JP2006527498A - 集積回路の電力分配網 - Google Patents

Abstract

集積回路（５１）は、この集積回路（５１）の対角線上の対向する角部に電力パッド（５３）及びグランドパッド（５５）を有する電力分配網を備える。電力バス（６７，６９）及びグランドバス（７１，７３）が集積回路上の回路要素、例えば、標準セル（６１ａ、６１ｂ）又は標準サブブロック（６３）に電力を供給する。複数デカップリングセル（６５）が電力分配網上に設けられ、電力パッド（５３）とグランドパッド（５５）との間に静的電流の流れを維持する。集積回路上のすべての回路要素に対し、電力バスとグランドバスとの組み合わせ距離が一定となってオンチップ電圧変化を低減させるように電力バスとグランドバスとが構成される。

Description

この発明は集積回路に関し、そして特に、集積回路上の様々な位置間のオンチップ電圧変化を低減するための電力分配網を有する集積回路に関する。

ある集積回路はチップ上に設けられた様々な回路要素へ電力を分配する電力分配網を備える。ある電力分配網は電力バス及びグランドバスを備え、電力バスは回路要素へ電力を供給し、そして、グランドバスは回路要素から電力をシンクさせる。

集積回路の設計では通常チップ全体に所定の電圧を維持させる如何なる量の電流も瞬時に供給できる理想的な電源を想定する。ところが、集積回路では、集積回路上の様々な部位で電圧レベルが異なるという問題が生じる。この集積回路上の電圧変化は、一般的には「ＩＲ降下」と称される、抵抗性要素を流れる電流に起因する。電力分配網の電力バス及びグランドバスの両者において、集積回路上の如何なる部位においても電圧にＩＲ降下が生じ、電圧降下量は電力及びグランドパッドから集積回路上の各部位への実効抵抗に依る。

集積回路設計において密度を高めたいという果てしない欲求と共に、金属線幅が狭くなり、これにより抵抗が高くなり、従って、集積回路の電圧降下量が増大する。

図１は集積回路用の典型的な電力分配網を示しており、電源１が電力パッド３及びグランドパッド５に接続されている。電力分配網は電力分配網の回路要素に電力（Ｖ_{ｐｏｗｅｒ}）を供給するための電力バス７及びグランドバス９を備えている。電力バスの各部位の抵抗が、各々、抵抗値Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３及びＲ１４を有する抵抗性要素１１，１２，１３及び１４で表されている。同様に、グランドバス９の各部位の抵抗が、各々、抵抗値Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ２３及びＲ２４を有する抵抗性要素２１，２２，２３及び２４で表されている。電力バス７及びグランドバス９は、論理ゲート３１，３２，３３、３４の形態の回路要素に電力を供給するものとして示されている。

各論理ゲート３１，３２，３３、３４と電力及びグランドパッド３，５との間の実効抵抗が異なることが理解できる。例えば、抵抗Ｒ１１を有する電力バス７の部位、そして、抵抗Ｒ２１を有するグランドバス９の部位により論理ゲート３１へ電力が供給される。これに対し、Ｒ１１＋Ｒ１２＋Ｒ１３に相当する抵抗を有する電力バスの部位、そして、Ｒ２１＋Ｒ２２＋Ｒ２３に相当する抵抗を有するグランドバスの部位により論理ゲート３３へ電力が供給される。

この抵抗差により論理ゲート３１，３２，３３、３４各々の電力ピンに異なる電圧Ｖ１_Ｐ乃至Ｖ４_Ｐがもたらされる。例えば、論理ゲート３２の電圧Ｖ２_Ｐはその電力ピンにおいて理想的な電源電圧ＶＤＤではなく、何故ならば、この電圧は電力バス７の抵抗Ｒ１１、Ｒ１２の累積的な効果により低下するからである。

同様に、グランドバス９でのＩＲ降下が事実上論理ゲート３１，３２，３３、３４各々のグランド電圧Ｖ１_Ｇ乃至Ｖ４_Ｇを上昇させる。最終結果としては論理ゲート３１，３２，３３、３４が各々異なる供給電圧を有することになる。例えば、論理ゲート３２両端の供給電圧は論理ゲート３１両端の供給電圧より低くなる。同様に、論理ゲート３３及び３４両端の電圧はさらに低くなり、これは、それらが電力及びグランドパッド３，５からさらに離れて設けられており、ＩＲ降下がより大きいからである。

供給電圧変化により集積回路内のある基礎構造の遅延特性が変えられ、これにより論理ゲート間で遅延が異なることになる。遅延の変化はオンチップタイミングの問題に発展しうる。

