JP6320290B2 - 半導体集積回路 - Google Patents
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Description
半導体集積回路の消費電力の削減のための一手法として、半導体集積回路内で駆動されていない回路ブロックに対する電力の供給が遮断される。
図1乃至図12を参照して、実施形態に係る半導体集積回路及びその制御方法が、説明される。
図1乃至図9を参照して、第1の実施形態の半導体集積回路の構成例が、説明される。
(a−1)全体構成
図1は、本実施形態の半導体集積回路を含む半導体システムを示す図である。
例えば、図1に示されるように、本実施形態の半導体集積回路1は、半導体システム800内に、設けられている。本実施形態の半導体集積回路1を含む半導体システム800は、携帯端末、無線通信デバイス、パーソナルコンピュータなどの様々な電子機器に、搭載される。
システムコントローラ70は、半導体システム800内の全体の管理及び制御を、実行する。
省電力コントローラ79は、システムコントローラ70の制御と連動して、半導体集積回路1の動作の一部や電源のオン/オフを制御する。また、省電力コントローラ79は、半導体集積回路1からの処理結果を、システムコントローラ70又は他のデバイスへ、転送する。以下では、説明の簡略化のために、システムコントローラ70及び省電力コントローラ79の少なくとも一方は、外部制御デバイス7ともよばれる。
スイッチ回路20は、CPU10に対する電力(例えば、電源電圧VDD)の供給を制御する。以下では、電力(電源電圧/電流)の供給を制御するスイッチ回路20は、パワースイッチ回路20とよばれる。
CPU10の動作状況に応じて、回路ブロックがラン状態からスリープ状態へ移行される時、パワースイッチ回路20は、外部制御デバイス7の制御に基づいて、CPU10内の回路ブロック内の内部電源線909を、電源線900から電気的に分離できる。
これによって、複数の回路ブロックのうち電源線900から電気的に分離された回路ブロックは、スリープ状態(オフ状態)に設定される。この結果として、CPU10の消費電力のうち、スリープ状態の回路ブロックの消費電力は、削減される。
図2は、本実施形態のLSIデバイスに用いられるパワースイッチ回路の概略を説明するための図である。
尚、制御信号PSW_ENaは、外部制御デバイス7の制御に基づいて、CPU10内で生成されてもよい。システムコントローラ70及び省電力コントローラ79の少なくとも一方が、制御信号PSW_ENaを生成する。
システムコントローラ70及び省電力コントローラ79の少なくとも一方が、制御信号PSW_ENb1〜PSW_ENb5を生成する。
一例としては、回路ブロック(ここでは、CPU10の内部回路)のウェイクアップ時において、複数のスイッチセクション291−1〜291−5は、互いにずれたタイミングで、オン状態にされる。この場合、複数のスイッチセクション291−1〜291−5がオン状態となる順序に応じて、内部電源線909と電源線900との間に形成される電流経路が、各スイッチセクション291−1〜291−5内に形成される。
以下、図3乃至図7を参照して、本実施形態のLSIデバイス1内のパワースイッチ回路の構成例について、より具体的に説明される。
<電源遮断領域>
図3は、本実施形態のLSIデバイス1内に含まれるCPU10の内部構成(レイアウト)の一例を示している。尚、後述の複数の回路ブロックが設けられる回路は、CPU以外の回路でもよい。
複数のパワードメインのうち、各パワードメイン(PD1,PD2,PD3)101,102,103は、半導体システム及びLSIデバイス1の動作状況に応じた所定の信号処理及び計算処理を実行する。パワードメイン(PD1)101は、例えば、パワードメイン(PD2,PD3)102,103の両方がオフ状態された場合にのみ、オフ状態に設定することが可能な回路ブロックである。パワードメイン101に対する電源電圧VDDの供給が、遮断された場合、入出力ポートを除くCPU10全体がスリープ状態となる。
また、パワードメイン101,102,103内に、RFF/RSRAM及びAOBなどが設けられる場合、パワードメイン101,102,103内部に、電源電圧VDDが常時印加されるポート領域が、設けられてもよい。
複数のパワードメイン100〜103を含むCPU10は、半導体システム800及びLSIデバイス1の動作状況に応じて、複数の動作モードで駆動される。
