KR100857826B1 - Power network circuit adopting zigzag power gating and semiconductor device including the same - Google Patents

Power network circuit adopting zigzag power gating and semiconductor device including the same Download PDF

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신영수
김형옥
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한국과학기술원
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Abstract

A power network circuit adopting zigzag power gating and a semiconductor device including the same are provided to be used easily in implementing semi-custom scheme on the basis of a conventional standard cell as having low power consumption. At least one pair of first rails(1000) comprises a power supply voltage line(1200) supplying a power supply voltage and a virtual base voltage line(1300) connected to a base voltage line of another rail pair through a first power gating circuit(1100). At least one pair of second rails(2000) comprises a virtual power supply voltage line(2200) connected to a power supply voltage line of another adjacent rail pair through a second power gating circuit(2100) and a base voltage line(2300) supplying a base voltage. The first power gating circuit is a NMOS(N-channel Metal -Oxide Semiconductor) transistor switching the connection of the base voltage line and the virtual base voltage line of the adjacent rail pair, in response to an inversion signal of a sleep mode control signal.

Description

지그재그 파워 게이팅을 적용한 파워 네트워크 회로 및 이를 포함하는 반도체 장치 {POWER NETWORK CIRCUIT ADOPTING ZIGZAG POWER GATING AND SEMICONDUCTOR DEVICE INCLUDING THE SAME}Power network circuit using zigzag power gating and semiconductor device including the same {POWER NETWORK CIRCUIT ADOPTING ZIGZAG POWER GATING AND SEMICONDUCTOR DEVICE INCLUDING THE SAME}

도 1은 종래의 파워 게이팅이 적용된 회로를 나타내는 도면이다. 1 is a diagram illustrating a circuit to which a conventional power gating is applied.

도 2는 종래의 지그재그 파워 게이팅이 적용된 회로를 나타내는 도면이다.2 is a diagram illustrating a circuit to which conventional zigzag power gating is applied.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파워 네트워크 및 이를 포함하는 반도체 장치를 나타낸 도면이다.3 illustrates a power network and a semiconductor device including the same according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치에 배치되는 저장장치의 하나인 D형 플립플롭을 나타낸 도면이다. 4 is a diagram illustrating a D-type flip-flop which is one of storage devices disposed in a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치에서 D형 플립플롭을 제 2 레일 쌍에 배치한 경우에 D형 플립플롭과 그 외의 셀 간의 n-well 분리를 나타낸 도면이다.FIG. 5 is a diagram illustrating n-well separation between a D-type flip-flop and other cells when a D-type flip-flop is disposed on a second rail pair in a semiconductor device according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치에서 D형 플립플롭을제 1 레일 쌍에만 배치한 경우에 D형 플립플롭과 그 외의 셀 간의 n-well 분리가 필요 없음을 나타낸 도면이다.FIG. 6 is a diagram illustrating that n-well separation between a D-type flip-flop and other cells is not required when the D-type flip-flop is disposed only on a first rail pair in a semiconductor device according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 7은 D형 플립플롭과 연결되는 논리 소자의 배치를 설명하기 위한 도면이다.7 is a diagram for describing an arrangement of logic elements connected to a D flip-flop.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

SLEEP : 슬립모드 제어신호 SLEEP: Sleep mode control signal

/SLEEP : 슬립모드 제어신호의 반전신호/ SLEEP: Invert signal of sleep mode control signal

VDD : 전원전압 VDD: Power Supply Voltage

VDDV : 가상 전원전압VDDV: Virtual Power Supply Voltage

VSS : 기저전압VSS: Base voltage

VSSV: 가상 기저전압VSSV: Virtual Base Voltage

F/F : 플립플롭F / F: Flip-flop

본 발명은 반도체 장치의 전원 공급에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지그재그 파워 게이팅이 적용된 파워 네트워크, 상기 파워 네트워크를 포함하는 반도체 장치, 상기 파워 네트워크 설계방법 및 상기 파워 네트워크를 포함하는 반도체 장치의 설계방법에 관한 것이다.The present invention relates to a power supply of a semiconductor device, and more particularly, to a power network to which zigzag power gating is applied, a semiconductor device including the power network, a method of designing the power network, and a method of designing a semiconductor device including the power network. It is about.

