JP4521546B2 - Semiconductor integrated circuit device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路に係わり、特に高速性と低消費電力性を同時に実現する半導体集積回路装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
システムLSIなどのCMOS回路を用いた半導体集積回路装置は、MOSトランジスタなどのデバイスの微細化、スケーリングにともない集積度の増加および性能の向上を続けてきた。しかしながら、近年その成長には鈍化がみられるようになってきている。これは、微細化が限界に近づいてきていることや、これまで問題視されてこなかったMOSトランジスタのサブスレッショルドリーク電流、ゲートトンネルリーク電流、接合リーク電流などがチップの消費電力を左右するほどに増大してきたこと、あるいは、パイプライン段数を増加してステージ当たりの論理段数を減らすというアーキテクチャ的手法に限界があること、などに一因がある。特に消費電力の制約から、これまでのトレンド通りの性能向上を果たすことは困難になる。さらに、集積度の増加にともない配線遅延の影響が莫大なものとなり、同期式システムの設計も困難になってくる。今後、LSIのさらなる性能向上を目指すためには、デバイス、回路だけでなく、アーキテクチャ的にも工夫が必要である。その一つの解として、非特許文献1あるいは非特許文献2に述べられているように、マルチプロセッシングあるいはグリッドプロセッシングと呼ばれるシステムがあげられる。これらは、多数のプロセッサが一つのチップ上に形成された構造をしており、チップマルチプロセッサ(Chip Multi Processor、以下、CMPと呼ぶ)と言われている。CMPにおいて、プロセッサ内は通常の同期方式であるが、プロセッサ間は非同期(ハンドシェーク)方式あるいはデータフロー型処理方式などを採用している。各プロセッサが自律的に分散制御を行い、チップとしては全プロセッサを統合し効率的にデータ処理を行っている。データ処理の形式としては、異なる仕事を同時にこなすこと、あるいは同一の仕事を分散させて並列処理することが可能となり、処理性能の向上が見込まれる。CMPの自律分散化は、高集積化における信号配線遅延の影響を解決するだけでなく、設計工数の大幅な削減も期待できる。
【0003】
CMPに代表されるような自律分散型の半導体集積回路装置においても、低電力化は重要な課題となっている。高い集積度を持つCMPにおいて熱対策もまた重要な課題であり、低電力化を施さなければチップ化やパッケージの実現が不可能となってしまう。しかしながら、単純に電源電圧を下げて低電力化を図ったのでは、チップの性能、すなわちデータ処理速度を劣化させてしまう。CMPでは、チップ上の各プロセッサあるいは各IP機能モジュールがそれぞれ独立して動作するため、チップ全体の性能/電力比を高めるためには各機能モジュールの性能/電力比を最大にすることが重要である。プロセッサ機能モジュールは、非特許文献3に述べられているように、要求される処理性能(クロック周波数)が一意に決定されると、消費電力を最小にする電源電圧とデバイス(MOSトランジスタ)しきい値の組合せが決定される。基板バイアスを用いることで、プロセッサ動作中においてもダイナミックにデバイスのしきい値を変化させることが可能となる。したがって、電源電圧と基板バイアスを同時に制御することにより、要求性能に応じて最小の消費電力で機能モジュールを動作させることが可能となり、機能モジュールの性能/電力比を最大にすることが可能となる。
【0004】
【非特許文献1】
「第34回アニュアル・インターナショナル・シンポジウム・オン・マイクロアーキテクチャ・プロシーディング(Proceedings of the 34th Annual International Symposium on Microarchitecture)」2001年、 p.40-51
【非特許文献2】
「2002年インターナショナル・ソリッド・ステート・サーキッツ・コンファレンス・ダイジェスト・オブ・テクニカル・ペーパーズ(2002 International Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers)」2002年、 pp.196-197
【非特許文献3】
「2002年インターナショナル・ソリッド・ステート・サーキッツ・コンファレンス・ダイジェスト・オブ・テクニカル・ペーパーズ(2002 International Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers)」2002年、 pp.58-59
【非特許文献4】
「2001年シンポジウム・オン・ブイエルエスアイ・サーキッツ・ダイジェスト・オブ・テクニカル・ペーパーズ(2001 Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers)」2001年、p.55-56
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
CMOS回路を用いた半導体集積回路装置では、前述したようにクロック周波数、電源電圧、基板バイアスを制御することで、効果的にデータ処理性能を向上し消費電力を削減することが可能になる。回路機能モジュールに要求される性能に応じてクロック周波数を細かく調整することで、周波数に比例して消費電力を減少できる。また、クロック周波数が決定すると、必要な電源電圧およびCMOS回路を構成するMOSトランジスタのしきい値電圧を決定することができる。MOSトランジスタのしきい値電圧は基板バイアスにより調整できるため、回路機能モジュールが要求された性能を満たすための、電源電圧および基板バイアスの組合せは複数採ることができる。電源電圧を下げると、電圧の二乗に比例して消費電力を下げることが可能となる。しかしながら、電圧の低下は性能の劣化をもたらしてしまう。電圧低下時に性能を維持するためには、基板バイアスを用いてMOSトランジスタのしきい値電圧を下げる必要がある。ところが、しきい値電圧を下げるとトランジスタのサブスレッショルドリーク電流が増加してしまう。サブスレッショルドリーク電流はしきい値電圧の低下に対して指数的に増加し、ついには回路動作時の動作電流よりも大きくなり、消費電力を増加させることになる。したがって、回路性能を一定に保つ電源電圧と基板バイアスの組合せにおいて、消費電力を最小とするような組合せが一点だけ存在することになる。この電源電圧/基板バイアスの最適値は、回路機能モジュールの種類、規模、あるいは動作周波数に応じて異なる。また、製造プロセスのばらつきによっても異なる。したがって、複雑な低電力制御技術の最適設計と、多くのチップテストが必要になる。
【0006】
ところで、前述したように、半導体集積回路装置の機能を高度化するためには、一つのチップ上に多数のプロセッサや機能モジュールを配置してマルチプロセッサ化する必要がある。マルチプロセッサにおいて、回路規模の増加は設計期間の増加、テスト時間の増加、再設計コストの増加をもたらしてしまう。半導体集積回路チップの設計/製造にあたり、これらの課題を解決する方法として2つ考えることができる。1つはIP(Intellectual Property)と呼ばれる設計資産の再利用である。マルチプロセッサを構成する機能モジュールにおいて、過去に設計された設計データをIPとして再度利用することで、設計期間を短縮することができる。もう一つはマルチプロセッサの自律分散機能化である。従来の集中制御方式では、集中制御を行う中央制御モジュールは、チップ全体を見通すことで初めて制御が可能になり設計できるようになる。この方式では、設計後に容易に機能モジュールを追加することができない。これに反して、分散制御方式では、各機能モジュールが独自制御を行えるため、集中制御を行う機能モジュールは不要となり、機能モジュールの追加も容易にできる。また、各機能モジュールに自律機能を持たせることで、同じような機能モジュールを追加するだけで多様な機能を実現できるようになる。これらIP設計されたチップ、あるいは自律分散型のチップは、設計期間短縮やテスト時間の短縮に有効である。
【0007】
しかしながら、このようなチップの低電力化を図るためにクロック周波数/電源電圧/基板バイアス制御を導入するとなると、IP毎、デバイス毎、機能モジュール毎の最適な再利用が必要となり、設計期間、テスト時間の短縮が不可能となってしまう。そこで、IP設計や、自律分散設計に対応した、低電力技術が求められる。例えば、自律分散的に低電力化を図る方式として、非特許文献4に述べられているような方式が挙げられる。この方式は、データの無効期間計測回路と電源を遮断する電源スイッチを有し、無効期間がある一定時間以上になった場合に電源を遮断して低電力化を図るものである。各回路機能モジュールがこの機能を有し、機能モジュール毎に無効期間の計測を行うことで、分散制御を果たしている。しかしながら、この方法は電源遮断にしか用いることができず、最適なクロック周波数/電源電圧/基板バイアスを供給して機能モジュールの動作時におけるデータ処理性能/消費電力比を向上させる方式には対応できない。
【0008】
そこで、クロック周波数/電源電圧/基板バイアスの各組合せに応じた回路機能モジュールのデータ処理性能および消費電力を自動的に測定し、また回路機能モジュールに要求されるデータ処理量を自動的に測定し、常に最適なクロック周波数/電源電圧/基板バイアスを機能モジュールに供給する。その最適な条件を供給することにより、各機能モジュールのデータ処理性能/消費電力比を最大にし、かつチップ全体の性能を向上することが可能となる。さらに、各機能モジュールにおける低電力化は自律的かつ分散的に行われることから、機能モジュール設計においては低電力技術を考慮せずに設計することが可能となり、結果として設計期間短縮、チップテスト時間短縮、チップ製造ばらつきへの対応が可能なマルチプロセッサチップを実現できるようになる。
【0009】
したがって、本発明が解決しようとしている課題は以下の通りである。すなわち、CMOS回路を用いた機能モジュールにより形成される半導体集積回路装置において、性能測定回路および記憶テーブル回路およびクロック周波数制御回路および電源電圧制御回路および基板バイアス制御回路を有することにより、以下の課題を解決する。
(1)半導体集積回路装置内のCMOS回路で構成される少なくとも1つの機能モジュールにおいて、機能モジュールに要求されるデータ処理性能に応じて消費電力が最小になるように、すなわち機能モジュールの性能/消費電力比が最大になるように、機能モジュールに供給するクロック周波数、電源電圧、基板バイアスの少なくとも一種類を自動的に制御することが可能となり、半導体集積回路装置チップの高性能化、低消費電力化を実現する。
(2)機能モジュールに供給するクロック周波数、電源電圧、基板バイアスの決定において、チップの製造プロセスや使用環境、機能モジュールが受けとるデータ量などに応じて自動的に最適制御をすることが可能になる。
(3)機能モジュールの設計において、低電力技術とは独立に設計、製造することが可能であることから、設計期間の短縮と信頼性向上をもたらす。機能モジュールが複数存在し、自律分散型マルチプロセッサを形成するような場合でも、低電力技術を容易に分散制御法へ対応させることが可能となる。
(4)性能測定回路を組み込むことで、テスト時間の短縮をもたらすとともに、常に性能を監視することによって製造プロセスのばらつきなどによるチップ間の性能ばらつきにも対応可能となる。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明で提示した手段の主なものは以下のようになる。
本発明は、回路機能モジュール、クロック周波数制御回路、電源電圧制御回路、基板バイアス制御回路、性能測定回路、記憶テーブル回路から構成される。クロック周波数制御回路は記憶テーブル回路から制御信号を受けとり、回路機能モジュールに所定の周波数のクロック信号を供給する。電源電圧制御回路は記憶テーブル回路から制御信号を受け取り、回路機能モジュールに所定の電源電圧を供給する。基板バイアス制御回路は記憶テーブル回路から制御信号を受け取り、回路機能モジュールに所定の基板バイアスを供給する。性能測定回路は、回路機能モジュールのデータ処理速度や動作消費電力などの性能を測定して、測定データを記憶テーブル回路に伝達するとともに、記憶テーブルを制御する。記憶テーブル回路は、性能測定回路から送られてくる回路機能モジュールの性能測定データを保存し、回路機能モジュールに要求される性能、処理すべきデータ量あるいは動作時の環境条件などに応じて最適なクロック周波数、電源電圧、基板バイアスを決定し、クロック周波数制御回路、電源電圧制御回路、基板バイアス制御回路に制御信号を送信する。
【0011】
本発明の手段を、以下さらに詳細に説明する。
本発明の他の実施例によると、性能測定回路は回路機能モジュールの性能測定として、データ処理速度もしくは動作最大周波数もしくは動作時消費電力を測定して、記憶テーブル回路に測定結果を送る。記憶テーブル回路は、性能測定回路から得られた性能データを保存し、要求性能に応じて回路機能モジュールの動作速度/消費電力比が最大になるようなクロック周波数、電源電圧、基板バイアスを供給するために、クロック周波数制御回路、電源電圧制御回路、基板バイアス変換回路に制御信号を送信する。
【0012】
さらに本発明の他の実施例によると、性能測定回路は前述した回路機能モジュールの動作速度や消費電力の性能測定を半導体集積回路のチップ検査時に行う。
【0013】
さらに本発明の他の実施例によると、性能測定回路は前述した回路機能モジュールの動作速度や消費電力の性能測定のほかに、回路機能モジュールの機能検査回路や、回路機能モジュールに供給されるクロック周波数、電源電圧、基板バイアスなどの環境条件を測定評価する回路を含む。
【0014】
さらに本発明の他の実施例によると、性能測定回路は、クロック周波数、電源電圧、基板バイアスの供給可能な全ての組合せにおいて、回路機能モジュールの最小データ処理速度(最小動作速度)あるいは最大データ処理時間、いわゆるクリティカルパスの動作時間を測定する。
【0015】
さらに本発明の他の実施例によると、性能測定回路は、クロック周波数、電源電圧、基板バイアスの供給可能な全ての組合せにおいて、回路機能モジュールの動作時最大消費電流、いわゆるワースト電流、および停止時の最大リーク電流を測定する。
【0016】
さらに本発明の他の実施例によると、性能測定回路は回路機能モジュールに供給されるクロック信号の周波数、電源電圧の電圧レベル、基板バイアスの電圧レベルを測定評価する。
【0017】
さらに本発明の他の実施例によると、記憶テーブル回路は、回路機能モジュールがある時点までに処理したデータ量を測定し、その結果をもとにある時点後の処理性能を決定して、回路機能モジュールの動作速度/消費電力性能を最大にするように、クロック周波数制御回路、電源電圧制御回路、基板バイアス制御回路を制御し、最適なクロック信号、電源電圧、基板バイアスを回路機能モジュールに供給する。
【0018】
さらに本発明の他の実施例によると、回路機能モジュールにデータが連続して与えられる時間を活性化期間とし、記憶テーブル回路がデータ活性化期間を計測することでデータ量として測定する。
【0019】
さらに本発明の他の実施例によると、記憶テーブル回路が保存する性能データは、測定された回路機能モジュールの動作速度が速いあるいは遅い順、もしくは消費電力が大きいあるいは小さい順に記憶される。
【0020】
さらに本発明の他の実施例によると、半導体集積回路チップにおいて回路機能モジュールが複数個配置される構成において、性能測定回路はチップに1つ配置され、記憶テーブル回路、クロック周波数制御回路、電源電圧制御回路、基板バイアス制御回路は、回路機能モジュール毎に配置される。
【0021】
さらに本発明の他の実施例によると、半導体集積回路チップにおいて回路機能モジュールが複数個配置される構成において、チップ全体では1種類のクロック周波数を持つクロック信号と1種類の電圧を持つ電源信号が各回路機能モジュールに分配供給され、各回路機能モジュールにおいて、クロック周波数制御回路がクロック信号を分周または逓倍して回路機能モジュールにクロック信号を供給し、電源電圧制御回路が電源信号を降圧または昇圧して回路機能モジュールに電源電圧を供給し、基板バイアス制御回路が電源信号を降圧または昇圧して回路機能モジュールに基板バイアスを供給する。基板バイアスはpMOSトランジスタ用バイアスとnMOSトランジスタ用バイアスの2種類の電圧を供給する。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明の実施例を説明する。
図1は、本発明の実施例を示す図である。
本発明の半導体集積回路装置は、CMOS回路から構成されるマイクロプロセッサ等の機能を有する半導体集積回路である回路機能モジュールCFM11と、性能測定回路PMC11、記憶テーブル回路MTC11、クロック周波数制御回路CFC11、電源電圧制御回路SVC11、基板バイアス制御回路BBC11から構成される。回路機能モジュールCFM11はクロック信号clk11、電源電圧vdd11、PMOSトランジスタ用基板バイアスvbp11、NMOSトランジスタ用基板バイアスvbn11、測定命令信号mescmd11を入力し、測定結果信号mesres11を出力する。性能測定回路PMC11は、測定命令信号mescmd11、mescmd12を出力し、測定結果信号mesres11を入力し、その結果を性能データ信号pfdat11として出力する。記憶テーブル回路MTC11は測定命令信号mescmd12および性能データ信号pfdat11を入力し、動作制御信号opcnt11、opcnt12、opcnt13を出力する。クロック周波数制御回路CFC11は、動作制御信号opcnt11を入力しクロック信号clk11を出力する。電源電圧制御回路SVC11は、動作制御信号opcnt12を入力し電源電圧vdd11を出力する。基板バイアス制御回路BBC11は、動作制御信号opcnt13を入力しPMOSトランジスタ用基板バイアスvbp11およびNMOSトランジスタ用基板バイアスvbn11を出力する。
【0023】
CMOS回路で構成される集積回路である、回路機能モジュールCFM11のデータ処理速度(または動作速度)、あるいは消費電力といった性能は、回路機能モジュールCFM11に供給されるクロック信号clk11の周波数、電源電圧vdd11の電圧、および基板バイアスvbp11、vbn11の電圧によって変化する。従って、回路機能モジュールCFM11が処理すべきデータ量、あるいは要求される動作速度に応じて、最適な制御を行うことにより、最小の消費電力で必要処理性能を満たすことができるようになる。すなわち、非特許文献3に述べられているように、回路機能モジュールCFM11の動作速度としてクロック信号clk11の周波数が一意に決定された場合、その速度要求を満たすための電源電圧vdd11と基板バイアスvbp11、vbn11の電圧組合せは複数存在するが、その組合せの中で消費電力が最小となる点も一意に決定することができる。結果として、最適なクロック信号clk11、電源電圧vdd11、基板バイアスvbp11、vbn11を供給することにより、回路機能モジュールCFM11は動作速度/消費電力の比を最大にして動作することが可能となり、高性能と低電力を同時に実現することができる。
【0024】
