寿命が等しいとした場合、つまりτ0=τとおくと、
S=S0 (I/I0 )2/3 (6)
の関係式が成立する。
【0081】
断熱充電の場合、ゆっくりと動作させるため、CMOS論理に比べて、電流値をたとえば1/1000倍まで低減することが可能であり、よって電流が1/1000倍になったとき、断面積を1/100倍にまで縮小しても、その配線寿命は全く同じである。
以上のことから、たとえば、図64(a)に示すように、配線幅が0.15μm、厚みが0.02μm(断面積:0.0030μm2 )という超薄膜配線を用いることが可能となる。厚み0.2μm(断面積=0.030μm2 )であっても通常の配線断面積(0.30μm2 )の1/10であり十分効果的である。
以上により、配線容量も1/10〜1/100倍に低減させることができ、図64(c)に示すように、充電の際の消費電力を1/10〜1/100倍に低減させることが可能となる。
また、この発展形態として、配線のみならず、トランジスタにおいても、大きな電流駆動能力を必要としないことからトランジスタ幅(チャネル幅)を従来の10μm程度から1/100倍の0.1μm程度に低減することが可能である。これにより、トランジスタの容量も低減可能である。
【0082】
[第34の実施の形態]
次に電気信号の伝達が断熱充電論理の場合、緩やかで良くかつ遅くても良いという観点から配線断面積の低減が可能であることについて説明する。
まず、配線の断面積Aを低減する場合、1/k倍に低減したとする。このとき抵抗値Rはk倍となる。また、配線のキャパシタンスは通常、次段のゲートの負荷のキャパシタンスに比べて十分小さい。したがってキャパシタンスCは一定と考えて良い。以上から、
近似的に
A×CR=constant(一定) (7)
となる。
【0083】
ここでCMOS論理回路の配線の断面積をS0 、断熱充電論理回路の配線の断面積をSとすると、
S0(CR)CMOS=S(CR)adiabatic (8)
が成立する。
断熱充電の際には電気信号の伝達は遅くて良い。よって、10×(CR)CMOS≦(CR)adiabaticとすることができる。したがって以下の式が成立する。
S=S0(CR)CMOS/(CR)adiabatic≦1/10×S0 (9)
また、断熱充電回路の電源の上昇までに要する時間Tは、断熱充電回路のCR時定数より大きくする必要があるから、
(CR)adiabatic。≦T (10)
が成立する。よって次式が成立する。
S0(CR)CMOS=S(CR)adiabatic≦ST (11)
【0084】
ここで(CR)CMOS=τとおくと、
τ/T×S0 ≦S (12)
が得られる。式(9)と(12)より、
τ/T×S0 ≦S≦1/10×S0 (13)
が得られる。
【0085】
即ち、図71に示すCMOS論理回路の配線400の信号配線幅W0 550nm(0.55μm)、及び信号配線厚みH0 550nm(0.55μm)の配線の断面積を低減するときに、τ/Tを1/100とした場合、断面積Sは、0.003μm2 ≦S≦0.03μm2 の範囲内になる。
以上のことから図64(a)に示したような超薄膜配線を用いることが可能になる。
【0086】
[第35の実施の形態]
図65は本発明の第35の実施の形態を示す説明図である。図71に示すCMOS論理回路の信号配線の断面積は上述したように1/10〜1/100に低減可能であるが、こうした論理回路の電源線及び接地線についても、同様に低減が可能である。
即ち、図65(a)に示す例えば幅30μm、厚さ3μmを有する論理回路の電源線または接地線410の断面積をS0 とした場合、断熱充電論理により図65(b)に示すように1/10の断面積(1/10×S0 )にすることができ、さらに図65(c)に示すように1/100の断面積(1/100×S0 )にすることもできる。
すなわち、論理回路の電源線及び接地線についても、断熱充電論理により信号線と同様に断面積が1/10〜1/100に低減可能になる。
【0087】
なお、第33〜第35の各実施の形態において、断熱充電をより緩やかに行うことにより、信号線,電源線及び接地線の各断面積を1/1000倍まで低減できることは勿論である。
このように、断熱充電論理において配線断面積を低減し、少数の電子輸送により、効率的に論理処理を実現でき、これにより、一回当たりの論理処理のエネルギーを従来のCMOS論理回路と比べて大きく低減することが可能になる。
【0088】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、数百段、数千段のゲート数を持つBDD論理回路やDラッチ論理回路等において、断熱充電や電荷リサイクルが極めて容易に実現可能となり、従来のCMOS論理回路、Dラッチ論理回路と比較し、低消費電力化や回路規模の縮小化が可能となる。
また、本発明は断熱的に充電、放電を行っているために、金属配線やトランジスタを流れる電流密度が非常に小さくなるので、配線におけるエレクトロマイグレーション効果も小さく、配線の断面積をCMOS論理回路の配線の断面積と比較して大幅に低減でき、配線容量を大きく低減できるという特徴を有する。
このように本発明は、少数の電子の輸送により、効率的に論理処理を実現でき、これにより、1回当たりの論理処理のエネルギーを従来のCMOS論理回路と比べて大きく低減することを可能とするものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1の実施の形態のBDD論理回路の回路図である。
【図2】 図1のBDD論理回路の電力再利用型電源として交流電源回路を使用した例を示す図である。
【図3】 図1のBDD論理回路の電力再利用型電源として階段状の電圧を発生する電源回路を使用した例を示す図である。
【図4】 電力再利用型電源としての別の電圧波形等を示す図である。
【図5】 複数個のBDD論理回路の電源回路に個々の電力再利用型電源を使用した例を示す図である。
【図6】 複数個のBDD論理回路を2つのグループに分け各々のグルーブに共通の電力再利用型電源を使用した例を示す図である。
【図7】 第2の実施の形態のBDD論理回路の回路図である。
【図8】 図7のBDD論理回路の電力再利用型電源として階段状の電圧を発生する電源回路を使用した例を示す図である。
【図9】 図8の電源回路の動作の波形図である。
【図10】 図8の電源回路の各々のタイミング信号を発生するための回路図である。
【図11】 図8の電源回路のシミュレーション結果を示す波形図である。
【図12】 図8のBDD論理回路のシミュレーション結果を示す波形図である。
【図13】 第3の実施の形態のBDD論理回路の回路図である。
【図14】 第4の実施の形態のBDD論理回路の回路図である。
【図15】 図14のより具体的な回路図である。
【図16】 図15のBDD論理回路のシミュレーション結果を示す波形図である。
【図17】 第5の実施の形態のBDD論理回路の回路図である。
【図18】 第5の実施の形態のBDD論理回路の回路図である。
【図19】 第6の実施の形態のBDD論理回路の回路図である。
【図20】 図18のBDD論理回路のシミュレーション結果を示す波形図である。
【図21】 第7の実施の形態のBDD論理回路の回路図である。
【図22】 第7の実施の形態のBDD論理回路の回路図である。
【図23】 交流電源の別の波形の説明図である。
【図24】 第8の実施の形態のBDD論理回路の回路図である。
【図25】 具体的な電力非再利用型電源を接続したBDD論理回路の回路図である。
【図26】 第9の実施の形態のICカードの説明図である。
【図27】 第10の実施の形態のBDD論理回路の一部の断面図である。
【図28】 第11の実施の形態のBDD論理回路に適用されるBDDグラフの共有化の例を示す説明図である。
【図29】 第11の実施の形態のBDD論理回路の回路図である。
【図30】 第12の実施の形態のBDD論理回路の回路図である。
【図31】 図30のBDD論理回路を2ビット加算器の和の演算用に適用した例のBDDグラフとBDD論理回路を示す図である。
【図32】 図30のBDD論理回路を2ピット加算器のキャリーの演算用に適用した例のBDDグラフとBDD論理回路を示す図である。
【図33】 図30のBDD論理回路の電力再利用型電源としてインダクタを用いた電源回路を使用した例を示す図である。
【図34】 図30のBDD論理回路の電力再利用型電源として階段状の電圧を発生する電源回路を使用した例を示す図である。
