JP6015463B2 - Semiconductor device and method for controlling semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置および半導体装置の制御方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a method for controlling the semiconductor device.
半導体装置に設けられる複数の回路ブロックの動作電圧が互いに異なる場合、各回路ブロック内でのクロック信号の伝搬遅延時間は相違する。これにより、回路ブロック内のフリップフロップに供給されるクロック信号のタイミングはずれ、クロックスキューが発生する。そこで、回路ブロックの動作電圧に応じて、回路ブロックに供給されるクロック信号のタイミングを調整することで、回路ブロック間のクロックスキューを抑制する手法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 When the operation voltages of a plurality of circuit blocks provided in the semiconductor device are different from each other, the propagation delay time of the clock signal in each circuit block is different. As a result, the timing of the clock signal supplied to the flip-flop in the circuit block is shifted and a clock skew occurs. Therefore, a method has been proposed in which the clock skew between the circuit blocks is suppressed by adjusting the timing of the clock signal supplied to the circuit block according to the operating voltage of the circuit block (see, for example, Patent Document 1). .
また、クロック分配回路内のクロック信号の経路を切り替えることで、クロックスキューを改善する手法が提案されている(例えば、特許文献2、3参照)。さらに、クロック分配回路にクロックメッシュ等の負荷を接続することで、クロックスキューを抑える手法が提案されている(例えば、特許文献4参照)。 In addition, a technique for improving clock skew by switching the path of the clock signal in the clock distribution circuit has been proposed (see, for example, Patent Documents 2 and 3). Furthermore, a technique for suppressing clock skew by connecting a load such as a clock mesh to the clock distribution circuit has been proposed (see, for example, Patent Document 4).
しかしながら、クロックメッシュが使用される場合、クロックメッシュの充放電電流により、半導体装置の消費電力は増加する。消費電力は、電源電圧が高いほど大きくなる。一方、クロックメッシュが使用されない場合、例えば、フリップフロップのホールド制約を満足するために、ホールドバッファがデータ信号線に挿入される場合がある。ホールドバッファのリークエネルギー量は、電源電圧が低いほど大きくなる。 However, when the clock mesh is used, the power consumption of the semiconductor device increases due to the charge / discharge current of the clock mesh. The power consumption increases as the power supply voltage increases. On the other hand, when the clock mesh is not used, for example, a hold buffer may be inserted into the data signal line in order to satisfy the hold constraint of the flip-flop. The amount of leakage energy of the hold buffer increases as the power supply voltage decreases.
本件開示の半導体装置は、クロックスキューを抑制しながら消費電力の増加を抑制することを目的とする。 The semiconductor device disclosed herein is intended to suppress an increase in power consumption while suppressing clock skew.
一つの観点によれば、半導体装置は、クロック信号を伝達する複数のクロック信号線と、複数のクロック信号線に接続可能な負荷部と、電源電圧が所定値以下の場合に複数のクロック信号線を負荷部に接続し、電源電圧が所定値より高い場合に複数のクロック信号線を負荷部から切り離す切り替え部とを有する。 According to one aspect, a semiconductor device includes a plurality of clock signal lines for transmitting a clock signal, a load unit connectable to the plurality of clock signal lines, and a plurality of clock signal lines when a power supply voltage is a predetermined value or less. And a switching unit that disconnects the plurality of clock signal lines from the load unit when the power supply voltage is higher than a predetermined value.
クロックスキューを抑制しながら消費電力の増加を抑制できる。 An increase in power consumption can be suppressed while suppressing clock skew.
以下、図面を用いて実施形態を説明する。信号が伝達される信号線および端子には、信号名と同じ符号を使用する。図中の二重の四角印は、外部端子を示す。外部端子は、例えば、半導体チップ上のパッド、あるいは半導体チップが収納されるパッケージのリードである。外部端子を介して供給される信号には、端子名と同じ符号を使用する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. The same reference numerals as the signal names are used for signal lines and terminals through which signals are transmitted. Double square marks in the figure indicate external terminals. The external terminal is, for example, a pad on a semiconductor chip or a lead of a package in which the semiconductor chip is stored. For the signal supplied via the external terminal, the same symbol as the terminal name is used.
図1は、半導体装置および半導体装置の制御方法の一実施形態を示す。この実施形態の半導体装置100は、クロック信号CLK0を伝達する複数のクロック信号線CLKa1、CLKb1と、クロック信号線CLKa1、CLKb1を負荷部LDUに接続する切り替え部SWUとを有する。例えば、負荷部LDUは、クロックメッシュである。切り替え部SWUは、電源電圧VDDが所定値以下の場合にクロック信号線CLKa1、CLKb1を負荷部LDUに接続し、電源電圧VDDが所定値より高い場合にクロック信号線CLKa1、CLKb1を負荷部LDUから切り離す。
FIG. 1 shows an embodiment of a semiconductor device and a method for controlling the semiconductor device. The
例えば、切り替え部SWUは、制御部CNTUによる制御に基づいてクロック信号線CLKa1、CLKb1を負荷部LDUに接続または非接続するスイッチSWa、SWbを有する。制御部CNTUは、電源電圧VDDと所定値との大小関係を判定し、判定結果に基づいて切り替え部SWUを制御する。なお、制御部CNTUは、半導体装置100の外部に配置されてもよい。
For example, the switching unit SWU includes switches SWa and SWb that connect or disconnect the clock signal lines CLKa1 and CLKb1 to the load unit LDU based on control by the control unit CNTU. The control unit CNTU determines the magnitude relationship between the power supply voltage VDD and a predetermined value, and controls the switching unit SWU based on the determination result. Note that the control unit CNTU may be disposed outside the
例えば、クロック信号CLKa1、CLKb1は、フリップフロップFFのクロック入力端子にそれぞれ供給される。例えば、クロック信号CLKa1、CLKb1に発生するクロックスキューは、クロック入力端子に到達するクロック信号CLKa1、CLKb1の位相のずれである。 For example, the clock signals CLKa1 and CLKb1 are respectively supplied to the clock input terminals of the flip-flop FF. For example, the clock skew generated in the clock signals CLKa1 and CLKb1 is a phase shift of the clock signals CLKa1 and CLKb1 reaching the clock input terminal.
この実施形態では、電源電圧VDDが所定値以下の場合に、クロック信号線CLKa1、CLKb1が共通の負荷部LDUに接続されるため、クロックスキューを抑えることができる。これにより、例えば、クロック信号CLKa1(またはCLKb1)が入力されるフリップフロップFFのホールド制約を満たすための時間余裕を調整するホールドバッファの挿入数を従来に比べて削減できる。バッファの挿入数が削減できるため、電源電圧VDDが所定値以下のときのリーク電流量を抑制でき、半導体装置100の消費電力を抑制できる。
In this embodiment, when the power supply voltage VDD is equal to or lower than a predetermined value, the clock signal lines CLKa1 and CLKb1 are connected to the common load unit LDU, so that clock skew can be suppressed. Thereby, for example, the number of hold buffers inserted to adjust the time margin for satisfying the hold constraint of the flip-flop FF to which the clock signal CLKa1 (or CLKb1) is input can be reduced as compared with the conventional case. Since the number of inserted buffers can be reduced, the amount of leakage current when the power supply voltage VDD is equal to or lower than a predetermined value can be suppressed, and the power consumption of the
さらに、電源電圧VDDが所定値より高い場合に、負荷部LDUがクロック信号線CLKa1、CLKb1から切り離されるため、クロック信号CLKa1、CLKb1のレベル変化に伴う負荷部LDUの充放電電流は発生しない。これにより、半導体装置100の消費電力を抑制できる。なお、クロックスキューは、電源電圧VDDが高いほど相対的に小さくなる。このため、電源電圧VDDが所定値より高い場合に、負荷部LDUがクロック信号線CLKa1、CLKb1から切り離されても、クロックスキューの増加による半導体装置100の特性への影響は小さい。
Further, when the power supply voltage VDD is higher than a predetermined value, the load unit LDU is disconnected from the clock signal lines CLKa1 and CLKb1, and therefore no charge / discharge current of the load unit LDU is generated due to the level change of the clock signals CLKa1 and CLKb1. Thereby, the power consumption of the
以上、この実施形態では、電源電圧VDDに拘わりなく、クロックスキューを抑制しながら半導体装置100の消費電力の増加を抑制できる。
As described above, in this embodiment, an increase in power consumption of the
図2は、半導体装置および半導体装置の制御方法の別の実施形態を示す。この実施形態の半導体装置100Aは、例えば、DVFS(Dynamic Voltage and Frequency Scaling)機能を有する。DVFSは、回路に供給する電源電圧およびクロック信号の周波数を、回路に要求される処理能力に合わせて動的に変更する手法である。なお、半導体装置100Aは、一定の周波数のクロック信号を生成し、回路に要求される処理能力に合わせて電源電圧を動的に変更してもよい。
FIG. 2 shows another embodiment of the semiconductor device and the method for controlling the semiconductor device. The
例えば、半導体装置100Aは、ゲートアレイ等のロジックLSIであり、あるいはプロセッサコアを含むCPU(Central Processing Unit)やシステムLSI(Large Scale Integration)である。
For example, the
半導体装置100Aは、負荷制御部10、電源管理部12、クロック制御部14、クロック分配部16、切り替え部18および論理回路部20を有する。半導体装置100Aは、チップの形態で供給されるが、例えば、負荷制御部10、電源管理部12およびクロック制御部14は、クロック分配部16、切り替え部18および論理回路部20とは別のチップに設けられてもよい。この場合、電源電圧VDD、クロック信号CLK0および接続制御信号CNは、半導体装置100Aの外部から供給される。
The
負荷制御部10は、論理回路部20に要求される処理能力を示す負荷情報LDINFを半導体装置100Aの外部から受ける。負荷制御部10は、論理回路部20に要求された処理能力を実現させるために、電源電圧VDDの値を示す電圧情報VINFを電源管理部12に出力し、クロック信号CLKの周波数値を示す周波数情報FINFをクロック制御部14に出力する。なお、負荷制御部10は、半導体装置100A内で生成される負荷情報LDINFを受けてもよい。また、半導体装置100Aが一定の周波数のクロック信号CLK0を生成する場合、例えば、負荷制御部10は、負荷情報LDINFに拘わりなく一定の周波数情報FINFを生成する。
The
電源管理部12は、電圧生成部VGENおよびアナログデジタルコンバータADCを有する。電圧生成部VGENは、半導体装置100Aの外部から受ける電源電圧VDD0を用いて、電圧情報VINFにより示される電源電圧VDDを生成する。アナログデジタルコンバータADCは、電源電圧VDDの値をデジタル値である電源電圧情報VDDINFに変換し、電源電圧情報VDDINFをクロック制御部14に出力する。
The
例えば、電源電圧情報VDDINFは、電源電圧VDDの値を10ミリボルト(mV)単位で符号化した値であり、7ビットで表される。電源電圧VDDが0.5Vのとき、電源電圧情報VDDINFは、2進数の”0110010”(10進数の50)で示される。電源電圧VDDが1.2Vのとき、電源電圧情報VDDINFは、2進数の”1111000”(10進数の120)で示される。 For example, the power supply voltage information VDDINF is a value obtained by encoding the value of the power supply voltage VDD in units of 10 millivolts (mV), and is represented by 7 bits. When the power supply voltage VDD is 0.5 V, the power supply voltage information VDDINF is represented by a binary number “0110010” (decimal number 50). When the power supply voltage VDD is 1.2 V, the power supply voltage information VDDINF is represented by binary “1111000” (decimal 120).