以上のような機能をCMOS回路で構成されるマイクロプロセッサ等の半導体集積回路装置である一つのチップ上で実現するために、つまり、クロック信号clk11、電源電圧vdd11、基板バイアスvbp11、vbn11の最適制御を実現するために、本実施例では、性能測定回路PMC11はあらかじめ回路機能モジュールCFM11の動作速度や消費電力などの性能を測定する。まず、性能測定回路PMC11から測定を行うための測定命令信号mescmd11を回路機能モジュールCFM11に、測定命令信号mescmd12を記憶テーブル回路MTC11に与える。記憶テーブル回路MTC11は、測定命令信号mescd12にしたがって、動作制御信号opcnt11、opcnt12、opcnt13を生成し、それぞれクロック周波数制御回路CFC11、電源電圧制御回路SVC11、基板バイアス制御回路BBC11を制御する。クロック周波数制御回路CFC11は動作制御信号opcnt11に応じた周波数のクロック信号clk11を出力する。電源電圧制御回路SVC11は動作制御信号opcnt12に応じた電圧の電源電圧vdd11を出力する。基板バイアス制御回路BBC11は動作制御信号opcnt13に応じた電圧の基板バイアスvbp11およびvbn11を出力する。こうして供給されるクロック信号clk11、電源電圧vdd11、基板バイアスvbp11、vbn11のもとで、回路機能モジュールCFM11は測定命令信号mescmd11にしたがって動作し、性能測定が行われる。測定された性能データは、測定結果信号mesres11として性能測定回路PMC11に与えられ、さらに性能測定回路PMC11は性能データ信号11として測定結果である性能データを記憶テーブル回路に記憶させる。回路機能モジュールCFM11に関する性能の測定は、クロック周波数制御回路CFC11、電源電圧制御回路SVC11、基板バイアス制御回路BBC11が生成できるクロック信号clk11の周波数、電源電圧vdd11の電圧、基板バイアスvbp11およびvbn11の電圧において全ての組合せについて行われ、その全性能データが記憶テーブル回路MTC11に記憶される。記憶テーブル回路はレジスタやメモリおよび論理回路で構成される。記憶テーブル回路MTC11は、回路機能モジュールが必要とする動作速度を満たすような性能データの中で、消費電力が最小となるようなクロック信号clk11、電源電圧vdd11、基板バイアスvbp11、vbn11を選択して動作制御信号opcnt11、opcnt12、opcnt13を決定する。
【0025】
CMOS半導体集積回路チップの性能は、製造プロセスのばらつきにより、設計値との誤差、あるいはチップ内やチップ間において性能誤差を生じる。このことを性能ばらつきと言う。クロック信号clk11、電源電圧vdd11、基板バイアスvbp11、vbn11の最適値を、設計時にシミュレーションなどから求めることは可能であるが、製造プロセスによる性能ばらつきに対応することはできない。また、設計時に最適条件を求めながら設計を行うということは、設計を複雑化し、設計期間を延長することになる。結果としてチップの信頼性を低くする。そこで、本実施例の構成にあるように、回路機能モジュールCFM11の性能を実際のチップで測定し、データを記憶させることで、性能ばらつきの問題を解決できるようになる。また、回路機能モジュールCFM11の設計にあたっては、これら最適制御に関して考慮する必要が無いため、設計が容易化し、設計期間の短縮、信頼性の向上をもたらす。また、性能測定を行うということは、チップのテストを行うことになるため、チップのテスト時間も短縮できる。
以上の説明にあたり、一つの信号や図中の一本の信号線は、複数の信号の集合あるいは複数のビット分の情報を伝達できる。このことは、以下の説明においても同様である。
【0026】
図2は、クロック周波数制御回路の実施例を示す図である。
本クロック周波数制御回路は、D型フリップフロップ回路DFF21とセレクタ回路SEL21から構成される。D型フリップフロップ回路DFF21は直列に接続され、入力クロック信号clkin21を分周する。入力クロック信号clikin21のクロック周波数は、初段のD型フリップフロップ回路出力sig21で1/2に分周され、二段目のD型フリップフロップ回路出力sig22で1/4に分周される。何分周したクロック信号をclk11として出力するかをセレクタ回路SEL21が決定する。セレクタ回路SEL21の制御は動作制御信号opcnt11で行われる。本実施例の分周方式の場合、分周されたクロック信号出力clk11は動作制御信号opcnt11が供給されると1クロック期間で直ちに出力できる。
【0027】
図3は、クロック周波数制御回路の他の実施例を示す図である。
本クロック周波数制御回路は、位相周波数検出回路PFD31、PMOSトランジスタPMS31、NMOSトランジスタNMS31、抵抗RES31、容量CAP31、電圧制御発振回路VCO31、分周回路DIV31から構成される。公知の回路構成であるフェーズ・ロックド・ロープ回路(以下、PLLと呼ぶ)である。クロック入力信号clkin21に対して、クロック周波数を逓倍したクロック信号clk11を生成できる。逓倍率は分周回路DIV31で決まり、分周が1/2であれば逓倍は2倍、分周が1/3であれば逓倍は3倍となる。動作制御信号opcnt11は、分周回路DIV31の分周率を制御し、クロック信号clk11の周波数を決定する。
【0028】
図4は、電源電圧制御回路もしくは基板バイアス制御回路の実施例を示す図である。
本電源電圧制御回路は、参照電圧発生回路VRF41、増幅回路AMP41、PMOSトランジスタPMS41から構成される。動作制御信号opcnt11により参照電圧発生回路VRF41の出力電圧信号sig41が制御され、出力となる電源電圧vdd11が変化する。いわゆる、シリーズレギュレータと呼ばれる公知の回路構成になっている。この他、スイッチングレギュレータ方式の回路構成を用いてもよい。参照電圧発生回路VRF41は、例えば抵抗分割回路、バンドギャップリファレンス回路、MOSトランジスタのしきい値電圧使用回路などで構成できる。入力電圧vddin31を降圧して出力の電圧vdd11を生成する。本実施例は、同様に基板バイアス制御回路としても用いることが可能である。基板バイアス制御回路の場合、出力電圧としてvbp11とvbn11の二種類が必要となるので、本実施例の回路を2個用いる。
【0029】
図5は、電源電圧制御回路もしくは基板バイアス制御回路の他の実施例を示す図である。
本電源電圧制御回路は、リング発振回路ROS51、センサ回路SEN51、容量CAP51、ダイオードDID51、DID52から構成される。本回路は、出力電圧vdd11を入力電圧vddin31よりも昇圧したり、負電圧を生成したりする際に用いることができる。公知のチャージポンプ回路と同じ構成である。出力電圧vdd11は、動作制御信号opcnt11がセンサ回路SEN51を制御することで決定される。出力が設定値以上(あるいは以下)の電圧に達すると、センサ回路SEN51が信号sig51を供給し、リング発振回路ROS51の動作を止め、出力電圧vdd11を決定する。また、チャージポンプ回路を複数段直列につなぎ、何段目の出力を出力電圧vdd11として選択するかを動作制御信号opcnt11が決定する、という回路構成でもよい。ダイオードDID51は、CMOS製造プロセスにおいて直接拡散層などの層を用いても可能であるし、またMOSトランジスタを用いても形成できる。
【0030】
図6は、本発明の性能測定回路の実施例を示す図であり、図1のPMC11中にある。
本発明の性能測定回路PMC61は、インバータアンド回路INVAND61、アンド回路AND61、レジスタ回路REG61、カウンタ回路CNT61から構成される。インバータアンド回路INVAND61はリクエスト信号req61と測定結果信号mesres11を入力し信号sig61を出力する。アンド回路AND61は信号sig61と制御クロック信号cntclk61を入力し信号sig62を出力する。カウンタ回路CNT61は信号sig61およびsig62を入力して信号sig63を出力する。レジスタ回路REG61は信号sig61、sig63を入力して性能データ信号pfdat11を出力する。また、回路機能モジュールCFM61はリクエスト信号req61を測定命令信号mescmd11として受け取り、性能測定用のデータ入力信号datin61を入力してデータ出力信号datout61を測定結果信号mesres11として出力する。本発明は、回路機能モジュールCFM61のデータ処理速度、あるいは回路動作速度を性能として検出する方式である。
【0031】
本発明の動作波形を図7に示す。あらかじめ、時間t1の前にデータ入力信号datin61が回路機能モジュールCFM61に供給される。リクエスト信号req61が時間t1でアサートされるとともに、測定命令信号mescmd11もアサートされ、回路機能モジュールCFM61はデータ入力信号datin61の処理を開始する。回路機能モジュールがデータ処理を終了すると、データ出力信号datout61が時間t2でアサートされる。この時間(t2−t1)が、回路機能モジュールCFM61のデータ処理速度あるいは回路動作速度を示す遅延時間となる。データ出力信号datout61は測定結果信号mesres11として性能測定回路PMC61に与えられる。性能測定回路PMC61においては、時間t1とt2の間だけ制御信号sig61がアサートされており、このアサート期間の長さを、制御クロック信号cntclk61を用いてカウンタ回路CNT61が計測する。時間t2で制御信号sig61がネゲートされると、カウンタ回路CNT61が計測した値をレジスタ回路REG61に記憶し、性能データ信号pfdat11として出力することになる。性能データ信号pfdat11を制御クロック信号cntclk61の周波数で割った値が回路機能モジュールCFM61のデータ処理にかかる遅延時間に相当する。
【0032】
図8は、本発明の性能測定回路の他の実施例を示す図である。
本発明の性能測定回路PMC81は、NMOSトランジスタNMS81、アナログデジタル変換回路ADC81から構成される。回路機能モジュールCFM81の、例えば仮想的なグランド電圧線が性能測定回路PMC81の制御信号sig81と接続される。NMOSトランジスタNMS81は参照電圧vref81をゲートに、グランド電圧gnd81をソースに、制御信号sig81をドレインに接続する。アナログデジタル変換回路は制御信号sig81を入力して性能データ信号pfdat11を出力する。通常動作時においては、参照電圧vref81が最大入力電圧レベル、あるいは回路機能モジュールCFM81への供給電圧レベルとなり、制御信号sig81とグランド電圧gnd81が同電位になる。その状態で、回路機能モジュールCFM81はデータ入力信号datin81を処理する。回路機能モジュールCFM81の電力測定時には、参照電圧vref81は必要に応じて最大入力電圧レベルよりも低く、グランド電圧レベルよりは高い値に設定される。このような状態で、電力を測定するためのデータをデータ入力信号datin81として回路機能モジュールCFM81に与え、測定命令信号mescmd11で測定を開始する。測定結果信号mesres11が出力されるまでの消費電力は制御信号sig81の電圧レベルに依存するので、そのレベルをアナログデジタル変換回路ADC81で変換すると、そのときのデジタル値が回路機能モジュールCFM81の消費電力に相当する。この消費電力データを、性能データ信号pfdat11として出力することになる。NMOSトランジスタ部分は、PMOSトランジスタを用いることも可能。また、回路機能モジュールと性能測定回路の接続部分かつ電力測定部位は、回路機能モジュールのグランド電圧ラインでなく、電源電圧ラインでも同様の効果がある。
【0033】
図9は、本発明の性能測定回路の他の実施例を示す図である。
本発明の性能測定回路PMC91は、増幅回路AMP91、抵抗RES91、RES92、アナログデジタル変換回路ADC91から構成される。増幅回路AMP91は、回路機能モジュールCFM91に供給される電源電圧vdd91と参照電圧vref91を入力し、信号sig91を出力する。抵抗RES91は電源vdd91と信号sig91の間に、抵抗RES92は信号sig91とsig92の間に挿入される。アナログデジタル変換回路は信号sig92を入力して性能データ信号pfdat11を出力する。増幅回路AMP91と抵抗RES91、RES92を図9のように組合せることで、電源vdd91に流れる電流に依存した電圧が信号sig92に現れる。この電圧をアナログデジタル変換回路ADC91がデジタル信号に変え、消費電流をデジタル信号として性能データpfdat11に出力する。性能測定時の回路機能モジュールCFM91は、図8におけるCFM81と同じ働きをする。
【0034】
また、回路機能モジュールと性能測定回路の接続部分かつ電力測定部位は、回路機能モジュールの電源電圧ラインでなく、グランド電圧ラインでも同様の効果がある。
【0035】
図10は、本発明の記憶テーブル回路のテーブル表の実施例を示す図である。
本発明の記憶テーブル回路はフリップフロップ回路やスタティック・ランダム・アクセス・メモリ回路などの記憶素子で構成される。記憶テーブル回路は、回路機能モジュール毎に配置され、各回路機能モジュールに供給できる電源電圧vdd11および基板バイアスvbp11、vbn11のすべての組合せについて、回路機能モジュールの消費電力pwr101と遅延時間tpd101のデータを保存する。図10の例では、電源電圧vdd11として1.2V、1.0V、0.8Vが与えられ、基板バイアスvbp11としてはvbp11=vdd11あるいはvbp11=vdd11/2の2種類の電圧が与えられ、また基板バイアスvbn11としてはvbn11=0あるいはvbn11=vdd11/2の2種類の電圧が与えられる。したがって、制御組合せとしてはcmb101、cmb102、cmb103、cmb104、cmb105、cmb106の6通りになる。それぞれの組合せについて、回路機能モジュールの動作速度、および消費電力といった性能が図6、図8、図9の実施例で示されるような性能測定回路を用いて測定され、測定結果が性能データpfdat11により図1のように記憶テーブル回路MTC11に与えられ、記憶テーブル回路内で図10のようなテーブルが作成される。この図では、例えば制御組合せcmb101の時、ある回路機能モジュールの消費電力pwr101は3.5mW、遅延時間tpd101は3.1nsとなっている。回路モジュールに要求される性能が決定すると、この表から最適な電源電圧vdd11、基板バイアスvbp11、vbn11の組合せを決定して、周波数制御回路、電源電圧制御回路、基板バイアス制御回路へ、各制御信号を与える。例えば、回路機能モジュールに要求される性能が、クロック信号で250MHzの時、データ処理にかかる遅延時間は4ns以下であればよいので、制御組合せcmb102が選択されることになる。
電源電圧vdd11、基板バイアスvbp11、vbn11の組合せ数、あるいは各電圧の分割数が多いほど、理想的な最低消費電力に近い動作を行う条件を選択することが可能となる。
【0036】
図10の表では、遅延時間tpd101が小さい順に並んでいる。ところが、消費電力pwr101の大きい順で並べなおすと、図11のように、図10の制御組合せのうち、cmb104とcmb105に相当する電圧の組合せが入れ替わっている。このように組替えることで、例えば、ある回路動作速度を達成するために遅延時間が7ns以下である電圧の組合せを選択する際に、制御組合せをcmb116からcmb111の方向で探すと、cmb115を決定することができる。もし、図10の表で制御組合せcmb106からcmb101の方向に探すと、cmb105を決定してしまう。cmb105は、消費電力が0.8mWで、cmb115の0.6mWよりも大きい。従って、図11のようなデータの並べ替えを行うことで、動作速度/消費電力比を最大にする制御組合せを選択することが可能になる。図11のような並べ替えを行うには、消費電力pwr111や遅延時間tpd111のデータを比較回路で逐次比較してから記憶テーブル回路に格納する、あるいは記憶テーブル回路に格納後、データを利用する際に比較回路で大小を比較すればよい。
【0037】
図12は、本発明の性能測定回路の他の実施例を示す図である。
本発明の回路機能モジュールCFM121は、セレクタ回路SEL121、D型フリップフロップ回路DFF121、論理回路LOG121から構成される。通常のデータ処理動作時、回路機能モジュールCFM121にはデータ入力信号datin121、datin122、datin123、datin124、datin125などのデータが入力され、セレクタ回路を経由してD型フリップフロップに入力された後、実際のデータ処理を行う論理回路LOG121に供給される。論理回路LOG121が計算した結果のデータは、セレクタ回路、D型フリップフロップ回路を経てデータ出力信号datout121、datout122、datout123、datout124、datout125として回路機能モジュールCFM121から外部へ出力される。性能測定回路PMC121は、チップのテスト時に用いられるような場合、回路機能モジュールCFM121の性能を図6、図8、図9などの手段で測定する他に、動作機能テスト、いわゆる機能テストも行う必要がある。この機能テストにあたる部分の回路構成が図12に示される構成になっている。性能測定回路PMC121は、セレクタ回路制御信号selcnt121およびselcnt122を回路機能モジュールCFM121内のセレクタ回路に与え、データ入力信号やデータ出力信号との接続を停止し、またスキャン入力信号scnin121を用いて性能測定用のデータ信号を回路機能モジュール内のセレクタ回路とD型フリップフロップ回路を利用して逐次与える。また出力データ信号は、同様にセレクタ回路とD型フリップフロップ回路を利用して逐次スキャン出力信号scnout121として性能測定回路PMC121に戻す。テスト用のデータ信号は、性能測定回路PMC121の外部からテスト入力信号bstin121として取り入れ、機能テストの結果はテスト出力信号bstout121として出力する。回路機能モジュールCFM121内における、上述のいわゆるスキャンテスト方式は公知の技術である。本発明では、回路機能モジュールの性能を測定する性能測定回路PMC121が、スキャンテスト用の制御信号入出力も行うことで、性能測定とともにスキャンテストを行い、結果として、チップテスト時に、スキャンテストおよび性能テストの両テストを行えるようにしている。したがって、テスト時間が短縮される。また、チップ毎、さらに回路機能モジュール毎の性能テストを行うことから、製造プロセスによる性能のばらつきにも対応できる。
【0038】
図13は、本発明の性能測定回路の他の実施例を示す図である。
本発明の回路機能モジュールCFM131は、図12における回路機能モジュールCFM121と同様に、セレクタ回路SEL121、D型フリップフロップ回路DFF121、論理回路LOG121から構成される。データ入力信号datin121〜datin125とスキャン入力信号scnin121はセレクタ回路制御信号selcnt121により、データ出力信号datout121〜datout125とスキャン出力信号scnout121はセレクタ回路制御信号selcnt122により選択される。回路機能モジュールCFM121との相違点は、論理回路LOG121のデータ出力が直接測定結果信号mesres131として出力される点である。本発明の性能測定回路PMC131は、インバータアンド回路INVAND61、アンド回路AND61、比較回路CMP131、レジスタ回路REG61、カウンタ回路CNT61から構成される。
【0039】
本発明は、性能測定回路PMC131を用いて、回路機能モジュールCFM131の動作速度、データ処理速度を示す回路動作の遅延時間を測定する実施例のひとつで、図12に示すスキャンテスト技術を利用している。また、回路機能モジュールCFM131から出力される測定結果信号mesres131を利用して、性能測定回路PMC131は図6の性能測定回路PMC61と同様の仕組みで回路機能モジュールCFM131の遅延時間を計測する。具体的には、セレクタ制御信号selcnt121とスキャン入力信号scnin121を利用して、テスト入力信号bstin131を回路機能モジュールCFM131に供給する。リクエスト信号req61をアサートした瞬間に、回路機能モジュールのCFM131内で論理回路LOG121がデータ処理動作を開始し、性能測定回路PMC131ではカウンタ回路CNT61が制御クロック信号cntclk61に従って時間を計測する。論理回路LOG121が処理を終えて出力データが確定すると、測定結果信号mesres131として比較回路CMP131に与えられる。比較回路は、測定結果信号mesres131が正しい結果を示すと、制御信号sig131を出力し、カウンタ回路CNT61の計測が停止して計測値がレジスタ回路REG61に与えられる。その出力であるpfdat11は、回路機能モジュールCFM131の遅延時間を表している。入力データとして、例えばクリティカルパスを用いるデータをテスト入力信号bstin131として与えれば、計測された遅延時間は、該当する回路機能モジュールCFM131のクリティカルパス遅延、すなわちワースト(最大)遅延時間となる。