【図35】 複数個のBDD論理回路の電源回路に個々の電力再利用型電源を使用した例を示す図である。
【図36】 複数個のBDD論理回路を2つのグループに分け各々のグループに共通の電力再利用型電源を使用した例を示す図である。
【図37】 第13の実施の形態のBDD論理回路の回路図である。
【図38】 第14の実施の形態のBDD論理回路の回路図である。
【図39】 第15の実施の形態のBDD論理回路の回路図である。
【図40】 図39の回路を具体化した回路を示す図である。
【図41】 第16の実施の形態のBDD論理回路の回路図である。
【図42】 第16の実施の形態のBDD論理回路の回路図である。
【図43】 第17の実施の形態のBDD論理回路の回路図である。
【図44】 第18の実施の形態のBDD論理回路の回路図である。
【図45】 第18の実施の形態のBDD論理回路の回路図である。
【図46】 第19の実施の形態のBDD論理回路の説明図である。
【図47】 図46のBDD論理回路の電力非再利用型電源回路を示す図である。
【図48】 第20の実施の形態のDラッチ論理回路と電源電圧波形の説明図である。
【図49】 クロック部分と記憶回路部分の充放電エネルギーの比較説明図である。
【図50】 第21の実施の形態のDラッチ論理回路の回路図である。
【図51】 図50の回路における信号A,B,Cを生成するための回路図である。
【図52】 図50の回路の電圧波形図である。
【図53】 第22の実施の形態のDラッチ論理回路と電源電圧波形の説明図である。
【図54】 第23の実施の形態のDラッチ論理回路の回路図である。
【図55】 図54の回路の電圧波形図である。
【図56】 第24の実施の形態のDラッチ論理回路の回路図である。
【図57】 第25の実施の形態のPMOSラッチ論理回路の回路図である。
【図58】 第26の実施の形態のPMOSラッチ論理回路の回路図である。
【図59】 第27の実施の形態を示す論理回路のブロック図である。
【図60】 第27の実施の形態を示す論理回路の回路図である。
【図61】 第28、第29の実施の形態のNMOSラッチ論理回路の回路図である。
【図62】 第30、第31の実施の形態のPMOSラッチ論理回路の回路図である。
【図63】 第32の実施の形態の回路図である。
【図64】 第33の実施の形態の説明図である。
【図65】 第35の実施の形態の説明図である。
【図66】 BDD論理回路及びDラッチ論理回路に対する電源供給制御の状況を示すブロック図である。
【図67】 従来のリトラクタイル論理回路と動作波形の説明図である。
【図68】 リトラクタイル論理回路を具体化するときの説明図である。
【図69】 従来のBDD論理回路の回路図である。
【図70】 従来のDラッチ論理回路の回路図である。
【図71】 従来のCMOS論理回路の配線断面積の状況を示す図である。
【符号の説明】
1,2…始点、3,4…終点、5…節点、6,7…ブランチ、8,28…nチャネル型MOSFET,9…配線、10,10A,10B,101〜10n…電力再利用型電源、10’…電力非再利用型電源、11,62…インダクタ、12〜15,37,66…コンデンサ、16〜23…nチャネル型MOSFET、24…pチャネル型MOSFET、,25〜27,35,55〜57,95,96,104,105,131〜133…インバータ、30A,30B,63,110,120,301〜30n,140B,140B’140D,140D’…BDD論理回路、36…抵抗、41〜43…Tフリップフロップ回路、44〜54…NAND回路、60…ICカード、61…リーダライタ、64…電源整流回路、65…CMOS論理回路、71…サブストレート、72…絶縁膜、73…メタル又はポリシリコン(配線又はゲート)、74…ゲート絶縁膜、75…n型領域(ソース又はドレイン)、76…p領域(チャネル)、77…p型領域(ソース又はドレイン)、78…n型領域(チャネル)、79…グローバルスルホール、81,82…トランスミッションゲート、90,90A,90B…Dラッチ論理回路、91〜94…トランスミッションゲート、130…インバータ回路、140…2ビット加算器、140A,140C…PMOSラッチ論理回路、140A’,140C’…NMOSラッチ論理回路、400,410…CMOS論理回路配線、450…タイミング制御部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a logic circuit that performs adiabatic charging logic by using a power supply voltage having a gradually rising and falling waveform, thereby significantly reducing power consumption and circuit scale.
[0002]
[Prior art]
The adiabatic charging logic has been attracting attention as a method that can perform logic processing with low power consumption. A characteristic of this adiabatic charging logic is that the power supply voltage changes gently and periodically (rises gently and falls slowly).
However, when the power supply voltage rises sufficiently slowly from the Low (low voltage level) to the High (high voltage level) than the RC time constant of the inverter that is the logic circuit, the work of the power supply voltage at this time is 1/2.・ CV2 It is known that the energy stored in the load capacity matches the energy. Also, when transitioning from High to Low, the energy stored in the load capacity is not released to the ground (GND), but returns to the power supply circuit (charge recycling), and ideally consumes little energy. It is known to perform logic processing of Low → High → Low (Reference 1: David J. Frank and Paul Solomon, Low-power LSI technology white paper,
[0003]
As an example of a power supply circuit for realizing this, there is an AC circuit using an inductor and a capacitor. Adiabatic charging and charge recycling are possible if an AC voltage is generated by using an inductor and a capacitor to generate an AC voltage and this is used as a power reusable power source.
In addition, a circuit that uses N−1 capacitors to form N stepped voltages (voltages that rise and change in N steps and fall in the same way in N steps). Known (Reference 1). This also enables adiabatic charging and charge recycling.
