JP5372613B2 - フリップフロップ、半導体集積回路、半導体デバイスおよびブレードサーバ - Google Patents
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Description
そこで本発明では、回路オーバヘッドが小さく、かつ、ソフトエラーへの耐性が高い、高ソフトエラー耐性のフリップフロップおよび、それを用いた半導体集積回路を提供する。
クロックに従って、入力されたデータの保持及び出力を行うラッチ回路と、前記複数のラッチ回路に前記クロックを供給するクロック分配部と、を備え、前記ラッチ回路は、ソフトエラーに対する耐性の異なる複数のラッチ回路を含み、前記クロック分配部は、前記複数のラッチ回路の前記耐性に応じてデューティの異なるクロックを前記複数のラッチ回路に送信することを特徴とするフリップフロップである。
図13に示すフリップフロップ100は、直列に接続された2段のラッチ回路101、102と、ラッチ回路にクロックを供給するクロック分配部4とを有して構成される。一般に、入力側から見て前段のラッチ回路101はマスタラッチ、後段のラッチ回路102はスレーブラッチと呼ばれる。
クロック分配部4は、2個のインバータ51cを有して構成される。2個のインバータ51cはそれぞれ、マスタクロック7(CLK)と同相のクロック4a(CK)と反転クロック4b(CKB)とをラッチ回路101、102に供給する。
ラッチ回路101、102は、クロックのH/Lレベルに従って、入力データの保持とスルー出力を行う回路であり、それぞれデータを保持するためのフィードバックループ回路を構成する2個のインバータ51a、51bと、入力データの取り込みとスルー出力の動作を制御するためのトランスミッションゲート(アナログスイッチ)49a、50a、49b、50bとを有して構成される。
トランスミッションゲート49a、50a、49b、50bは、N型MOSトランジスタとP型MOSトランジスタとが並列に接続された形で構成され、2つのトランジスタのゲート電極に接続されるクロックに従って、ソース-ドレイン間の入出力経路を開閉するスイッチとして動作する。
トランスミッションゲート49a、50a、49b、50bには、それぞれクロック分配部4からクロック4a(CK)と反転クロック4b(CKB)とが供給され、図13のトランスミッションゲート50a、50bでは、クロック4a(CK)がHレベル(=反転クロック4b(CKB)がLレベル)の場合にオンとなり、クロック4a(CK)がLレベル(=反転クロック4b(CKB)がHレベル)の場合にオフとなる。一方、トランスミッションゲート49a、49bは、接続されているクロックの極性が逆のため、クロック4a(CK)がHレベルでオフ、Lレベルでオンするように動作する。
(1)の時点は、マスタクロック7(CLK)がLレベルからHレベルに変化した場合である。(1)では、先述のようにトランスミッションゲート49a、49bはオフ、トランスミッションゲート50a、50bはオンとなる。このとき、マスタラッチ101は、データ入力の経路が切断され、フィードバックループ回路が形成されるため、クロックがHレベルになった瞬間に、入力されていた入力データ5をラッチ(保持)し、インバータ51aで反転してマスタラッチの出力データ101aとして出力する。一方、スレーブラッチ102は、フィードバックループの経路が切断され、入力経路がオンとなるため、マスタラッチの出力データ101aをインバータ51bで反転し、スルーで出力端子6へ出力する。
(2)の時点は、マスタクロック7(CLK)がHレベルからLレベルに変化した場合である。(2)では、トランスミッションゲート49a、49bはオン、トランスミッションゲート50a、50bはオフとなり、スレーブラッチ102でフィードバックループ回路が形成される。スレーブラッチ102はクロックがLレベルになった瞬間にマスタラッチ101から出力されていたマスタラッチの出力データ101aをラッチし、フリップフロップ100の出力データ6として出力端子Qに出力する。一方、マスタラッチ101は次のクロックの立ち上がりで新たなデータを取り込むために、入力データ5をインバータ51aで反転してスルーでマスタラッチの出力データ101aとして出力しておく。このとき、スレーブラッチ102の入力経路がオフになっているのでマスタラッチの出力データ101aがスレーブラッチ102に取り込まれることはない。