【0040】
図14は、本発明の性能測定回路の他の実施例を示す図である。
本発明の回路機能モジュールCFM121は、図12における回路機能モジュールのスキャンテスト技術と同じ構成をしており、また本発明の性能測定回路PMC141は図8あるいは図9に示すような消費電力測定機能を有する。回路機能モジュールのグランドレベルは擬似グランド線となり性能測定回路PMC141の制御信号sig81に接続される。テスト入力信号bstin141から、例えば該当する回路機能モジュールCFM121が最大消費電力で動作するようなデータを供給することで、性能測定回路PMC141は回路機能モジュールCFM121のワースト(最大)電力を計測する。
【0041】
図15は、本発明の性能測定回路の他の実施例を示す図である。
本発明の性能測定回路は、シフトレジスタ回路SRG151、セレクタ回路SEL151、SEL152、アナログデジタル変換回路ADC151、比較回路CMP151、CMP152、D型フリップフロップ回路DFF151、インバータアンド回路INVAND151、アンド回路AND151、レジスタ回路REG151、カウンタ回路CNT151で構成される。シフトレジスタ回路SRG151はテスト入力信号bstin151と制御クロック信号cntclk151を入力して制御信号sig151を出力する。セレクタ回路SEL151は被測定電圧vmes151として、電源電圧や基板バイアスなどの電圧信号を入力しそのうちの測定すべき電圧を選択して出力する。アナログデジタル変換回路ADC151は、セレクタ回路SEL151が選択した被測定電圧を入力し、その電圧レベルをデジタル値に変換して制御信号sig152を出力する。比較回路CMP151は制御信号sig151とsig152を比較して一致しているかどうかを判定し制御信号sig153を出力する。D型フリップフロップ回路はリクエスト信号req151と入力電圧vddin151を入力して制御信号sig154を出力する。インバータアンド回路INVAND151、アンド回路AND151、レジスタ回路REG151およびカウンタ回路CNT151は図6における性能測定回路PMC61と同じ構成になっている。セレクタ回路SEL152は制御信号sig152とレジスタ回路出力であるテスト出力信号bstout152のどちらを比較回路CMP152に伝達するかを選択する。比較回路CMP152は、セレクタ回路SEL152からの出力信号がシフトレジスタ回路SRG151からの出力信号であるsig151と比べて同じか異なっているかを判定し、テスト出力信号bstout151として出力する。
【0042】
本発明の性能測定回路は、回路機能モジュールに供給される電源電圧や基板バイアスの電圧値が正しいレベルで供給されているかを測定するとともに、電源電圧や基板バイアスの値が変化する際の遷移時間を計測し、設計値通りであるかを計測する。まず、シフトレジスタ回路SRG151が、テスト入力信号bstin151を制御クロック信号cntclk151に従って取り込み、信号sig151として出力する。電源電圧や基板バイアスは被測定電圧vmes151に接続され、セレクタ回路SEL151で、どの電圧を計測するか選択する。アナログデジタル変換回路ADC151は与えられる電圧レベルをデジタル化して、信号sig152として出力する。被測定電圧vmes151に与えられる電圧レベルは、信号sig152となり、信号sig151と比較回路CMP152において比較されることによって、正しい電圧レベルが生じているかを観測し、結果をテスト出力信号bstout151として出力する。リクエスト信号req151がアサートされると、カウンタ回路CNT151は時間を計測開始する。それと同時に、各回路機能モジュールにおいて、供給される電源電圧あるいは基板バイアスが変化しはじめる。該当する電圧レベルはデジタル化され信号sig152で与えられており、この値が所望の値である信号sig151と等しくなると、比較回路CMP151が出力信号sig153をアサートし、カウンタ回路CNT151の計測が停止する。この間、カウンタ回路CNT151が計測した時間が、電圧レベルの遷移時間に相当する。計測結果はレジスタ回路REG151に記憶され、テスト出力信号bstout152として出力される。また、比較回路CMP152において、信号sig151と比較することで、設計値と等しいかを判定する。このようにして、回路機能モジュールに供給される電圧レベルや電圧遷移時間が計測される。
【0043】
図16は、本発明の記憶テーブル回路の実施例を示す図である。
本発明は、記憶テーブル回路における、自己学習機能部、すなわち、回路機能モジュールに供給されるデータ量を計測し、将来的に必要とされる回路機能モジュールの性能を予測して、記憶テーブル回路内に格納されている性能データをもとに回路機能モジュールやクロック周波数変換回路、電源電圧変換回路、基板バイアス制御回路への制御信号を生成する回路を示している。
【0044】
本発明の記憶テーブル回路は、アービタ回路ARB161、カウンタ回路CNT161、CNT162、CNT163、レジスタ回路REG161、REG162、比較回路CMP161、CMP162および、アンド回路、インバータ回路から構成される。記憶テーブル回路に入力される信号は、図17の波形で示されるものである。回路機能モジュールへのデータ入力信号datin161には、データの有効期間(図の斜線)と無効期間が存在し、有効期間の間にデータが与えられる。1つのデータ有効期間と無効期間を合わせた時間をタイムスロットtmslot160、tmslot161、tmslot162と呼ぶ。データフラグ信号flag161はこのタイムスロットの間に値を変化させ、各タイムスロットにおいてデータ有効期間にはデータ有効信号flval160、flval161、flval162を生成し、データ無効期間にはデータ無効信号flinv160、flinv161、flinv162を生成する。従って、データ有効信号の立ち上がりがデータ有効期間の始まりを、データ無効信号のアサートがデータ有効期間の終了を意味する。図16の記憶テーブル回路において、回路機能モジュールの動作開始時には、最大周波数、最大電源電圧など、最高速度を示す条件の制御を記憶テーブル回路が選択する。その後、実際のデータ処理を進めるに従い、性能を下げ、電力削減するという手法をとっている。
【0045】
具体的には、あるタイムスロットtmslot161においてデータの有効期間、つまりデータ有効信号flval161とデータ無効信号flinv161の間の時間をtv、無効期間、つまりデータ無効信号flinv161と次のタイムスロットtmslot162のデータ有効信号flval162の間の時間をtiとする。このタイムスロット内のデータ量をNt回毎に計測する。はじめは、最大のクロック周波数となるクロック信号clk161(周波数f0)を供給し、回路機能モジュールのデータ処理性能に余裕があると、クロック周波数をf0となるクロック信号clk162に下げ、低電力化していく。この際、記憶テーブル回路の制御組合せに従って電源電圧や基板バイアスも同時に変化させる。最低電力条件において、データ無効期間tiが一定の時間Tsd以上続いた場合には、電源を遮断する。電源の遮断を行う場合には、図4や図5に示す電源電圧制御回路に、MOSトランジスタからなる電源用スイッチを組み込む。また、データ無効期間中は、回路機能モジュール内へのクロック信号供給を停止(例えば、クロック周波数制御回路において、出力クロックの周波数を0にする、あるいはアンド回路などを用いて出力をゲーティングする)することにより、さらに電力を低減する。クロック周波数をf0からf1に下げられる条件は次のようになる。
【0046】
【数1】

Figure 0004521546
【数2】
Figure 0004521546
(1)式で、左辺はクロックf0時のデータ数、右辺はクロックをf1に下げた場合に一スロットで処理できるデータ数を示す。式(2)は電圧の遷移にかかる時間Ttransとデータ無効期間tiの関係を示している。また、何スロットで周波数を変化させてよいかという条件Ntは、電力制約で決定される。電力制約は、各周波数における回路機能モジュールの動作電力Pf0、Pf1、電圧遷移にともなう電力Ptransと遷移時間Ttransから次式のように求められる。
【0047】
【数3】
Figure 0004521546
ここで、動作電力は待機時電力よりも充分大きいと仮定している。したがって、式(1)、(2)の条件がNt回おこった場合に周波数を下げて低電力動作に遷移する。電源遮断を行う条件は、電力制約とタイミング制約から考える。電力制約条件は、最低電源電圧における回路機能モジュールのリーク電力をPleakとした場合に次のようになる。
【0048】
【数4】
Figure 0004521546
【数5】
Figure 0004521546
式(4)から求められた条件よりもデータ無効期間が長ければ式(5)を満たし、電源遮断を行う。このようにして、記憶テーブル回路は回路機能モジュールの消費電力を削減していく。データ量が増加して一スロット内で処理できなくなった場合には、データをバッファに蓄えつつクロックを最大周波数(f0)に戻し、再度同じ学習を繰り返す。図16において、式(1)、(2)の関係が満たされる場合、比較回路CMP161およびCMP162の出力、つまりアンド回路出力がダウン信号dwn161を出力する。この場合、記憶テーブル回路の出力である制御信号により、回路機能モジュールに供給される周波数および電圧条件を一段下げ、動作速度を下げるとともに消費電力を低下する。周波数最小になってもデータ無効期間が長いと式(5)が満たされて、シャットダウン信号sdwn161が出力され、回路機能モジュールは電源遮断となる。また、あるタイムスロットtmslot160でデータを処理しきれなくなり、データ無効信号flinv160の前に、次のタイムスロットtmslot161用データが到着してデータ有効信号flval161が発生してしまった場合には、error信号が出力され、周波数および電圧条件は最高速度性能の条件に戻る。
【0049】
回路機能モジュールがある性能で動作している間に、データ量が増えてタイムスロット内で処理しきれなくなる場合、図16のerr161信号が出力される。この時、処理しきれなかったデータについては、回路機能モジュールのデータ入力バッファに格納しておいたり、処理ミスとして一度データを捨ててあらためてデータを要求しなおすなどの対処をする。また、err161信号が出力された後の電源電圧、基板バイアス、クロック周波数の設定については、最高性能を与える設定に戻ってもよいし、現状より一つ上の性能設定に戻してもよい。
以上のようにして、本発明の記憶テーブル回路は、回路機能モジュールに与えられるデータ量を計測し学習することによって、回路機能モジュールが最適な性能を発揮できるように制御信号を生成する。
【0050】
図18は、本発明の他の実施例を示す図である。
本発明は、回路機能モジュールCFM181、CFM182、クロック周波数制御回路CFC181、CFC182、電源電圧制御回路SVC181、SVC182、基板バイアス制御回路BBC181、BBC182、記憶テーブル回路MTC181、MTC182、バッファ回路BUF181、BUF182、バスBUS181、外部入力EXT181、性能測定回路PMC181、バス制御回路BSC181から構成される。回路機能モジュールCFM181はクロック周波数clk181、電源電圧vdd181、基板バイアスvbp181、vbn181を入力し、バッファ回路BUF181を介してデータ信号の入出力を行う。回路機能モジュールCFM182はクロック周波数clk182、電源電圧vdd182、基板バイアスvbp182、vbn182を入力し、バッファ回路BUF182を介してデータ信号の入出力を行う。クロック周波数制御回路CFC181、CFC182はそれぞれ、入力クロック信号clkin181を入力してクロック信号clk181、clk182を出力する。電源電圧制御回路SVC181、SVC182はそれぞれ、入力電圧vddin181を入力して電源電圧vdd181、vdd182を出力する。基板バイアス制御回路BBC181、BBC182はそれぞれ、入力電圧vddin181を入力して基板バイアスvbp181、vbn181およびvbp182、vbn182を出力する。記憶テーブル回路MTC181は、制御信号sig182を入力して、クロック周波数制御回路CFC181、電源電圧制御回路SVC181、基板バイアス制御回路BBC181を制御する。記憶テーブル回路MTC182は、制御信号sig183を入力して、クロック周波数制御回路CFC182、電源電圧制御回路SVC182、基板バイアス制御回路BBC182を制御する。バッファ回路BUF181、BUF182はそれぞれ、回路機能モジュールCFM181、CFM182とバスBUS181とのデータ入出力を中継し、データの保存を行う。バス回路BUS181は、外部入力EXT181、性能測定回路PMC181、バス制御回路BSC181、記憶テーブル回路MTC181、MTC182、バッファ回路BUF181、BUF182との間のデータ授受を中継する。
【0051】
本発明に示されているように、回路機能モジュールが複数存在する場合のシステム構成は以下のようになる。各回路機能モジュールに対し、クロック周波数制御回路、電源電圧制御回路、基板バイアス制御回路、記憶テーブル回路、およびバッファ回路が各1つづつ配置される。バス配線、外部入力、性能測定回路、バス制御回路は、チップあるいはシステム1つにつき1セット配置される。また、入力電源と入力クロック信号は電圧値および周波数が一定の一種類の信号をチップに供給し、チップ内部で電圧や周波数を変換している。以上の構成により、チップ内の回路機能モジュール設計や、チップ全体のレイアウト設計が容易になり、設計期間の短縮や信頼性の向上をもたらす。また、各回路機能モジュール毎に最適なクロック周波数、電源電圧、基板バイアス制御を行うことで、チップ全体も最適化される。BSC181は、バスBUS181にどの回路機能モジュールなどモジュールからのデータをバス外部入力EXT181は、OS、アプリケーションソフトウェア、ミドルウェアなどが供給される。バス制御回路BSC181は、バスBUS181にどの回路機能モジュールにデータ信号入出力を許可するかを決定する。リクエスト信号req181を受け取ると、最適な条件となるようにアクノレッジ信号ack181を出力する。回路機能モジュール間のデータのやりとりについては、同期式、非同期式、データフロー式など、どのような方式でもよい。回路機能モジュール間の結合を実現するアーキテクチャに依存することなく、性能最適化、低電力化を果たすことができる。
【0052】
図19は、チップテスト時のフローチャートを示す図である。
19Aでチップテストを開始する。19Bで、性能測定回路が測定する回路機能モジュールを選択する。19Cでは選択された回路機能モジュールにおいて、電源電圧制御回路および基板バイアス制御回路が回路機能モジュールの動作速度を最高にするような制御を行うよう、記憶テーブル回路が信号を出力する。19Dで、性能測定回路が測定する電圧種類(電源電圧、基板バイアス、など)を選択する。19Eにおいて電圧レベルが正しいかを判定し、正しくなければ19Fでその結果をログとして記憶し、19Dにもどる。19Eで電圧レベルが正しいと、19Gで電圧の遷移時間を計測する。19Hでは電圧種類の選択が全て終わっているかを判定し、まだ測定していない電圧種があれば19Dに戻る。全ての電圧種について測定が終われば、19Tにおいて最大遷移時間データを記憶テーブル回路に送る。19Cから19Tまでの作業は、アナログテストABST191作業になる。続いて、19Jにおいて、既に選ばれている回路機能モジュールにテストデータ(テストベクタ)を供給する。19Kで、出力データを検出し、回路機能モジュールのDC的な回路動作が正しいかどうかを判定する。動作が誤っていれば、19Lにおいてログを記憶し、19Jにもどる。19Kにおいて回路動作が正しい場合は、19Mですべてのテストベクタを終了したか判定する。終了していなければ19Jにもどり、終了していれば19Nへ進む。19Jから19Mまでの作業は、機能テストFBST191作業となる。19Nにおいては、電源電圧、基板バイアスの制御組合せを選択する。19Vでは、選択された制御組合せにおいて、回路機能モジュールの動作速度、すなわち遅延時間測定する。19Pで、測定結果データ信号を該当する回路機能モジュールの記憶テーブル回路に与える。
19Qで、制御組合せが全て終了したかを判定し、終了していれば19Rへ進み、終了していなければ19Nに戻る。19Nから19Qまでの作業は、タイミングテストTBST191作業となる。19Rにおいて、全ての回路機能モジュール選択が終了したかを判定。終了していなければ19Cにもどり、終了していれば19Sに進む。19Sにおいて、チップテストフローは終了する。
【0053】
図20は、図19と同様チップテスト時のフローチャートを示す図である。図19との違いは、図20では回路機能モジュールにおける消費電力の測定を含んでいる点である。図19では、回路機能モジュールが消費する電力は、制御組合せに応じて既知であるとして、データ処理速度、すなわち遅延時間の測定のみを行う場合のフローチャートになっている。消費電力も未知である場合は、図20に従って測定する必要がある。図19との違いは、フローの20V、20Pにあたる箇所で、遅延時間を測定する際に消費電力も測定し、記憶テーブル回路に送る情報は遅延時間と消費電力の両方になっている。
【0054】
図21は、バス制御回路の実施例を示す図である。
本発明は、インクリメントデクリメント回路INCDEC211、カウンタ回路CNT211、CN212、CNT213、CNT214、比較回路CMP211、セレクタ回路SEL211、エンコード回路ENC211、デコード回路DEC211から構成される。インクリメントデクリメント回路INCDEC211は、エンコーダ回路ENC211からの信号を入力して、カウンタのインクリメントまたはデクリメントを行う信号を出力する。カウンタ回路CNT211、CNT212、CNT213、CNT214はインクリメントデクリメント回路INCDEC211からの信号に応じてカウント値を変化させ、カウント値を比較回路CMP211に与える。デコード回路DEC211はリクエスト信号req211をデコードしてセレクタ回路SEL211を制御する。セレクタ回路SEL211は比較回路CMP211の出力をデコード回路211からの制御信号に応じてエンコード回路ENC211に伝え、エンコード回路はインクリメントデクリメント回路INCDEC211を制御する信号とアクノレッジ信号ack211を出力する。バス制御回路は、回路機能モジュールからリクエスト信号が届くと、アクノレッジ信号を返して、回路機能モジュールがバス上のデータとのやりとり(入出力)を行う権限を与える。リクエスト信号が同時に届いた場合、あるいは別の回路機能モジュールがバスを使用している最中にリクエスト信号が届いた場合に、回路機能モジュール間の優先度を調整する働きを行う。具体的には、バスの使用率が低い回路機能モジュールに優先度高くバスを使用させるようにする。全ての回路機能モジュールに該当するカウンタ回路をバス制御回路が所有し、ある回路機能モジュールからリクエスト信号req211が届くと、バス制御回路はその信号をデコード回路DEC211でデコードする。この時、該当する回路機能モジュールのカウント数が比較対象となる回路機能モジュールのカウント数よりも小さければ、エンコーダ回路ENC211を介してアクノレッジ信号ack211を戻し、該当する回路機能モジュールのバス使用を許可する。アクノレッジ信号を出した場合には、インクリメントデクリメント回路INCDEC211を用いて、各回路機能モジュールのカウント数を変化させる。アクノレッジ信号を出した回路機能モジュールについてはカウント数を1つインクリメントし、その他のモジュールは全てカウント数を1つデクリメントする。このようにして、回路機能モジュール同士のバス使用率を均一化する。