ＵＳ４，７４８，４９４が集積回路上での電圧変化を低減する既知の方法を示している。ＵＳ４，７４８，４９４で提案されている方法は複数の分離電力バスを必要とし、複数回路要素を回路要素グループに分割し、各グループは専用のバイアス回路を有するという欠点がある。

この発明の目的は、上記のような欠点がなく、集積回路上の様々な部位でのオンチップ電圧変化を低減させる電力分配網を有する集積回路を提供することである。

この発明によれば、電力分配網を有する集積回路であって、前記電力分配網は、電力及びグランドパッドから各々電力を前記集積回路上の複数回路要素に供給する電力バス及びグランドバスを備え、前記電力分配網は前記電力パッド及びグランドパッド間に静的電流の流れをもたらす複数デカップリングセルを備え、前記集積回路上の如何なる回路要素に対し、前記電力パッドと前記如何なる回路要素との間の、そして、前記グランドパッドと前記如何なる回路要素との間の組み合わせ距離が一定となるように前記電力分配網が構成されていることを特徴とする集積回路が提供される。

この発明のより良い理解のため、そして、それがどのように効果的に実行されるのかをさらに明らかに示すためにここで例として添付図面を参照する。

図２は図１で既に議論された典型的な電力分配網の一ブランチを示している。電力分配網の一ブランチの電圧降下が、他のブランチが電力分配網の残部から切り離されているという状況で解析される。この解析には以下の等式が有効である。

ここで、Ｖ_Ｇ１は論理ゲート３１両端の電圧、Ｖ_{ｐｏｗｅｒ}は電源電圧１、ΔＶは電圧降下、Ｒ１１／Ｒ１２は各々電力及びグランドバスの各々の抵抗、そして、Δｘ及びΔｙは電力及びグランド線の長さである。

上記のことからチップ上の各点において電圧降下は電力パッド３（即ちＶＤＤパッド）からグランドパッド５（即ちＶＳＳパッド）への線の長さに依って変わることが分かる。

従って、図１に見られるような従来の電力分配網では集積回路上の様々な部位で電圧降下が異なり、各論理ゲート３１，３２，３３、３４で電圧が異なるという結果になる。

図３はこの発明による電力分配網を有する集積回路５１を示している。電力分配網は電力パッド５３及びグランドパッド５５を備え、これらは電源（図示されない）から電力を受ける。電力パッド５３及びグランドパッド５５は集積回路５１の対角線上の対向する角部に配されている。電力分配網は電力バス（６７，６９）及びグランドバス（７１，７３）を備え、これらは集積回路５１上の標準セル６１ａ、６１ｂ又は標準サブブロック６３等の回路要素に電力を供給する。回路要素にとって必要な電流を供給するために複数のデカップリングセル６５が電力分配網上に設けられ、電力パッド５３及びグランドパッド５５間の静的電流の流れを維持する。

電力バスは電力パッド５３に接続された垂直部６７を備える。垂直部６７は各種回路要素に電力を供給するための一つ以上の水平部６９を備える。同様に、グランドバスは、各種回路要素から電力をシンクするための一つ以上の水平部７３を有する、グランドパッド５５に接続された垂直部７１を備える。電力バスの水平部６９はグランドバスの水平部７３と交互に配されてロー７５を形成している。電力バスが一つの回路要素の一側に接続されグランドバスがその他側に接続されるように各種回路要素がロー７５内に配置されている。

電力分配網は電源と各回路要素との間の電圧降下が一定になるような態様とされており、これにより、すべての回路要素が同一電圧の影響を受ける。

これは、電力バス及びグランドバスの組み合わせ長さが集積回路上のすべてのゲートで同じになるような態様とすることにより達成される。即ち、電力パッド５３からの距離が増えるとグランドパッド５５からの距離が相補的距離だけ減る。従って、集積回路上の如何なる点Ｘ，Ｙにおいても電力バス（６７，６９）及びグランドバス（７１，７３）の総距離が一定となる。

電力バス及びグランドバスは水平及び垂直部を備えているので、この発明では課題を以下に示す等式に表す。集積回路全体で同じ電圧降下ΔＶを達成するために、矩形（ｒｅｃｔａｎｇｌｅ）ＸＹ内において、各部の電力パッド５３及びグランドパッド５５から考えられる座標ＸＹへの距離がすべて一定でなければならず、従って、

この発明によれば電力及びグランド点は矩形ＸＹの対角線上の対向する角部に置かれる。ロー毎に電力及びグランドが固定するように交互のフォーク構造において電力が各種セルに分配される。これによりＸ又はＹ部分が固定される。これは、さらに、集積回路を平面図で見た場合、電力が一側に接続され、グランドが他側に接続されることを意味する。これらの接続は矩形ＸＹの対向する角部に拡張される。