(1)’の時点は、マスタクロック7(CLK)が再度LレベルからHレベルに変化したタイミングである。(1)’で、マスタラッチ101は、(2)の時点でマスタラッチの出力データ101aとして出力していた新たなデータをラッチ(保持)する。スレーブラッチ102はマスタラッチ101でラッチされたマスタラッチの出力データ101aをインバータ51bで反転して、スルーで出力端子Qへ出力する。
このようにフリップフロップ100は、交互に保持動作を繰り返すマスタラッチとスレーブラッチとを使用し、クロックの立ち上がり(または立ち下がり)のタイミングでデータを取り込み、次のクロックの立ち上がり(または立ち下がり)までデータを保持する動作を実現している。
通常、フリップフロップに供給されるクロックは(CLK)7は、一般的にはデューティ(クロック信号の1周期におけるHレベルとLレベルの時間比)が50%の状態で使用されるが、本発明に係る実施の形態1では、フリップフロップ1の外部に、クロックのデューティを変化させることのできるクロックデューティ可変部8を備える。このクロックデューティ可変部8でマスタクロック7(CLK)のデューティを変化させ、デューティ可変クロック(DCLK)9をフリップフロップ1に供給する。このとき、デューティ可変クロック(DCLK)9は任意のデューティ値を取りうる。
ここでは、高ソフトエラー耐性ラッチ回路3(マスタラッチ)としてDICEラッチ回路を、ラッチ回路2(スレーブラッチ)として高ソフトエラー耐性でない普通のラッチ回路を仮定する。
高ソフトエラー耐性ラッチ回路2は、トランスミッションゲート10、11、12、13と、入力分割された2入力型のインバータ14、15、16、17とを有して構成される。
高ソフトエラー耐性ラッチ回路2への入力は2系統に分けられ、片方の入力は、トランスミッションゲート10を介して、インバータ14のpMOSとインバータ15のnMOSのゲートに接続され、もう片方の入力はトランスミッションゲート11を介してインバータ14のnMOSとインバータ15のpMOSのゲートに接続される。
インバータ14の出力はインバータ16のnMOSとインバータ17のpMOSのゲートに接続され、インバータ15の出力はインバータ16のpMOSとインバータ17のnMOSのゲートに接続される。
ここで、インバータ16の出力はトランスミッションゲート12を介して、インバータ14のpMOSとインバータ15のnMOSのゲートに接続され、さらに、インバータ17の出力もトランスミッションゲート13を介して、インバータ14のnMOSとインバータ15のpMOSのゲートに接続され、全体で2系統のフィードバックループが形成される。
一方、ラッチ回路3は、トランスミッションゲート18、19と、インバータ20、21とを有して構成される。
ここで、図示していないが、トランスミッションゲート10乃至13、18、19には、図13と同様に、クロック4a(CK)と反転クロック4b(CKB)とが接続されており、トランスミッションゲート10、11、19はクロック4a(CK)がLレベル、反転クロック4b(CKB)がHレベルのときにオンとなり、クロック4a(CK)がHレベル、反転クロック4b(CKB)がLレベルのときにオフとなる。一方、トランスミッションゲート12、13、18は、接続されているクロックの極性が逆のため、クロック4a(CK)がHレベル、反転クロック4b(CKB)がLレベルのときにオンとなるように動作する。
そのため、図3に示す回路構成では、クロック4a(CK)の立ち上がりで高ソフトエラー耐性ラッチ回路2(マスタラッチ)2が入力データ5をラッチし、クロック4a(CK)がHレベルの時間帯はそのままマスタラッチ2がデータを保持し、クロック4a(CK)がLレベルの時間帯ではラッチ回路3(スレーブラッチ)がデータを保持するように動作する。
このように、2箇所のノードが同時に反転する場合を除いてSEUを回避することができる。
クロックデューティ可変部8は、可変遅延部22(詳細な構成は図5)と遅延設定部24と、論理和素子(ORゲート)23とを有して構成される。
可変遅延部22は、遅延設定部24により設定された遅延設定値24aに基づいて、遅延する時間量である遅延時間量Tdだけマスタクロック7(CLK)を遅延させ、遅延させたクロック22a(CLKd)を出力する。
論理和素子23は、マスタクロック7(CLK)と遅延させたクロック22a(CLKd)との論理和をとり、デューティ可変クロック9(DCLK)を出力する。