【0055】
このようにバス制御回路を用いることで、図18における各回路機能モジュールが自律分散的に動作できるようになり、それにともなう本発明の低電力高性能化技術を有効に利用できる。
図22は、バス制御回路の他の実施例を示す図である。
【0056】
本発明は、アドレスレジスタ回路ADR221、ADR222、ADR223、ADR224、ADR225を含むシフトレジスタ回路SRG221、セレクタ回路SEL221、デコーダ回路DEC221、エンコーダ回路ENC221から構成される。デコーダ回路DEC221はリクエスト信号req221をデコードしてセレクタ回路SEL221に伝える。セレクタ回路SEL221はデコーダ回路DEC221からの制御信号に応じてアドレスレジスタを選択する。エンコーダ回路ENC221は選択されたアドレスレジスタの信号をエンコードしてアック信号ack221として出力するとともに、シフトレジスタ回路SRG221内のアドレスレジスタを制御する。シフトレジスタ回路SRG221内のアドレスレジスタ回路は、チップ内の各回路機能モジュールに相当する。各アドレスレジスタの位置は、回路機能モジュールがバスを使用する頻度を示し、あまり使用頻度が高くない回路機能モジュールに対応するアドレスレジスタほど、図の上位置に配置される。リクエスト信号に応じてアクノレッジ信号ack221が出力されると、エンコーダ回路ENC221からの制御信号により、該当回路機能モジュールに対応する。
アドレスレジスタは、シフトレジスタ回路SRG221内で一番下位置に配置される。それ以外のアドレスレジスタは一段づつ上位に上がる。セレクタ回路は、リクエスト信号req221を受け取った時点でバスを使用予定の回路機能モジュールが複数ある場合、それらに対応するアドレスレジスタのうち一番上位置にあるレジスタに対応する、回路機能モジュールに対してアクノレッジ信号を出力する。この回路の場合も、図21と同様に回路機能モジュール同心のバス使用率を平均化する。
【0057】
以上説明したように、本実施例によると次の効果がある。すなわち、高速かつ低消費電力で動作することが可能な半導体集積回路装置において、以下に示す課題を実現するCMOS回路及びそれで構成されたCMOS LSIチップならびに半導体集積回路装置を提供できる。すなわち、CMOS回路を構成するMOSトランジスタのクロック周波数、電源電圧、基板バイアスを自律分散的に、かつ自己学習的に制御するための性能測定回路と記憶テーブル回路を備えた構造を使用することで、以下の課題を解決する。
(1)マイクロプロセッサ等のCMOS回路で構成される半導体集積回路のチップ内回路規模や種類が複雑多岐にわたる場合でも、各回路モジュールは低電力高速化制御技術を意識せずに設計することが可能で、設計時間の短縮と信頼性向上が可能となる。
(2)マイクロプロセッサ等のチップにおいて既存の回路モジュールを利用する際やマルチプロセッサ化を行う際にも、低電力高速化制御技術を意識せずに使用して設計することが可能となり、設計時間の短縮と信頼性向上をもたらす。
(3)ASICのように回路モジュールを多様に組合せる場合でも、同様に低電力高速化制御技術を意識せずに設計可能で、設計時間短縮と信頼性向上を可能とする。
(4)低電力高速化制御技術を実現するために、あらかじめ各回路モジュールの性能を測定しておくため、チップテストの期間短縮を可能とする。
(5)チップ内の回路モジュール毎に最適なクロック周波数、電源電圧、基板バイアスの供給を可能とすることにより、プロセッサ等の動作において、「動作速度/消費電力性能」を最大にする。
【0058】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、CMOS回路を用いた半導体集積回路装置の設計の簡易化、テスト時間の短縮および低電力化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例の構成図。
【図2】クロック周波数制御回路の実施例の構成図。
【図3】クロック周波数制御回路の他の実施例の構成図。
【図4】電源電圧制御回路もしくは基板バイアス制御回路の実施例の構成図。
【図5】電源電圧制御回路もしくは基板バイアス制御回路の他の実施例の構成図。
【図6】本発明の性能測定回路の実施例の構成図。
【図7】性能測定回路の動作波形図。
【図8】本発明の性能測定回路の他の実施例の構成図。
【図9】本発明の性能測定回路の他の実施例の構成図。
【図10】本発明の記憶テーブル回路のテーブル表の実施例。
【図11】本発明の記憶テーブル回路のテーブル表の他の実施例。
【図12】本発明の性能測定回路の他の実施例の構成図。
【図13】本発明の性能測定回路の他の実施例の構成図。
【図14】本発明の性能測定回路の他の実施例の構成図。
【図15】本発明の性能測定回路の他の実施例の構成図。
【図16】本発明の記憶テーブル回路の実施例の構成図。
【図17】タイムスロットの概念を示す波形図。
【図18】本発明の他の実施例の構成図。
【図19】チップテスト時のフローチャート。
【図20】チップテスト時の他のフローチャート。
【図21】バス制御回路の実施例の構成図。
【図22】バス制御回路の他の実施例の構成図。
【符号の説明】
ABST191,ABST201・・・アナログテスト、
ADC81,ADC91,ADC151・・・アナログデジタル変換回路、
ADR221,ADR222,ADR223,ADR224,ADR225・・・アドレスレジスタ回路、
AMP41,AMP91・・・増幅回路、
AND61,AND151・・・アンド回路、
ARB161・・・アービタ回路、
BBC11,BBC181,BBC182・・・基板バイアス制御回路、
BUF181,BUF182・・・バッファ回路、
BUS181バス、
BSC181・・・バス制御回路、
CAP31,CAP51・・・容量、
CFC11,CFC181,CFC182・・・クロック周波数制御回路、
CFM11,CFM61,CFM81,CFM91,CFM121,CFM131,CFM181,CFM182・・・回路機能モジュール、
CMP131,CMP151,CMP152,CMP161,CMP162,CMP211・・・比較回路、
CNT61,CNT151,CNT161,CNT162,CNT163,CNT211,CNT212,CNT213,CNT214・・・カウンタ回路、
DEC211,DEC221・・・デコード回路、
DFF21,DFF121,DFF151・・・D型フリップフロップ回路、
DID51,DID52・・・ダイオード、
DIV31・・・分周回路、
ENC211,ENC221・・・エンコード回路、
EXT181・・・外部入力、
FBST191,FBST201・・・機能テスト、
INCDEC211・・・インクリメントデクリメント回路、
INVAND61,INVAND151・・・インバータアンド回路、
LOG121・・・論理回路、
MTC11,MTC181,MTC182・・・記憶テーブル回路、
NMS31,NMS81・・・NMOSトランジスタ、
PFD31・・・位相周波数検出回路、
PMC11,PMC61,PMC81,PMC91,PMC121,PMC131,PMC141,PMC181・・・性能測定回路、
PMS31,PMS41・・・PMOSトランジスタ、
REG61,REG151,REG161,REG162・・・レジスタ回路、
RES31,RES91,RES92・・・抵抗、
ROS51・・・リング発振回路、
SEL21,SEL121,SEL151,SEL152,SEL211,SEL221・・・セレクタ回路、
SEN51・・・センサ回路、
SRG151,SRG221・・・シフトレジスタ回路、
SVC11,SVC181,SVC182・・・電源電圧制御回路、
TBST191,TBST201・・・タイミングテスト、
VCO31・・・電圧制御発振回路、
VRF41・・・参照電圧発生回路、
19A,19B,19C,19D,19E,19F,19G,19H,19J,19K,19L,19M,19N,19P,19Q,19R,19S,19T,19V,20A,20B,20C,20D,20E,20F,20G,20H,20J,20K,20L,20M,20N,20P,20Q,20R,20S,20T,20V・・・プロセス、
ack181,ack211,ack221・・・アクノレッジ信号、
bstin121,bstin131,bstin141,bstin151・・・テスト入力信号、
bstout121,bstout131,bstout141,bstout151,bstout152・・・テスト出力信号、
clk11,clk161,clk162,clk171,clk181,clk182・・・クロック信号、
clkin21,clkin181・・・入力クロック信号、
cmb101,cmb102,cmb103,cmb104,cmb105,cmb106,cmb111,cmb112,cmb113,cmb114,cmb115,cmb116・・・制御組合せ、
cntclk61,cntclk151,cntclk152・・・制御クロック信号、
dat181,dat182,dat183・・・データ信号、
datin61,datin121,datin122,datin123,datin124,datin125,datin161・・・データ入力信号、
datout61,datout121,datout122,datout123,datout124,datout125・・・データ出力信号、
dwn161・・・ダウン信号、
err161・・・エラー信号、
flag161・・・データフラグ信号、
flval160,flval161,flval162・・・データ有効信号、
flinv160,flinv161,flinv162・・・データ無効信号、
gnd31,gnd81・・・グランド電圧、
mescmd11,mescmd12・・・測定命令信号、
mesres11,mesres131・・・測定結果信号、
opcnt11,opcnt12,opcnt13・・・動作制御信号、
pfdat11・・・性能データ信号、
pwr101,pwr111・・・消費電力、
req61,req151,req181,req211,req221・・・リクエスト信号、
scnin121・・・スキャン入力信号、
scnout121・・・スキャン出力信号、
sdwn161・・・シャットダウン信号、
selcnt121,selcnt122・・・セレクタ回路制御信号、
sig21,sig22,sig23,sig24,sig25,sig31,sig32,sig41,sig51,sig61,sig62,sig63,sig81,sig91,sig92,sig131,sig151,sig152,sig153,sig154,sig155,sig156,sig181,sig182,sig183・・・制御信号、
t0,t1,t2,t3,t00,t01,t02,t03,t04,t05,t06・・・時間、
tim161・・・期間信号、
tmslot160,tmslot161,tmslot162・・・タイムスロット、
tpd101,tpd111・・・遅延時間、
vbn11,vbn181,vbn182・・・NMOSトランジスタ用基板バイアス、
vbp11,vbp181,vbp182・・・PMOSトランジスタ用基板バイアス、
vdd11,vdd91,vdd181,vdd182・・・電源電圧、
vddin31,vddin151,vddin181・・・入力電圧、
vmes151・・・被測定電圧、
vref81,vref91・・・参照電圧。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor integrated circuit, and more particularly to a semiconductor integrated circuit device that simultaneously realizes high speed and low power consumption.
[0002]
[Prior art]
Semiconductor integrated circuit devices using CMOS circuits such as system LSIs have continued to increase in degree of integration and performance as devices such as MOS transistors are miniaturized and scaled. However, in recent years its growth has been slowing down. This is because the miniaturization is approaching the limit, and the sub-threshold leakage current, gate tunnel leakage current, junction leakage current, etc. of MOS transistors that have not been regarded as problems so far influence the power consumption of the chip. This is partly due to the fact that it has increased, or that there is a limit to the architectural method of increasing the number of pipeline stages and reducing the number of logic stages per stage. In particular, due to power consumption constraints, it will be difficult to achieve performance improvements that are in line with current trends. Further, as the degree of integration increases, the influence of wiring delay becomes enormous, and the design of a synchronous system becomes difficult. In the future, in order to further improve the performance of LSIs, not only devices and circuits but also architectures are required. As one solution, as described in Non-Patent Document 1 or Non-Patent Document 2, there is a system called multiprocessing or grid processing. These have a structure in which a large number of processors are formed on one chip, and are called chip multiprocessors (hereinafter referred to as CMP). In CMP, a normal synchronous system is used in processors, but an asynchronous (handshake) system or a data flow type processing system is adopted between processors. Each processor autonomously performs distributed control, and as a chip, all processors are integrated to efficiently process data. As a form of data processing, it is possible to perform different tasks simultaneously or to distribute the same tasks in parallel and to improve processing performance. CMP's autonomous decentralization not only solves the effects of signal wiring delays in high integration, but can also be expected to significantly reduce design man-hours.
[0003]
Even in an autonomous distributed semiconductor integrated circuit device represented by CMP, reduction in power is an important issue. Thermal countermeasures are also an important issue in CMP with high integration, and without realizing low power, it will be impossible to implement chips or packages. However, simply reducing the power supply voltage to reduce power consumption degrades chip performance, that is, data processing speed. In CMP, each processor or each IP functional module on the chip operates independently, so it is important to maximize the performance / power ratio of each functional module in order to increase the performance / power ratio of the entire chip. is there. As described in Non-Patent Document 3, the processor function module has a power supply voltage and a device (MOS transistor) threshold that minimize power consumption when the required processing performance (clock frequency) is uniquely determined. A combination of values is determined. By using the substrate bias, the threshold value of the device can be dynamically changed even during the operation of the processor. Therefore, by simultaneously controlling the power supply voltage and the substrate bias, it becomes possible to operate the functional module with the minimum power consumption according to the required performance, and the performance / power ratio of the functional module can be maximized. .