この発明は、すべての回路要素又はゲートがセルから複数供給パッドの総距離が同じである電力分配網を提供する。各セルがセルから複数供給パッドの総距離が同じであるので、各セルが一定電圧降下を有し、その結果、オンチップ電圧の変化が少なくなる。

好ましくは、電力分配網のデカップリングセル６５はデカップリングキャパシタであり、これらは回路要素により引き抜かれた動的電流の、すべてではないにしても、ほとんどをもたらす。デカップリングキャパシタ６５を用いることにより電力パッド５３及びグランドパッド５５間に静的電流が供給される。デカップリングセルは、好ましくは、集積回路上で他の標準セルと同じ高さを有し、従って、デカップリングセル６５は自動的に回路要素間に設置されることになる。ある回路要素、例えば、フリップフロップゲートは既に標準セル内に容量を有しており、従って、さらなるデカップリングセル６５を必要としないことに留意されたい。デカップリングセルのエリアコストは高くなく、これは、設置エリアは、通常、経路エリアほど厳密ではないからである。

上記電力分配網に加えてデカップリングキャパシタ６５を用いることによりオンチップ電圧変化が少ない集積回路が提供される。

図３は集積回路の所定矩形部に電力分配網を適用したものを示しているが、このフォーク構造は階層的な態様にも適用できることに留意されたい。即ち、小さなフォーク構造がある部位に用いられ、同様な電力分配網を用いてその部位内に電力が分配されるようにすることができる。これにより、集積回路全体でのオンチップ電圧変化が少ない電力分配網となる。

この好ましい実施形態は水平及び垂直部を備えた交互のフォーク構造を用いたものとして記載されたが、所望の効果をもたらす他の構造、例えば、集積回路上の各座標から電力及びグランドピンへの総距離が同じであるような斜めの平行四辺形又は菱形構造の電力分配網も用いることができることが当業者には容易に理解できるところである。さらには、電力分配網は所望の対称性が維持される他の態様に変えられることにも留意されたい。さらに、電力分配網は一定幅の電力バス及びグランドバスを示しているが所望の対称性が維持されればこれらも変えられる。例えば、電力バス内において垂直部６７は水平部６９より幅広くすることができ、グランドバスも同様な垂直部７１となり、これは水平部７３より幅広くなる。

添付請求項の範疇内で他の変更が当業者には明らかである。

集積回路用の典型的な電力分配網を示す図である。 図１の電力分配網の一部分を示す図である。 この発明の好ましい一実施形態による電力分配網を示す図である。

Claims (10)

1. 電力分配網を有する集積回路であって、前記電力分配網は、電力及びグランドパッドから各々電力を前記集積回路上の複数回路要素に供給する電力バス及びグランドバスを備え、前記電力分配網は前記電力パッド及びグランドパッド間に静的電流の流れをもたらす複数デカップリングセルを備え、前記集積回路上の如何なる回路要素に対し、前記電力パッドと前記如何なる回路要素との間の、そして、前記グランドパッドと前記如何なる回路要素との間の組み合わせ距離が一定となるように前記電力分配網が構成されていることを特徴とする集積回路。
2. 前記電力パッドから如何なる回路要素への距離が増すと前記グランドパッドの距離が減るように前記電力分配網が構成されている請求項１に記載の集積回路。
3. 前記電力パッド及びグランドパッドは前記集積回路の対角線上の対向する角部に配されている請求項１又は２に記載の集積回路。
4. 前記先行する請求項いずれか１項に記載の集積回路であって、前記電力分配網は、
   前記電力パッドに接続された垂直部と該垂直部に接続された一つ以上の水平部とを備えた電力バスと、
   前記グランドパッドに接続された垂直部と該垂直部に接続された一つ以上の水平部とを備えたグランドバスとを備え、
   前記電力バスの前記一つ以上の水平部と前記グランドバスの前記一つ以上の水平部とが交互になるように前記電力バスの前記垂直部が前記グランドバスの前記垂直部と平行に配されている集積回路。
5. 前記電力バスの水平部とグランドバスの水平部とが前記複数回路要素の一つ以上に電力を供給するローを形成している請求項４に記載の集積回路。
6. 前記電力バスの水平部と前記グランドバスの水平部との間に一つ以上の回路要素が設置されている請求項５に記載の集積回路。
7. 前記複数デカップリングセルは複数デカップリングキャパシタを含む前記先行する請求項いずれか１項に記載の集積回路。
8. 前記複数デカップリングセルは前記複数回路要素と同じ高さになるように構成されている請求項７に記載の集積回路。
9. 前記複数デカップリングセルは前記集積回路上の前記複数回路要素間に配されている請求項８に記載の集積回路。
10. 前記電力分配網は同じ構成の一つ以上のより小さい複数電力分配網を備えている前記先行する請求項いずれか１項に記載の集積回路。

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