[0004]
However, when adiabatic charging and charge recycling are performed using a normal CMOS circuit using a power reusable power supply, the rise and fall timings of the output voltage of the power reusable power supply are well controlled for one logic gate. Even if they are combined, it is necessary to newly adjust the timing for the logic gate of the next stage.
Here, as an example where it is difficult to synchronize the timing, a transmission gate type retractile logic circuit which is different from the above-described CMOS circuit but is known to be more likely to realize adiabatic charging and charge recycling will be described. .
[0005]
FIG. 67A is a diagram showing the retractile logic circuit, in which 501 to 504 are logic gates, and 505 and 506 are capacitors. Here, the input signals A and B are inputted, the AND logic (= A · B) is processed, and the OR logic (= A · B + C) of this result and the input signal C is obtained. As a logic gate of this retractile logic circuit, it has been proposed to use a two-wire logic by a
In this retractile logic circuit, as shown in the time charts of FIGS. 67B to 67F, the waveforms of the power supply voltages V1 and V2 are controlled according to the number of gates. That is, the power supply voltage V1 is controlled to rise gently (at a constant slope) after the input signals A and B rise, and the power supply voltage V1 is controlled to fall gently before the input signals A and B fall. There is a need. The same applies to the relationship between the input signal C and the power supply voltage V2.
[0006]
FIGS. 69A and 69B are diagrams showing an example of a conventional BDD logic circuit. A BDD graph (binary decision diagram) used in this logic circuit is a graph having
[0007]
The BDD logic circuit uses the BDD graph of FIG. 69A to provide logic elements such as an n-
[0008]
Next, FIG. 70 shows a structure of a conventional D latch logic circuit. This logic circuit is composed of two
[0009]
In this D latch logic circuit, when the clock signal CK is High, the signals input to the
[0010]
In addition, the
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described retractile logic circuit, hundreds or thousands of power supply voltage waveforms must be controlled for a circuit having hundreds or thousands of gates. Therefore, when adiabatic charging and charge recycling are performed using a power reusable power source, there is a problem that power is consumed instead.
In the D latch type logic circuit, it is necessary to charge / discharge the gate of the MOSFET constituting the transmission gate and charge / discharge the clock signal line in the transmission gate portion.TGVDD2 There was a problem that only excess energy was consumed. Where VDD is the power supply voltage and CTGIs the sum of the gate capacity of the transmission gate and the capacity of the clock signal line. Also in the memory circuit, CMEVDD2 There was also a problem that extra energy was consumed. CMEIs the capacity of the memory circuit.
Further, the conventional CMOS logic circuit has a problem that it is difficult to reduce the circuit scale because the wiring cross-sectional area is increased. In addition, there is a problem that the self-capacitance of the wiring and the mutual capacitance between the wirings cannot be reduced.
[0012]
The present invention has been made in view of the above points, and the object of the present invention is to efficiently realize adiabatic charging logic and to reduce the wiring cross-sectional area, thereby reducing the power consumption of the circuit. Another object of the present invention is to provide a logic circuit that can reduce the circuit scale.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve such a problem, the present invention provides a logic circuit composed of a plurality of logic elements and performs logic processing by supplying power to the logic circuit after an input signal is given to the gate of each logic element. And a power supply unit for stopping the supply of power before the logic processing is completed and a new input signal is applied to the gate of the logic element.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention will be described below with reference to the drawings.
[First Embodiment]
The content of the first embodiment is that a power reusable power supply is used instead of the constant power supply voltage VDD of the BDD logic circuit shown in FIG. After the logic of the 1000-stage gate is performed by one adiabatic charge, the electric charge stored in the BDD logic circuit is returned to the power supply circuit again.
Here, the BDD graph will be described again with reference to FIG. The BDD graph is a graph having
[0015]
The BDD logic circuit according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1 associates each branch of such a BDD graph with a logic element that satisfies the above conditions, for example, an n-
The timing of power supply to the BDD logic circuit of the power
[0016]
FIG. 2 shows an example of an AC
In FIG. 3,
[0017]
Next, the operation of the
From the above, even when the number of gates is increased to several hundreds or thousands, the common power
FIG. 4 (f) is an explanatory diagram showing a comparison of power consumption in the power supply unit between the BDD logic circuit of the present invention and the conventional retractor logic circuit. As is clear from this explanatory diagram, in the conventional retractile logic circuit, the power consumption increases as the number of gates of the logic circuit increases, whereas in the BDD logic circuit of the present invention, the power consumption is always a constant low power. Is maintained.
[0018]
FIG. 5 shows an example when there are a plurality of BDD logic circuits. Here, it is assumed that there are n (n ≧ 4) BDD logic circuits as indicated by
[0019]
In particular, for BDD logic circuits that require only the same frequency and the same phase power supply, a common power reusable power supply is used by connecting the power supply lines, and the number of power supply circuits is reduced to achieve low power consumption. It becomes possible to do.
FIG. 6 is a diagram showing an example using a common power reusable power source. Here, the circuit configuration is such that the first to i-th power sources are common power-
[0020]
[Second Embodiment]
FIG. 7 is a diagram illustrating a BDD logic circuit according to the second embodiment.
7, in the BDD logic circuit shown in FIG. 1, among the n-
[0021]
Hereinafter, an operation example of the mixed BDD logic circuit including the n-
This power
[0022]
9A to 9H show detailed time charts of the operation of the power
[0023]
The input signals (pulses) CL, T1, T2, T3, and T4 are, for example, three T-type flip-
[0024]
In the simulation, the
[0025]
FIG. 11 is a waveform diagram of the signals Pre, CK, CL, T1 to T4, and Vout of the power
FIG. 12 is a waveform diagram of the voltages of the input signals A, B, C, the power supply voltage Vout, and the output signals XOR, XNOR. As described above, switching of the input voltage is set to be performed when the power supply voltage Vout is at the low level. When the input signals A, B, and C are all “1”, XOR is “1” and XNOR is “0”. Further, when A = B = “1” and C = “0”, XOR is “0” and XNOR is “1”, which indicates that the logical processing is being performed well. The pulse width (bit width) of the signal C is 2 μs, and the frequency of the output voltage is 500 kHz.
[0026]
The result of power consumption is 4.76 × 10 4 at a frequency of 500 KHz.-FourW. On the other hand, the power consumption per logical process of one normal CMOS XOR circuit is 1.06 × 10 6.-6W, and the power consumption per logical process of 1000 XORs is 1.06 × 10-3W. When the circuit of the present invention is used, it can be seen that the power consumption is about ½ compared with a normal CMOS logic circuit. From the above discussion, it can be confirmed that the BDD logic circuit using the power reusable power source of the present invention has low power consumption.
[0027]
[Third Embodiment]
FIG. 13 shows a BDD logic circuit according to the third embodiment using a power reusable power source. Here, the n-
[0028]
[Fourth Embodiment]
FIG. 14 shows a BDD logic circuit according to a fourth embodiment that uses a power reusable power source. An AC power source is used as the power reusable power source, and a logic is used to recycle charges stored in the input gate. AC voltages Aac, Bac, and Cac having the same frequency and phase as the AC power supply voltage V1ac are applied to the input gate of the element.