[0004]
[Non-Patent Document 1]
“The 34th Annual International Symposium on Proceedings of the 34 th Annual International Symposium on Microarchitecture) ”2001, p.40-51
[Non-Patent Document 2]
“2002 International Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers” 2002, pp.196-197
[Non-Patent Document 3]
“2002 International Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers” 2002, pp.58-59
[Non-Patent Document 4]
“2001 Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers” 2001, p.55-56
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In a semiconductor integrated circuit device using a CMOS circuit, it is possible to effectively improve data processing performance and reduce power consumption by controlling the clock frequency, power supply voltage, and substrate bias as described above. By finely adjusting the clock frequency according to the performance required for the circuit function module, power consumption can be reduced in proportion to the frequency. When the clock frequency is determined, the necessary power supply voltage and the threshold voltage of the MOS transistor constituting the CMOS circuit can be determined. Since the threshold voltage of the MOS transistor can be adjusted by the substrate bias, a plurality of combinations of the power supply voltage and the substrate bias for satisfying the required performance of the circuit function module can be taken. When the power supply voltage is lowered, the power consumption can be lowered in proportion to the square of the voltage. However, the voltage drop results in performance degradation. In order to maintain the performance when the voltage drops, it is necessary to lower the threshold voltage of the MOS transistor using the substrate bias. However, when the threshold voltage is lowered, the subthreshold leakage current of the transistor increases. The subthreshold leakage current increases exponentially as the threshold voltage decreases, and eventually becomes larger than the operating current during circuit operation, thereby increasing power consumption. Accordingly, there is only one combination that minimizes power consumption in the combination of the power supply voltage and the substrate bias that keeps the circuit performance constant. The optimum value of the power supply voltage / substrate bias differs depending on the type, scale, or operating frequency of the circuit function module. It also differs depending on the manufacturing process. Therefore, optimal design of complex low power control technology and many chip tests are required.
[0006]
By the way, as described above, in order to enhance the functions of the semiconductor integrated circuit device, it is necessary to arrange a large number of processors and functional modules on one chip to make a multiprocessor. In a multiprocessor, an increase in circuit scale leads to an increase in design period, an increase in test time, and an increase in redesign cost. In designing / manufacturing semiconductor integrated circuit chips, there are two possible ways to solve these problems. One is the reuse of design assets called IP (Intellectual Property). By reusing design data designed in the past as IP in the functional modules constituting the multiprocessor, the design period can be shortened. The other is the autonomous distributed functioning of multiprocessors. In the conventional centralized control system, the central control module that performs centralized control can be designed and designed only by looking through the entire chip. In this method, a function module cannot be easily added after design. On the other hand, in the distributed control method, each function module can perform its own control. Therefore, a function module that performs centralized control is not necessary, and a function module can be easily added. In addition, by providing each function module with an autonomous function, various functions can be realized simply by adding a similar function module. These IP-designed chips or autonomous decentralized chips are effective in shortening the design period and test time.
[0007]
However, if clock frequency / power supply voltage / substrate bias control is introduced in order to reduce the power consumption of such chips, optimal reuse for each IP, device, and functional module is required. It becomes impossible to shorten the time. Therefore, low power technology that supports IP design and autonomous distributed design is required. For example, a method described in Non-Patent Document 4 can be cited as a method for reducing power in an autonomous distributed manner. This method has a data invalid period measuring circuit and a power switch for shutting off the power, and cuts the power when the invalid period exceeds a certain time to reduce power. Each circuit function module has this function, and distributed control is achieved by measuring the invalid period for each function module. However, this method can only be used to shut off the power supply, and cannot cope with a method of improving the data processing performance / power consumption ratio during operation of the functional module by supplying the optimal clock frequency / power supply voltage / substrate bias. .
[0008]
Therefore, it automatically measures the data processing performance and power consumption of the circuit function module according to each combination of clock frequency / power supply voltage / substrate bias, and automatically measures the amount of data processing required for the circuit function module. , Always supply the optimal clock frequency / power supply voltage / substrate bias to the function module. By supplying the optimum conditions, it is possible to maximize the data processing performance / power consumption ratio of each functional module and improve the performance of the entire chip. In addition, since the power reduction in each functional module is performed autonomously and distributedly, it is possible to design functional modules without considering low power technology, resulting in shortened design time and chip test time. It becomes possible to realize a multiprocessor chip capable of shortening and dealing with variations in chip manufacturing.
[0009]
Therefore, the problems to be solved by the present invention are as follows. That is, in a semiconductor integrated circuit device formed by a functional module using a CMOS circuit, having a performance measurement circuit, a storage table circuit, a clock frequency control circuit, a power supply voltage control circuit, and a substrate bias control circuit, the following problems are solved. Resolve.
(1) In at least one functional module composed of CMOS circuits in a semiconductor integrated circuit device, the power consumption is minimized according to the data processing performance required for the functional module, that is, the performance / consumption of the functional module. It is possible to automatically control at least one of the clock frequency, power supply voltage, and substrate bias supplied to the functional module so that the power ratio is maximized, and the semiconductor integrated circuit device chip has high performance and low power consumption. Realize.
(2) In determining the clock frequency, power supply voltage, and substrate bias to be supplied to the functional module, it becomes possible to automatically perform optimum control according to the chip manufacturing process and usage environment, the amount of data received by the functional module, and the like. .
(3) Since the functional module can be designed and manufactured independently of the low power technology, the design period is shortened and the reliability is improved. Even when there are a plurality of functional modules and an autonomous distributed multiprocessor is formed, the low power technology can be easily adapted to the distributed control method.
(4) By incorporating the performance measurement circuit, the test time can be shortened, and by constantly monitoring the performance, it is possible to cope with performance variations between chips due to variations in the manufacturing process.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The main means presented in the present invention to solve the above problems are as follows.
The present invention includes a circuit function module, a clock frequency control circuit, a power supply voltage control circuit, a substrate bias control circuit, a performance measurement circuit, and a storage table circuit. The clock frequency control circuit receives a control signal from the storage table circuit and supplies a clock signal having a predetermined frequency to the circuit function module. The power supply voltage control circuit receives a control signal from the storage table circuit and supplies a predetermined power supply voltage to the circuit function module. The substrate bias control circuit receives a control signal from the storage table circuit and supplies a predetermined substrate bias to the circuit function module. The performance measurement circuit measures performance such as data processing speed and operation power consumption of the circuit function module, transmits the measurement data to the storage table circuit, and controls the storage table. The storage table circuit stores the performance measurement data of the circuit function module sent from the performance measurement circuit, and is optimal for the performance required for the circuit function module, the amount of data to be processed, or the environmental conditions during operation. The clock frequency, power supply voltage, and substrate bias are determined, and a control signal is transmitted to the clock frequency control circuit, power supply voltage control circuit, and substrate bias control circuit.
[0011]
The means of the present invention will be described in further detail below.
According to another embodiment of the present invention, the performance measuring circuit measures the data processing speed or the maximum operating frequency or the operating power consumption as the performance measurement of the circuit function module, and sends the measurement result to the storage table circuit. The storage table circuit stores the performance data obtained from the performance measurement circuit, and supplies the clock frequency, power supply voltage, and substrate bias that maximize the operation speed / power consumption ratio of the circuit function module according to the required performance. Therefore, a control signal is transmitted to the clock frequency control circuit, the power supply voltage control circuit, and the substrate bias conversion circuit.
[0012]
Further, according to another embodiment of the present invention, the performance measurement circuit performs the performance measurement of the operation speed and power consumption of the circuit function module described above at the time of chip inspection of the semiconductor integrated circuit.
[0013]
Furthermore, according to another embodiment of the present invention, the performance measuring circuit is configured to measure the function speed of the circuit function module and the clock supplied to the circuit function module in addition to the measurement of the operation speed and power consumption of the circuit function module. Includes circuits that measure and evaluate environmental conditions such as frequency, power supply voltage, and substrate bias.
[0014]
Further, according to another embodiment of the present invention, the performance measurement circuit can perform the minimum data processing speed (minimum operation speed) or the maximum data processing of the circuit function module in all combinations capable of supplying the clock frequency, the power supply voltage, and the substrate bias. Time, so-called critical path operating time is measured.
[0015]
Furthermore, according to another embodiment of the present invention, the performance measurement circuit is configured to operate the circuit module in the maximum operating current, the so-called worst current, and the stop time in all combinations capable of supplying the clock frequency, the power supply voltage, and the substrate bias. Measure the maximum leakage current.
[0016]
According to still another embodiment of the present invention, the performance measurement circuit measures and evaluates the frequency of the clock signal supplied to the circuit function module, the voltage level of the power supply voltage, and the voltage level of the substrate bias.
[0017]
Furthermore, according to another embodiment of the present invention, the storage table circuit measures the amount of data processed up to a certain point in time, determines the processing performance after a certain point based on the result, and the circuit Controls the clock frequency control circuit, power supply voltage control circuit, and substrate bias control circuit to maximize the operation speed / power consumption performance of the function module, and supplies the optimal clock signal, power supply voltage, and substrate bias to the circuit function module To do.
[0018]
Further, according to another embodiment of the present invention, the time during which data is continuously given to the circuit function module is set as the activation period, and the storage table circuit measures the data activation period to measure the data amount.
[0019]
Further, according to another embodiment of the present invention, the performance data stored in the storage table circuit is stored in the order in which the measured operation speed of the circuit function module is high or low, or in the order of high or low power consumption.
[0020]
Furthermore, according to another embodiment of the present invention, in a configuration in which a plurality of circuit function modules are arranged in a semiconductor integrated circuit chip, one performance measurement circuit is arranged on the chip, and a storage table circuit, a clock frequency control circuit, a power supply voltage are arranged. The control circuit and the substrate bias control circuit are arranged for each circuit function module.
[0021]
Furthermore, according to another embodiment of the present invention, in a configuration in which a plurality of circuit function modules are arranged in a semiconductor integrated circuit chip, a clock signal having one type of clock frequency and a power signal having one type of voltage are present throughout the chip. Distributed and supplied to each circuit function module. In each circuit function module, the clock frequency control circuit divides or multiplies the clock signal to supply the clock signal to the circuit function module, and the power supply voltage control circuit steps down or boosts the power supply signal. Then, the power supply voltage is supplied to the circuit function module, and the substrate bias control circuit steps down or boosts the power supply signal to supply the substrate bias to the circuit function module. The substrate bias supplies two kinds of voltages: a pMOS transistor bias and an nMOS transistor bias.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the present invention.
The semiconductor integrated circuit device of the present invention includes a circuit function module CFM11 which is a semiconductor integrated circuit having a function of a microprocessor or the like composed of a CMOS circuit, a performance measuring circuit PMC11, a storage table circuit MTC11, a clock frequency control circuit CFC11, a power supply A voltage control circuit SVC11 and a substrate bias control circuit BBC11 are included. The circuit function module CFM11 receives the clock signal clk11, the power supply voltage vdd11, the PMOS transistor substrate bias vbp11, the NMOS transistor substrate bias vbn11, and the measurement command signal mescmd11, and outputs the measurement result signal mesres11. The performance measurement circuit PMC11 outputs measurement command signals mescmd11 and mescmd12, receives the measurement result signal mesres11, and outputs the result as the performance data signal pfdat11. The storage table circuit MTC11 receives the measurement command signal mescmd12 and the performance data signal pfdat11, and outputs operation control signals opcnt11, opcnt12, and opcnt13. The clock frequency control circuit CFC11 receives the operation control signal opcnt11 and outputs the clock signal clk11. The power supply voltage control circuit SVC11 receives the operation control signal opcnt12 and outputs the power supply voltage vdd11. The substrate bias control circuit BBC11 receives the operation control signal opcnt13, and outputs a PMOS transistor substrate bias vbp11 and an NMOS transistor substrate bias vbn11.
[0023]
The performance such as the data processing speed (or operation speed) or power consumption of the circuit function module CFM11, which is an integrated circuit composed of CMOS circuits, depends on the frequency of the clock signal clk11 supplied to the circuit function module CFM11 and the power supply voltage vdd11. It varies depending on the voltage and the voltages of the substrate biases vbp11 and vbn11. Therefore, by performing optimal control according to the amount of data to be processed by the circuit function module CFM11 or the required operation speed, the required processing performance can be satisfied with the minimum power consumption. That is, as described in Non-Patent Document 3, when the frequency of the clock signal clk11 is uniquely determined as the operation speed of the circuit function module CFM11, the power supply voltage vdd11 and the substrate bias vbp11 for satisfying the speed request, Although there are a plurality of voltage combinations of vbn11, it is also possible to uniquely determine the point at which the power consumption is minimum among the combinations. As a result, by supplying the optimal clock signal clk11, power supply voltage vdd11, substrate bias vbp11, vbn11, the circuit function module CFM11 can operate with the maximum operating speed / power consumption ratio, and it has high performance. Low power can be realized at the same time.
[0024]
In order to realize the above functions on a single chip, which is a semiconductor integrated circuit device such as a microprocessor composed of CMOS circuits, that is, optimal control of clock signal clk11, power supply voltage vdd11, substrate bias vbp11, vbn11 In this embodiment, the performance measurement circuit PMC11 measures performance such as the operation speed and power consumption of the circuit function module CFM11 in advance. First, a measurement command signal mescmd11 for measuring from the performance measurement circuit PMC11 is given to the circuit function module CFM11, and a measurement command signal mescmd12 is given to the storage table circuit MTC11. The storage table circuit MTC11 generates operation control signals opcnt11, opcnt12, and opcnt13 according to the measurement command signal mescd12, and controls the clock frequency control circuit CFC11, the power supply voltage control circuit SVC11, and the substrate bias control circuit BBC11, respectively. The clock frequency control circuit CFC11 outputs a clock signal clk11 having a frequency corresponding to the operation control signal opcnt11. The power supply voltage control circuit SVC11 outputs a power supply voltage vdd11 having a voltage corresponding to the operation control signal opcnt12. The substrate bias control circuit BBC11 outputs substrate biases vbp11 and vbn11 having voltages corresponding to the operation control signal opcnt13. The circuit function module CFM11 operates in accordance with the measurement command signal mescmd11 under the clock signal clk11, the power supply voltage vdd11, the substrate biases vbp11 and vbn11 supplied in this way, and performance measurement is performed. The measured performance data is given to the performance measurement circuit PMC11 as a measurement result signal mesres11. Further, the performance measurement circuit PMC11 stores the performance data as the measurement data in the storage table circuit as the performance data signal 11. The measurement of the performance related to the circuit function module CFM11 is performed at the frequency of the clock signal clk11 that can be generated by the clock frequency control circuit CFC11, the power supply voltage control circuit SVC11, and the substrate bias control circuit BBC11, the voltage of the power supply voltage vdd11, and the voltages of the substrate biases vbp11 and vbn11. All combinations are performed, and the entire performance data is stored in the storage table circuit MTC11. The storage table circuit includes a register, a memory, and a logic circuit. The memory table circuit MTC11 selects the clock signal clk11, power supply voltage vdd11, substrate bias vbp11, vbn11 that minimizes the power consumption among performance data that satisfies the operation speed required by the circuit function module. The operation control signals opcnt11, opcnt12, and opcnt13 are determined.
[0025]
As for the performance of the CMOS semiconductor integrated circuit chip, an error from a design value or a performance error occurs within a chip or between chips due to variations in manufacturing processes. This is called performance variation. The optimum values of the clock signal clk11, the power supply voltage vdd11, the substrate biases vbp11 and vbn11 can be obtained by simulation at the time of design, but cannot cope with performance variations due to the manufacturing process. In addition, performing design while obtaining optimum conditions during design complicates the design and extends the design period. As a result, the reliability of the chip is lowered. Therefore, as in the configuration of the present embodiment, the performance variation problem can be solved by measuring the performance of the circuit function module CFM11 with an actual chip and storing the data. Further, when designing the circuit function module CFM11, it is not necessary to consider these optimum controls, so that the design is facilitated, the design period is shortened, and the reliability is improved. Further, performing performance measurement means testing a chip, so that the test time of the chip can be shortened.
In the above description, one signal or one signal line in the drawing can transmit a set of a plurality of signals or information for a plurality of bits. The same applies to the following description.
[0026]
FIG. 2 is a diagram illustrating an embodiment of the clock frequency control circuit.
This clock frequency control circuit includes a D-type flip-flop circuit DFF21 and a selector circuit SEL21. The D-type flip-flop circuit DFF21 is connected in series and divides the input clock signal clkin21. The clock frequency of the input clock signal clikin21 is divided by 1/2 by the first-stage D-type flip-flop circuit output sig21 and divided by 1/4 by the second-stage D-type flip-flop circuit output sig22. The selector circuit SEL21 determines how many divided clock signals are output as clk11. The selector circuit SEL21 is controlled by an operation control signal opcnt11. In the case of the frequency division method of this embodiment, the divided clock signal output clk11 can be immediately output in one clock period when the operation control signal opcnt11 is supplied.
[0027]
FIG. 3 is a diagram showing another embodiment of the clock frequency control circuit.
The clock frequency control circuit includes a phase frequency detection circuit PFD31, a PMOS transistor PMS31, an NMOS transistor NMS31, a resistor RES31, a capacitor CAP31, a voltage controlled oscillation circuit VCO31, and a frequency divider circuit DIV31. This is a phase-locked rope circuit (hereinafter referred to as PLL) having a known circuit configuration. A clock signal clk11 obtained by multiplying the clock frequency with respect to the clock input signal clkin21 can be generated. The multiplication rate is determined by the frequency divider DIV31. If the frequency division is 1/2, the multiplication is doubled. If the frequency division is 1/3, the multiplication is 3 times. The operation control signal opcnt11 controls the frequency dividing rate of the frequency dividing circuit DIV31 and determines the frequency of the clock signal clk11.
[0028]
FIG. 4 is a diagram showing an embodiment of a power supply voltage control circuit or a substrate bias control circuit.