CPU10は、CPU10の動作モードに応じて、信号処理が実行されないパワードメイン100〜103を、非駆動状態(スリープモード)に設定できる。
さらに、CPU10の動作モード(例えば、動作モードがモード2〜4である場合)に応じて、信号処理が実行されない1以上のパワードメイン101〜103は、オフ状態に設定される。
パワースイッチ回路20は、パワードメインに対する電力の供給及び遮断によって、各パワードメイン100〜103のオフ状態/オン状態を制御できる。
本実施形態において、説明の明確化のため、第1のスイッチブロック210は、スルーレート制御型スイッチブロック210とよばれ、第2のスイッチブロック290は、時間分割制御型スイッチブロックとよばれる。
図5(及び図3)に示されるように、スルーレート制御型スイッチブロック210において、複数のスイッチセルSCは、例えば、パワードメイン190(101〜103)の周囲に配置される。但し、スルーレート制御型スイッチブロック210において、スイッチセルSCは、パワードメイン190及びスイッチブロック210の設計ルールを満たし、且つ、パワードメイン190内に所望の電位を印加することが可能であれば、パワードメイン190の内部に、設けられてもよい。
複数のスイッチセルSCは、共通の制御信号線に接続されている。以下では、共通の制御信号線に接続された複数のスイッチセルSCは、スイッチストリングともよばれる。
例えば、ウィークスイッチWS1としてのP型トランジスタWS1の駆動力は、ストロングスイッチSS1としてのP型トランジスタSSの駆動力より小さい。換言すると、P型トランジスタWS1の素子サイズ(例えば、実効的なチャネル幅/チャネル長)は、P型トランジスタSS1の素子サイズより小さい。
制御信号PSW_ENaの信号レベルが、H(High)レベルである場合(制御信号PSW_ENaがアサートされた場合)、インバータ204を介して、Lレベルの信号が、P型トランジスタWS1,SS1のゲートに供給される。この場合、P型トランジスタWS1,SS1は、オン状態(イネーブル状態、活性化状態)である。
以下では、制御信号PSW_ENaは、イネーブル信号ともよばれる。
時分割制御型スイッチブロック290は、複数のスイッチセクション291−1,291−2,291−3,291−4,291−5を含む。
通知信号PSW_ACKは、インバータ205を介して、各スイッチセクション291−1,291−2に供給される。
さらに、各スイッチブロック210,290及びスイッチセクション291が、所定の制御が可能であれば、各スイッチブロック210,290及びスイッチセクション291の入出力端子に、バッファ又はインバータが、接続されてもよい。
LSIデバイスにおいて、回路ブロック(パワードメイン)に対する電源供給のオン及びオフの切り替え回数が多くなると、回路ブロックのオフ状態からオン状態への切り替えのための時間のオーバーヘッドが、半導体システムの動作に、悪影響を及ぼし始める。この結果として、半導体システムは、ある単位時間当たりの仕事量を実行できなくなり、システム(信号処理)の動作不良(システムの破たん)が発生する可能性がある。
図8及び図9を参照して、本実施形態の半導体集積回路の動作例(LSIデバイスの制御方法)が、説明される。ここでは、図1乃至図7も適宜参照して、半導体集積回路内に含まれているパワースイッチ回路の動作が、説明される。
例えば、時間taの後の時間tb1において、イネーブル信号PSW_ENb1の信号レベルが、LレベルからHレベルに遷移される。時間tb1に続く時間tb2において、イネーブル信号PSW_ENb2が、Hレベルに設定される。インバータ208を介して、Lレベルの信号PSW_ENb1,PSW_ENb2が、各スイッチセクション291−1,291−2のスイッチセルSC3に、異なるタイミングで供給される。
時間tb4,tb5のそれぞれにおいて、イネーブル信号PSW_ENb4,PSW_ENb5は、その信号レベルがインバータ208によってHレベルからLレベルに反転され状態で、スイッチセクション291−4,291−5に、順次供給される。
図9において、実線L1は、本実施形態のパワースイッチ回路による復帰動作時におけるパワードメインの内部電位の変化を示している。図9において、破線L2は、スルーレート制御型スイッチブロックのみを含むパワースイッチ回路を用いたLSIデバイスの復帰動作時における、パワードメインの内部電位の変化を、比較例として、示している。
スイッチセクション291がオン状態となるタイミングで、内部電位VDDVが上昇したとしても、その際に発生するラッシュカレントの大きさは、スイッチセクション291内のスイッチセルSCの個数によって制御された許容値内の大きさであり、大きなノイズ及びリーク電力の発生は、抑制される。