FIG. 15A to FIG. 15D show a specific circuit combining the circuit of FIG. 14 and the
[0029]
FIG. 16 shows the result of simulation with the operating speed set to 500 KHz. FIG. 16 shows waveform diagrams of the AC voltage V1ac, the input signals * A, A, * B, B, * C, C, and the output signals XOR, XNOR.
In the input signal A, an alternating voltage having 2V as a peak (peak) corresponds to a high level (“1”), and 0V corresponds to a low level (“0”). It can be seen that A, B, and C are 111100001, 11101001, and 1010101101 from 7 μs to 25 μs, respectively. It can also be seen that when A = B = C = “1”, XOR is “1”, A = B = “1”, and when C = “0”, XOR is “0”. About power consumption, it is 2.71 × 10 in the BDD logic circuit.-7W. It can be seen that the power consumption of the AC BDD logic circuit shown here is reduced to about ¼ compared to CMOS.
Here, a sine wave is used as the AC voltage, but it is not necessarily a sine wave. For example, the voltage Vlac is generated from the triangular wave, trapezoidal wave, or sine wave shown in FIGS. It may be a voltage waveform. Of course, a step-like voltage waveform (Vout in FIG. 9C) obtained by the power
[0030]
[Fifth Embodiment]
FIGS. 17A to 17F and FIG. 18 show examples of the BDD logic circuit according to the fifth embodiment using a power reusable power source. Here, when the AC power source V1ac is used as the power reusable power source of the BDD logic circuit shown in FIG. 13, instead of using the
[0031]
[Sixth Embodiment]
FIGS. 19A to 19D are examples of the BDD logic circuit according to the sixth embodiment using the power reusable power source. The AC voltage V1ac is used as the input voltage, and the power reusable power source is used. Uses an alternating voltage V2ac '. The AC voltage V2ac 'has a frequency twice that of the AC voltage V1ac. Further, an n-
[0032]
The simulation result is shown in FIG.
Here, waveforms of AC voltage V2ac ', clock signal φ, AC voltage V2ac after passing through n-
In this circuit, the power consumption is 3.6 × 10-8W, which is about 1/30 lower power than CMOS. This is considered to be because the waveform of the AC voltage V2ac of the power supply is contained in the waveform of the AC voltage V1ac that is input, so that there is almost no leakage from the power supply to the ground.
[0033]
[Seventh Embodiment]
FIGS. 21A to 21F and FIG. 22 are examples of the BDD logic circuit of the seventh embodiment using the power reusable power source. The AC voltage V1ac described above is used as the input voltage, and FIG. An AC voltage V2ac ′ is used as a power reusable power source for the BDD logic circuit shown. The AC voltage V2ac 'has a frequency twice that of the AC voltage V1ac. Further, a
In the seventh embodiment and the fifth and sixth embodiments described above, as described above, the AC voltage need not be a sine wave, but a trapezoidal wave or a power
[0034]
[Eighth Embodiment]
FIG. 24A shows a BDD logic circuit according to the eighth embodiment. Here, the power
FIG. 25 is a diagram showing a circuit including a specific example of the power non-reusable power source 10 '. Here, the rectangular wave output from the
[0035]
[Ninth Embodiment]
FIG. 26 is a diagram illustrating an example of the
[0036]
[Tenth embodiment]
FIG. 27 is a diagram illustrating a part of the BDD logic circuit according to the tenth embodiment. Here, a complementary TFT (Thin Film Transistor) is used as a logic element instead of a complementary MOSFET. Even with a circuit configuration using such TFTs, adiabatic charging and charge recycling are possible. In the case of a TFT, it operates at a lower speed than a MOSFET, and is considered a device that is extremely suitable for adiabatic charging.
[0037]
A circuit using this TFT can be three-dimensionally highly integrated, whereby elements can be connected in parallel in the thickness direction, and the logic processing speed can be improved. In FIG. 27, 71 is a substrate, 72 is an insulating film, 73 is a metal or polysilicon wiring or gate, 74 is a gate insulating film, 75 is an n-type region serving as a source or drain, and 76 is a p-type region serving as a channel. , 77 is a p-type region serving as a source or drain, 78 is an n-type region serving as a channel, and 79 is a global through hole.
Here, the BDD logic circuits used in the second to seventh embodiments (FIGS. 7, 8, 13, 14, 15 (d), 18, 19 (d), and 22 are used. However, the present invention can also be applied to the non-complementary BDD logic circuit of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 3 and FIGS. 5 and 6. .
[0038]
[Eleventh embodiment]
FIG. 28E is a diagram for explaining a BDD graph used in the BDD logic circuit according to the eleventh embodiment of the present invention. The BDD graph shown in FIG. 28E is obtained by sharing the BDD graphs shown in FIGS.
FIGS. 29A and 29B are BDD logic circuits using the shared BDD graph shown in FIG. By sharing each BDD graph in this way, the number of transistors used in the BDD logic circuit can be reduced.
[0039]
[Twelfth embodiment]
FIG. 30 is a diagram showing a configuration of a
[0040]
31 (a) and 31 (b) show two-bit input signals A0 and A1, two-bit input signals B0 and B1, and one-bit carry C0 in the 2-
32 (a) and 32 (b) show two-bit input signals A0 and A1, two-bit input signals B0 and B1, and one pit in the 2-
[0041]
Here, as the power
FIG. 33 shows an example of an AC
FIG. 34 shows an example of a
[0042]
Next, the operation of the BDD logic circuit shown in FIG. 34 will be described.
First, at time t = 0, input signals * A, * B, * C, A, B, and C are input to the gates of the n-
[0043]
From the above, even when the number of gates increases to several hundreds or thousands, a common power reusable power source is used, so power consumption does not increase and even logic circuits with complex logic structures consume less power. Electric power can be realized.
The specific operation of the power
Further, the circuit for generating each input signal supplied to the power
Further, in the power
[0044]
FIG. 35 shows an example where there are a plurality of BDD logic circuits. Here, it is assumed that there are n (n ≧ 4) BDD logic circuits as indicated by 301 to 30n, and the i-th and j-th are adjacent (j = i + 1). At this time, each BDD logic circuit is independently operated by the optimum power
In particular, for BDD logic circuits that require only the same frequency and the same phase power supply, a common power reusable power supply is used by connecting the power supply lines, and the number of power supply circuits is reduced to achieve low power consumption. It becomes possible to do.