The power supply voltage control circuit includes a reference voltage generation circuit VRF41, an amplifier circuit AMP41, and a PMOS transistor PMS41. The output voltage signal sig41 of the reference voltage generation circuit VRF41 is controlled by the operation control signal opcnt11, and the output power supply voltage vdd11 changes. This is a known circuit configuration called a series regulator. In addition, a circuit configuration of a switching regulator system may be used. The reference voltage generation circuit VRF41 can be configured by, for example, a resistor divider circuit, a band gap reference circuit, a MOS transistor threshold voltage use circuit, or the like. The input voltage vddin31 is stepped down to generate the output voltage vdd11. This embodiment can also be used as a substrate bias control circuit. In the case of the substrate bias control circuit, two types of output voltages, vbp11 and vbn11, are required, so two circuits of this embodiment are used.
[0029]
FIG. 5 is a diagram showing another embodiment of the power supply voltage control circuit or the substrate bias control circuit.
The power supply voltage control circuit includes a ring oscillation circuit ROS51, a sensor circuit SEN51, a capacitor CAP51, and diodes DID51 and DID52. This circuit can be used when boosting the output voltage vdd11 above the input voltage vddin31 or generating a negative voltage. The configuration is the same as that of a known charge pump circuit. The output voltage vdd11 is determined by the operation control signal opcnt11 controlling the sensor circuit SEN51. When the output reaches a voltage greater than (or less than) the set value, the sensor circuit SEN51 supplies the signal sig51, stops the operation of the ring oscillation circuit ROS51, and determines the output voltage vdd11. Alternatively, a circuit configuration in which a plurality of stages of charge pump circuits are connected in series and the operation control signal opcnt11 determines which stage of output is selected as the output voltage vdd11 may be employed. The diode DID51 can be formed by using a layer such as a direct diffusion layer in a CMOS manufacturing process, or by using a MOS transistor.
[0030]
FIG. 6 is a diagram showing an embodiment of the performance measuring circuit of the present invention, which is in the PMC 11 of FIG.
The performance measuring circuit PMC61 of the present invention is composed of an inverter AND circuit INVAND61, an AND circuit AND61, a register circuit REG61, and a counter circuit CNT61. The inverter AND circuit INVAND61 receives the request signal req61 and the measurement result signal mesres11 and outputs a signal sig61. The AND circuit AND61 receives the signal sig61 and the control clock signal cntclk61 and outputs the signal sig62. The counter circuit CNT61 receives the signals sig61 and sig62 and outputs a signal sig63. The register circuit REG61 receives the signals sig61 and sig63 and outputs a performance data signal pfdat11. The circuit function module CFM61 receives the request signal req61 as the measurement command signal mescmd11, inputs the data input signal datin61 for performance measurement, and outputs the data output signal datout61 as the measurement result signal mesres11. The present invention is a method for detecting the data processing speed or circuit operation speed of the circuit function module CFM61 as performance.
[0031]
The operation waveform of the present invention is shown in FIG. In advance, the data input signal datin61 is supplied to the circuit function module CFM61 before time t1. The request signal req61 is asserted at time t1, and the measurement command signal mescmd11 is also asserted, and the circuit function module CFM61 starts processing the data input signal datin61. When the circuit function module finishes the data processing, the data output signal datout61 is asserted at time t2. This time (t2-t1) is a delay time indicating the data processing speed or circuit operation speed of the circuit function module CFM61. The data output signal datout61 is given to the performance measurement circuit PMC61 as a measurement result signal mesres11. In the performance measurement circuit PMC61, the control signal sig61 is asserted only between the times t1 and t2, and the counter circuit CNT61 measures the length of this assertion period using the control clock signal cntclk61. When the control signal sig61 is negated at time t2, the value measured by the counter circuit CNT61 is stored in the register circuit REG61 and output as the performance data signal pfdat11. A value obtained by dividing the performance data signal pfdat11 by the frequency of the control clock signal cntclk61 corresponds to a delay time required for data processing of the circuit function module CFM61.
[0032]
FIG. 8 is a diagram showing another embodiment of the performance measuring circuit of the present invention.
The performance measurement circuit PMC81 according to the present invention includes an NMOS transistor NMS81 and an analog / digital conversion circuit ADC81. For example, a virtual ground voltage line of the circuit function module CFM81 is connected to the control signal sig81 of the performance measurement circuit PMC81. The NMOS transistor NMS81 connects the reference voltage vref81 to the gate, the ground voltage gnd81 to the source, and the control signal sig81 to the drain. The analog-to-digital conversion circuit inputs the control signal sig81 and outputs the performance data signal pfdat11. During normal operation, the reference voltage vref81 is at the maximum input voltage level or the supply voltage level to the circuit function module CFM81, and the control signal sig81 and the ground voltage gnd81 are at the same potential. In this state, the circuit function module CFM81 processes the data input signal datin81. When measuring the power of the circuit function module CFM81, the reference voltage vref81 is set to a value lower than the maximum input voltage level and higher than the ground voltage level as necessary. In such a state, data for measuring power is given to the circuit function module CFM81 as the data input signal datin81, and measurement is started with the measurement command signal mescmd11. Since the power consumption until the measurement result signal mesres11 is output depends on the voltage level of the control signal sig81, when that level is converted by the analog-to-digital converter circuit ADC81, the digital value at that time becomes the power consumption of the circuit function module CFM81. Equivalent to. This power consumption data is output as the performance data signal pfdat11. A PMOS transistor can be used for the NMOS transistor part. In addition, the connection part between the circuit function module and the performance measurement circuit and the power measurement part have the same effect not on the ground voltage line of the circuit function module but on the power supply voltage line.
[0033]
FIG. 9 is a diagram showing another embodiment of the performance measuring circuit of the present invention.
The performance measuring circuit PMC91 according to the present invention includes an amplifier circuit AMP91, resistors RES91 and RES92, and an analog / digital conversion circuit ADC91. The amplifier circuit AMP91 receives the power supply voltage vdd91 and the reference voltage vref91 supplied to the circuit function module CFM91, and outputs a signal sig91. The resistor RES91 is inserted between the power source vdd91 and the signal sig91, and the resistor RES92 is inserted between the signals sig91 and sig92. The analog-digital conversion circuit inputs the signal sig92 and outputs the performance data signal pfdat11. By combining the amplifier circuit AMP91 and the resistors RES91 and RES92 as shown in FIG. 9, a voltage depending on the current flowing in the power supply vdd91 appears in the signal sig92. The analog-to-digital conversion circuit ADC91 converts this voltage into a digital signal, and the current consumption is output to the performance data pfdat11 as a digital signal. The circuit function module CFM91 at the time of performance measurement has the same function as the CFM81 in FIG.
[0034]
In addition, the connection part between the circuit function module and the performance measurement circuit and the power measurement part have the same effect not in the power supply voltage line of the circuit function module but in the ground voltage line.
[0035]
FIG. 10 is a diagram showing an example of a table of the storage table circuit of the present invention.
The storage table circuit of the present invention is composed of storage elements such as flip-flop circuits and static random access memory circuits. The memory table circuit is arranged for each circuit function module and stores data on power consumption pwr101 and delay time tpd101 of the circuit function module for all combinations of power supply voltage vdd11 and substrate bias vbp11, vbn11 that can be supplied to each circuit function module. To do. In the example of FIG. 10, 1.2V, 1.0V, and 0.8V are given as the power supply voltage vdd11, and two kinds of voltages such as vbp11 = vdd11 or vbp11 = vdd11 / 2 are given as the substrate bias vbp11, and as the substrate bias vbn11 Is given two voltages, vbn11 = 0 or vbn11 = vdd11 / 2. Therefore, there are six control combinations: cmb101, cmb102, cmb103, cmb104, cmb105, and cmb106. For each combination, performance such as the operation speed and power consumption of the circuit function module is measured using a performance measurement circuit as shown in the embodiments of FIGS. 6, 8, and 9, and the measurement result is obtained from the performance data pfdat11. As shown in FIG. 1, it is given to the storage table circuit MTC11, and a table as shown in FIG. 10 is created in the storage table circuit. In this figure, for example, in the case of the control combination cmb101, the power consumption pwr101 of a certain circuit function module is 3.5 mW, and the delay time tpd101 is 3.1 ns. When the performance required for the circuit module is determined, the optimum combination of power supply voltage vdd11, substrate bias vbp11, vbn11 is determined from this table, and each control signal is sent to the frequency control circuit, power supply voltage control circuit, and substrate bias control circuit. give. For example, when the performance required for the circuit function module is 250 MHz with a clock signal, the delay time required for data processing may be 4 ns or less, so the control combination cmb102 is selected.
As the number of combinations of the power supply voltage vdd11, the substrate biases vbp11 and vbn11, or the number of divisions of each voltage increases, it becomes possible to select a condition for performing an operation close to the ideal minimum power consumption.
[0036]
In the table of FIG. 10, the delay times tpd101 are arranged in ascending order. However, when the power consumption pwr101 is rearranged in the descending order, the voltage combinations corresponding to cmb104 and cmb105 are switched among the control combinations in FIG. 10 as shown in FIG. By rearranging in this way, for example, when selecting a voltage combination with a delay time of 7 ns or less in order to achieve a certain circuit operation speed, when the control combination is searched in the direction from cmb116 to cmb111, cmb115 is determined. can do. If searching in the direction of the control combination cmb106 to cmb101 in the table of FIG. 10, cmb105 is determined. The cmb 105 has a power consumption of 0.8 mW, which is larger than the 0.6 mW of the cmb 115. Therefore, it is possible to select a control combination that maximizes the operation speed / power consumption ratio by rearranging the data as shown in FIG. In order to perform the rearrangement as shown in FIG. 11, the data of the power consumption pwr111 and the delay time tpd111 are sequentially compared by the comparison circuit and then stored in the storage table circuit, or when the data is used after being stored in the storage table circuit. The size may be compared with a comparison circuit.
[0037]
FIG. 12 is a diagram showing another embodiment of the performance measurement circuit of the present invention.
The circuit function module CFM121 of the present invention includes a selector circuit SEL121, a D-type flip-flop circuit DFF121, and a logic circuit LOG121. During normal data processing operation, data such as data input signals datin121, datin122, datin123, datin124, datin125, etc. are input to the circuit function module CFM121, input to the D-type flip-flop via the selector circuit, and then the actual data processing operation. The data is supplied to a logic circuit LOG121 that performs data processing. Data obtained as a result of calculation by the logic circuit LOG121 is output from the circuit function module CFM121 to the outside as data output signals datout121, datout122, datout123, datout124, and datout125 via a selector circuit and a D-type flip-flop circuit. When the performance measurement circuit PMC121 is used at the time of chip testing, it is necessary to perform the operation function test, so-called function test, in addition to measuring the performance of the circuit function module CFM121 by means of FIG. 6, FIG. 8, FIG. There is. The circuit configuration of the portion corresponding to this function test is the configuration shown in FIG. The performance measurement circuit PMC121 gives selector circuit control signals selcnt121 and selcnt122 to the selector circuit in the circuit function module CFM121, stops connection with the data input signal and data output signal, and uses the scan input signal scnin121 for performance measurement. Are sequentially applied using a selector circuit and a D-type flip-flop circuit in the circuit function module. Similarly, the output data signal is returned to the performance measuring circuit PMC121 as the sequential scan output signal scnout121 using the selector circuit and the D-type flip-flop circuit. The test data signal is taken in from the outside of the performance measurement circuit PMC121 as the test input signal bstin121, and the result of the function test is output as the test output signal bstout121. The aforementioned so-called scan test method in the circuit function module CFM 121 is a known technique. In the present invention, the performance measurement circuit PMC121 that measures the performance of the circuit function module also performs the scan test together with the performance measurement by inputting and outputting the control signal for the scan test. As a result, the scan test and the performance are performed during the chip test. Both tests can be performed. Therefore, the test time is shortened. Further, since performance tests are performed for each chip and further for each circuit function module, it is possible to cope with variations in performance due to manufacturing processes.
[0038]
FIG. 13 is a diagram showing another embodiment of the performance measurement circuit of the present invention.
The circuit function module CFM131 of the present invention includes a selector circuit SEL121, a D-type flip-flop circuit DFF121, and a logic circuit LOG121, like the circuit function module CFM121 in FIG. The data input signals datin121 to datin125 and the scan input signal scnin121 are selected by the selector circuit control signal selcnt121, and the data output signals datout121 to datout125 and the scan output signal scnout121 are selected by the selector circuit control signal selcnt122. The difference from the circuit function module CFM121 is that the data output of the logic circuit LOG121 is directly output as the measurement result signal mesres131. The performance measurement circuit PMC131 of the present invention includes an inverter AND circuit INVAND61, an AND circuit AND61, a comparison circuit CMP131, a register circuit REG61, and a counter circuit CNT61.
[0039]
The present invention is one of the embodiments for measuring the circuit operation module CFM131 operation speed, the circuit operation delay time indicating the data processing speed using the performance measurement circuit PMC131, and using the scan test technique shown in FIG. Yes. Further, using the measurement result signal mesres131 output from the circuit function module CFM131, the performance measurement circuit PMC131 measures the delay time of the circuit function module CFM131 by the same mechanism as the performance measurement circuit PMC61 in FIG. Specifically, the test input signal bstin131 is supplied to the circuit function module CFM131 using the selector control signal selcnt121 and the scan input signal scnin121. At the moment when the request signal req61 is asserted, the logic circuit LOG121 starts a data processing operation in the CFM 131 of the circuit function module, and in the performance measurement circuit PMC131, the counter circuit CNT61 measures time according to the control clock signal cntclk61. When the logic circuit LOG121 finishes the processing and the output data is determined, it is given to the comparison circuit CMP131 as the measurement result signal mesres131. When the measurement result signal mesres131 indicates a correct result, the comparison circuit outputs the control signal sig131, the measurement of the counter circuit CNT61 is stopped, and the measurement value is given to the register circuit REG61. The output pfdat11 represents the delay time of the circuit function module CFM131. For example, if data using a critical path is given as input data as the test input signal bstin 131, the measured delay time becomes the critical path delay of the corresponding circuit function module CFM 131, that is, the worst (maximum) delay time.
[0040]
FIG. 14 is a diagram showing another embodiment of the performance measuring circuit of the present invention.
The circuit function module CFM121 of the present invention has the same configuration as the scan test technology of the circuit function module in FIG. 12, and the performance measurement circuit PMC141 of the present invention has a power consumption measurement function as shown in FIG. 8 or FIG. Have. The ground level of the circuit function module becomes a pseudo ground line and is connected to the control signal sig81 of the performance measuring circuit PMC141. The performance measurement circuit PMC141 measures the worst (maximum) power of the circuit function module CFM121, for example, by supplying data from the test input signal bstin141 so that the corresponding circuit function module CFM121 operates at the maximum power consumption.
[0041]
FIG. 15 is a diagram showing another embodiment of the performance measuring circuit of the present invention.
The performance measurement circuit of the present invention includes a shift register circuit SRG151, selector circuits SEL151 and SEL152, an analog / digital conversion circuit ADC151, a comparison circuit CMP151 and CMP152, a D-type flip-flop circuit DFF151, an inverter AND circuit INVAND151, an AND circuit AND151, and a register circuit REG151. The counter circuit CNT151. The shift register circuit SRG151 receives the test input signal bstin151 and the control clock signal cntclk151 and outputs the control signal sig151. The selector circuit SEL151 inputs a voltage signal such as a power supply voltage or a substrate bias as the voltage to be measured vmes151, selects and outputs a voltage to be measured. The analog-to-digital conversion circuit ADC151 receives the voltage to be measured selected by the selector circuit SEL151, converts the voltage level into a digital value, and outputs a control signal sig152. The comparison circuit CMP151 compares the control signals sig151 and sig152 to determine whether they match, and outputs the control signal sig153. The D-type flip-flop circuit receives the request signal req151 and the input voltage vddin151 and outputs a control signal sig154. The inverter AND circuit INVAND151, the AND circuit AND151, the register circuit REG151, and the counter circuit CNT151 have the same configuration as the performance measurement circuit PMC61 in FIG. The selector circuit SEL152 selects which of the control signal sig152 and the test output signal bstout152 that is the register circuit output is transmitted to the comparison circuit CMP152. The comparison circuit CMP152 determines whether the output signal from the selector circuit SEL152 is the same as or different from the output signal sig151 from the shift register circuit SRG151, and outputs it as the test output signal bstout151.
[0042]
The performance measurement circuit of the present invention measures whether the power supply voltage and the substrate bias voltage supplied to the circuit function module are supplied at the correct level, and the transition time when the power supply voltage and the substrate bias change. And measure whether it is as designed. First, the shift register circuit SRG151 takes the test input signal bstin151 according to the control clock signal cntclk151 and outputs it as a signal sig151. The power supply voltage and the substrate bias are connected to the voltage to be measured vmes151, and the selector circuit SEL151 selects which voltage to measure. The analog-digital conversion circuit ADC151 digitizes the applied voltage level and outputs it as a signal sig152. The voltage level applied to the voltage to be measured vmes151 becomes the signal sig152, and the signal sig151 is compared with the comparison circuit CMP152 to observe whether a correct voltage level is generated, and the result is output as the test output signal bstout151. When the request signal req151 is asserted, the counter circuit CNT151 starts measuring time. At the same time, the supplied power supply voltage or the substrate bias starts to change in each circuit function module. The corresponding voltage level is digitized and given by the signal sig152. When this value becomes equal to the desired signal sig151, the comparison circuit CMP151 asserts the output signal sig153, and the measurement of the counter circuit CNT151 stops. During this time, the time measured by the counter circuit CNT151 corresponds to the voltage level transition time. The measurement result is stored in the register circuit REG151 and output as the test output signal bstout152. Further, the comparison circuit CMP152 determines whether it is equal to the design value by comparing with the signal sig151. In this way, the voltage level and voltage transition time supplied to the circuit function module are measured.