최근의 전자 제품들은 시장의 요구에 따라 더 작은 크기와 더 긴 동작 시간, 더 큰 용량과 더 많은 기능을 가지도록 개발되고 있다. 특히 휴대용 전자 제품들은 저전력화 및 소형화가 필수적이다. 따라서, 그러한 제품에 사용되는 반도체 장치들도 마찬가지로 저전력화 및 소형화되고 있다.Modern electronics are being developed to meet smaller market demands, smaller sizes, longer operating times, larger capacities and more functionality. In particular, portable electronic products are required to reduce power and miniaturization. Therefore, the semiconductor devices used in such products are similarly low in power and miniaturized.

제조 공정이 세밀화되고 전원 전압이 낮아지면서, 반도체 장치들을 소형화할 수 있게 되었으나, 대기 모드에서는 누설 전류가 늘어나고, 정상 동작 모드에서는 동작 속도를 빠르게 할 수 없는 문제점이 발생하게 되었다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 파워 게이팅(power gating) 기술이 제시되었다. 파워 게이팅 기술은 전원전압(또는 기저전압)과 논리회로 사이에 문턱전압(threshold voltage)이 비교적 높은 MOS(Metal Oxide Semiconductor) 트랜지스터를 직렬로 연결하여, 정상 동작 모드(active mode; power on mode)에서는 MOS 트랜지스터를 턴 온 시켜 전원전압(또는 기저전압)을 문턱전압이 비교적 낮은 논리 회로에 공급함으로써 논리 회로의 동작속도를 향상시키고, 대기 모드(sleep mode; power down mode)에서는 MOS 트랜지스터를 턴 오프 시켜 논리 회로를 전원전압(또는 기저전압)과 차단함으로써 논리 회로의 누설전류(leakage current, sub-threshold current)를 줄이는 기술이다. 파워 게이팅 기술은, 특히 정상 동작 모드에 있는 시간보다 대기 모드에 있는 시간이 훨씬 긴 휴대기기용 LSI(Large Scale Integration) 칩의 소비전력을 줄이는 데 유용하다. 이러한 파워 게이팅 기술이 적용된 파워 네트워크를 이용하면 대기 모드에서는 누설 전류를 효율적으로 억제할 수 있고, 정상 동작 모드에서는 적절한 수준의 전류를 흘려주어 논리 회로의 동작속도를 향상시킬 수 있다. As the manufacturing process becomes finer and the power supply voltage becomes lower, semiconductor devices can be miniaturized. However, leakage current increases in the standby mode, and the operation speed cannot be increased in the normal operation mode. To solve this problem, power gating technology has been proposed. The power gating technology connects a metal oxide semiconductor (MOS) transistor having a relatively high threshold voltage in series between a power supply voltage (or a base voltage) and a logic circuit, in an active mode (power on mode). The MOS transistor is turned on to supply a power supply voltage (or base voltage) to a logic circuit having a relatively low threshold voltage, thereby improving the operation speed of the logic circuit, and turning off the MOS transistor in a sleep mode (power down mode). It is a technology that reduces the leakage current (leakage current, sub-threshold current) of the logic circuit by cutting off the logic circuit from the supply voltage (or base voltage). Power gating technology is particularly useful for reducing the power consumption of large scale integration (LSI) chips for portable devices, which are much longer in standby mode than in normal operating mode. The power network using this power gating technology can effectively suppress leakage current in standby mode and improve the operation speed of logic circuits by flowing an appropriate level of current in normal operation mode.

도 1은 종래의 파워 게이팅이 적용된 회로를 나타내는 도면이다. 1 is a diagram illustrating a circuit to which a conventional power gating is applied.