可変遅延部22は、遅延素子25とセレクタ26とを有して構成される。
遅延素子25は、図5に示すように複数設けられており、可変遅延部22の内部の通過経路は複数存在する。
セレクタ回路26は、入力される遅延設定値24aに従って、可変遅延部22の内部の通過経路を選択する。
遅延時間量Tdはどの通過経路を選択するか、つまり、遅延素子25をいくつ通過数するか、により可変である。
ここで、可変遅延部22の遅延素子25の個数は任意の個数で良く、通過経路も遅延素子25の個数に応じて任意に設定することができる。
図6は、マスタクロック7(CLK)、SEU発生時の従来のフリップフロップ100から出力端子Qへの出力データ6a(1)、フリップフロップ1に入力されるデューティ可変クロック9(DCLK)、SEU発生時の本発明に係る実施の形態1のフリップフロップ1から出力端子(Q’とする)への出力データ6b(2)を示している。
波形(1)の出力データ6aは、SEUが発生したときの、ソフトエラーに耐性を持たない通常のフリップフロップ100からの出力データQである。正常な出力データをLレベルとし、SEU発生時のエラー出力をHレベルで示している。通常のフリップフロップでは、クロック1周期の間に、マスタラッチが保持している間(クロックがHレベルの時)にエラーが発生する範囲SEU(1)と、スレーブラッチが保持している間(クロックがLレベルの時)にエラーが発生するSEU(2)の範囲が存在する。
以上のようにして、本発明に係る実施の形態1では高ソフトエラー耐性のフリップフロップ1を実現することができる。
また、本発明に係る実施の形態1のフリップフロップ1では、2段のラッチ回路(マスタラッチとスレーブラッチ)のうち、スレーブラッチは通常のラッチ回路のままで、マスタラッチのみをソフトエラーに対して高耐性な回路にすればよいため、両方のラッチを高耐性化する従来の高ソフトエラー耐性フリップフロップと比較して、回路オーバヘッドを小さくでき、さらにフリップフロップ1個当たりの消費電力も低減できるという効果を有する。さらに、上記の構成によりスレーブラッチのデータ保持時間が短くなるため、スレーブラッチでSEUが発生した場合にフリップフロップが出力するエラー(反転)データの時間幅が短くなり、次段のフリップフロップで誤ラッチされる影響を小さくすることができる。
また、クロックデューティ可変部8は、図4に示した構成に限らず、例えばPLL(Phase Locked Loop)回路や、DLL(Digital Locked Loop)回路のように、クロックの周波数を可変できる回路を用いて実現しても良い。これらの回路は電源電圧や周囲温度が変化した場合でも、発生するクロックの周波数やディーティが変動しにくいという効果を有する。
また、クロックのデューティの可変範囲については、ラッチ回路の性能や、論理回路での配線遅延時間によって限界があるが、ここでは全てのフリップフロップが正常に動作する範囲内とすることが望ましい。
また、図1では、クロックデューティ可変部8はフリップフロップ1の外部に配置されているが、クロックデューティ可変部8がフリップフロップ1の内部に配置されていてもよい。
図7は、本発明に係る実施の形態2のフリップフロップの構成の一例を示したものである。
本発明に係る実施の形態2のフリップフロップ27は、高ソフトエラー耐性ラッチ回路29と、ラッチ回路28、クロック分配部4とを有して構成され、高ソフトエラー耐性ラッチ回路29がスレーブラッチ、ラッチ回路28がマスタラッチとして動作する。
さらに、フリップフロップ27の外部にクロックデューティ可変部8を備え、高ソフトエラー耐性のスレーブラッチ29の側でのデータ保持時間が長くなるようにマスタクロック7(CLK)のデューティを調整するデューティ可変クロック(DCLK)9を生成し、さらに、フリップフロップ27はそのデューティ可変クロック9に基づき動作する。以上のようにして、本発明に係る実施の形態2では高ソフトエラー耐性のフリップフロップを実現することができる。
さらに、実施の形態1と同様に、上記の構成によりスレーブラッチのデータ保持時間が短くなるため、スレーブラッチでSEUが発生した場合にフリップフロップが出力するエラー(反転)データの時間幅が短くなり、次段のフリップフロップで誤ラッチされる影響を小さくすることができる。
図8は、半導体集積回路および半導体デバイスに、本発明に係る実施の形態1のフリップフロップを適用した場合の構成を示したものである。