なお、電源電圧情報VDDINFの値が電圧情報VINFの値に対応する場合、電源管理部12は、アナログデジタルコンバータADCを持たなくてもよい。この場合、電圧情報VINFが、電源電圧情報VDDINFの代わりにクロック制御部14に供給される。
When the value of the power supply voltage information VDDINF corresponds to the value of the voltage information VINF, the
クロック制御部14は、ROM(Read Only Memory)、比較部COMPおよびクロック生成部CGENを有する。ROMは、切り替え電圧を示す電圧情報Vmを記憶し、電圧情報Vmを比較部COMPに出力する。例えば、電圧情報Vmは、電源電圧情報VDDINFと同様に、7ビットで表される。
The
例えば、ROMはヒューズ回路である。なお、半導体装置100Aが不揮発性メモリを有する場合、不揮発性メモリの一部をROMとして使用してもよい。さらに、ROMは、半導体装置100A内に配置される配線パターンを使用して設計されてもよい。この場合、ROMの情報は、半導体装置100Aの製造工程において配線パターンの形成に使用するフォトマスクのパターンに含まれる。例えば、電圧情報Vm中の論理1を示すビットは、電源線VDD0に接続され、論理0を示すビットは、接地線VSSに接続される。
For example, the ROM is a fuse circuit. Note that when the
比較部COMPは、電源電圧VDDの値を示す電源電圧情報VDDINFと電圧情報Vmとを比較し、比較結果に応じて接続制御信号CNを生成する。比較部COMPにより、電源電圧VDDと電圧情報Vmにより示される所定値との大小関係を判定することで、クロックメッシュCMESHの接続/非接続を、電源電圧VDDに基づいて正確に制御できる。 The comparison unit COMP compares the power supply voltage information VDDINF indicating the value of the power supply voltage VDD with the voltage information Vm, and generates a connection control signal CN according to the comparison result. By determining the magnitude relationship between the power supply voltage VDD and the predetermined value indicated by the voltage information Vm by the comparison unit COMP, the connection / disconnection of the clock mesh CMESH can be accurately controlled based on the power supply voltage VDD.
接続制御信号CNは、電源電圧情報VDDINFにより示される電源電圧VDDの値が電圧情報Vmにより示される電圧値以下の場合に、クロック分配部16の出力ノードをクロックメッシュCMESHに接続する論理(例えば、ハイレベル)に設定される。また、接続制御信号CNは、電源電圧情報VDDINFにより示される電源電圧VDDの値が電圧情報Vmにより示される電圧値より高い場合に、クロック分配部16の出力ノードをクロックメッシュCMESHから切り離す論理(例えば、ロウレベル)に設定される。このように、接続制御信号CNは、クロックメッシュCMESHの接続と非接続とを切り替える切り替え信号として機能する。
The connection control signal CN is a logic that connects the output node of the
なお、比較部COMPの代わりに、電源電圧VDDと電圧情報Vmが示す参照電圧とを比較するアナログコンパレータ等の比較部が配置されてもよい。この場合、電源管理部12は、アナログデジタルコンバータADCを持たない。クロックメッシュCMESHは、負荷部の一例である。接続制御信号CNのハイレベルは、接続信号の一例であり、接続制御信号CNのロウレベルは、切り離し信号の一例である。
Instead of the comparison unit COMP, a comparison unit such as an analog comparator that compares the power supply voltage VDD and the reference voltage indicated by the voltage information Vm may be arranged. In this case, the
クロック生成部CGENは、例えば、発振器を有しており、周波数情報FINFにより示される周波数を有するクロック信号CLK0を生成する。なお、クロック生成部CGENは、半導体装置100Aの内部または外部に配置される水晶発振器等からの発振信号を用いて、周波数情報FINFにより示される周波数を有するクロック信号CLK0を生成してもよい。
The clock generation unit CGEN includes, for example, an oscillator, and generates a clock signal CLK0 having a frequency indicated by the frequency information FINF. The clock generation unit CGEN may generate a clock signal CLK0 having a frequency indicated by the frequency information FINF using an oscillation signal from a crystal oscillator or the like disposed inside or outside the
なお、電源電圧VDDが、クロック信号CLK0の周波数の変更に連動して変更される場合、比較部COMPは、周波数情報FINFに対応して生成される電源電圧VDDの値を示す情報を電圧情報Vmと比較してもよい。あるいは、クロック制御部14は、クロック信号CLK0の周波数を検出する回路を内蔵し、検出された周波数を、電圧情報Vmに対応する周波数情報と比較することで、接続制御信号CNを生成してもよい。
Note that, when the power supply voltage VDD is changed in conjunction with the change of the frequency of the clock signal CLK0, the comparison unit COMP displays information indicating the value of the power supply voltage VDD generated corresponding to the frequency information FINF as the voltage information Vm. May be compared. Alternatively, the
クロック分配部16は、クロック信号CLK0を分岐して複数のクロック信号CLKa1、CLKb1、CLKc1、CLKd1を生成する複数のクロックバッファCBUFを有する。なお、図2では、図面を見やすくするために、クロック信号CLK0の分岐数を実際より少ない。すなわち、クロック信号CLK0の分岐数は、図2の4つに限定されない。
The
切り替え部18は、クロック信号線CLKa1、CLKb1、CLKc1、CLKdをクロックメッシュCMESHに接続するスイッチSW(SWa、SWb、SWc、SWd)を有する。例えば、スイッチSWa、SWb、SWc、SWdは、接続制御信号CNがハイレベルのときにオンされ、クロック信号線CLKa1、CLKb1、CLKc1、CLKdをクロックメッシュCMESHに接続する。スイッチSWa、SWb、SWc、SWdは、接続制御信号CNがロウレベルのときにオフされ、クロック信号線CLKa1、CLKb1、CLKc1、CLKd1とクロックメッシュCMESHとの接続を解除する。なお、スイッチSWa、SWb、SWc、SWdは、接続制御信号CNがロウレベルのときにオンされ、ハイレベルのときにオフされてもよい。この場合、判定部COMPの判定論理は、上述と逆になる。
The switching
論理回路部20は、クロック信号CLKa1、CLKb1、CLKc1、CLKd1を受け、クロック信号CLKa2、CLKb2、CLKc2、CLKd2としてそれぞれ出力する複数のクロックバッファCBUFを有する。また、論理回路部20は、クロック信号CLKa2、CLKb2、CLKc2、CLKd2を受けて動作するフリップフロップFFを含む論理回路を有する。論理回路部20は、電源回路部12が生成する電源電圧VDDにより動作する。また、実際には各フリップフロップFF間には様々な組み合わせ論理回路が存在しているが、ここでは簡単化のため省略している。なお、論理回路部20は、クロック信号CLKa1、CLKb1、CLKc1、CLKd1以外の制御信号やデータ信号等を、半導体装置100Aの内部に入出力し、制御信号やデータ信号等を半導体装置100Aの外部に入出力してもよい。
The
なお、図2では、クロック分配部16、切り替え部18、クロックメッシュCMESHおよび論理回路部20は、説明を分かりやすくするために互いに離れているが、実際には、共通の領域に重複して配置される。
In FIG. 2, the
図3は、図2に示したクロック分配部16、切り替え部18、クロックメッシュCMESHおよび論理回路部20の例を示す。例えば、切り替え部18のスイッチSW(SWa、SWb)は、nMOSトランジスタとpMOSトランジスタのソース、ドレインを互いに接続したCMOSトランスミッションゲートである。図6に示すように、クロックメッシュCMESHは、例えば、論理回路部20内に格子状に配線される。クロック信号線CLKa1、CLKb1を、CMOSトランスミッションゲート等のスイッチSWを用いてクロックメッシュCMESHに接続することで、論理信号である接続制御信号CNによりクロックメッシュCMESHの接続/非接続を制御できる。
FIG. 3 shows an example of the
スイッチSWa、SWbは、接続制御信号CNがハイレベルのときにオンし、クロック信号線CLKa1、CLKb1をクロックメッシュCMESHに接続する。この場合、クロック信号線CLKa1、CLKb1がクロックメッシュCMESHを介して短絡されるため、クロック信号CLKa1、CLKb1のクロックスキューの量は、クロック信号線CLKa1、CLKb1が短絡されない場合に比べて小さくなる。ここで、クロックスキューは、クロック信号CLKa1、CLKb1の遷移エッジのタイミングのずれ(ばらつき)である。 The switches SWa and SWb are turned on when the connection control signal CN is at a high level, and connect the clock signal lines CLKa1 and CLKb1 to the clock mesh CMESH. In this case, since the clock signal lines CLKa1 and CLKb1 are short-circuited via the clock mesh CMESH, the amount of clock skew of the clock signals CLKa1 and CLKb1 is smaller than when the clock signal lines CLKa1 and CLKb1 are not short-circuited. Here, the clock skew is a shift (variation) in timing of transition edges of the clock signals CLKa1 and CLKb1.
但し、スイッチSWa、SWbのオンにより、クロック信号線CLKa1、CLKb1は、共通の負荷であるクロックメッシュCMESHに接続される。このため、クロック信号CLKa1、CLKb1を出力するクロックバッファCBUFのクロックパルスによる充放電電流は、スイッチSWa、SWbがオフされる場合に比べて増加し、消費電力は増加する。 However, when the switches SWa and SWb are turned on, the clock signal lines CLKa1 and CLKb1 are connected to the clock mesh CMESH which is a common load. For this reason, the charge / discharge current due to the clock pulse of the clock buffer CBUF that outputs the clock signals CLKa1 and CLKb1 increases as compared with the case where the switches SWa and SWb are turned off, and the power consumption increases.