도 1을 참조하면, 파워 게이팅이 적용된 회로는 논리 회로, NMOS (N-channel metal-oxide semiconductor) 트랜지스터(MN1), 전원전압(VDD)이 공급되는 라인, 가상 기저전압(VSSV) 라인 및 기저전압(VSS)이 공급되는 라인을 포함한다. 상기 파워 게이팅 회로에 인가되는 전원 소스는 전원전압(VDD)과 기저전압(VSS)이고, 가상 기저전압(VSSV)은 상기 NMOS 트랜지스터를 통해서 인가되는 전원이다. 상기 논리 회 로의 논리 소자들은 낮은 전원 전압(예를 들어 1V 정도)에서도 빠른 동작을 얻기 위해, 낮은 문턱 전압을 가지는 MOS 트랜지스터들을 이용하여 구현된다. 일반적으로 MOS 트랜지스터의 문턱 전압이 낮아지면 드레인 전류가 증가하기 때문에 낮은 문턱 전압을 가진 트랜지스터를 이용한 논리 회로는 더 빠른 속도로 스위칭 할 수 있다. 그러나, 한편으로는 MOS 트랜지스터의 문턱 전압이 낮아지면 낮은 전원 전압(예를 들어 1V 정도)에서 누설 전류가 급증하므로 대기 모드에서 누설 전류를 차단할 수단이 필요하다. 따라서 상기 누설 전류를 제어하기 위해서 높은 문턱 전압을 갖는 전류 스위치(MN1)를 사용한다.Referring to FIG. 1, a circuit to which power gating is applied includes a logic circuit, an N-channel metal-oxide semiconductor (NMOS) transistor (MN1), a line supplied with a power supply voltage (VDD), a virtual base voltage (VSSV) line, and a base voltage. And a line to which VSS is supplied. The power source applied to the power gating circuit is a power supply voltage VDD and a base voltage VSS, and the virtual base voltage VSSV is a power applied through the NMOS transistor. The logic elements of the logic circuit are implemented using MOS transistors having a low threshold voltage to obtain fast operation even at a low power supply voltage (for example, about 1V). In general, as the threshold voltage of the MOS transistor decreases, the drain current increases, so that a logic circuit using a transistor having a low threshold voltage can switch at a higher speed. On the other hand, however, when the threshold voltage of the MOS transistor is lowered, the leakage current rapidly increases at a low power supply voltage (for example, about 1V), and thus a means for blocking the leakage current in the standby mode is required. Therefore, in order to control the leakage current, the current switch MN1 having a high threshold voltage is used.

전류 스위치로 사용되는 상기 NMOS 트랜지스터는 슬립모드 제어신호의 반전 신호(/SLEEP)에 응답하여 제어 된다. 정상 동작 모드에서는 상기 NMOS 트랜지스터가 턴 온 되어 가상 기저전압이 기저전압에 연결되어 회로가 동작 한다. 반면, 대기 모드에서는 상기 NMOS 트랜지스터가 턴 오프 되어 누설 전류를 줄인다. 따라서 파워 게이팅을 적용하여 반도체 장치를 설계한다면, 대기 모드에서 상기 반도체 장치의 전력 소모를 크게 줄일 수 있다. 상기 NMOS 트랜지스터는 문턱 전압이 높고 트랜지스터의 크기가 회로의 전체 트랜지스터의 합보다 작기 때문에 턴 오프시 큰 저항 값을 갖는다. 따라서 턴 오프시 가상 기저전압은 천천히 올라가게 되어, 최종적으로 전원전압에 가까운 값을 갖는다. 즉, 회로에서 트랜지스터의 기생 커패시터를 포함한 모든 커패시터가 충전되는 것을 의미한다. 상기 충전된 전하들은 회로의 동작을 위해서 상기 NMOS 트랜지스터가 턴 온 될 때, 방전되어야 한다. 상기 충전된 전하들이 전부 방전되어 가상 기저전압이 기저전압에 가까워질 때, 회로는 새 로운 입력을 받아들여 동작할 수 있기 때문에, 기존의 파워 게이팅 회로의 활동 모드로의 전환 속도는 느리다. 이러한 파워 게이팅의 느린 전환 속도를 극복하기 위하여 지그재그 파워 게이팅 기술이 제안되었다. The NMOS transistor used as the current switch is controlled in response to the inversion signal / SLEEP of the sleep mode control signal. In the normal operation mode, the NMOS transistor is turned on and the virtual base voltage is connected to the base voltage to operate the circuit. In contrast, in the standby mode, the NMOS transistor is turned off to reduce leakage current. Therefore, if the semiconductor device is designed by applying power gating, power consumption of the semiconductor device in the standby mode can be greatly reduced. The NMOS transistor has a high resistance value at turn-off because the threshold voltage is high and the size of the transistor is smaller than the sum of all transistors in the circuit. Therefore, at turn-off, the virtual base voltage rises slowly, finally reaching a power supply voltage. This means that in the circuit all capacitors, including the parasitic capacitors of the transistors, are charged. The charged charges must be discharged when the NMOS transistor is turned on for the operation of the circuit. When the charged charges are fully discharged and the virtual ground voltage approaches the ground voltage, the circuit can accept a new input and operate, so the transition rate of the existing power gating circuit to the active mode is slow. In order to overcome this slow switching speed of power gating, a zigzag power gating technique has been proposed.