図8には、半導体集積回路33と、当該半導体集積回路33が搭載された半導体デバイス34と、当該半導体集積回路33に含まれる論理回路部31の回路例との一例を示す。
また、半導体集積回路33は様々なタイプのパッケージに実装され、半導体デバイス34として回路基板などに実装される。
ここで、フリップフロップ1には、高ソフトエラー耐性のラッチ回路(マスタラッチ)でのデータ保持時間が長くなるようにマスタクロックのデューティを調整したデューティ可変クロック9(DCLK)を供給することで、回路オーバヘッドの低減、消費電力の低減、誤ラッチによる影響の低減を実現することができるという効果を有する。
また、半導体集積回路33で使用されるフリップフロップ1は、従来の高ソフトエラー耐性フリップフロップと比較して回路オーバヘッドが小さく、また、クロックデューティ可変部8の回路規模も半導体集積回路全体に比べると無視できるくらい小さいため、従来の高ソフトエラー耐性フリップフロップと比較しても、ソフトエラーに対し高耐性な半導体集積回路33を低コストで製造することができる。さらに回路オーバヘッドが小さくなるために消費電力や発熱量を低減することができる。
なお、半導体集積回路33の論理回路構成は、フリップフロップを使用する回路であれば、上記回路構成に限るものではない。また、本半導体集積回路33では、外部からマスタクロック7を供給する構成になっているが、回路内部にクロック発生部を備える構成でも良い。また、半導体デバイス35とは、論理回路部31でフリップフロップが使用されているものであれば、CPUや、マイクロコンピュータ、DSP、周辺回路にフリップフロップを使用するメモリIC等も含まれる。
図9および図10は、図8に示した論理回路部31の回路構成の変形例である。
但し、タイミングマージンが小さく、クロックのデューティが変えられない回路部分に適用された高ソフトエラー耐性フリップフロップ35には、通常のマスタクロック7を供給する。
さらに、入力データC1を処理する回路のフリップフロップには、ソフトエラーに耐性の無い従来のフリップフロップ100を適用し、クロックはマスタクロック7(CLK)を供給する。
クロックデューティ可変部37は、PLL回路のように、複数のクロック周波数を出力可能な回路であれば何でも良い。
ここで、入力データC1を処理する回路のフリップフロップ36は、他のフリップフロップと動作周波数が異なるため、入力データA1、B1の回路と同じく実施の形態1における高ソフトエラー耐性フリップフロップ1を適用するが、供給するクロックは、別の周波数のデューティ可変クロック41b(DCLK2)を供給する。
また、入力データD1を処理する回路のフリップフロップには、ソフトエラーに耐性の無い従来のフリップフロップ100を適用し、クロックはマスタクロック7(CLK)を供給する。
論理回路によって使用するフリップフロップおよび供給クロックを使い分けることで、高ソフトエラー耐性と論理規模を最適化した高ソフトエラー耐性の半導体集積回路33および半導体デバイス34を実現できる。
論理回路部におけるフリップフロップは、クロック同期式の順序回路や、カウンタ回路のほかに、論理回路における設定値などのデータを保持するレジスタ回路としても使用される。一般的なレジスタ回路の場合、常時トグルするクロック信号は使わず、データの書き込み/読み出し時にだけ単発パルスのクロック信号を使って動作し、書き込み/読み出しの動作が終わるとクロック信号はどちらかのレベルで待機状態になる。
特にレジスタ回路では、書き込み動作に比べてデータを保持している時間がほとんどであるため、SEUに対しては、待機時のクロックレベル側で使われているラッチの高耐性化が効果的となる。
例えば、クロックの立ち上がりエッジで動作するタイプのフリップフロップをレジスタ回路に使用し、書き込み/読み出し動作以外の間のクロックはLレベルである場合、クロックがLレベルのときにデータが保持されるスレーブラッチ側の高耐性化が効果的となる。
図11は、図8の半導体集積回路33内部の論理回路部31に、実施の形態2を基本とするフリップフロップをレジスタ回路に適用した場合の論理構成の一例である。