[0043]
FIG. 16 is a diagram showing an embodiment of the storage table circuit of the present invention.
The present invention measures the amount of data supplied to a self-learning function unit, that is, a circuit function module in a storage table circuit, and predicts the performance of the circuit function module that will be required in the future. 1 shows a circuit for generating a control signal to a circuit function module, a clock frequency conversion circuit, a power supply voltage conversion circuit, and a substrate bias control circuit based on the performance data stored in FIG.
[0044]
The storage table circuit of the present invention includes an arbiter circuit ARB161, counter circuits CNT161, CNT162, and CNT163, register circuits REG161 and REG162, comparison circuits CMP161 and CMP162, an AND circuit, and an inverter circuit. The signal input to the storage table circuit is shown by the waveform in FIG. The data input signal datin161 to the circuit function module has a data valid period (shaded line in the figure) and an invalid period, and data is given during the valid period. The time obtained by combining one data valid period and invalid period is called time slots tmslot160, tmslot161, and tmslot162. The data flag signal flag161 changes its value during this time slot, generates a data valid signal flval160, flval161, flval162 in the data valid period in each time slot, and data invalid signals flinv160, flinv161, flinv162 in the data invalid period Is generated. Therefore, the rise of the data valid signal means the start of the data valid period, and the assertion of the data invalid signal means the end of the data valid period. In the storage table circuit of FIG. 16, at the start of operation of the circuit function module, the storage table circuit selects control of conditions indicating the maximum speed, such as maximum frequency and maximum power supply voltage. After that, as the actual data processing progresses, the technique is to reduce the performance and reduce the power.
[0045]
Specifically, in a certain time slot tmslot161, the data valid period, that is, the time between the data valid signal flval161 and the data invalid signal flinv161 is tv, the invalid period, that is, the data invalid signal flinv161 and the data valid signal of the next time slot tmslot162 Let ti be the time between flval162. The amount of data in this time slot is measured every Nt times. First, supply the clock signal clk161 (frequency f0) with the maximum clock frequency, and if the data processing performance of the circuit function module is sufficient, the clock frequency is lowered to the clock signal clk162 with f0, and the power is reduced. . At this time, the power supply voltage and the substrate bias are simultaneously changed according to the control combination of the storage table circuit. If the data invalid period ti continues for a certain time Tsd or more under the minimum power condition, the power supply is shut off. When the power is shut off, a power switch composed of a MOS transistor is incorporated in the power supply voltage control circuit shown in FIGS. In addition, during the data invalid period, the clock signal supply to the circuit function module is stopped (for example, in the clock frequency control circuit, the output clock frequency is set to 0 or the output is gated using an AND circuit). This further reduces power. The conditions for reducing the clock frequency from f0 to f1 are as follows.
[0046]
[Expression 1]
Figure 0004521546
[Expression 2]
Figure 0004521546
In equation (1), the left side indicates the number of data at the clock f0, and the right side indicates the number of data that can be processed in one slot when the clock is lowered to f1. Equation (2) shows the relationship between the time Ttrans required for voltage transition and the data invalid period ti. In addition, the condition Nt for how many slots the frequency can be changed is determined by the power constraint. The power constraint is obtained from the operating power Pf0 and Pf1 of the circuit function module at each frequency, the power Ptrans associated with the voltage transition, and the transition time Ttrans as follows.
[0047]
[Equation 3]
Figure 0004521546
Here, it is assumed that the operating power is sufficiently larger than the standby power. Therefore, when the conditions of the expressions (1) and (2) occur Nt times, the frequency is lowered and a transition is made to low power operation. The conditions for shutting off the power are considered from the power constraints and timing constraints. The power constraint condition is as follows when the leakage power of the circuit function module at the minimum power supply voltage is Pleak.
[0048]
[Expression 4]
Figure 0004521546
[Equation 5]
Figure 0004521546
If the data invalid period is longer than the condition obtained from equation (4), equation (5) is satisfied and the power is shut off. In this way, the storage table circuit reduces the power consumption of the circuit function module. When the amount of data increases and processing cannot be performed in one slot, the clock is returned to the maximum frequency (f0) while storing data in the buffer, and the same learning is repeated again. In FIG. 16, when the relations of the expressions (1) and (2) are satisfied, the outputs of the comparison circuits CMP161 and CMP162, that is, the AND circuit output, outputs the down signal dwn161. In this case, the frequency and voltage conditions supplied to the circuit function module are lowered by one step by the control signal that is the output of the storage table circuit, thereby reducing the operation speed and power consumption. If the data invalid period is long even when the frequency is minimized, the expression (5) is satisfied, the shutdown signal sdwn161 is output, and the circuit function module is shut off. In addition, if the data cannot be processed completely in a certain time slot tmslot160 and the data for the next time slot tmslot161 arrives before the data invalid signal flinv160 and the data valid signal flval161 is generated, an error signal is generated. The frequency and voltage conditions are returned to the maximum speed performance conditions.
[0049]
When the circuit function module is operating at a certain performance and the amount of data increases and cannot be processed within the time slot, the err161 signal of FIG. 16 is output. At this time, the data that could not be processed is stored in the data input buffer of the circuit function module, or the data is discarded as a processing error and the data is requested again. In addition, the setting of the power supply voltage, the substrate bias, and the clock frequency after the err161 signal is output may be returned to the setting that gives the highest performance or may be returned to the performance setting that is one level higher than the current state.
As described above, the storage table circuit of the present invention generates a control signal so that the circuit function module can exhibit optimum performance by measuring and learning the amount of data given to the circuit function module.
[0050]
FIG. 18 is a diagram showing another embodiment of the present invention.
The present invention includes circuit function modules CFM181 and CFM182, clock frequency control circuits CFC181 and CFC182, power supply voltage control circuits SVC181 and SVC182, substrate bias control circuits BBC181 and BBC182, storage table circuits MTC181 and MTC182, buffer circuits BUF181 and BUF182, bus BUS181 , An external input EXT181, a performance measurement circuit PMC181, and a bus control circuit BSC181. The circuit function module CFM 181 receives the clock frequency clk 181, the power supply voltage vdd 181, the substrate biases vbp 181 and vbn 181, and inputs / outputs data signals via the buffer circuit BUF 181. The circuit function module CFM 182 receives the clock frequency clk 182, the power supply voltage vdd 182, the substrate biases vbp 182 and vbn 182, and inputs / outputs data signals via the buffer circuit BUF 182. Each of the clock frequency control circuits CFC181 and CFC182 receives the input clock signal clkin181 and outputs the clock signals clk181 and clk182. The power supply voltage control circuits SVC181 and SVC182 receive the input voltage vddin181 and output the power supply voltages vdd181 and vdd182, respectively. Substrate bias control circuits BBC181 and BBC182 receive input voltage vddin181 and output substrate biases vbp181 and vbn181 and vbp182 and vbn182, respectively. The storage table circuit MTC181 receives the control signal sig182 and controls the clock frequency control circuit CFC181, the power supply voltage control circuit SVC181, and the substrate bias control circuit BBC181. The storage table circuit MTC182 receives the control signal sig183 and controls the clock frequency control circuit CFC182, the power supply voltage control circuit SVC182, and the substrate bias control circuit BBC182. The buffer circuits BUF181 and BUF182 relay data input / output between the circuit function modules CFM181 and CFM182 and the bus BUS181 to store data. The bus circuit BUS181 relays data exchange with the external input EXT181, performance measurement circuit PMC181, bus control circuit BSC181, storage table circuits MTC181 and MTC182, buffer circuits BUF181 and BUF182.
[0051]
As shown in the present invention, the system configuration when there are a plurality of circuit function modules is as follows. One clock frequency control circuit, one power supply voltage control circuit, one substrate bias control circuit, one storage table circuit, and one buffer circuit are arranged for each circuit function module. One set of bus wiring, external input, performance measurement circuit, and bus control circuit is arranged for each chip or system. In addition, the input power supply and the input clock signal supply a single type of signal having a constant voltage value and frequency to the chip, and convert the voltage and frequency inside the chip. With the above configuration, the circuit function module design in the chip and the layout design of the entire chip are facilitated, and the design period is shortened and the reliability is improved. In addition, the entire chip is optimized by controlling the optimal clock frequency, power supply voltage, and substrate bias for each circuit function module. The BSC 181 supplies data from modules such as which circuit function modules to the bus BUS 181. The bus external input EXT 181 is supplied with OS, application software, middleware and the like. The bus control circuit BSC181 determines to which circuit function module the bus BUS181 is permitted to input / output data signals. When the request signal req181 is received, the acknowledge signal ack181 is output so as to satisfy the optimum condition. As for the exchange of data between the circuit function modules, any method such as a synchronous method, an asynchronous method, a data flow method, or the like may be used. Performance optimization and low power consumption can be achieved without depending on the architecture for realizing coupling between circuit function modules.
[0052]
FIG. 19 is a diagram showing a flowchart at the time of a chip test.
Start chip test at 19A. In 19B, the circuit function module to be measured by the performance measurement circuit is selected. In 19C, in the selected circuit function module, the storage table circuit outputs a signal so that the power supply voltage control circuit and the substrate bias control circuit perform control so as to maximize the operation speed of the circuit function module. In 19D, select the voltage type (power supply voltage, substrate bias, etc.) that the performance measurement circuit measures. In 19E, it is determined whether the voltage level is correct. If it is not correct, the result is stored as a log in 19F and the process returns to 19D. If the voltage level is correct at 19E, measure the voltage transition time at 19G. In 19H, it is determined whether all voltage types have been selected. If there is a voltage type that has not yet been measured, the process returns to 19D. When all voltage types have been measured, the maximum transition time data is sent to the storage table circuit at 19T. The work from 19C to 19T becomes the analog test ABST191 work. Subsequently, in 19J, test data (test vector) is supplied to the already selected circuit function module. At 19K, output data is detected and it is determined whether the DC function of the circuit function module is correct. If the operation is wrong, the log is memorized in 19L and it returns to 19J. If the circuit operation is correct at 19K, it is determined at 19M whether all test vectors have been completed. If it is not finished, return to 19J, and if it is finished, proceed to 19N. The work from 19J to 19M is the function test FBST191 work. In 19N, the control combination of the power supply voltage and the substrate bias is selected. At 19V, the operation speed of the circuit function module, that is, the delay time is measured in the selected control combination. At 19P, the measurement result data signal is applied to the storage table circuit of the corresponding circuit function module.
In 19Q, it is determined whether all control combinations are completed. If completed, the process proceeds to 19R, and if not completed, the process returns to 19N. The work from 19N to 19Q is the work of timing test TBST191. In 19R, determine whether all circuit function modules have been selected. If not completed, return to 19C, and if completed, proceed to 19S. In 19S, the chip test flow ends.
[0053]
FIG. 20 is a view showing a flowchart at the time of the chip test as in FIG. The difference from FIG. 19 is that FIG. 20 includes the measurement of power consumption in the circuit function module. In FIG. 19, the power consumed by the circuit function module is assumed to be known in accordance with the control combination, and the flowchart shows a case where only the measurement of the data processing speed, that is, the delay time is performed. When the power consumption is unknown, it is necessary to measure according to FIG. The difference from FIG. 19 is that the power consumption is also measured when measuring the delay time at the location corresponding to 20V and 20P in the flow, and the information sent to the storage table circuit is both the delay time and the power consumption.
[0054]
FIG. 21 is a diagram illustrating an example of the bus control circuit.
The present invention includes an increment decrement circuit INCDEC211, counter circuits CNT211, CN212, CNT213 and CNT214, a comparison circuit CMP211, a selector circuit SEL211, an encode circuit ENC211, and a decode circuit DEC211. The increment / decrement circuit INCDEC211 receives the signal from the encoder circuit ENC211 and outputs a signal for incrementing or decrementing the counter. The counter circuits CNT211, CNT212, CNT213, and CNT214 change the count value according to the signal from the increment decrement circuit INCDEC211 and give the count value to the comparison circuit CMP211. The decode circuit DEC211 decodes the request signal req211 and controls the selector circuit SEL211. The selector circuit SEL211 transmits the output of the comparison circuit CMP211 to the encode circuit ENC211 according to the control signal from the decode circuit 211, and the encode circuit outputs a signal for controlling the increment decrement circuit INCDEC211 and the acknowledge signal ack211. When a request signal arrives from the circuit function module, the bus control circuit returns an acknowledge signal and gives the authority for the circuit function module to exchange (input / output) data on the bus. When request signals arrive at the same time, or when a request signal arrives while another circuit function module is using the bus, it works to adjust the priority between the circuit function modules. Specifically, a circuit function module with a low bus usage rate is made to use the bus with high priority. The bus control circuit owns counter circuits corresponding to all circuit function modules. When a request signal req211 arrives from a certain circuit function module, the bus control circuit decodes the signal by the decode circuit DEC211. At this time, if the count number of the corresponding circuit function module is smaller than the count number of the circuit function module to be compared, the acknowledge signal ack211 is returned via the encoder circuit ENC211 and the bus use of the corresponding circuit function module is permitted. . When an acknowledge signal is issued, the count number of each circuit function module is changed using the increment decrement circuit INCDEC211. The circuit function module that issued the acknowledge signal increments the count number by one, and all other modules decrement the count number by one. In this way, the bus usage rate among the circuit function modules is made uniform.
[0055]
By using the bus control circuit in this way, each circuit function module in FIG. 18 can operate autonomously and distributedly, and the low power and high performance technology of the present invention can be used effectively.
FIG. 22 is a diagram showing another embodiment of the bus control circuit.
[0056]
The present invention includes a shift register circuit SRG221 including address register circuits ADR221, ADR222, ADR223, ADR224, and ADR225, a selector circuit SEL221, a decoder circuit DEC221, and an encoder circuit ENC221. The decoder circuit DEC221 decodes the request signal req221 and transmits it to the selector circuit SEL221. The selector circuit SEL221 selects an address register in accordance with a control signal from the decoder circuit DEC221. The encoder circuit ENC221 encodes the signal of the selected address register and outputs it as an ACK signal ack221, and controls the address register in the shift register circuit SRG221. The address register circuit in the shift register circuit SRG221 corresponds to each circuit function module in the chip. The position of each address register indicates the frequency with which the circuit function module uses the bus. The address registers corresponding to the circuit function modules that are not frequently used are arranged at the upper position in the figure. When the acknowledge signal ack221 is output in response to the request signal, it corresponds to the corresponding circuit function module by the control signal from the encoder circuit ENC221.
The address register is arranged at the lowest position in the shift register circuit SRG221. The other address registers go up one step at a time. When there are a plurality of circuit function modules scheduled to use the bus at the time of receiving the request signal req221, the selector circuit selects the circuit function module corresponding to the register at the top position among the corresponding address registers. Outputs an acknowledge signal. In the case of this circuit as well, the bus utilization rate of circuit function modules concentric is averaged as in FIG.
[0057]
As described above, according to this embodiment, the following effects are obtained. That is, in a semiconductor integrated circuit device that can operate at high speed and with low power consumption, a CMOS circuit that realizes the following problems, a CMOS LSI chip constituted by the CMOS circuit, and a semiconductor integrated circuit device can be provided. That is, by using a structure including a performance measurement circuit and a storage table circuit for controlling the clock frequency, power supply voltage, and substrate bias of the MOS transistor constituting the CMOS circuit autonomously and in a self-learning manner, The following issues are solved.
(1) Even when the circuit scale and type of semiconductor integrated circuits composed of CMOS circuits such as microprocessors are complex and diverse, each circuit module can be designed without being aware of low-power and high-speed control technology. Thus, the design time can be shortened and the reliability can be improved.
(2) When using an existing circuit module in a chip such as a microprocessor or when using a multiprocessor, it is possible to design without using the low-power and high-speed control technology. Shortening and improving reliability.
(3) Even when various circuit modules are combined like ASIC, it is possible to design without considering the low-power and high-speed control technology, and it is possible to shorten the design time and improve the reliability.
(4) Since the performance of each circuit module is measured in advance in order to realize the low-power and high-speed control technology, the chip test period can be shortened.
(5) Maximizing the “operation speed / power consumption performance” in the operation of the processor or the like by enabling the supply of the optimum clock frequency, power supply voltage, and substrate bias for each circuit module in the chip.
[0058]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to simplify the design of a semiconductor integrated circuit device using a CMOS circuit, reduce the test time, and reduce the power consumption.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of an embodiment of a clock frequency control circuit.
FIG. 3 is a configuration diagram of another embodiment of a clock frequency control circuit.
FIG. 4 is a configuration diagram of an embodiment of a power supply voltage control circuit or a substrate bias control circuit.
FIG. 5 is a configuration diagram of another embodiment of a power supply voltage control circuit or a substrate bias control circuit.