도 2는 종래의 지그재그 파워 게이팅이 적용된 회로를 나타내는 도면이다.2 is a diagram illustrating a circuit to which conventional zigzag power gating is applied.

도 2를 참조하면, PMOS(P-channel metal-oxide semiconductor) 트랜지스터(MP1), NMOS(N-channel metal-oxide semiconductor) 트랜지스터(MN1), 전원전압(power voltage)이 공급되는 라인(20), 가상 전원전압(virtual power voltage) 라인(40), 가상 기저전압(virtual ground voltage) 라인(60), 및 기저전압(ground voltage)이 공급되는 라인(80)을 포함한다. 상기 지그재그 파워 게이팅 회로에 인가되는 전원 소스는 전원전압(VDD)과 기저전압(VSS)이고, 가상 전원전압(VDDV)과 가상 기저전압(VSSV)은 각각 상기 PMOS 트랜지스터와 상기 NMOS 트랜지스터를 통해서 인가되는 전원이다. 슬립 벡터(SLEEP VECTOR)와 상기 트랜지스터들은 슬립모드 제어신호(SLEEP) 또는 슬립모드 제어신호의 반전 신호(/SLEEP)에 응답하여 제어 된다. 정상 동작 모드에서는 입력 데이터가(INPUTS) 상기 논리 회로(10)에 인가되어 동작한다. 반면, 대기 모드에서는 미리 결정된 슬립 벡터(SLEEP VECTOR)가 상기 논리 회로(10)에 인가되며, 상기 PMOS 트랜지스터 및 상기 NMOS 트랜지스터가 턴 오프 되어 누설 전류를 줄인다. Referring to FIG. 2, a P-channel metal-oxide semiconductor (PMOS) transistor MP1, an N-channel metal-oxide semiconductor (NMOS) transistor MN1, a line 20 to which a power voltage is supplied, A virtual power voltage line 40, a virtual ground voltage line 60, and a line 80 to which a ground voltage is supplied. A power source applied to the zigzag power gating circuit is a power supply voltage VDD and a base voltage VSS, and a virtual power supply voltage VDDV and a virtual base voltage VSSV are applied through the PMOS transistor and the NMOS transistor, respectively. Power. The sleep vector SLEEP VECTOR and the transistors are controlled in response to a sleep mode control signal SLEEP or an inversion signal / SLEEP of the sleep mode control signal. In the normal operation mode, input data (INPUTS) is applied to the logic circuit 10 to operate. In contrast, in the standby mode, a predetermined sleep vector SLEEP VECTOR is applied to the logic circuit 10, and the PMOS transistor and the NMOS transistor are turned off to reduce the leakage current.

상기 논리 회로(10)의 논리 소자들(11, 13, 15)은 가상 전원전압 라인(40) 및 가상 기저전압 라인(60)에 각각 연결되어, 가상 전원전압과 가상 기저전압을 공급받아 동작한다. 상기 논리 소자들(11, 13, 15)은 대기 모드에서 논리회로에 인가 되는 상기 슬립 벡터(SLEEP VECTOR)에 의해서 어떤 종류의 전원전압과 기저전압에 연결되는지 결정된다. 예를 들어 상기 논리 회로(10)의 인버터(11)를 살펴보면, 도 2에서 인버터(11)는 대기 모드일 때 입력되는 슬립 벡터(1인 경우)에 의해서 0의 출력을 갖는다. 상기 인버터(11)는 상기 PMOS 트랜지스터의 드레인(가상 전원전압 라인(40))에 연결되어 있다. 상기 인버터(11)의 누설 전류는 입력 값에 의해서 인버터를 구성하는 PMOS 트랜지스터(미도시)에서 발생하기 때문에 대기 모드에서 상기 PMOS 트랜지스터를 턴 오프 시키면 누설 전류를 효과적으로 줄일 수 있다. 동시에 상기 인버터(11)를 구성하는 NMOS 트랜지스터(미도시)는 기저전압이 공급되는 라인(80)에 직접 연결되어 있기 때문에 대기 모드에서 상기 PMOS 트랜지스터와 상기 NMOS 트랜지스터가 턴 오프 되어도 출력 값이 유지된다. 따라서 지그재그 파워 게이팅이 적용된 파워 네트워크는 대기 모드에서 출력을 유지 할 수 있기 때문에, 파워 게이팅과 달리 대기 모드에서 정상 동작 모드로 전환되는 속도가 빠르다. The logic elements 11, 13, and 15 of the logic circuit 10 are connected to the virtual power supply voltage line 40 and the virtual base voltage line 60, respectively, and operate by receiving the virtual power supply voltage and the virtual base voltage. . The kind of power supply voltage and the ground voltage are determined by the sleep vector applied to the logic circuit in the standby mode. For example, referring to the inverter 11 of the logic circuit 10, in FIG. 2, the inverter 11 has an output of 0 due to a sleep vector (if 1) input when in the standby mode. The inverter 11 is connected to the drain (virtual power supply voltage line 40) of the PMOS transistor. Since the leakage current of the inverter 11 is generated by a PMOS transistor (not shown) constituting the inverter by an input value, the leakage current can be effectively reduced by turning off the PMOS transistor in the standby mode. At the same time, since the NMOS transistor (not shown) constituting the inverter 11 is directly connected to the line 80 to which the base voltage is supplied, the output value is maintained even when the PMOS transistor and the NMOS transistor are turned off in the standby mode. . Therefore, power networks with zigzag power gating can maintain their output in standby mode, so unlike power gating, the transition from standby mode to normal operation mode is faster.