一方、スイッチSWa、SWbは、接続制御信号CNがロウレベルのときにオフし、クロック信号線CLKa1、CLKb1とクロックメッシュCMESHとの接続を解除する。この場合、クロック信号CLKa1、CLKb1は短絡せずに独立して生成されるため、クロック信号CLKa1、CLKb1のクロックスキューは、クロック信号線CLKa1、CLKb1が短絡される場合に比べて大きくなる。 On the other hand, the switches SWa and SWb are turned off when the connection control signal CN is at a low level, and the connection between the clock signal lines CLKa1 and CLKb1 and the clock mesh CMESH is released. In this case, since the clock signals CLKa1 and CLKb1 are generated independently without being short-circuited, the clock skew of the clock signals CLKa1 and CLKb1 becomes larger than that when the clock signal lines CLKa1 and CLKb1 are short-circuited.
但し、クロック信号線CLKa1、CLKb1は、電源電圧VDDが電圧情報Vmで示される所定値より高い場合に、クロックメッシュCMESHから切り離される。クロックスキューは、電源電圧VDDが高いほど小さくなるため、クロックスキューの増加の影響は、電源電圧VDDが低いときに比べて小さい。 However, the clock signal lines CLKa1 and CLKb1 are disconnected from the clock mesh CMESH when the power supply voltage VDD is higher than a predetermined value indicated by the voltage information Vm. Since the clock skew becomes smaller as the power supply voltage VDD is higher, the influence of the increase in the clock skew is smaller than when the power supply voltage VDD is low.
また、スイッチSWa、SWbのオフにより、クロック信号CLKa1、CLKb1を出力するクロックバッファCBUFは、クロックメッシュCMESHを駆動しない。このため、クロック信号CLKa1、CLKb1を出力するクロックバッファCBUFのクロックパルスによる充放電電流は、スイッチSWa、SWbがオンされる場合に比べて減少し、消費電力は減少する。 Further, when the switches SWa and SWb are turned off, the clock buffer CBUF that outputs the clock signals CLKa1 and CLKb1 does not drive the clock mesh CMESH. Therefore, the charge / discharge current due to the clock pulse of the clock buffer CBUF that outputs the clock signals CLKa1 and CLKb1 is reduced as compared with the case where the switches SWa and SWb are turned on, and the power consumption is reduced.
クロック信号CLKa2を受けるフリップフロップFFは、クロック信号CLKa2に同期してデータ信号DT0をラッチし、データ信号DT1として出力する。クロック信号CLKb2を受けるフリップフロップFFは、例えば、データ信号DT1をインバータIVおよびホールドバッファHBUFで遅延させたデータ信号DT2をラッチし、データ信号DT3として出力する。 The flip-flop FF that receives the clock signal CLKa2 latches the data signal DT0 in synchronization with the clock signal CLKa2, and outputs it as the data signal DT1. The flip-flop FF that receives the clock signal CLKb2, for example, latches the data signal DT2 obtained by delaying the data signal DT1 by the inverter IV and the hold buffer HBUF, and outputs the data signal DT3.
図3に示すように、クロック信号CLKa2を受けるフリップフロップFFとクロック信号CLKb2を受けるフリップフロップFFの間には、データ信号DT2を遅延させるホールドバッファHBUFが挿入される。ホールドバッファHBUFについては、図4で説明する。 As shown in FIG. 3, a hold buffer HBUF that delays the data signal DT2 is inserted between the flip-flop FF that receives the clock signal CLKa2 and the flip-flop FF that receives the clock signal CLKb2. The hold buffer HBUF will be described with reference to FIG.
図4は、図3に示した論理回路部20の動作の例を示す。例えば、図4の上側の波形は、電源電圧VDDが動作可能な最大の値VDDmaxに設定された場合を示し、図4の下側の波形は、電源電圧VDDが動作可能な最小の値VDDminに設定された場合を示す。クロック信号CLKb2に示した斜線は、クロック信号CLKb2のクロック信号CLKa2に対するクロックスキューの範囲を示す。
FIG. 4 shows an example of the operation of the
電源電圧VDDが高い場合(VDDmax)、論理回路部20の各回路の動作速度は高くなり、論理回路20の内部で伝達される信号の伝搬遅延時間は、電源電圧VDDが低い場合に比べて短くなる。また、電源電圧VDDが高い場合、OCV(On Chip Variation)による信号の伝搬タイミングのばらつきは現れにくくなり、ノイズによる電源電圧VDDや接地電圧VSSの変動による回路の動作速度のばらつきも現れにくくなる。これにより、例えば、クロック信号CLKa2に対するクロック信号CLKb2のクロックスキューは、電源電圧VDDが低い場合に比べて小さくなる。なお、OCVは、製造工程に起因する半導体チップ内のトランジスタ特性や配線抵抗などのばらつきのことをいう。
When the power supply voltage VDD is high (VDDmax), the operation speed of each circuit of the
以上より、電源電圧VDDが高い場合、クロック信号CLKb2の遷移エッジからデータ信号DT2の論理を保持する時間の仕様であるホールド制約は、クロックスキューの大きさに拘わらず満たされる。例えば、ホールド時間をゼロとすると、クロック信号CLKa2に対してクロック信号CLKb2に許容されるクロックスキューは、クロック信号CLKa2の立ち上がりエッジからデータ信号DT2がフリップフロップFFに到達するまでである。ここで、クロックスキューは、クロック信号CLKa2の立ち上がりエッジからクロック信号CLKb2の立ち上がりエッジまで許容される。 As described above, when the power supply voltage VDD is high, the hold constraint that is the specification of the time for holding the logic of the data signal DT2 from the transition edge of the clock signal CLKb2 is satisfied regardless of the magnitude of the clock skew. For example, if the hold time is zero, the clock skew allowed for the clock signal CLKb2 with respect to the clock signal CLKa2 is from the rising edge of the clock signal CLKa2 until the data signal DT2 reaches the flip-flop FF. Here, the clock skew is allowed from the rising edge of the clock signal CLKa2 to the rising edge of the clock signal CLKb2.
一方、電源電圧VDDが低い場合(VDDmin)、論理回路部20の各回路の動作速度は低くなり、論理回路20の内部で伝達される信号の伝搬遅延時間は、電源電圧VDDが高い場合に比べて長くなる。また、電源電圧VDDが低い場合、OCVによる信号の伝搬タイミングのばらつきは現れやすくなり、ノイズによる電源電圧VDDや接地電圧VSSの変動による回路の動作速度のばらつきも現れやすくなる。これにより、例えば、クロック信号CLKa2に対するクロック信号CLKb2のクロックスキューは、電源電圧VDDが高い場合に比べて大きくなる。
On the other hand, when the power supply voltage VDD is low (VDDmin), the operation speed of each circuit of the
クロックスキューが大きくなり、クロック信号CLKb2の立ち上がりエッジがデータ信号DT2の変化タイミングより遅くなると、クロック信号CLKb2とデータ信号DT2を受けるフリップフロップFFのホールド制約を満たすための時間余裕tMは負値になる。これにより、クロック信号CLKb2を受けるフリップフロップFFは、本来のデータ値D0をラッチできず、1クロックサイクル後のデータ値D1をラッチするおそれがある。 When the clock skew increases and the rising edge of the clock signal CLKb2 becomes later than the change timing of the data signal DT2, the time margin tM for satisfying the hold constraint of the flip-flop FF that receives the clock signal CLKb2 and the data signal DT2 becomes a negative value. . As a result, the flip-flop FF that receives the clock signal CLKb2 cannot latch the original data value D0 and may latch the data value D1 after one clock cycle.
実際には、図3に示したように、フリップフロップFFが誤ったデータ値D1をラッチしないように、遅延回路として機能する少なくとも1つのホールドバッファHBUFが、データ信号DT2の伝搬経路に挿入される。そして、図4の一番下に示したように、ホールドバッファHBUFの挿入により、フリップフロップFFへのデータ信号DT2の供給タイミングを遅らせることで、ホールド制約は満足する。 Actually, as shown in FIG. 3, at least one hold buffer HBUF functioning as a delay circuit is inserted in the propagation path of the data signal DT2 so that the flip-flop FF does not latch the erroneous data value D1. . Then, as shown at the bottom of FIG. 4, the hold constraint is satisfied by delaying the supply timing of the data signal DT2 to the flip-flop FF by inserting the hold buffer HBUF.
なお、図3に示したように、クロックメッシュCMESHをスイッチSWa、SWbを介してクロック信号線CLKa1、CLKb1に接続することで、クロックスキューを小さくできる。これにより、ホールドバッファHBUFの挿入数は最小限で済む。 As shown in FIG. 3, the clock skew can be reduced by connecting the clock mesh CMESH to the clock signal lines CLKa1 and CLKb1 via the switches SWa and SWb. This minimizes the number of hold buffer HBUF insertions.
図5は、図2に示した電圧情報Vmを決定する手法の例を示す。例えば、電圧情報Vmは、図2に示した論理回路部20の設計後、例えば、回路シミュレーションにより求められる。なお、図2に示したホールドバッファHBUFの挿入数は、論理回路部20の設計中に決定される。
FIG. 5 shows an example of a method for determining the voltage information Vm shown in FIG. For example, the voltage information Vm is obtained by, for example, circuit simulation after designing the
特性C1は、クロックメッシュCMESHがクロック信号線CLKa1、CLKb1、CLKc1、CLKd1に接続されない場合のクロックスキューの電源電圧VDDに対する依存性を示す。特性C2は、クロックメッシュCMESHがクロック信号線CLKa1、CLKb1、CLKc1、CLKd1に接続される場合のクロックスキューの電源電圧VDDに対する依存性を示す。 A characteristic C1 shows the dependency of the clock skew on the power supply voltage VDD when the clock mesh CMESH is not connected to the clock signal lines CLKa1, CLKb1, CLKc1, and CLKd1. A characteristic C2 indicates the dependency of the clock skew on the power supply voltage VDD when the clock mesh CMESH is connected to the clock signal lines CLKa1, CLKb1, CLKc1, and CLKd1.