図10乃至図12を参照して、第2の実施形態のパワースイッチ回路を含むLSIデバイスについて、説明される。
図10は、本実施形態のLSIデバイスの動作例を説明するためのタイミングチャートである。図10において、パワースイッチ回路の各制御信号の信号の変化のタイミングが、示されている。
例えば、イネーブル信号PSW_ENbの信号レベルは、通知信号PSW_ACKがHレベルに設定されるタイミングと同期して、Hレベルに設定される。尚、イネーブル信号PSW_ENbの信号レベルがHレベルに設定されるタイミングは、通知信号PSW_ACKがHレベルに設定されるタイミングと異なっていてもよい。
図11を用いて、本実施形態のLSIデバイスの動作例が、説明される。
上述の各実施形態の半導体集積回路内に含まれるスイッチ回路20は、CPU以外のデバイス、例えば、イメージセンサ、半導体メモリなどに、適用できる。
Claims (5)
- 第1の電圧が印加される電圧線と、
信号処理を行う第1の回路と、
前記電圧線と前記第1の回路との間に接続され、前記第1の回路に対する第1の電圧の供給を制御するスイッチ回路と、
を具備し、
前記スイッチ回路は、
第1の制御信号に基づいて、前記第1の回路と前記電圧線との接続を第1の制御方式で制御する1以上の第1のスイッチブロックと、
複数のスイッチセクションを含み、前記第1の制御信号と異なる複数の第2の制御信号に基づいて、前記第1の回路と前記電圧線との接続を第2の制御方式で制御する第2のスイッチブロックと、
を含み、
前記第1のスイッチブロックは、前記第1の回路と前記電圧線との接続が完了したことを示す第3の制御信号を、前記第2のスイッチブロックに出力し、
前記第2のスイッチブロックは、前記第3の制御信号を用いて、前記第1の回路と前記電圧線との接続を制御する、
半導体集積回路。 - 第1の電圧が印加される電圧線と、
信号処理を行う第1の回路と、
前記電圧線と前記第1の回路との間に接続され、前記第1の回路に対する第1の電圧の供給を制御するスイッチ回路と、
を具備し、
前記スイッチ回路は、
第1の制御信号に基づいて、前記第1の回路と前記電圧線との接続を第1の制御方式で制御する1以上の第1のスイッチブロックと、
複数のスイッチセクションを含み、前記第1の制御信号と異なる複数の第2の制御信号に基づいて、前記第1の回路と前記電圧線との接続を第2の制御方式で制御する第2のスイッチブロックと、
を含み、
前記第1のスイッチブロックは、第1のスイッチセルを含み、
前記第1のスイッチセルは、前記第1の制御信号によって制御される第1及び第2のスイッチ素子を含み、
前記複数のスイッチセクションのうち少なくとも1つは、第2のスイッチセルを含み、
前記第2のスイッチセルは、前記複数の第2の制御信号のうち1つによって制御される第3のスイッチ素子と、前記第1の回路と前記電圧線との接続が完了したことを示す第3の制御信号によって制御される第4のスイッチ素子と、を含む、
半導体集積回路。 - 第1の電圧が印加される電圧線と、
信号処理を行う第1の回路と、
前記電圧線と前記第1の回路との間に接続され、前記第1の回路に対する第1の電圧の供給を制御するスイッチ回路と、
を具備し、
前記スイッチ回路は、
第1の制御信号に基づいて、前記第1の回路と前記電圧線との接続を第1の制御方式で制御する1以上の第1のスイッチブロックと、
複数のスイッチセクションを含み、前記第1の制御信号と異なる複数の第2の制御信号に基づいて、前記第1の回路と前記電圧線との接続を第2の制御方式で制御する第2のスイッチブロックと、
を含み、
前記第1の回路が、非駆動状態に設定されている期間において、
前記第1のスイッチブロックがオフされ、
前記複数のスイッチセクションのうち、一部のスイッチセクションがオフされ、残りのスイッチセクションがオンされる、
半導体集積回路。 - 前記複数の第2の制御信号は、互いに異なるタイミングで、アサートされ、
前記複数のスイッチセクションは、互いに異なるタイミングで、オン状態にされる、
請求項1乃至3のうちいずれか1項に記載の半導体集積回路。 - 前記複数の第2の制御信号は、同時のタイミングで、アサートされ、
前記複数のスイッチセクションは、同時のタイミングで、オン状態にされる、
請求項1乃至3のうちいずれか1項に記載の半導体集積回路。
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