도 2와 같이 각 논리 소자들(11, 13, 15)은 출력 값에 따라서 서로 다른 전압(가상 전원전압(VDDV)과 기저전압(VSS) 또는 전원전압(VDD)과 가상 기저전압(VSSV))에 연결되어 있다. 따라서 표준셀을 이용하는 경우에는 인접하는 셀들 간의 단락(Short)의 문제로 인해 기존의 세미 커스텀(semi-custom) 설계 방식으로 파워 네트워크를 구현하는 것이 용이하지 않고, 따라서 풀 커스텀(full-custom) 설계 방식으로만 구현 되어왔다. 그러나 풀 커스텀 설계 방식은 VLSI(Very Large Scale Integration) 회로의 구현에 비 효율적이기 때문에 표준 셀 기반의 세미 커스텀 설계 방식을 통해 구현 가능한 지그재그 파워 게이팅이 적용된 파워 네트워크가 요구 된다.As shown in FIG. 2, each of the logic elements 11, 13, and 15 may have different voltages (virtual power supply voltage VDDV and base voltage VSS or power supply voltage VDD and virtual base voltage VSSV) according to output values. Is connected to. Therefore, in the case of using a standard cell, it is not easy to implement a power network in a conventional semi-custom design method due to the problem of shorting between adjacent cells, and thus a full-custom design. It has been implemented only in a way. However, the full custom design method is inefficient for implementing a Very Large Scale Integration (VLSI) circuit, and thus requires a power network with zigzag power gating that can be implemented through a standard cell-based semi-custom design method.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 전력 소모가 적고 일반 표준셀을 기반으로 하여 세미 커스텀 방식의 구현에 용이하도록 지그재그 파워 게이팅이 적용된 파워 네트워크 및 파워 네트워크 설계 방법을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a power network and a power network design method to which zigzag power gating is applied so as to reduce power consumption and to facilitate the implementation of a semi-custom method based on a general standard cell. do.

또한, 본 발명은 상기 파워 네트워크를 포함하는 반도체 장치 및 반도체 장치 설계 방법을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a semiconductor device and a semiconductor device design method including the power network.

나아가, 본 발명은 면적과 배선 길이가 최소화 되도록 논리소자 및 D형 플립플롭을 배치하는 반도체 장치 및 반도체 장치 설계 방법을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.Furthermore, an object of the present invention is to provide a semiconductor device and a semiconductor device design method for arranging logic elements and D-type flip-flops so that the area and the wiring length are minimized.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 파워 네트워크는 하나 이상의 제 1 레일 쌍 및 하나 이상의 제 2 레일 쌍을 포함한다.In order to achieve the above object, a power network according to an embodiment of the present invention includes at least one first rail pair and at least one second rail pair.