FIG. 36 is a diagram illustrating an example in which a common power reuse type power source is used. The first to i th power sources are common power reuse
[0045]
[Thirteenth embodiment]
FIG. 37 shows a BDD logic circuit according to the thirteenth embodiment. Here, in the BDD logic circuit shown in FIG. 30, among the n-
[0046]
[Fourteenth embodiment]
FIG. 38 shows a BDD logic circuit according to a fourteenth embodiment using a power reusable power source. Here, each n-
[0047]
[Fifteenth embodiment]
FIG. 39 shows a BDD logic circuit according to a fifteenth embodiment using a power reusable power source. In order to recycle the charge stored in the input gate using an AC power source as the power reusable power source. The AC voltages Aac, Bac, and Cac having the same frequency and phase as the AC voltage V1ac of the power supply are applied to the input gates of the logic elements.
FIG. 40A to FIG. 40D show a specific circuit combining the circuit of FIG. 39 and the
Here, a sine wave is used as the AC voltage, but it is not necessarily a sine wave. For example, the voltage V1ac may be a voltage waveform generated from the triangular wave, trapezoidal wave, or sine wave shown in FIGS. 4 (a) to 4 (e). Of course, a step-like voltage waveform (Vout in FIG. 9C) obtained by the power
[0048]
[Sixteenth embodiment]
FIGS. 41A to 41F and FIG. 42 are examples of the BDD logic circuit according to the sixteenth embodiment using the power reusable power source. Here, when the AC power source V1ac is used as the power reusable power source of the BDD logic circuit shown in FIG. 39, instead of using the
[0049]
[Seventeenth embodiment]
FIGS. 43A to 43D show examples of the BDD logic circuit according to the seventeenth embodiment using a power reusable power source. The AC voltage V1ac is used as the input voltage, and the power source of the BDD logic circuit is shown in FIGS. For this, an alternating voltage V2ac 'is used. The AC voltage V2ac 'has a frequency twice that of the AC voltage V1ac. Further, an n-
[0050]
[Eighteenth embodiment]
44 (a) to 44 (f) and FIG. 45 are examples of the BDD logic circuit according to the eighteenth embodiment using a power reusable power source, and the above-described AC voltage V1ac is used as an input voltage. The AC voltage V2ac ′ is used as the power reusable power source of the BDD logic circuit shown in FIG. 4B, and every other beak of the AC voltage V2ac ′ is taken out like the BDD logic circuit of FIG. The voltage V2ac is the power supply voltage.
In the eighteenth embodiment and the sixteenth and seventeenth embodiments described above, the AC voltage need not be a sine wave, as shown in FIGS. 23 (a) to 23 (h). Alternatively, an AC voltage based on a trapezoidal wave, a triangular wave, and a sine wave, or a stepped waveform by the power
[0051]
[Nineteenth embodiment]
FIG. 46A shows a BDD logic circuit according to the nineteenth embodiment. Here, the power
FIG. 47 is a diagram showing a specific example of this non-reusable power source 10 '. Here, the rectangular wave output from the
Note that TFTs that are extremely suitable for adiabatic charging can be used as the elements of the logic circuits of the twelfth to nineteenth embodiments as described above. Further, as shown in FIG. 27, it is possible to integrate three-dimensionally.
Further, the logic circuits of the twelfth to nineteenth embodiments described above can be similarly applied to the
[0052]
[20th embodiment]
FIG. 48A shows a D
[0053]
Here, as the power supply voltage of the
[0054]
In the D
[0055]
Next, when the voltage V3ac rises from 0V toward the power supply voltage VDD, the potential of the
By such a series of processes, charging is performed almost adiabatically in the process of increasing from the threshold voltage Vth to the power supply voltage VDD. Furthermore, when a power reusable power source is used for the voltage V3ac, the charge is adiabatically recycled to the power source side of V3ac in the process of dropping from the power source voltage VDD to the threshold value Vth. Such adiabatic charging and charge recycling are similarly performed in the transmission gate portion driven by the voltages V4ac and * V4ac.
[0056]
From the above, in the portion driven by the clock signal (
On the other hand, in the portion related to the memory circuit, in the circuit of the present invention, since the information is stored in Vth instead of VDD, the charging energy is 1/2 · C of the conventional circuit.MEVDD2 To 1/2 · CMEVth2 Can be reduced. Therefore, the energy required for charging / discharging of this portion is C in the conventional circuit as described above.MEVDD2 What was was CMEVth2 + CMEVDD2 2τ / T (FIG. 49 (b)). Note that T and τ are the same as those for driving the clock signal portion.
Thus, it can be seen that the D
[0057]
[Twenty-first embodiment]
FIG. 50 is a diagram showing a D latch logic circuit according to a twenty-first embodiment of the present invention. Each of the power latches 97 and 98 on the input side of the D
The
[0058]
Also, here, the p-
[0059]
Next, the operation of the BDD logic circuit of FIG. 50 will be described.
First, the input signals A, B, and C are input to the
[0060]
Next, when voltage V4ac rises,
52D to 52H are explanatory diagrams when the output of the D
As described above, in the logic circuit of the twenty-first embodiment, logical processing is performed by adiabatic charging and charge recycling in the
[0061]
[Twenty-second embodiment]
FIG. 53A is a diagram showing a D latch logic circuit according to a twenty-second embodiment of the present invention. In the
Here, as shown in FIG. 53C, the power supply voltage V6ac of the
[0062]
When the
In this regard, as in this embodiment, by connecting an
[0063]
[Twenty-third embodiment]
54 is a diagram showing a D latch logic circuit according to a twenty-third embodiment of the present invention. In FIG. 54, the
In this embodiment, timing and waveform voltages as shown in FIGS. 55A to 55D are used as the voltages V3ac, V4ac, V5ac, and V6ac. In particular, the voltage V5ac has a waveform that rises late and falls faster than the voltage V6ac, and the voltage V6ac has a waveform that rises late and falls faster than the voltage V3ac.
As a result, the processing contents (XOR, XNOR) of the signals A, B, C input to the MOSFETs of the
[0064]
[Twenty-fourth embodiment]
FIG. 56A shows a D
By using a single MOSFET as the transfer gate as described above, the number of transistors can be reduced.
[0065]
[Twenty-fifth embodiment]
FIGS. 57A to 57C show a logic circuit according to the twenty-fifth embodiment. Here, in the 2-
First, in the PMOS
[0066]
In this embodiment, after the input signals A1, A0, B1, B0, and C0 are input, the power supply voltage V3ac rises, thereby performing logic processing, after which the voltage V3ac falls, and then the input signals A1, A0, B1, B0, and C0 fall. The
[0067]
That is, by combining the PMOS latch logic circuit and the BDD logic circuit, the output signal S1 and its inverted signal * S1 can be correctly brought to the peak value of V3ac and the signal voltage value of Low to 0V. In addition, if a BDD logic circuit is used, it becomes possible to incorporate the circuit efficiently by reducing the number of transistors, and the design and configuration is easy even for a large-scale BDD logic circuit by design using a computer. There is an advantage that can be done.