図4で説明したように、クロックスキューは、電源電圧VDDが低い方が、電源電圧VDDが高い場合に比べて大きくなる。また、図3で説明したように、クロックスキューは、クロック信号CLK0の経路にクロックメッシュCMESHが接続された方(特性C2)が、クロック信号CLK0の経路にクロックメッシュCMESHが接続されない場合(特性C1)に比べて小さくなる。 As described with reference to FIG. 4, the clock skew is larger when the power supply voltage VDD is lower than when the power supply voltage VDD is high. As described with reference to FIG. 3, the clock skew is caused when the clock mesh CMESH is connected to the path of the clock signal CLK0 (characteristic C2) and when the clock mesh CMESH is not connected to the path of the clock signal CLK0 (characteristic C1). ) Smaller than
特性C3は、半導体装置100Aの最低動作保証電圧における特性C2のクロックスキューを基準にする場合に許容されるクロックスキューを示す。特性C1、C2において、特性C3よりクロックスキューが大きい領域は、ホールド制約を満足せず、ホールド制約を満たすための時間余裕tMは、図4に示した負の値になるおそれがある。一方、特性C1、C2において、特性C3よりクロックスキューが小さい領域は、ホールド制約を満足する。
A characteristic C3 indicates a clock skew allowed when the clock skew of the characteristic C2 at the minimum operation guaranteed voltage of the
そこで、この実施形態では、クロックメッシュCMESHがクロック信号線CLKa1、CLKb1、CLKc1、CLKd1に接続されない特性C1がホールド制約を満足する範囲内において、電源電圧VDDが最も小さい値が電圧情報Vmに設定される。なお、電圧情報Vmが示す電圧値は、クロックメッシュCMESHがクロック信号線(CLKa1等)から切り離された状態で、特性C1がホールド制約を満足する電源電圧VDDの範囲内(例えば、電源電圧VDDの低い側)に設定されればよい。これにより、最低動作保証電圧から最高動作保証電圧の間の全ての電源電圧VDDにおいて、ホールド制約を満足できる。換言すれば、ホールド制約を違反させることなく、クロックメッシュCMESHは、クロック信号線CLKa1、CLKb1、CLKc1、CLKd1から切り離し可能である。 Therefore, in this embodiment, the voltage information Vm is set to the smallest value of the power supply voltage VDD within a range where the characteristic C1 in which the clock mesh CMESH is not connected to the clock signal lines CLKa1, CLKb1, CLKc1, and CLKd1 satisfies the hold constraint. The The voltage value indicated by the voltage information Vm is within a range of the power supply voltage VDD in which the characteristic C1 satisfies the hold constraint in a state where the clock mesh CMESH is disconnected from the clock signal line (CLKa1 or the like) (for example, the power supply voltage VDD The lower side may be set. As a result, the hold constraint can be satisfied in all power supply voltages VDD between the lowest guaranteed operating voltage and the highest guaranteed operating voltage. In other words, the clock mesh CMESH can be disconnected from the clock signal lines CLKa1, CLKb1, CLKc1, and CLKd1 without violating the hold constraint.
図6は、図2に示したクロックメッシュCMESHおよびスイッチSW(SWa、SWb、SWc、SWd)の配置の例を示す。図6において、太い実線は、クロックメッシュCMESHを示し、細い実線は、クロック信号線を示し、網掛けで示す矩形は、図3に示した切り替え部18のスイッチSWを示す。例えば、クロックメッシュCMESH、クロック分配部16および切り替え部18(スイッチSW)は、図2に示した論理回路部20内に配置される。
FIG. 6 shows an example of the arrangement of the clock mesh CMESH and the switches SW (SWa, SWb, SWc, SWd) shown in FIG. In FIG. 6, the thick solid line indicates the clock mesh CMESH, the thin solid line indicates the clock signal line, and the shaded rectangle indicates the switch SW of the switching
例えば、クロックメッシュCMESHは、論理回路部20内に格子状に配置される。クロックメッシュCMESHは、網目状に配置されてもよい。例えば、クロック信号CLK0は、クロック分配部16のクロックバッファCBUFにより、論理回路部20の中央付近から外側に向けて順次に分岐され、格子の交点に対応して配置されるスイッチSWを介してクロックメッシュCMESHに接続される。すなわち、切り替え部18は、クロックメッシュCMESHの信号線の交差部分に配置される。これにより、スイッチSWは、論理回路部20内に分散して配置されるため、クロック信号CLKa1等がクロックメッシュCMESHに接続される場合に、クロックスキューを論理回路部20内の位置に依存せず平均的に小さくできる。
For example, the clock mesh CMESH is arranged in a lattice pattern in the
図7は、図2に示した半導体装置100Aの動作モードの例を示す。例えば、半導体装置100Aは、論理回路部20に要求される処理能力に応じて、4つの動作モードMD(MD1、MD2、MD3、MD4)のいずれかに設定される。
FIG. 7 shows an example of operation modes of the
動作モードMD1では、クロック信号CLK0の周波数がF1に設定され、電源電圧VDDがV1に設定される。動作モードMD2では、クロック信号CLK0の周波数がF2に設定され、電源電圧VDDがV2に設定される。動作モードMD3では、クロック信号CLK0の周波数がF3に設定され、電源電圧VDDがV3に設定される。動作モードMD4では、クロック信号CLK0の周波数がF4に設定され、電源電圧VDDがV4に設定される。 In the operation mode MD1, the frequency of the clock signal CLK0 is set to F1, and the power supply voltage VDD is set to V1. In the operation mode MD2, the frequency of the clock signal CLK0 is set to F2, and the power supply voltage VDD is set to V2. In the operation mode MD3, the frequency of the clock signal CLK0 is set to F3, and the power supply voltage VDD is set to V3. In the operation mode MD4, the frequency of the clock signal CLK0 is set to F4, and the power supply voltage VDD is set to V4.
例えば、クロック信号CLK0の周波数の大小関係は、F1<F2<F3<F4であり、電源電圧VDDの大小関係は、V1<V2<V3<V4である。特に限定されないが、例えば、周波数F1は1M(メガ)Hzであり、周波数F2は10MHzであり、周波数F3は100MHzであり、周波数F4は1000MHz(=1GHz)である。また、特に限定されないが、例えば、電源電圧V1は0.3Vであり、電源電圧V2は0.5Vであり、電源電圧V3は0.8Vであり、電源電圧V4は1.2Vである。換言すれば、半導体装置100Aの論理回路部20に要求される処理能力は、動作モードMD1、MD2、MD3、MD4の順に大きくなる。
For example, the magnitude relationship of the frequency of the clock signal CLK0 is F1 <F2 <F3 <F4, and the magnitude relationship of the power supply voltage VDD is V1 <V2 <V3 <V4. Although not particularly limited, for example, the frequency F1 is 1 M (mega) Hz, the frequency F2 is 10 MHz, the frequency F3 is 100 MHz, and the frequency F4 is 1000 MHz (= 1 GHz). Although not particularly limited, for example, the power supply voltage V1 is 0.3V, the power supply voltage V2 is 0.5V, the power supply voltage V3 is 0.8V, and the power supply voltage V4 is 1.2V. In other words, the processing capability required for the
半導体装置100Aは、動作モードMD1、MD2を相互に移行可能であり、動作モードMD1、MD3を相互に移行可能である。また、半導体装置100Aは、動作モードMD2、MD3を相互に移行可能であり、動作モードMD2、MD4を相互に移行可能であり、動作モードMD3、MD4を相互に移行可能である。
The
この例では、図2に示した電圧情報Vmは、電源電圧VDD2と電源電圧VDD3の間の値(例えば、0.65V)を示す。そして、動作モードMD1、MD2では、接続制御信号CNがハイレベルHに設定され、図2に示したクロック信号線CLKa1、CLKb1、CLKc1、CLKd1は、クロックメッシュCMESHに接続される。動作モードMD3、MD4では、接続制御信号CNがロウレベルLに設定され、クロック信号線CLKa1、CLKb1、CLKc1、CLKd1は、クロックメッシュCMESHから切り離される。 In this example, the voltage information Vm illustrated in FIG. 2 indicates a value (for example, 0.65 V) between the power supply voltage VDD2 and the power supply voltage VDD3. In the operation modes MD1 and MD2, the connection control signal CN is set to the high level H, and the clock signal lines CLKa1, CLKb1, CLKc1, and CLKd1 shown in FIG. 2 are connected to the clock mesh CMESH. In the operation modes MD3 and MD4, the connection control signal CN is set to the low level L, and the clock signal lines CLKa1, CLKb1, CLKc1, and CLKd1 are disconnected from the clock mesh CMESH.
図8は、図2に示した半導体装置100Aにおける消費エネルギーの電源電圧VDDに対する依存性の例を示す。例えば、消費エネルギーは、J/cycle(ジュール/クロックサイクル)で表される。
FIG. 8 shows an example of the dependency of the energy consumption on the power supply voltage VDD in the
図8において、一点鎖線C4は、クロック信号線CLKa1、CLKb1、CLKc1、CLKd1にクロックメッシュCMESHが接続される場合の特性を示す。一点鎖線C5は、クロック信号線CLKa1、CLKb1、CLKc1、CLKd1にクロックメッシュCMESHが接続されない場合の特性を示す。二点鎖線C6は、図4において、ホールドバッファHBUFを挿入した場合の特性(クロックメッシュCMESHを持たない半導体装置)を示す。太い実線は、この実施形態における消費エネルギーの特性を示す。太い実線は、電圧情報Vmが示す電源電圧VDD以下の領域では特性C4と重複し、電圧情報Vmが示す電源電圧VDDより高い領域では特性C5と重複する。 In FIG. 8, an alternate long and short dash line C4 indicates characteristics when the clock mesh CMESH is connected to the clock signal lines CLKa1, CLKb1, CLKc1, and CLKd1. An alternate long and short dash line C5 indicates characteristics when the clock mesh CMESH is not connected to the clock signal lines CLKa1, CLKb1, CLKc1, and CLKd1. An alternate long and two short dashes line C6 indicates characteristics (semiconductor device having no clock mesh CMESH) when the hold buffer HBUF is inserted in FIG. A thick solid line shows the characteristic of energy consumption in this embodiment. The thick solid line overlaps with the characteristic C4 in a region below the power supply voltage VDD indicated by the voltage information Vm, and overlaps with the characteristic C5 in a region higher than the power supply voltage VDD indicated by the voltage information Vm.
この実施形態では、クロックメッシュCMESHの寄生容量を充放電する電流が大きい電源電圧VDD(V3、V4)では、クロックメッシュCMESHは、クロック信号線CLKa1、CLKb1、CLKc1、CLKd1から切り離される。これにより、消費エネルギーは、クロックメッシュCMESHがクロック信号線CLKa1、CLKb1、CLKc1、CLKd1に接続される場合(特性C4)に比べて削減される(図8(a))。 In this embodiment, the clock mesh CMESH is disconnected from the clock signal lines CLKa1, CLKb1, CLKc1, and CLKd1 at the power supply voltage VDD (V3, V4) with a large current for charging and discharging the parasitic capacitance of the clock mesh CMESH. Thereby, the energy consumption is reduced as compared with the case where the clock mesh CMESH is connected to the clock signal lines CLKa1, CLKb1, CLKc1, and CLKd1 (characteristic C4) (FIG. 8A).