상기 하나 이상의 제 1 레일 쌍은 전원전압을 공급하는 전원전압 라인 및 근접하는 다른 레일 쌍의 기저전압 라인과 제 1 파워 게이팅 회로를 통하여 연결된 가상 기저전압 라인을 포함한다. 상기 하나 이상의 제 2 레일 쌍은 근접하는 다른 레일 쌍의 전원전압 라인과 제 2 파워 게이팅 회로를 통하여 연결된 가상 전원전압 라인 및 기저전압을 공급하는 기저전압 라인을 포함한다. The at least one first rail pair includes a power supply voltage line for supplying a power supply voltage and a virtual base voltage line connected via a first power gating circuit and a base voltage line of another rail pair in close proximity. The at least one second rail pair includes a supply voltage line of another rail pair in close proximity, a virtual supply voltage line connected through a second power gating circuit, and a ground voltage line supplying a ground voltage.

상기 제 1 파워 게이팅 회로는 슬립모드 제어신호의 반전신호에 응답하여, 상기 근접하는 다른 레일 쌍의 기저전압 라인과 상기 가상 기저전압 라인의 연결을 스위칭하는 NMOS(N-channel metal-oxide semiconductor) 트랜지스터일 수 있다. The first power gating circuit (NMOS) transistor for switching the connection of the base voltage line and the virtual base voltage line of the other adjacent rail pair in response to the inversion signal of the sleep mode control signal. Can be.

상기 제 2 파워 게이팅 회로는 상기 슬립모드 제어신호에 응답하여, 상기 근접하는 다른 레일 쌍의 전원전압 라인과 상기 가상 전원전압 라인의 연결을 스위칭하는 PMOS(P-channel metal-oxide semiconductor) 트랜지스터일 수 있다.The second power gating circuit may be a P-channel metal-oxide semiconductor (PMOS) transistor configured to switch a connection between the power supply voltage line of the adjacent another rail pair and the virtual power supply voltage line in response to the sleep mode control signal. have.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 파워 네트워크 설계 방법은 전원전압을 공급하는 전원전압 라인 및 가상 기저전압 라인으로 이루어진 하나 이상의 제 1 레일 쌍을 배치하는 단계, 가상 전원전압 라인 및 기저전압을 공급하는 기저전압 라인으로 이루어진 하나 이상의 제 2 레일 쌍을 배치하는 단계, 상기 가상 기저전압 라인과 근접하는 다른 레일 쌍의 기저전압 라인을 NMOS(N-channel metal-oxide semiconductor) 트랜지스터로 연결하는 단계, 및 상기 가상 전원전압 라인과 근접하는 다른 레일 쌍의 전원전압 라인을 PMOS(P-channel metal-oxide semiconductor) 트랜지스터로 연결하는 단계를 포함한다.In order to achieve the above object, a power network design method according to an embodiment of the present invention includes disposing at least one first rail pair consisting of a power supply voltage line and a virtual base voltage line for supplying a power supply voltage, a virtual power supply voltage line, and Arranging at least one second rail pair of base voltage lines for supplying a base voltage, and connecting base voltage lines of another rail pair adjacent to the virtual base voltage line to an N-channel metal-oxide semiconductor (NMOS) transistor And connecting a power supply voltage line of another rail pair adjacent to the virtual power supply voltage line to a P-channel metal-oxide semiconductor (PMOS) transistor.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치는 복수의 행을 이루는 표준셀들, 하나 이상의 제 1 레일 쌍, 및 하나 이상의 제 2 레일 쌍을 포함하다.In order to achieve the above object, a semiconductor device according to an exemplary embodiment includes a plurality of rows of standard cells, one or more first rail pairs, and one or more second rail pairs.

상기 하나 이상의 제 1 레일 쌍은 상기 복수의 행들 중에서 하나 이상 의 제 1 행의 상부에 각각 형성되며, 전원전압을 공급하는 전원전압 라인 및 근접하는 다른 레일 쌍의 기저전압 라인과 제 1 파워 게이팅 회로를 통하여 연결된 가상 기저전압 라인을 포함한다.The one or more first rail pairs are respectively formed on top of one or more first rows of the plurality of rows, the power supply voltage line supplying a power voltage and the base voltage line and the first power gating circuit of another adjacent rail pair. It includes a virtual base voltage line connected through.

상기 하나 이상의 제 2 레일 쌍은 상기 복수의 행들 중에서 상기 하나 이상의 제 1 행을 제외한 제 2 행의 상부에 각각 형성되며, 근접하는 다른 레일 쌍의 전원전압 라인과 제 2 파워 게이팅 회로를 통하여 연결된 가상 전원전압 라인 및 기저전압을 공급하는 기저전압 라인을 포함한다.The one or more second rail pairs are respectively formed on an upper part of the second row except the one or more first rows among the plurality of rows, and are connected through power supply voltage lines of another adjacent rail pair through a second power gating circuit. And a base voltage line for supplying the supply voltage line and the base voltage.