In addition to the above-described gate input and power supply voltage control method, it is needless to say that control by a four-phase clock method is possible (Reference 3: Y. Moon and DK Jeong “An Effective Charge Recovery Logic Circuit”). (IEEE Journal of Solid-state circuits p.514)
[0068]
[Twenty-sixth embodiment]
FIGS. 58A to 58C are diagrams showing a logic circuit according to the twenty-sixth embodiment. Here, in 2-
[0069]
Similarly to the PMOS
The operation of this embodiment is almost the same as that of the circuit shown in FIG. 57B, and the
[0070]
[Twenty Seventh Embodiment]
FIG. 59 is a diagram showing a logic circuit according to a twenty-seventh embodiment. This logic circuit is constituted by an NMOS
60A and 60B show connection examples of the flip-
[0071]
[Twenty-eighth embodiment]
FIG. 61A shows a logic circuit according to the twenty-eighth embodiment, which is a modification of the logic circuit shown in FIG. Here, the NMOS latch logic circuit is composed of an n-
Here, the logical processing result of the
[0072]
[Twenty-ninth embodiment]
FIG. 61B is a diagram showing a logic circuit according to the 29th embodiment, which is a modification of the circuit shown in FIG. Here, the NMOS latch logic circuit is composed of an n-
Again, the logical processing result of the
[0073]
[Thirty Embodiment]
FIG. 62A shows a logic circuit according to the thirtieth embodiment, which is a modification of the circuit shown in FIG. Here, the voltage V3ac is connected to the source of the p-
Here, the side of the
[0074]
[Thirty-first embodiment]
FIG. 62B shows a logic circuit according to the thirty-first embodiment, which is a modification of the circuit shown in FIG. Here, the voltage V3ac is connected to the source of the p-
Again, the side of the
[0075]
[Thirty-second embodiment]
FIGS. 63A and 63B are diagrams showing the logic circuit of the thirty-second embodiment. Each of the
Note that TFTs that are extremely suitable for adiabatic charging as described in FIG. 27 can be used for the elements of the logic circuits of the twentieth to thirty-second embodiments.
[0076]
[Thirty-third embodiment]
By the way, in the conventional CMOS logic circuit, the current density is set to a certain upper limit value J in order to avoid disconnection due to electromigration.0 The following are set. In general, the life τ of wiring due to electromigration is
τ = KST / {J2 Dexp (−ΔE / kT)} (1)
(Reference 4: CMOS VLSI design, page 87, supervised by Takuo Kanno, edited by Tetsuya Iizuka, published by Baifukan). Here, K is a proportional constant, S is a wiring cross-sectional area, T is an absolute temperature, J is a current density, D is a diffusion coefficient of aluminum atoms, and k is a Boltzmann constant.
[0077]
Thus, it can be seen that when the wiring width is shortened and the current density J is increased, the time τ until disconnection is shortened. Therefore, it can be seen that there is a lower limit for the wiring cross-sectional area in the case of a CMOS logic circuit. In other words, the current density has an upper limit value.
For example, in an actual CMOS logic LSI, when the power supply voltage is 2 V, a current of about 8 mA flows in the signal line, and the current density is 2.7 × 10.6 A / cm2 Degree. The cross-sectional area of the signal line at this time is (0.55 μm)2 = 0.30 μm2 (See FIGS. 64B and 71).
[0078]
On the other hand, in a BDD logic circuit, a D latch logic circuit, or the like using the adiabatic charging logic, the current density flowing through the metal wiring or the transistor becomes very small because charging and discharging are performed adiabatically. Therefore, the electromigration effect in the wiring is also reduced. Therefore, compared with the conventional case, the wiring cross-sectional area is described above (0.55 μm).2 = 0.30 μm2 Can be made smaller.
Therefore, in the thirty-third embodiment, in the logic circuit that performs adiabatic charging logic, the wiring cross-sectional area is reduced while keeping the lifetime due to electromigration at the same level as that in the conventional CMOS logic circuit, The reduction of power consumption was further improved.
[0079]
In the above formula (1), since the current I is I = SJ,
τ = KTSThree / {I2 Dexp (−ΔE / kT)} (2)
Can be rewritten as As a result, the lifetime of the wiring due to electromigration is SThree / I2 It turns out that it is proportional to.
In the case of a CMOS logic circuit, the average life of the wiring, the wiring cross-sectional area, and the current flowing through the wiring0 , S0 , I0 Then, their relationship is
τ0 = AS0 Three / I0 2 (3)
become that way. Here, a is a proportionality constant.
[0080]
On the other hand, when the average life of the wiring, the cross-sectional area of the wiring, and the current flowing through the wiring are τ, S, and I in the case of the logic circuit that performs adiabatic charging, their relationship is
τ = aSThree / I2 (4)
become that way.
Therefore,
τ / τ0 = (S / S0 )Three(I0 / I)2 (5)
And the average life of both is equal, that is, τ0= Τ
S = S0 (I / I0 )2/3 (6)
The following relational expression holds.
[0081]
In the case of adiabatic charging, since the operation is performed slowly, the current value can be reduced to, for example, 1/1000 times that of CMOS logic. Therefore, when the current becomes 1/1000 times, the cross-sectional area becomes 1 Even if it is reduced to / 100 times, the wiring life is exactly the same.
From the above, for example, as shown in FIG. 64A, the wiring width is 0.15 μm and the thickness is 0.02 μm (cross-sectional area: 0.0030 μm).2 ) Can be used. Thickness 0.2 μm (cross-sectional area = 0.030 μm2 ) Even with normal wiring cross-sectional area (0.30 μm)2 1/10 of the above) and is sufficiently effective.
As described above, the wiring capacity can be reduced to 1/10 to 1/100 times, and as shown in FIG. 64 (c), the power consumption during charging can be reduced to 1/10 to 1/100 times. Is possible.
Further, as a development form, not only the wiring but also the transistor does not require a large current driving capability, so the transistor width (channel width) is reduced from about 10 μm to about 0.1 μm, which is 1/100 times the conventional one. It is possible. Thereby, the capacity of the transistor can also be reduced.
[0082]
[Thirty-fourth embodiment]
Next, it will be described that the wiring cross-sectional area can be reduced from the viewpoint that the electrical signal transmission is adiabatic charging logic and may be slow and slow.
First, when the cross-sectional area A of the wiring is reduced, it is assumed that it is reduced to 1 / k times. At this time, the resistance value R is k times. Also, the capacitance of the wiring is usually sufficiently smaller than the capacitance of the load of the next stage gate. Therefore, the capacitance C may be considered constant. From the above
Approximately
A x CR = constant (constant) (7)
It becomes.
[0083]
Here, the cross-sectional area of the wiring of the CMOS logic circuit is S0 When the cross-sectional area of the wiring of the adiabatic charging logic circuit is S,
S0(CR)CMOS= S (CR)adiabatic (8)
Is established.