また、トランジスタのソース、ドレイン間のリーク電流が相対的に増える電源電圧VDD(V1、V2)では、クロックメッシュCMESHは、クロック信号線CLKa1、CLKb1、CLKc1、CLKd1に接続される。これにより、特性C6で示されるクロックメッシュCMESHを持たない半導体装置に比べて、ホールドバッファHBUFの挿入数は減り、ホールドバッファHBUFの総リーク電流量が少なくなるため、消費エネルギーは削減される(図8(b))。 The clock mesh CMESH is connected to the clock signal lines CLKa1, CLKb1, CLKc1, and CLKd1 at the power supply voltage VDD (V1, V2) in which the leakage current between the source and drain of the transistor relatively increases. As a result, the number of hold buffer HBUF insertions is reduced and the total leakage current amount of the hold buffer HBUF is reduced as compared with a semiconductor device not having the clock mesh CMESH indicated by the characteristic C6, so that energy consumption is reduced (FIG. 8 (b)).
以上より、動作モードMD3、MD4では、クロックメッシュCMESHを持たない特性C6に近い特性になり、動作モードMD1、MD2では、ホールドバッファHBUFの数を最小限にできる特性C4に近い特性になる。このように、この実施形態では、クロックメッシュCMESHの接続が、動作モードMD1−MD4に応じて動的に切り替えられるため、電源電圧VDDに拘わりなく、消費エネルギーを従来に比べて少なくできる。 As described above, the operation modes MD3 and MD4 have characteristics close to the characteristic C6 without the clock mesh CMESH, and the operation modes MD1 and MD2 have characteristics close to the characteristic C4 that can minimize the number of hold buffers HBUF. As described above, in this embodiment, since the connection of the clock mesh CMESH is dynamically switched according to the operation modes MD1 to MD4, energy consumption can be reduced compared to the conventional case regardless of the power supply voltage VDD.
図9は、図2に示した半導体装置100Aの動作の例を示す。この例では、半導体装置100Aは、動作モードMD4から動作モードMD2に移行し、さらに、動作モードMD2から動作モードMD3に移行する。網掛けで示した符号SWPは、動作モードMDの切り替え時の遷移期間であり。例えば、電源電圧VDDが所定の値に変化するまでの切り替え期間である。
FIG. 9 shows an example of the operation of the
負荷情報LDINFに示した符号LD1、LD2、LD3、LD4は、論理回路部20に要求される処理能力の大きさ(負荷)を示し、図7に示した動作モードMD1、MD2、MD3、MD4にそれぞれ対応する。すなわち、負荷は、LD1<LD2<LD3<LD4の順で大きくなる。
Reference numerals LD1, LD2, LD3, and LD4 indicated in the load information LDINF indicate the magnitude (load) of the processing capability required for the
例えば、負荷情報LDINFのLD4からLD2への変化は、動作モードMD4から動作モードMD2への移行の指示を示し、負荷情報LDINFのLD2からLD3への変化は、動作モードMD2から動作モードMD3への移行の指示を示す。図2に示した負荷制御部10は、負荷情報LDINFに基づいて、設定するクロック信号CLK0の周波数を示す周波数情報FINFおよび設定する電源電圧VDDの値を示す電圧情報VINFを生成する。図7に示したように、周波数情報FINFは、周波数F1、F2、F3、F4のいずれかを示し、電圧情報VINFは、電源電圧V1、V2、V3、V4のいずれかを示す。
For example, a change in the load information LDINF from LD4 to LD2 indicates an instruction to shift from the operation mode MD4 to the operation mode MD2, and a change in the load information LDINF from LD2 to LD3 indicates a change from the operation mode MD2 to the operation mode MD3. Indicates migration instructions. The
動作モードMD4では、クロックメッシュCMESHは、クロック信号線CLKa1、CLKb1、CLKc1、CLKd1から切り離される(図9(a))。動作モードMD4から動作モードMD2に切り替えられる場合、比較回路COMPは、電源電圧VDDが電圧情報Vmにより示される所定値以下になったことに応答して接続制御信号CNをロウレベルからハイレベルに変化する(図9(b))。これにより、クロックメッシュCMESHは、クロック信号線CLKa1、CLKb1、CLKc1、CLKd1に接続される(図9(c))。 In the operation mode MD4, the clock mesh CMESH is disconnected from the clock signal lines CLKa1, CLKb1, CLKc1, and CLKd1 (FIG. 9A). When the operation mode MD4 is switched to the operation mode MD2, the comparison circuit COMP changes the connection control signal CN from the low level to the high level in response to the power supply voltage VDD being equal to or lower than the predetermined value indicated by the voltage information Vm. (FIG. 9B). Thus, the clock mesh CMESH is connected to the clock signal lines CLKa1, CLKb1, CLKc1, and CLKd1 (FIG. 9C).
動作モードMD2から動作モードMD3に切り替えられる場合、比較回路COMPは、電源電圧VDDが電圧情報Vmにより示される所定値より高くなったことに応答して接続制御信号CNをハイレベルからロウレベルに変化する(図9(d))。これにより、クロックメッシュCMESHは、クロック信号線CLKa1、CLKb1、CLKc1、CLKd1から切り離される(図9(e))。 When the operation mode MD2 is switched to the operation mode MD3, the comparison circuit COMP changes the connection control signal CN from the high level to the low level in response to the power supply voltage VDD becoming higher than a predetermined value indicated by the voltage information Vm. (FIG. 9 (d)). As a result, the clock mesh CMESH is disconnected from the clock signal lines CLKa1, CLKb1, CLKc1, and CLKd1 (FIG. 9 (e)).
なお、電源電圧VDDが高い側から低い側に遷移する場合(例えば、動作モードMD4から動作モードMD2への移行)、論理回路部20は、電源電圧VDDの低下を待たずに動作を開始可能である。換言すれば、論理回路部20は、切り替え期間SWP中に新たな動作モードでの動作を開始可能である。一方、電源電圧VDDが低い側から高い側に遷移する場合(例えば、動作モードMD2から動作モードMD3への移行)、論理回路部20は、電源電圧VDDが規定の値(例えば、V3)まで上昇した後に動作を開始する。換言すれば、電源電圧VDDが低い側から高い側に遷移する場合、論理回路部20は、切り替え期間SWP後に新たな動作モードでの動作を開始する。
When the power supply voltage VDD changes from the high side to the low side (for example, transition from the operation mode MD4 to the operation mode MD2), the
以上、この実施形態においても、図1に示した実施形態と同様に、電源電圧VDDに拘わりなく、クロックスキューを抑制しながら半導体装置100Aの消費電力の増加を抑制できる。さらに、この実施形態では、比較部COMPが、電源電圧VDDと電圧情報Vmにより示される所定値との大小関係を判定するため、クロック信号線(CLKa1等)へのクロックメッシュCMESHの接続/非接続を、電源電圧VDDに基づいて正確に制御できる。
As described above, also in this embodiment, as in the embodiment shown in FIG. 1, an increase in power consumption of the
また、図5に示したように、電圧情報Vmは、クロックメッシュCMESHがクロック信号線CLKa1、CLKb1、CLKc1、CLKd1に接続されない特性C1がホールド制約を満足する範囲内で、電源電圧VDDが低い側に設定される。これにより、ホールド制約を違反させることなく、クロックメッシュCMESHをクロック信号線CLKa1、CLKb1、CLKc1、CLKd1から切り離しできる。 Further, as shown in FIG. 5, the voltage information Vm indicates that the power supply voltage VDD is low within the range in which the characteristic C1 in which the clock mesh CMESH is not connected to the clock signal lines CLKa1, CLKb1, CLKc1, and CLKd1 satisfies the hold constraint. Set to As a result, the clock mesh CMESH can be disconnected from the clock signal lines CLKa1, CLKb1, CLKc1, and CLKd1 without violating the hold constraint.
クロック信号線CLKa1、CLKb1、CLKc1、CLKd1は、CMOSトランスミッションゲート等のスイッチSWa、SWb、SWc、SWdを用いてクロックメッシュCMESHに接続される。これにより、論理信号である接続制御信号CNによりクロックメッシュCMESHの接続/非接続を制御できる。 The clock signal lines CLKa1, CLKb1, CLKc1, and CLKd1 are connected to the clock mesh CMESH using switches SWa, SWb, SWc, and SWd such as CMOS transmission gates. Thereby, the connection / disconnection of the clock mesh CMESH can be controlled by the connection control signal CN which is a logic signal.
図6に示したように、スイッチSWは、クロックメッシュCMESHの信号線の交差部分に配置されるため、スイッチSWは論理回路部20内に分散して配置される。これにより、クロック信号線CLKa1、CLKb1、CLKc1、CLKd1がクロックメッシュCMESHに接続される場合に、論理回路部20内の位置に依存せず、クロックスキューを平均的に小さくできる。
As shown in FIG. 6, since the switch SW is arranged at the intersection of the signal lines of the clock mesh CMESH, the switch SW is arranged in a distributed manner in the
図10は、半導体装置および半導体装置の制御方法の別の実施形態を示す。上述した実施形態で説明した要素と同一または同様の要素については、同一の符号を付し、これ等については、詳細な説明を省略する。この実施形態の半導体装置100Bは、図2に示した電源管理部12およびクロック制御部14の代わりに、電源管理部12Bおよびクロック制御部14Bを有する。
FIG. 10 shows another embodiment of a semiconductor device and a method for controlling the semiconductor device. Elements that are the same as or similar to the elements described in the above-described embodiment are assigned the same reference numerals, and detailed descriptions thereof are omitted. The
半導体装置100Bのその他の構成は、図2に示した半導体装置100Aと同様である。すなわち、半導体装置100Bは、図3および図6と同様の構成を有し、半導体装置100Bの動作モードの遷移は、図7に示され、半導体装置100Bの特性の例は、図8に示される。
Other configurations of the
電源管理部12Bは、アナログデジタルコンバータADCを持たないことを除き、図2に示した電源管理部12と同様である。すなわち、電源管理部12Bは、半導体装置100Bの外部から受ける電源電圧VDD0を用いて、負荷制御部10からの電圧情報VINFにより示される電源電圧VDDを生成する。
The
クロック制御部14Bは、モード検出部MDDET、スイッチテーブルSWTBL、接続制御部CNCNTおよびクロック生成部CGENを有する。クロック生成部CGENの機能は、図2に示したクロック生成部CGENと同様である。
The
モード検出部MDDETは、負荷制御部10からの電圧情報VINFおよび周波数情報FINFに基づいて動作モードMD(MD1−MD4のいずれか)を検出する。なお、モード検出部MDDETは、周波数情報FINFを用いずに、電圧情報VINFから動作モードMDを検出してもよい。モード検出部MDDETは、検出した動作モードMDを示すモード情報PMDを保持し、保持したモード情報PMDを接続制御部CNCNTに出力する。
The mode detection unit MDDET detects the operation mode MD (any one of MD1-MD4) based on the voltage information VINF and the frequency information FINF from the
スイッチテーブルSWTBLは、動作モードMDが切り替えられる場合の待機時間の情報を記憶する。例えば、動作モードMD2(前モード)から動作モードMD3(現モード)に切り替えられる場合の待機時間は、T1である。動作モードMD1から動作モードMD3に切り替えられる場合の待機時間は、T2である。動作モードMD2から動作モードMD4に切り替えられる場合の待機時間は、T3である。一方、上記の3つの切り替え以外の待機時間は0である。なお、待機時間に示した”0(don’t Care)”は、接続制御信号CNの論理が変更されない動作モードMDの切り替えを示す。スイッチテーブルSWTBLは、接続制御部CNCNTからの要求に応じて、待機時間を示すテーブル情報TBLINFを出力する。 The switch table SWTBL stores information on standby time when the operation mode MD is switched. For example, the waiting time when the operation mode MD2 (previous mode) is switched to the operation mode MD3 (current mode) is T1. The waiting time when the operation mode MD1 is switched to the operation mode MD3 is T2. The waiting time when the operation mode MD2 is switched to the operation mode MD4 is T3. On the other hand, the waiting time other than the above three switching operations is zero. Note that “0 (don't Care)” shown in the standby time indicates switching of the operation mode MD in which the logic of the connection control signal CN is not changed. The switch table SWTBL outputs table information TBLINF indicating the standby time in response to a request from the connection control unit CNCNT.