データA1、B1、C1の出力をAND(論理積)ゲート38でマスクするための制御信号27aを出力するレジスタ回路に、実施の形態2の高ソフトエラー耐性フリップフロップ27を使用する。 フリップフロップ27には、制御データ39(CTRL)と、書き込み用の単発クロック信号40(WCLK)が入力されており、WCLKは制御データを書き込む時に一時的にHレベルになるが、それ以外の動作時は常にLレベルとなる。この時、実施の形態2の高ソフトエラー耐性フリップフロップ27では、常にスレーブラッチ側でデータが保持されることになるが、スレーブラッチは高ソフトエラー耐性のラッチ回路で構成されているため、SEUは発生せず、レジスタ回路としてのソフトエラー率を低減することができる。
図12に、実施の形態3の半導体デバイスを搭載したブレードサーバーの構成の一例を示す。
ブレードサーバー48とは、1つの筐体に複数台のサーバーを搭載させたものであり、具体的には、ブレードと呼ばれるサーバ基板47を、筐体に複数枚挿すことで構成される。
サーバー基板47は、主に、情報処理用のCPU42と、CPUの外部記憶領域として使用するメモリ43と、外部インターフェース制御用のLSI45と、基板上のマスタクロックを生成するクロック発生部44と、サーバー筐体に接続するための外部コネクタ46と、が1枚のボード41の上に構成されており、1台のサーバーの機能を実現する。
ここで、実施の形態6のブレードサーバー48では、それぞれのサーバー基板47に搭載されるCPU42や、メモリ43、インターフェース制御LSI45などを、実施の形態3を基本とした半導体デバイス34で構成することができ、その場合には、実施の形態3により得られる効果と同様の効果を得ることができる。
また、各半導体デバイスにおける回路オーバヘッドが小さいために、装置全体の消費電力も低減することができ、さらには装置の発熱量も低減できる。
なお、本発明における形態は、上記ブレードサーバーなどの情報処理装置以外にも、フリップフロップが内蔵された半導体デバイスを搭載する装置に適用可能であり、航空機、プラント、エレベータ、鉄道、重機、自動車、計測器、など、複数の電子制御基板を搭載し、信頼性が要求されるような装置も含まれる。
Claims (10)
- クロックに従って、入力されたデータの保持及び出力を行うラッチ回路と、
前記ラッチ回路に前記クロックを供給するクロック分配部と、
を備え、
前記ラッチ回路は、第一のラッチ回路と、前記第一のラッチ回路よりもソフトエラーに対する耐性の低い第二のラッチ回路とを含み、
前記クロック分配部は、前記第一のラッチ回路がHighとなる時間が前記第二のラッチ回路がHighとなる時間よりも長くなるように前記クロックを送信することを特徴とするフリップフロップ。 - 請求項1記載のフリップフロップであって、
前記第一のラッチ回路及び前記第二のラッチ回路は、インバータとトランスミッションゲートの組合せ回路を有し、
前記第一のラッチ回路は、前記第二のラッチ回路よりも多く前記組合せ回路を有することを特徴とするフリップフロップ。 - 請求項1または2に記載のフリップフロップであって、
さらに、任意の遅延時間量遅延させたクロックを前記クロック分配部に出力するクロックデューティ可変部を有し、
前記クロック分配部は、前記クロック可変部から入力されたクロックを、前記複数のラッチ回路に分配供給することを特徴とするフリップフロップ。 - 請求項3記載のフリップフロップであって、
前記クロックデューティ可変部は、任意の遅延時間量を設定する遅延設定部と、前記遅延時間量に基づきマスタクロックを遅延させる可変遅延部と、前記マスタクロックと前記可変遅延部により遅延されたクロックとの論理和をとる論理和素子と、を有することを特徴とするフリップフロップ。 - 請求項1または2に記載のフリップフロップであって、
前記第一のラッチ回路がマスタラッチで、前記第二のラッチ回路がスレーブラッチであることを特徴とするフリップフロップ。 - 請求項1または2に記載のフリップフロップであって、
前記第一のラッチ回路がスレーブラッチで、前記第二のラッチ回路がマスタラッチであることを特徴とするフリップフロップ。 - 請求項3または4に記載のフリップフロップであって、
前記クロックデューティ可変部は、複数の異なる周波数のクロックを出力することを特徴とするフリップフロップ。 - 請求項1乃至7のいずれかに記載のフリップフロップを搭載した半導体集積回路。
- 請求項8記載の半導体集積回路を搭載した半導体デバイス。
- 請求項1乃至7のいずれかに記載のフリップフロップが複数搭載されたブレードサーバ。
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