During adiabatic charging, the transmission of electrical signals may be slow. Therefore, 10 x (CR)CMOS≦ (CR)adiabaticIt can be. Therefore, the following equation is established.
S = S0(CR)CMOS/ (CR)adiabatic≦ 1/10 × S0 (9)
In addition, since the time T required to increase the power supply of the adiabatic charging circuit needs to be larger than the CR time constant of the adiabatic charging circuit,
(CR)adiabatic. ≦ T (10)
Is established. Therefore, the following equation is established.
S0(CR)CMOS= S (CR)adiabatic≦ ST (11)
[0084]
Where (CR)CMOS= Τ
τ / T × S0 ≦ S (12)
Is obtained. From equations (9) and (12),
τ / T × S0 ≦ S ≦ 1/10 × S0 (13)
Is obtained.
[0085]
That is, the signal wiring width W of the
From the above, it is possible to use an ultra-thin film wiring as shown in FIG.
[0086]
[Thirty-fifth embodiment]
FIG. 65 is an explanatory view showing a thirty-fifth embodiment of the present invention. The cross-sectional area of the signal wiring of the CMOS logic circuit shown in FIG. 71 can be reduced to 1/10 to 1/100 as described above. However, the power supply line and the ground line of such a logic circuit can be similarly reduced. is there.
That is, the cross-sectional area of the power supply line or
That is, for the power supply line and the ground line of the logic circuit, the cross-sectional area can be reduced to 1/10 to 1/100 similarly to the signal line by the adiabatic charging logic.
[0087]
In each of the thirty-third to thirty-fifth embodiments, it is of course possible to reduce each cross-sectional area of the signal line, power supply line, and ground line to 1/1000 times by performing adiabatic charging more gently.
In this way, in the adiabatic charging logic, the wiring cross-sectional area can be reduced, and the logic processing can be efficiently realized by a small number of electron transports, thereby making it possible to reduce the energy of logic processing per time compared with the conventional CMOS logic circuit. It can be greatly reduced.
[0088]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, adiabatic charging and charge recycling can be realized very easily in BDD logic circuits and D latch logic circuits having hundreds or thousands of gates. Compared with a logic circuit and a D latch logic circuit, power consumption can be reduced and the circuit scale can be reduced.
In addition, since the present invention performs adiabatic charging and discharging, the current density flowing through the metal wiring and the transistor is very small, so the electromigration effect in the wiring is small, and the cross-sectional area of the wiring is reduced to that of the CMOS logic circuit. Compared with the cross-sectional area of the wiring, the wiring area can be greatly reduced and the wiring capacity can be greatly reduced.
As described above, according to the present invention, logic processing can be efficiently realized by transporting a small number of electrons, and thus it is possible to greatly reduce the energy of logic processing per time as compared with a conventional CMOS logic circuit. To do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram of a BDD logic circuit according to a first embodiment.
2 is a diagram illustrating an example in which an AC power supply circuit is used as a power reusable power supply of the BDD logic circuit of FIG. 1;
3 is a diagram illustrating an example in which a power supply circuit that generates a step-like voltage is used as a power reusable power supply of the BDD logic circuit of FIG. 1;
FIG. 4 is a diagram showing another voltage waveform or the like as a power reusable power source.
FIG. 5 is a diagram showing an example in which individual power reusable power supplies are used in a power supply circuit of a plurality of BDD logic circuits.
FIG. 6 is a diagram showing an example in which a plurality of BDD logic circuits are divided into two groups and a common power reuse type power supply is used for each group.
FIG. 7 is a circuit diagram of a BDD logic circuit according to a second embodiment.
8 is a diagram illustrating an example in which a power supply circuit that generates a step-like voltage is used as a power reusable power supply of the BDD logic circuit of FIG. 7;
9 is a waveform diagram of the operation of the power supply circuit of FIG.
10 is a circuit diagram for generating timing signals of each of the power supply circuits of FIG. 8. FIG.
11 is a waveform diagram showing a simulation result of the power supply circuit of FIG. 8. FIG.
12 is a waveform diagram showing a simulation result of the BDD logic circuit of FIG.
FIG. 13 is a circuit diagram of a BDD logic circuit according to a third embodiment.
FIG. 14 is a circuit diagram of a BDD logic circuit according to a fourth embodiment.
15 is a more specific circuit diagram of FIG.
16 is a waveform diagram showing a simulation result of the BDD logic circuit of FIG.
FIG. 17 is a circuit diagram of a BDD logic circuit according to a fifth embodiment.
FIG. 18 is a circuit diagram of a BDD logic circuit according to a fifth embodiment.
FIG. 19 is a circuit diagram of a BDD logic circuit according to a sixth embodiment.
20 is a waveform diagram showing a simulation result of the BDD logic circuit of FIG.
FIG. 21 is a circuit diagram of a BDD logic circuit according to a seventh embodiment.
FIG. 22 is a circuit diagram of a BDD logic circuit according to a seventh embodiment.
FIG. 23 is an explanatory diagram of another waveform of the AC power supply.
FIG. 24 is a circuit diagram of a BDD logic circuit according to an eighth embodiment.
FIG. 25 is a circuit diagram of a BDD logic circuit connected with a specific non-reusable power source.
FIG. 26 is an explanatory diagram of an IC card according to a ninth embodiment.
FIG. 27 is a cross-sectional view of a part of the BDD logic circuit according to the tenth embodiment;
FIG. 28 is an explanatory diagram illustrating an example of sharing a BDD graph applied to the BDD logic circuit according to the eleventh embodiment;
FIG. 29 is a circuit diagram of a BDD logic circuit according to an eleventh embodiment.
FIG. 30 is a circuit diagram of a BDD logic circuit according to a twelfth embodiment.
FIG. 31 is a diagram showing a BDD graph and a BDD logic circuit in an example in which the BDD logic circuit of FIG. 30 is applied to the calculation of the sum of a 2-bit adder.
32 is a diagram showing a BDD graph and a BDD logic circuit in an example in which the BDD logic circuit of FIG. 30 is applied to carry operation of a 2-pit adder.
33 is a diagram illustrating an example in which a power supply circuit using an inductor is used as the power reusable power supply of the BDD logic circuit of FIG.
34 is a diagram illustrating an example in which a power supply circuit that generates a step-like voltage is used as a power reusable power supply of the BDD logic circuit of FIG. 30;
FIG. 35 is a diagram illustrating an example in which individual power reusable power supplies are used in a power supply circuit of a plurality of BDD logic circuits.
FIG. 36 is a diagram showing an example in which a plurality of BDD logic circuits are divided into two groups and a common power reuse type power supply is used for each group.
FIG. 37 is a circuit diagram of a BDD logic circuit according to a thirteenth embodiment.
FIG. 38 is a circuit diagram of a BDD logic circuit according to a fourteenth embodiment.
FIG. 39 is a circuit diagram of a BDD logic circuit according to a fifteenth embodiment.