待機時間T1、T2、T3は、動作モードMDの切り替え時の電源電圧VDDの上昇値に大きさに応じて設定される。例えば、動作モードMD1、MD2、MD3、MD4の電源電圧VDDは、図2に示した半導体装置100と同様に、それぞれ0.3V、0.5V、0.8V、1.2Vである。そして、電源電圧VDDは、動作モードMD2から動作モードMD3への切り替え時に0.3V上昇し、動作モードMD1から動作モードMD3への切り替え時に0.5V上昇し、動作モードMD2から動作モードMD4への切り替え時に0.7V上昇する。例えば、待機時間T1、T2、T3は、0.3V、0.5V、0.7Vに比例してこの順で長くなる。
The standby times T1, T2, and T3 are set according to the magnitude of the increase value of the power supply voltage VDD when the operation mode MD is switched. For example, the power supply voltages VDD in the operation modes MD1, MD2, MD3, and MD4 are 0.3V, 0.5V, 0.8V, and 1.2V, respectively, similarly to the
接続制御部CNCNTは、モード検出部MDDETからのモード情報PMDにより動作モードMDの切り替えを検出した場合に、スイッチテーブルSWTBLにアクセスして、動作モードMDの切り替え時の待機時間(TBLINF)を読み出す。接続制御部CNCNTは、動作モードが切り替わる前の動作モード(前モード)の情報を保持するために、ラッチ回路を有してもよい。 When the connection control unit CNCNT detects the switching of the operation mode MD based on the mode information PMD from the mode detection unit MDDET, the connection control unit CNCNT accesses the switch table SWTBL and reads the waiting time (TBLINF) when switching the operation mode MD. The connection control unit CNCNT may include a latch circuit in order to hold information on an operation mode (previous mode) before the operation mode is switched.
接続制御部CNCNTは、動作モードMD2から動作モードMD3に切り替わる場合、スイッチテーブルSWTBLにおいて上から2行目の待機時間T1をテーブル情報TBLINFとして読み出す。接続制御部CNCNTは、動作モードMD1から動作モードMD3に切り替わる場合、スイッチテーブルSWTBLにおいて上から3行目の待機時間T2をテーブル情報TBLINFとして読み出す。接続制御部CNCNTは、動作モードMD2から動作モードMD4に切り替わる場合、スイッチテーブルSWTBLにおいて上から4行目の待機時間T3をテーブル情報TBLINFとして読み出す。そして、接続制御部CNCNTは、動作モードMDの切り替えがクロックメッシュCMESHの切り離しを伴う場合、読み出した待機時間が示す所定時間後に接続制御信号CNをロウレベルに変更する。 When switching from the operation mode MD2 to the operation mode MD3, the connection control unit CNCNT reads the waiting time T1 in the second row from the top as the table information TBLINF in the switch table SWTBL. When switching from the operation mode MD1 to the operation mode MD3, the connection control unit CNCNT reads the waiting time T2 in the third row from the top as the table information TBLINF in the switch table SWTBL. When switching from the operation mode MD2 to the operation mode MD4, the connection control unit CNCNT reads the waiting time T3 in the fourth row from the top as the table information TBLINF in the switch table SWTBL. When the switching of the operation mode MD is accompanied by the disconnection of the clock mesh CMESH, the connection control unit CNCNT changes the connection control signal CN to a low level after a predetermined time indicated by the read standby time.
図11は、図10に示した半導体装置100Bの動作の例を示す図である。図9と同一または同様の動作については、詳細な説明は省略する。この例においても、図9と同様に、半導体装置100Bは、動作モードMD4から動作モードMD2に移行し、さらに、動作モードMD2から動作モードMD3に移行する。負荷情報LDINF、周波数情報FINF、電圧情報VINFおよび電源電圧VDDの変化は、図9と同様である。
FIG. 11 is a diagram illustrating an example of the operation of the
例えば、動作モードMD4から動作モードMD2への切り替わり時、接続制御部CNCNTは、図10に示したスイッチテーブルSWTBLの7行目を参照し、待機時間が0であることを認識する。そして、接続制御部CNCNTは、動作モードMD4から動作モードMD2への切り替えタイミングに合わせて接続制御信号CNをロウレベルからハイレベルに変化させる(図11(a))。ハイレベルの接続制御信号CNにより、クロックメッシュCMESHは、クロック信号線CLKa1、CLKb1、CLKc1、CLKd1に接続される(図11(b))。 For example, when switching from the operation mode MD4 to the operation mode MD2, the connection control unit CNCNT refers to the seventh row of the switch table SWTBL shown in FIG. 10 and recognizes that the standby time is zero. Then, the connection control unit CNCNT changes the connection control signal CN from the low level to the high level in accordance with the switching timing from the operation mode MD4 to the operation mode MD2 (FIG. 11 (a)). The clock mesh CMESH is connected to the clock signal lines CLKa1, CLKb1, CLKc1, and CLKd1 by the high-level connection control signal CN (FIG. 11B).
一方、動作モードMD2から動作モードMD3への切り替わり時、接続制御部CNCNTは、図10に示したスイッチテーブルSWTBLの2行目を参照し、待機時間がT1であることを認識する。そして、接続制御部CNCNTは、動作モードMD2から動作モードMD3への切り替えタイミングから待機時間T1後に接続制御信号CNをハイレベルからロウレベルに変化させる(図11(c))。ロウレベルの接続制御信号CNにより、クロックメッシュCMESHは、クロック信号線CLKa1、CLKb1、CLKc1、CLKd1から切り離される(図11(d))。 On the other hand, when switching from the operation mode MD2 to the operation mode MD3, the connection control unit CNCNT refers to the second row of the switch table SWTBL shown in FIG. 10 and recognizes that the standby time is T1. Then, the connection control unit CNCNT changes the connection control signal CN from the high level to the low level after the standby time T1 from the switching timing from the operation mode MD2 to the operation mode MD3 (FIG. 11 (c)). The clock mesh CMESH is disconnected from the clock signal lines CLKa1, CLKb1, CLKc1, and CLKd1 by the low level connection control signal CN (FIG. 11 (d)).
この実施形態では、電源電圧VDDが所定の値に上昇するまで、クロックメッシュCMESHのクロック信号線CLKa1、CLKb1、CLKc1、CLKd1からの切り離しが禁止される。これにより、電源電圧VDDが所定の値に上昇する前にクロックメッシュCMESHがクロック信号線CLKa1、CLKb1、CLKc1、CLKd1から切り離されることはなく、クロックスキューが大きくなることはない。換言すれば、図5において、電圧情報Vmが示す値より低い電源電圧VDDにおいて、クロックスキューが特性C1を示すことはなく、ホールド制約違反を避けることができる。この結果、論理回路部20が誤動作することを避けることができる。
In this embodiment, disconnection of the clock mesh CMESH from the clock signal lines CLKa1, CLKb1, CLKc1, and CLKd1 is prohibited until the power supply voltage VDD rises to a predetermined value. Accordingly, the clock mesh CMESH is not disconnected from the clock signal lines CLKa1, CLKb1, CLKc1, and CLKd1 before the power supply voltage VDD rises to a predetermined value, and the clock skew does not increase. In other words, in FIG. 5, at the power supply voltage VDD lower than the value indicated by the voltage information Vm, the clock skew does not show the characteristic C1, and the hold constraint violation can be avoided. As a result, it is possible to prevent the
以上、この実施形態においても、図1に示した実施形態と同様に、電源電圧VDDに拘わりなく、クロックスキューを抑制しながら半導体装置100Bの消費電力の増加を抑制できる。また、図2に示した実施形態と同様に、ホールド制約を違反することなく、クロックメッシュCMESHをクロック信号線CLKa1、CLKb1、CLKc1、CLKd1から切り離しできる。論理信号である接続制御信号CNによりクロックメッシュCMESHの接続/非接続を制御できる。スイッチSWをクロックメッシュCMESHの信号線の交差部分に配置することで、クロック信号線CLKa1、CLKb1、CLKc1、CLKd1がクロックメッシュCMESHに接続される場合に、クロックスキューを平均的に小さくできる。
As described above, also in this embodiment, as in the embodiment shown in FIG. 1, an increase in power consumption of the
さらに、電源電圧VDDが低い動作モードMDから電源電圧VDDが高い動作モードMDへの切り替えにおいて、クロックスキューによりホールド制約が違反することを避けることができ、論理回路部20が誤動作することを避けることができる。
Further, in switching from the operation mode MD with the low power supply voltage VDD to the operation mode MD with the high power supply voltage VDD, it is possible to avoid the violation of the hold constraint due to the clock skew, and to avoid the malfunction of the
図12は、半導体装置および半導体装置の制御方法の別の実施形態を示す。図2から図9で説明した要素と同一または同様の要素については、同一の符号を付し、これ等については、詳細な説明を省略する。 FIG. 12 shows another embodiment of a semiconductor device and a method for controlling the semiconductor device. Elements that are the same as or similar to those described in FIGS. 2 to 9 are given the same reference numerals, and detailed descriptions thereof are omitted.