상기 제 1 파워 게이팅 회로는 상기 표준셀들 중 하나에 형성되고, 슬립모드 제어신호의 반전신호에 응답하여 상기 근접하는 다른 레일 쌍의 기저전압 라인과 상기 가상 기저전압 라인의 연결을 스위칭하는 NMOS(N-channel metal-oxide semiconductor) 트랜지스터일 수 있다.The first power gating circuit is formed in one of the standard cells, and the NMOS switching the connection between the base voltage line and the virtual base voltage line of the other pair of rails in close proximity in response to the inversion signal of the sleep mode control signal ( N-channel metal-oxide semiconductor) transistor.

상기 제 2 파워 게이팅 회로는 상기 표준셀들 중 하나에 형성되고, 상기 슬립모드 제어신호에 응답하여 상기 근접하는 다른 레일 쌍의 전원전압 라인과 상기 가상 전원전압 라인의 연결을 스위칭하는 PMOS(P-channel metal-oxide semiconductor) 트랜지스터일 수 있다.The second power gating circuit is formed in one of the standard cells, and in response to the sleep mode control signal, a PMOS (P-) for switching the connection between the power supply voltage line of the other pair of rails and the virtual power supply voltage line. channel metal-oxide semiconductor) transistor.

상기 반도체 장치의 면적을 최소화하기 위하여 상기 하나 이상의 제 1 행에만 D형 플립플롭(flip-flop)을 배치 할 수 있다. In order to minimize the area of the semiconductor device, a D-type flip-flop may be disposed only in the one or more first rows.

상기 반도체 장치의 배선을 최소화하기 위하여 상기 D형 플립플롭과 연결되는 논리 소자는 상기 하나 이상의 제 1 행에 배치되고, 상기 논리 소자의 출력 값에 따라 슬립 벡터를 입력받을 수 있다.In order to minimize wiring of the semiconductor device, a logic device connected to the D flip-flop may be disposed in the one or more first rows, and receive a sleep vector according to an output value of the logic device.

상기 D형 플립플롭 및 상기 논리 소자가 배치된 표준셀들의 면적에 비례하여 상기 하나 이상의 제 1 행 및 상기 하나 이상의 제 2 행의 수를 조정할 수 있다. The number of the one or more first rows and the one or more second rows may be adjusted in proportion to the area of the standard cells in which the D-type flip-flop and the logic element are disposed.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치 설계 방법은 슬립벡터를 결정하는 단계, 상기 슬립벡터에 의해 결정되는 논리소자들의 출력 값에 따라 상기 논리소자들을 복수의 행으로 나열하는 단계, 상기 복수의 행들 중에서 출력이 1인 논리소자가 배치된 하나 이상의 제 1 행의 상부에 전원전압을 공급하는 전원전압 라인 및 가상 기저전압 라인으로 이루어진 하나 이상의 제 1 레일 쌍을 각각 배치하는 단계, 상기 복수의 행들 중에서 상기 제 1 행을 제외한 제 2 행의 상부에 가상 전원전압 라인 및 기저전압을 공급하는 기저전압 라인으로 이루어진 하나 이상의 제 2 레일 쌍을 각각 배치하는 단계, 상기 가상 기저전압 라인과 근접하는 다른 레일 쌍의 기저전압 라인을 NMOS(N-channel metal-oxide semiconductor) 트랜지스터로 각각 연결하는 단계, 및 상기 가상 전원전압 라인과 근접하는 다른 레일 쌍의 전원전압 라인을 PMOS(P-channel metal-oxide semiconductor) 트랜지스터로 각각 연결하는 단계를 포함한다.In accordance with an aspect of the present invention, a method of designing a semiconductor device includes determining a sleep vector and arranging the logic devices in a plurality of rows according to output values of the logic devices determined by the sleep vector. Disposing one or more pairs of first rails each comprising a power supply voltage line and a virtual base voltage line supplying a power supply voltage to an upper portion of the one or more first rows in which a logic element having an output of 1 is disposed among the plurality of rows; And arranging one or more second pairs of rails each including a virtual power supply line and a base voltage line supplying a base voltage to a second row except the first row among the plurality of rows. The base voltage lines of the other rail pair close to each other to the N-channel metal-oxide semiconductor (NMOS) transistor. And connecting each power supply voltage line of another rail pair adjacent to the virtual power supply voltage line to a P-channel metal-oxide semiconductor (PMOS) transistor.