40 is a diagram showing a circuit that embodies the circuit of FIG. 39. FIG.
41 is a circuit diagram of a BDD logic circuit according to a sixteenth embodiment. FIG.
FIG. 42 is a circuit diagram of a BDD logic circuit according to a sixteenth embodiment.
FIG. 43 is a circuit diagram of a BDD logic circuit according to a seventeenth embodiment.
FIG. 44 is a circuit diagram of a BDD logic circuit according to an eighteenth embodiment.
FIG. 45 is a circuit diagram of a BDD logic circuit according to an eighteenth embodiment.
FIG. 46 is an explanatory diagram of the BDD logic circuit according to the nineteenth embodiment.
47 is a diagram showing a power non-reusable power supply circuit of the BDD logic circuit of FIG. 46. FIG.
FIG. 48 is an explanatory diagram of a D latch logic circuit and a power supply voltage waveform according to the twentieth embodiment;
FIG. 49 is a comparative explanatory diagram of charge / discharge energy of a clock portion and a memory circuit portion.
50 is a circuit diagram of a D latch logic circuit according to a twenty-first embodiment. FIG.
51 is a circuit diagram for generating signals A, B, and C in the circuit of FIG. 50. FIG.
52 is a voltage waveform diagram of the circuit of FIG. 50. FIG.
53 is an explanatory diagram of a D latch logic circuit and power supply voltage waveforms according to a twenty-second embodiment; FIG.
FIG. 54 is a circuit diagram of a D latch logic circuit according to a twenty-third embodiment.
55 is a voltage waveform diagram of the circuit of FIG. 54. FIG.
FIG. 56 is a circuit diagram of a D latch logic circuit according to a twenty-fourth embodiment.
FIG. 57 is a circuit diagram of a PMOS latch logic circuit according to a twenty-fifth embodiment.
FIG. 58 is a circuit diagram of a PMOS latch logic circuit according to a twenty-sixth embodiment.
FIG. 59 is a block diagram of a logic circuit showing a twenty-seventh embodiment.
FIG. 60 is a circuit diagram of a logic circuit showing a twenty-seventh embodiment.
FIG. 61 is a circuit diagram of an NMOS latch logic circuit according to 28th and 29th embodiments;
FIG. 62 is a circuit diagram of a PMOS latch logic circuit according to 30th and 31st embodiments;
FIG. 63 is a circuit diagram of the thirty-second embodiment.
FIG. 64 is an explanatory diagram of the thirty-third embodiment.
FIG. 65 is an explanatory diagram of the thirty-fifth embodiment.
FIG. 66 is a block diagram showing a state of power supply control for a BDD logic circuit and a D latch logic circuit.
FIG. 67 is an explanatory diagram of a conventional retractile logic circuit and operation waveforms;
FIG. 68 is an explanatory diagram for embodying a retractile logic circuit;
FIG. 69 is a circuit diagram of a conventional BDD logic circuit.
FIG. 70 is a circuit diagram of a conventional D latch logic circuit.
FIG. 71 is a diagram showing a state of a wiring cross-sectional area of a conventional CMOS logic circuit.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (5)
各論理素子のゲートに入力信号が与えられた後に前記論理回路に電源を供給して論理処理を行わせるとともに、前記論理処理が終了し前記論理素子のゲートに新たな入力信号が与えられる前に前記電源の供給を停止する電源部とを備え、
前記論理回路の信号配線としてCMOS論理回路と同一断面積S0 を有する配線を用いた論理回路の前記配線断面積からエレクトロマイグレーションの寿命により求められる配線電流の上限値をIO とし、この論理回路の断熱充電論理動作時に流れる電流値をIとしたとき、
前記配線断面積Sは
(I/IO)2/3×S0 ≦S≦1/10×S0
であることを特徴とする断熱充電論理回路。A logic circuit composed of a plurality of logic elements;
After an input signal is given to the gate of each logic element, power is supplied to the logic circuit to perform logic processing, and before the logic process is finished and a new input signal is given to the gate of the logic element. A power supply unit for stopping supply of the power,
The upper limit value of the wiring current obtained from the lifetime of electromigration from the wiring cross-sectional area of the logic circuit using the wiring having the same cross-sectional area S 0 as that of the CMOS logic circuit as the signal wiring of the logic circuit is defined as I O. When the current value flowing during the adiabatic charging logic operation is I,
The wiring cross-sectional area S is (I / I O ) 2/3 × S 0 ≦ S ≦ 1/10 × S 0
An adiabatic charging logic circuit, characterized in that
各論理素子のゲートに入力信号が与えられた後に前記論理回路に電源を供給して論理処理を行わせるとともに、前記論理処理が終了し前記論理素子のゲートに新たな入力信号が与えられる前に前記電源の供給を停止する電源部とを備え、
前記論理回路の信号配線としてCMOS論理回路と同一断面積S0 を有する配線を用いた論理回路の前記信号配線のCR時定数をτとし、この論理回路に断熱充電論理により電源を供給してからその供給電圧がピーク値に達するまでの時間をTとしたとき、
前記信号配線の断面積Sは、
τ/T×S0 ≦S≦1/10×S0
であることを特徴とする断熱充電論理回路。A logic circuit composed of a plurality of logic elements;
After an input signal is given to the gate of each logic element, power is supplied to the logic circuit to perform logic processing, and before the logic process is finished and a new input signal is given to the gate of the logic element. A power supply unit for stopping supply of the power,
The CR time constant of the signal wiring of the logic circuit using the wiring having the same cross-sectional area S 0 as the CMOS logic circuit as the signal wiring of the logic circuit is τ, and power is supplied to the logic circuit by adiabatic charging logic. When the time until the supply voltage reaches the peak value is T,
The cross-sectional area S of the signal wiring is
τ / T × S 0 ≦ S ≦ 1/10 × S 0
An adiabatic charging logic circuit, characterized in that
前記信号配線の断面積S0 を0.3μm2としたとき、前記断面積Sは、0.003μm2 ないし0.03μm2 であることを特徴とする断熱充電論理回路。In claim 1 or claim 2,
When the cross-sectional area S 0 of the signal lines and 0.3 [mu] m 2, the cross-sectional area S is adiabatic charging logic circuit, characterized in that to 0.003 .mu.m 2 without a 0.03 .mu.m 2.
前記論理回路の電源線の断面積及び接地線の断面積を低減することを特徴とする断熱充電論理回路。In claim 1 or claim 2,
An adiabatic charging logic circuit, wherein a cross-sectional area of a power supply line and a cross-sectional area of a ground line of the logic circuit are reduced.
前記論理回路の電源線の断面積及び接地線の断面積をそれぞれ1/10ないし1/100に低減することを特徴とする断熱充電論理回路。In claim 4,
Adiabatic charging logic circuit, wherein the cross-sectional area of the power line and the ground line of the logic circuit are reduced to 1/10 to 1/100, respectively.
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