この実施形態の半導体装置100Cは、図2に示した切り替え部18の代わりに、切り替え部18Cを有する。半導体装置100Cのその他の構成は、図2に示した半導体装置100Aと同様である。すなわち、半導体装置100Cは、図2に示した負荷制御部10、電源管理部12、クロック制御部14、クロック分配部16、クロックメッシュCMESHおよび論理回路部20を有する。半導体装置100Cは、図5と同様の手法で電圧情報Vmが決定され、図6と同様の構成を有する。また、半導体装置100Cの動作モードの遷移は、図7に示される。半導体装置100Cの特性の例は、図8に示され、半導体装置100Cの動作の例は、図9に示される。
The
切り替え部18Cは、クロック信号線CLKa1、CLKb1毎に2つの2入力のアンド回路AND1、AND2および1つの2入力のオア回路ORを有する。アンド回路AND1は、接続制御信号CNとクロック信号CLKa1(またはCLKb1)を受け、第1経路P1を介して出力信号をオア回路ORの一方の入力に供給する。アンド回路AND1の出力(すなわち、第1経路P1)は、クロックメッシュCMESHに接続される。
The
アンド回路AND2は、接続制御信号CNをインバータIVで反転した信号/CNとクロック信号CLKa1(またはCLKb1)を受け、第2経路P2を介して出力信号をオア回路ORの他方の入力に供給する。接続制御信号CNは、第1制御信号の一例であり、接続制御信号CNをインバータIVで反転した信号/CNは、第2制御信号の一例である。 The AND circuit AND2 receives the signal / CN obtained by inverting the connection control signal CN by the inverter IV and the clock signal CLKa1 (or CLKb1), and supplies the output signal to the other input of the OR circuit OR through the second path P2. The connection control signal CN is an example of a first control signal, and a signal / CN obtained by inverting the connection control signal CN by the inverter IV is an example of a second control signal.
アンド回路AND1は、接続制御信号CNがハイレベルの期間、クロック信号CLKa1(またはCLKb1)をクロックメッシュCMESHに接続された第1経路P1およびオア回路ORを介して論理回路部20に供給する。アンド回路AND2は、接続制御信号CNがロウレベルの期間、クロック信号CLKa1(またはCLKb1)をクロックメッシュCMESHに接続されない第2経路P2およびオア回路ORを介して論理回路部20に供給する。
The AND circuit AND1 supplies the clock signal CLKa1 (or CLKb1) to the
すなわち、アンド回路AND1、AND2およびオア回路ORは、電源電圧VDDに応じて、クロック信号CLKa1(またはCLKb1)を第1経路P1または第2経路P2に接続するセレクタとして機能する。セレクタは、電源電圧VDDが所定値以下の場合にクロック信号線をクロックメッシュCMESHに接続された第1経路P1に接続し、電源電圧VDDが所定値より高い場合にクロック信号線をクロックメッシュCMESHが接続されない第2経路P2に接続する。 That is, the AND circuits AND1, AND2, and the OR circuit OR function as a selector that connects the clock signal CLKa1 (or CLKb1) to the first path P1 or the second path P2 in accordance with the power supply voltage VDD. The selector connects the clock signal line to the first path P1 connected to the clock mesh CMESH when the power supply voltage VDD is equal to or less than a predetermined value, and the clock mesh CMESH connects the clock signal line when the power supply voltage VDD is higher than the predetermined value. Connect to the second path P2 that is not connected.
切り替え部18Cは、図3に示した切り替え部18と同様の機能を有する。但し、この実施形態では、クロックメッシュCMESHと論理回路部20のクロックバッファCBUFとの間にCMOSトランスミッションゲート等のスイッチによる抵抗成分が介在せず、クロックメッシュCMESHは、オア回路ORの入力に接続される。このため、図3に示した例に比べて、クロックスキューを小さくできる。
The
さらに、接続制御信号CNがロウレベルに設定される期間、アンド回路AND1の出力はロウレベルに固定される。このため、クロックメッシュCMESHがクロック信号線CLKa1、CLKb1に接続されない期間に、クロックメッシュCMESHを接地線の電圧を安定化させる容量として機能させることができる。クロックメッシュCMESHがクロック信号線CLKa1、CLKb1に接続されない期間は、電源電圧VDDの値が電圧情報Vmで示す値より高い期間(図7に示したV3またはV4)であり、電源ノイズが発生しやすい。この実施形態では、電源電圧VDDが高い動作モードMD中に、クロックメッシュCMESHを電源安定化容量として使用することで、ノイズ耐性を向上できる。 Further, during the period when the connection control signal CN is set to the low level, the output of the AND circuit AND1 is fixed to the low level. For this reason, the clock mesh CMESH can function as a capacitor that stabilizes the voltage of the ground line during a period in which the clock mesh CMESH is not connected to the clock signal lines CLKa1 and CLKb1. The period in which the clock mesh CMESH is not connected to the clock signal lines CLKa1 and CLKb1 is a period in which the value of the power supply voltage VDD is higher than the value indicated by the voltage information Vm (V3 or V4 shown in FIG. 7), and power supply noise is likely to occur. . In this embodiment, the noise resistance can be improved by using the clock mesh CMESH as the power supply stabilization capacitor during the operation mode MD in which the power supply voltage VDD is high.
例えば、回路シミュレーションによる評価では、図6に示したクロック分配部16を有する論理回路部20において、切り替え部が図12に示した18Cである場合、電源電圧VDDがV4の場合の消費エネルギー(クロックメッシュCMESHは切り離し)は、3.66ピコジュール(pJ)である。これに対して、図6に示したクロック分配部16を有する論理回路部20において、図3に示した切り替え部18を有しない場合(電源電圧VDDによらずクロックメッシュCMESHに接続)、電源電圧VDDがV4の場合の消費エネルギーは4.92pJである。したがって、例えば、クロック信号線(CLKa1等)の充放電電流が増加する電源電圧V4において、切り替え部18CによりクロックメッシュCMESHをクロック信号線から切り離すことで、消費エネルギーは約25%削減可能である。
For example, in the evaluation by circuit simulation, when the switching unit is 18C shown in FIG. 12 in the
なお、図12に示した切り替え部18Cは、図10に示した切り替え部18の代わりに配置されてもよい。この場合、図10に示した半導体装置100Bと同様に、電源電圧VDDが高い動作モードMDへの切り替えにおいて、クロックスキューによりホールド制約が違反することを避けることができる。
Note that the
以上、この実施形態においても、図1から図9に示した実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、図3に示した例に比べて、クロックスキューを小さくでき、電源電圧VDDが高い動作モードMD中に、クロックメッシュCMESHを電源安定化容量として使用することで、ノイズ耐性を向上できる。 As described above, also in this embodiment, the same effect as that of the embodiment shown in FIGS. 1 to 9 can be obtained. Furthermore, compared to the example shown in FIG. 3, the clock skew can be reduced, and the noise resistance can be improved by using the clock mesh CMESH as the power stabilization capacitor during the operation mode MD in which the power supply voltage VDD is high.
図13は、半導体装置および半導体装置の制御方法の別の実施形態を示す。図2から図9で説明した要素と同一または同様の要素については、同一の符号を付し、これ等については、詳細な説明を省略する。 FIG. 13 shows another embodiment of a semiconductor device and a method for controlling the semiconductor device. Elements that are the same as or similar to those described in FIGS. 2 to 9 are given the same reference numerals, and detailed descriptions thereof are omitted.
この実施形態の半導体装置100Dは、図2に示した切り替え部18の代わりに、切り替え部18Dを有する。半導体装置100Dのその他の構成は、図2に示した半導体装置100Aと同様である。すなわち、半導体装置100Dは、図2に示した負荷制御部10、電源管理部12、クロック制御部14、クロック分配部16、クロックメッシュCMESHおよび論理回路部20を有する。半導体装置100Dは、図5と同様の手法で電圧情報Vmが決定され、図6と同様の構成を有する。また、半導体装置100Dの動作モードの遷移は、図7に示される。半導体装置100Dの特性の例は、図8に示され、半導体装置100Dの動作の例は、図9に示される。
The
切り替え部18Dは、クロック信号線CLKa1、CLKb1毎に3つの2入力のナンド回路NAND1、NAND2、NAND3を有する。ナンド回路NAND1は、接続制御信号CNとクロック信号CLKa1(またはCLKb1)を受け、第1経路P1を介して出力信号をナンド回路NAND3の一方の入力に供給する。ナンド回路NAND1の出力(すなわち、第1経路P1)は、クロックメッシュCMESHに接続される。
The
ナンド回路NAND2は、接続制御信号CNをインバータIVで反転した信号/CNとクロック信号CLKa1(またはCLKb1)を受け、第2経路P2を介して出力信号をナンド回路NAND3の他方の入力に供給する。接続制御信号CNは、第1制御信号の一例であり、接続制御信号CNをインバータIVで反転した信号/CNは、第2制御信号の一例である。 The NAND circuit NAND2 receives the signal / CN obtained by inverting the connection control signal CN by the inverter IV and the clock signal CLKa1 (or CLKb1), and supplies the output signal to the other input of the NAND circuit NAND3 via the second path P2. The connection control signal CN is an example of a first control signal, and a signal / CN obtained by inverting the connection control signal CN by the inverter IV is an example of a second control signal.
ナンド回路NAND1は、接続制御信号CNがハイレベルの期間、クロック信号CLKa1(またはCLKb1)をクロックメッシュCMESHに接続された第1経路P1およびナンド回路NAND3を介して論理回路部20に供給する。ナンド回路NAND2は、接続制御信号CNがロウレベルの期間、クロック信号CLKa1(またはCLKb1)をクロックメッシュCMESHに接続されない第2経路P2およびナンド回路NAND3を介して論理回路部20に供給する。
The NAND circuit NAND1 supplies the clock signal CLKa1 (or CLKb1) to the
すなわち、ナンド回路NAND1、NAND2、NAND3は、電源電圧VDDに応じて、クロック信号CLKa1(またはCLKb1)を第1経路P1または第2経路P2に接続するセレクタとして機能する。セレクタは、電源電圧VDDが所定値以下の場合にクロック信号線をクロックメッシュCMESHに接続された第1経路P1に接続し、電源電圧VDDが所定値より高い場合にクロック信号線をクロックメッシュCMESHが接続されない第2経路P2に接続する。 That is, the NAND circuits NAND1, NAND2, and NAND3 function as a selector that connects the clock signal CLKa1 (or CLKb1) to the first path P1 or the second path P2 in accordance with the power supply voltage VDD. The selector connects the clock signal line to the first path P1 connected to the clock mesh CMESH when the power supply voltage VDD is equal to or less than a predetermined value, and the clock mesh CMESH connects the clock signal line when the power supply voltage VDD is higher than the predetermined value. Connect to the second path P2 that is not connected.