FIG. 6 is a configuration diagram of an embodiment of a performance measurement circuit according to the present invention.
FIG. 7 is an operation waveform diagram of the performance measurement circuit.
FIG. 8 is a configuration diagram of another embodiment of the performance measuring circuit of the present invention.
FIG. 9 is a configuration diagram of another embodiment of the performance measuring circuit of the present invention.
FIG. 10 shows an example of a table of the storage table circuit of the present invention.
FIG. 11 shows another embodiment of the table of the storage table circuit of the present invention.
FIG. 12 is a configuration diagram of another embodiment of the performance measuring circuit of the present invention.
FIG. 13 is a configuration diagram of another embodiment of the performance measuring circuit of the present invention.
FIG. 14 is a configuration diagram of another embodiment of the performance measurement circuit of the present invention.
FIG. 15 is a configuration diagram of another embodiment of the performance measuring circuit of the present invention.
FIG. 16 is a configuration diagram of an embodiment of a storage table circuit of the present invention.
FIG. 17 is a waveform diagram showing the concept of a time slot.
FIG. 18 is a configuration diagram of another embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a flowchart at the time of a chip test.
FIG. 20 is another flowchart at the time of a chip test.
FIG. 21 is a configuration diagram of an embodiment of a bus control circuit.
FIG. 22 is a configuration diagram of another embodiment of the bus control circuit.
[Explanation of symbols]
ABST191, ABST201 ・ ・ ・ Analog test,
ADC81, ADC91, ADC151 ... Analog to digital converter,
ADR221, ADR222, ADR223, ADR224, ADR225 ... Address register circuit,
AMP41, AMP91 ・ ・ ・ Amplifier circuit,
AND61, AND151 ... AND circuit,
ARB161 ・ ・ ・ Arbiter circuit,
BBC11, BBC181, BBC182 ... Substrate bias control circuit,
BUF181, BUF182 ・ ・ ・ Buffer circuit,
BUS181 bus,
BSC181 ・ ・ ・ Bus control circuit,
CAP31, CAP51 ... capacity
CFC11, CFC181, CFC182 ... clock frequency control circuit,
CFM11, CFM61, CFM81, CFM91, CFM121, CFM131, CFM181, CFM182 ... Circuit function module,
CMP131, CMP151, CMP152, CMP161, CMP162, CMP211 ... comparison circuit,
CNT61, CNT151, CNT161, CNT162, CNT163, CNT211, CNT212, CNT213, CNT214 ... counter circuit,
DEC211, DEC221 ... decode circuit,
DFF21, DFF121, DFF151 ... D-type flip-flop circuit,
DID51, DID52 ・ ・ ・ Diodes,
DIV31 ... frequency divider,
ENC211, ENC221 ... encoding circuit,
EXT181 ... External input,
FBST191, FBST201 ・ ・ ・ Function test,
INCDEC211 ・ ・ ・ Increment decrement circuit,
INVAND61, INVAND151 ・ ・ ・ Inverter and circuit,
LOG121 ・ ・ ・ Logic circuit,
MTC11, MTC181, MTC182 ... Storage table circuit,
NMS31, NMS81 ... NMOS transistors,
PFD31 ・ ・ ・ Phase frequency detection circuit,
PMC11, PMC61, PMC81, PMC91, PMC121, PMC131, PMC141, PMC181 ... Performance measurement circuit,
PMS31, PMS41 ... PMOS transistors,
REG61, REG151, REG161, REG162 ... register circuit,
RES31, RES91, RES92 ・ ・ ・ resistance,
ROS51 ・ ・ ・ Ring oscillation circuit,
SEL21, SEL121, SEL151, SEL152, SEL211, SEL221 ... selector circuit,
SEN51 ・ ・ ・ Sensor circuit,
SRG151, SRG221 ... shift register circuit,
SVC11, SVC181, SVC182 ... Power supply voltage control circuit,
TBST191, TBST201 ・ ・ ・ Timing test,
VCO31 ・ ・ ・ Voltage controlled oscillator circuit,
VRF41 ・ ・ ・ Reference voltage generation circuit,
19A, 19B, 19C, 19D, 19E, 19F, 19G, 19H, 19J, 19K, 19L, 19M, 19N, 19P, 19Q, 19R, 19S, 19T, 19V, 20A, 20B, 20C, 20D, 20E, 20F, 20G, 20H, 20J, 20K, 20L, 20M, 20N, 20P, 20Q, 20R, 20S, 20T, 20V ... Process,
ack181, ack211, ack221 ... Acknowledgment signal,
bstin121, bstin131, bstin141, bstin151 ... test input signal,
bstout121, bstout131, bstout141, bstout151, bstout152 ... test output signal,
clk11, clk161, clk162, clk171, clk181, clk182 ... clock signal,
clkin21, clkin181 ・ ・ ・ Input clock signal,
cmb101, cmb102, cmb103, cmb104, cmb105, cmb106, cmb111, cmb112, cmb113, cmb114, cmb115, cmb116 ... control combination,
cntclk61, cntclk151, cntclk152 ... control clock signal,
dat181, dat182, dat183 ... data signals,
datin61, datin121, datin122, datin123, datin124, datin125, datin161 ... data input signal,
datout61, datout121, datout122, datout123, datout124, datout125 ... Data output signal,
dwn161 ・ ・ ・ Down signal,
err161 ・ ・ ・ Error signal,
flag161: Data flag signal,
flval160, flval161, flval162 ... Data valid signal,
flinv160, flinv161, flinv162 ... Data invalid signal,
gnd31, gnd81 ・ ・ ・ Ground voltage,
mescmd11, mescmd12 ... Measurement command signal,
mesres11, mesres131 ・ ・ ・ Measurement result signal,
opcnt11, opcnt12, opcnt13 ... operation control signals,
pfdat11 ・ ・ ・ Performance data signal,
pwr101, pwr111 ・ ・ ・ Power consumption,
req61, req151, req181, req211, req221 ... request signal,
scnin121 ・ ・ ・ Scan input signal,
scnout121 ・ ・ ・ Scan output signal,
sdwn161 ・ ・ ・ Shutdown signal,
selcnt121, selcnt122 ... selector circuit control signal,
sig21, sig22, sig23, sig24, sig25, sig31, sig32, sig41, sig51, sig61, sig62, sig63, sig81, sig91, sig92, sig131, sig151, sig152, sig153, sig154, sig155, sig156, sig181, 183 ··Control signal,
t0, t1, t2, t3, t00, t01, t02, t03, t04, t05, t06 ... time,
tim161 ・ ・ ・ period signal,
tmslot160, tmslot161, tmslot162 ... Time slot,
tpd101, tpd111 ... delay time,
vbn11, vbn181, vbn182 ... NMOS transistor substrate bias,
vbp11, vbp181, vbp182 ... PMOS transistor substrate bias,
vdd11, vdd91, vdd181, vdd182 ... power supply voltage,
vddin31, vddin151, vddin181 ... input voltage,
vmes151 ・ ・ ・ Measured voltage,
vref81, vref91: Reference voltage.

Claims (14)

半導体集積回路チップ内に、
少なくとも1つのデータ処理機能を有する回路機能モジュールと、
前記回路機能モジュールに供給するクロック信号周波数を制御するクロック周波数制御回路と、
前記回路機能モジュールに電源電圧を供給する電源電圧制御回路と、
前記回路機能モジュールに基板バイアスを供給する基板バイアス制御回路と、
前記半導体集積回路を構成するMOSトランジスタのクロック周波数、電源電圧、基板バイアスを自律分散的に、かつ自己学習的に制御するための性能測定回路および記憶テーブル回路とを有し、
前記記憶テーブル回路は、前記回路機能モジュールが処理すべきデータの種類およびデータ量に応じて、あるいは前記回路機能モジュールが動作する環境条件に応じて、前記記憶テーブルに記憶された記憶データに基づき、与えられた回路機能モジュールの性能を満たすように前記クロック周波数制御回路または前記電源電圧制御回路または前記基板バイアス制御回路の少なくとも1つを制御することを特徴とする半導体集積回路装置。
In the semiconductor integrated circuit chip,
A circuit function module having at least one data processing function;
A clock frequency control circuit for controlling a clock signal frequency supplied to the circuit function module;
A power supply voltage control circuit for supplying a power supply voltage to the circuit function module;
A substrate bias control circuit for supplying a substrate bias to the circuit function module;
A performance measuring circuit and a storage table circuit for controlling the clock frequency, power supply voltage, and substrate bias of the MOS transistors constituting the semiconductor integrated circuit autonomously and in a self-learning manner;
The storage table circuit is based on the storage data stored in the storage table according to the type and amount of data to be processed by the circuit function module or according to the environmental conditions under which the circuit function module operates. A semiconductor integrated circuit device characterized by controlling at least one of the clock frequency control circuit, the power supply voltage control circuit, or the substrate bias control circuit so as to satisfy the performance of a given circuit function module.
半導体集積回路チップ内に、
少なくとも1つのデータ処理機能を有する回路機能モジュールと、
前記回路機能モジュールに供給するクロック信号周波数を制御するクロック周波数制御回路と、
前記回路機能モジュールに電源電圧を供給する電源電圧制御回路と、
前記回路機能モジュールに基板バイアスを供給する基板バイアス制御回路と、
前記半導体集積回路を構成するMOSトランジスタのクロック周波数、電源電圧、基板バイアスを自律分散的に、かつ自己学習的に制御するための性能測定回路および記憶テーブル回路とを有し、
前記性能測定回路は、前記半導体集積回路チップの出荷前の性能検査時に、前記回路機能モジュールの消費電力またはデータ処理時間の少なくとも1つを測定し、その測定結果を前記記憶テーブル回路内の記憶テーブルに記憶し、
前記記憶テーブル回路は、前記回路機能モジュールの動作時に、前記回路機能モジュールに要求される性能を満たすように前記記憶テーブルに基づき電源電圧および基板バイアスの組合せを決定し、前記クロック周波数制御回路または前記電源電圧制御回路または前記基板バイアス制御回路の少なくとも1つに制御信号を与えることを特徴とする半導体集積回路装置。
In the semiconductor integrated circuit chip,
A circuit function module having at least one data processing function;
A clock frequency control circuit for controlling a clock signal frequency supplied to the circuit function module;
A power supply voltage control circuit for supplying a power supply voltage to the circuit function module;
A substrate bias control circuit for supplying a substrate bias to the circuit function module;
A performance measuring circuit and a storage table circuit for controlling the clock frequency, power supply voltage, and substrate bias of the MOS transistors constituting the semiconductor integrated circuit autonomously and in a self-learning manner;
The performance measurement circuit measures at least one of power consumption or data processing time of the circuit function module at the time of performance inspection before shipment of the semiconductor integrated circuit chip, and the measurement result is stored in the storage table in the storage table circuit. Remember
The storage table circuit determines a combination of a power supply voltage and a substrate bias based on the storage table so as to satisfy performance required for the circuit function module during operation of the circuit function module, and the clock frequency control circuit or the A semiconductor integrated circuit device, wherein a control signal is applied to at least one of a power supply voltage control circuit and the substrate bias control circuit.
前記性能測定回路は、前記回路機能モジュールの消費電力もしくはデータ処理時間を測定して前記記憶テーブル回路にその測定結果を保存し、
前記記憶テーブル回路は、前記回路機能モジュールの消費電力に対するデータ処理時間の比が最大になるように前記クロック周波数制御回路または前記電源電圧制御回路または前記基板バイアス制御回路の少なくとも1つを制御することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体集積回路装置。
The performance measurement circuit measures the power consumption or data processing time of the circuit function module and stores the measurement result in the storage table circuit,
The storage table circuit controls at least one of the clock frequency control circuit, the power supply voltage control circuit, or the substrate bias control circuit so that a ratio of data processing time to power consumption of the circuit function module is maximized. The semiconductor integrated circuit device according to claim 1 or 2.
前記性能測定回路は、前記半導体集積回路チップの機能検査回路や環境条件評価回路を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体集積回路装置。  3. The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein the performance measuring circuit includes a function test circuit and an environmental condition evaluation circuit for the semiconductor integrated circuit chip. 前記性能測定回路は、与えられるすべてのクロック周波数条件または電源電圧条件または基板バイアス条件における最小データ処理時間もしくは最大データ処理時間を測定することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体集積回路装置。  3. The semiconductor integrated circuit according to claim 1, wherein the performance measuring circuit measures a minimum data processing time or a maximum data processing time in all given clock frequency conditions, power supply voltage conditions, or substrate bias conditions. apparatus. 前記性能測定回路は、与えられるすべてのクロック周波数もしくは電源電圧、もしくは基板バイアス条件における前記回路機能モジュールの動作時最大消費電流および停止時最大リーク電流を測定することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体集積回路装置。  3. The performance measuring circuit measures a maximum current consumption during operation and a maximum leakage current during stop of the circuit function module at all given clock frequencies or power supply voltages or substrate bias conditions. A semiconductor integrated circuit device according to 1. 前記性能測定回路は、前記回路機能モジュールに供給されるクロック信号の周波数または電源電圧の電圧レベルまたは基板バイアスの電圧レベルの少なくとも1つを測定することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体集積回路装置。  The said performance measurement circuit measures at least 1 of the frequency level of the clock signal supplied to the said circuit function module, the voltage level of a power supply voltage, or the voltage level of a substrate bias, The Claim 1 or 2 characterized by the above-mentioned. Semiconductor integrated circuit device. 前記記憶テーブル回路は、前記回路機能モジュールが過去に処理したデータ量から将来処理するデータ量を予測して前記回路機能モジュールの性能を最大にするように、前記クロック周波数制御回路または前記電源電圧制御回路または前記基板バイアス制御回路の少なくとも1つを制御することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体集積回路装置。  The storage table circuit predicts a data amount to be processed in the future from a data amount processed in the past by the circuit function module and maximizes the performance of the circuit function module or the power supply voltage control. 3. The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein at least one of the circuit and the substrate bias control circuit is controlled. 前記記憶テーブル回路は、前記回路機能モジュールへのデータ供給が活性化されている時間をデータ量として測定することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体集積回路装置。  3. The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein the storage table circuit measures, as a data amount, a time during which data supply to the circuit function module is activated. 前記記憶テーブル回路は、前記回路機能モジュールへ供給されるデータの変化量をデータ量として測定することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体集積回路装置。  3. The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein the storage table circuit measures a change amount of data supplied to the circuit function module as a data amount. 前記記憶テーブル回路は、前記回路機能モジュールのデータ処理時間が短い順もしくは長い順、または消費電力が小さい順もしくは大きい順に性能データを保存していることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体集積回路装置。  3. The storage table circuit stores performance data in the order of short or long data processing time of the circuit function module, or in order of small or large power consumption. Semiconductor integrated circuit device. 前記半導体集積回路チップに、前記回路機能モジュールが複数個存在する場合、
前記性能測定回路は、前記半導体集積回路チップに1つ配備され、
前記記憶テーブル回路および前記クロック周波数制御回路および前記電源電圧制御回路および前記基板バイアス制御回路は、回路機能モジュール毎に配備されていることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体集積回路装置。
When there are a plurality of the circuit function modules in the semiconductor integrated circuit chip,
One of the performance measurement circuits is provided in the semiconductor integrated circuit chip,
3. The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein the storage table circuit, the clock frequency control circuit, the power supply voltage control circuit, and the substrate bias control circuit are provided for each circuit function module. .
前記半導体集積回路チップに、前記回路機能モジュールが複数個存在する場合、
バス制御回路が1つ配備され、前記バス制御回路は前記回路機能モジュールがバスを利用する回数を計測し2個以上の前記回路機能モジュールが同時にバスを利用する場合に利用回数の少ない回路機能モジュールに優先的にバスを利用させることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体集積回路装置。
When there are a plurality of the circuit function modules in the semiconductor integrated circuit chip,
One bus control circuit is provided, and the bus control circuit measures the number of times the circuit function module uses the bus, and the circuit function module is less frequently used when two or more circuit function modules use the bus simultaneously. 3. The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein the bus is used preferentially.
前記半導体集積回路チップ内において、1種類のクロック周波数を有するクロック信号と1種類の電圧を有する電源信号が各回路機能モジュールに供給され、各回路機能モジュールでは、前記クロック周波数制御回路から与えられる前記クロック信号を分周または逓倍して前記回路機能モジュールにクロック信号を供給し、
前記電源電圧制御回路は、与えられる電源信号を降圧または昇圧して前記回路機能モジュールに電源電圧を供給し、
前記基板バイアス制御回路は、与えられる電源信号を降圧または昇圧して前記回路機能モジュールにpMOSトランジスタ用基板バイアスおよびnMOSトランジスタ用基板バイアスを供給することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体集積回路装置。
In the semiconductor integrated circuit chip, a clock signal having one type of clock frequency and a power signal having one type of voltage are supplied to each circuit function module, and each circuit function module is supplied with the clock frequency control circuit. Divide or multiply the clock signal to supply the clock signal to the circuit function module,
The power supply voltage control circuit steps down or boosts a given power supply signal to supply a power supply voltage to the circuit function module,
3. The semiconductor according to claim 1, wherein the substrate bias control circuit supplies a substrate bias for a pMOS transistor and a substrate bias for an nMOS transistor to the circuit function module by stepping down or boosting an applied power supply signal. Integrated circuit device.
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