切り替え部18Dは、図3に示した切り替え部18と同様の機能を有する。但し、この実施形態では、図12と同様に、クロックメッシュCMESHと論理回路部20のクロックバッファCBUFとの間にCMOSトランスミッションゲート等のスイッチによる抵抗成分が介在せず、クロックメッシュCMESHは、ナンド回路NAND3の入力に接続される。また、図12に示したアンド回路AND1、AND2は、ナンドゲートとインバータを含み、図12に示したオア回路ORは、ノアゲートとインバータを含むが、ナンド回路NAND1、NAND2、NAND3は、ナンドゲートでよい。このため、クロック信号CLKa1、CLKb1が伝達されるトランジスタの段数を図12に比べて少なくでき、OCVの影響を図12に比べて少なくできる。この結果、図3に示した例に比べて、クロックスキューを小さくできる。さらに、ナンド回路NAND1、NAND2、NAND3を有する切り替え部18Dは、図12に示したアンド回路AND1、AND2およびオア回路ORを有する切り替え部18Cに比べて回路面積を小さくできる。
The
さらに、接続制御信号CNがロウレベルに設定される期間、ナンド回路NAND1の出力はハイレベルに固定される。このため、クロックメッシュCMESHがクロック信号線CLKa1、CLKb1に接続されない期間に、クロックメッシュCMESHを電源線の電圧を安定化させる容量として機能させることができる。クロックメッシュCMESHがクロック信号線CLKa1、CLKb1に接続されない期間は、電源電圧VDDの値が電圧情報Vmで示す値より高い期間(図7に示したV3またはV4)であり、電源ノイズが発生しやすい。この実施形態では、電源電圧VDDが高い動作モードMD中に、クロックメッシュCMESHを電源安定化容量として使用することで、ノイズ耐性を向上できる。 Further, during the period when the connection control signal CN is set to the low level, the output of the NAND circuit NAND1 is fixed to the high level. Therefore, the clock mesh CMESH can function as a capacitor that stabilizes the voltage of the power supply line during a period in which the clock mesh CMESH is not connected to the clock signal lines CLKa1 and CLKb1. The period in which the clock mesh CMESH is not connected to the clock signal lines CLKa1 and CLKb1 is a period in which the value of the power supply voltage VDD is higher than the value indicated by the voltage information Vm (V3 or V4 shown in FIG. 7), and power supply noise is likely to occur. . In this embodiment, the noise resistance can be improved by using the clock mesh CMESH as the power supply stabilization capacitor during the operation mode MD in which the power supply voltage VDD is high.
なお、図13に示した切り替え部18Dは、図10に示した切り替え部18の代わりに配置されてもよい。この場合、図10に示した半導体装置100Bと同様に、電源電圧VDDが高い動作モードMDへの切り替えにおいて、クロックスキューによりホールド制約が違反することを避けることができる。
Note that the
以上、この実施形態においても、図1から図9に示した実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、図3に示した例に比べてクロックスキューを小さくでき、図12に示した例に比べて回路面積を小さくできる。 As described above, also in this embodiment, the same effect as that of the embodiment shown in FIGS. 1 to 9 can be obtained. Further, the clock skew can be reduced as compared with the example shown in FIG. 3, and the circuit area can be reduced as compared with the example shown in FIG.
以上の詳細な説明により、実施形態の特徴点および利点は明らかになるであろう。これは、特許請求の範囲がその精神および権利範囲を逸脱しない範囲で前述のような実施形態の特徴点および利点にまで及ぶことを意図するものである。また、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、あらゆる改良および変更に容易に想到できるはずである。したがって、発明性を有する実施形態の範囲を前述したものに限定する意図はなく、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物に拠ることも可能である。 From the above detailed description, features and advantages of the embodiments will become apparent. This is intended to cover the features and advantages of the embodiments described above without departing from the spirit and scope of the claims. Also, any improvement and modification should be readily conceivable by those having ordinary knowledge in the art. Therefore, there is no intention to limit the scope of the inventive embodiments to those described above, and appropriate modifications and equivalents included in the scope disclosed in the embodiments can be used.
10…負荷制御部;12、12B…電源管理部;14、14B…クロック制御部;16…クロック分配部;18、18C、18D…切り替え部;20…論理回路部;100、100A、100B、100C、100D…半導体装置;ADC…アナログデジタルコンバータ;AND1、AND2…アンド回路;CBUF…クロックバッファ;CGEN…クロック生成部;CLK0…クロック信号;CLKa1、CLKb1、CLKc1、CLKd1…クロック信号線;CLKa2、CLKb2、CLKc2、CLKd2…クロック信号;CMESH…クロックメッシュ;CN…接続制御信号;CNCNT…接続制御部;CNTU…制御部;COMP…比較部;FF…フリップフロップ;FINF…周波数情報;HBUF…ホールドバッファ;LDINF…負荷情報;LDU…負荷部;MD1、MD2、MD3、MD4…動作モード;MDDET…モード検出部;NAND1、NAND2、NAND3…ナンド回路;OR…オア回路;P1…第1経路;P2…第2経路;SWa、SWb、SWc、SWd…スイッチ;SWTBL…スイッチテーブル;SWU…切り替え部;TBLINF…テーブル情報;VINF…電圧情報;VDD、VDD0…電源電圧;VDDINF…電源電圧情報;VGEN…電圧生成部
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記複数のクロック信号線に接続可能な負荷部と、
電源電圧が所定値以下の場合に前記複数のクロック信号線を前記負荷部に接続し、前記電源電圧が前記所定値より高い場合に前記複数のクロック信号線を前記負荷部から切り離す切り替え部と
を備えることを特徴とする半導体装置。 A plurality of clock signal lines for transmitting a clock signal;
A load section connectable to the plurality of clock signal lines;
A switching unit that connects the plurality of clock signal lines to the load unit when a power supply voltage is less than or equal to a predetermined value, and disconnects the plurality of clock signal lines from the load unit when the power supply voltage is higher than the predetermined value; A semiconductor device comprising:
前記切り替え部は、前記接続信号に基づいて前記複数のクロック信号線を前記負荷部に接続し、前記切り離し信号に基づいて前記複数のクロック信号線を前記負荷部から切り離すことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 The power supply voltage is compared with the predetermined value, a connection signal is output to the switching unit when the power supply voltage is less than or equal to the predetermined value, and a disconnection signal is output to the switching unit when the power supply voltage is higher than the predetermined value. It has a comparator to output,
The switching unit connects the plurality of clock signal lines to the load unit based on the connection signal, and disconnects the plurality of clock signal lines from the load unit based on the disconnection signal. 1. The semiconductor device according to 1.
半導体装置は、前記第1動作モードから前記第2動作モードに切り替わる場合に、所定時間後に切り離し信号を出力し、前記第2動作モードから前記第1動作モードに切り替わる場合に、前記所定時間を待つことなく接続信号を出力する接続制御部を備え、
前記切り替え部は、前記接続信号に基づいて前記複数のクロック信号線を前記負荷部に接続し、前記切り離し信号に基づいて前記複数のクロック信号線を前記負荷部から切り離すことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 The semiconductor device is in any one of at least one first operation mode that operates by receiving the power supply voltage equal to or lower than the predetermined value, and at least one second operation mode that operates by receiving the power supply voltage higher than the predetermined value. Set,
The semiconductor device outputs a disconnection signal after a predetermined time when the first operation mode is switched to the second operation mode, and waits for the predetermined time when the semiconductor device is switched from the second operation mode to the first operation mode. With a connection control unit that outputs connection signals without
The switching unit connects the plurality of clock signal lines to the load unit based on the connection signal, and disconnects the plurality of clock signal lines from the load unit based on the disconnection signal. 1. The semiconductor device according to 1.
前記クロック信号は、前記セレクタに選択された前記第1経路または前記第2経路を介して伝達されることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項記載の半導体装置。 The switching unit connects the plurality of clock signal lines to a first path connected to the load unit when the power supply voltage is less than or equal to the predetermined value, and the plurality of clock signal lines when the power supply voltage is higher than the predetermined value. A selector that connects the clock signal line to a second path to which the load unit is not connected,
5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the clock signal is transmitted through the first path or the second path selected by the selector. 6.
前記電源電圧が前記所定値以下の場合にハイレベルに設定される第1制御信号および前記クロック信号を入力で受け、出力が前記第1経路に接続された第1アンド回路と、
前記電源電圧が前記所定値より高い場合にハイレベルに設定される第2制御信号および前記クロック信号を入力で受け、出力が前記第2経路に接続された第2アンド回路と、
前記第1アンド回路の出力および前記第2アンド回路の出力に入力が接続されたオア回路と
を備えることを特徴とする請求項6記載の半導体装置。 The selector corresponds to each of the plurality of clock signal lines,
A first AND circuit that receives a first control signal and the clock signal that are set to a high level when the power supply voltage is less than or equal to the predetermined value, and has an output connected to the first path;
A second AND circuit that receives a second control signal and the clock signal that are set to a high level when the power supply voltage is higher than the predetermined value, and has an output connected to the second path;
The semiconductor device according to claim 6, further comprising: an OR circuit having an input connected to an output of the first AND circuit and an output of the second AND circuit.
前記電源電圧が前記所定値以下の場合にハイレベルに設定される第1制御信号および前記クロック信号を入力で受け、出力が前記第1経路に接続された第1ナンド回路と、
前記電源電圧が前記所定値より高い場合にハイレベルに設定される第2制御信号および前記クロック信号を入力で受け、出力が前記第2経路に接続された第2ナンド回路と、
前記第1ナンド回路の出力および前記第2ナンド回路の出力に入力が接続された第3ナンド回路と
を備えることを特徴とする請求項6記載の半導体装置。 The selector corresponds to each of the plurality of clock signal lines,
A first NAND circuit that receives a first control signal and the clock signal that are set to a high level when the power supply voltage is less than or equal to the predetermined value, and has an output connected to the first path;
A second NAND circuit that receives a second control signal and the clock signal that are set to a high level when the power supply voltage is higher than the predetermined value, and has an output connected to the second path;
The semiconductor device according to claim 6, further comprising: a third NAND circuit having an input connected to an output of the first NAND circuit and an output of the second NAND circuit.
前記切り替え部は、前記交差部分に配置されることを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか1項記載の半導体装置。 The load section includes a plurality of signal lines that are wired vertically and horizontally on the semiconductor device, and whose intersections are connected to each other.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the switching unit is disposed at the intersection.
電源電圧が所定値以下の場合に前記複数のクロック信号線を前記負荷部に接続し、前記電源電圧が前記所定値より高い場合に前記複数のクロック信号線を前記負荷部から切り離すことを特徴とする半導体装置の制御方法。 A control method of a semiconductor device comprising a plurality of clock signal lines for transmitting a clock signal and a load unit connectable to the plurality of clock signal lines,
The plurality of clock signal lines are connected to the load section when a power supply voltage is a predetermined value or less, and the plurality of clock signal lines are disconnected from the load section when the power supply voltage is higher than the predetermined value. For controlling a semiconductor device.
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