상기 반도체 장치의 면적을 최소화하기 위하여 상기 하나 이상의 제 1 행에만 D형 플립플롭(flip-flop)을 배치하는 단계를 더 포함할 수 있다. The method may further include disposing a D-type flip-flop only in the one or more first rows in order to minimize the area of the semiconductor device.

상기 반도체 장치의 배선을 최소화하기 위하여 상기 D형 플립플롭과 연결되는 논리 소자를 상기 하나 이상의 제 1 행에 배치하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include disposing a logic device connected to the D flip-flop in the one or more first rows to minimize the wiring of the semiconductor device.

상기 D형 플립플롭 및 상기 논리 소자가 배치된 표준셀들의 면적에 비례하여 상기 하나 이상의 제 1 행 및 상기 하나 이상의 제 2 행의 수를 조정하는 단계를 포함할 수 있다.And adjusting the number of the at least one first row and the at least one second row in proportion to the area of the D-type flip-flop and the standard cells in which the logic element is disposed.

따라서, 파워 게이팅이 적용된 파워 네트워크 및 파워 네트워크 설계 방법을 적용하여 전력 소모가 적고, 표준셀을 기반으로 한 반도체 장치를 설계할 수 있다. 또한 면적과 배선 길이가 최소화 되도록 반도체 장치를 설계할 수 있다.Therefore, a power device using power gating and a power network design method may be applied to design a semiconductor device based on a standard cell with low power consumption. In addition, semiconductor devices can be designed to minimize area and wiring length.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안될 것이다.With respect to the embodiments of the present invention disclosed in the text, specific structural to functional descriptions are merely illustrated for the purpose of describing embodiments of the present invention, embodiments of the present invention may be implemented in various forms and It should not be construed as limited to the embodiments described in.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.As the inventive concept allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms may be used for the purpose of distinguishing one component from another component. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이 해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it may be directly connected to or connected to that other component, but it may be understood that other components may be present in between. Should be. On the other hand, when a component is said to be "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in between. Other expressions describing the relationship between components, such as "between" and "immediately between," or "neighboring to," and "directly neighboring to" should be interpreted as well.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "having" are intended to indicate that there is a feature, number, step, action, component, part, or combination thereof that is described, and that one or more other features or numbers are present. It should be understood that it does not exclude in advance the possibility of the presence or addition of steps, actions, components, parts or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as meanings consistent with the meanings in the context of the related art and shall not be construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined in this application. .

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, it will be described in detail a preferred embodiment of the present invention. The same reference numerals are used for the same elements in the drawings, and duplicate descriptions of the same elements are omitted.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파워 네트워크 및 이를 포함하는 반도체 장치를 나타낸 도면이다.3 illustrates a power network and a semiconductor device including the same according to an embodiment of the present invention.

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도 3를 참조하면, 반도체 장치는 표준셀, 제1 레일 쌍 및 제2 레일 쌍을 포함한다. 지그재그 파워 게이팅이 적용된 파워 네트워크는 제 1 레일 쌍(1000) 및 제 2 레일 쌍(2000)을 포함한다. 상기 제 1 레일 쌍(1000) 및 제 2 레일 쌍(2000)은 하나 이상 일 수 있다.
상기 제 1 레일 쌍(1000)은 전원전압 라인(1200) 및 가상 기저전압 라인(1300)을 포함한다. 상기 전원전압 라인(1200)은 전원전압(VDD)을 공급하는 라인이며, 상기 가상 기저전압 라인(1300)은 근접하는 다른 레일 쌍의 기저전압 라인과 제 1 파워 게이팅 회로(1100)를 통하여 연결된 라인이다.
상기 제2 레일 쌍(2000)은 가상 전원전압 라인(2200) 및 기저전압 라인(2000)을 포함한다. 상기 가상 전원전압 라인(2200)은 근접하는 다른 레일 쌍의 전원전압 라인과 제 2 파워 게이팅 회로(2100)를 통하여 연결된 라인이며, 상기 기저전압 라인(2300)은 기저전압(VSS)을 공급하는 기저전압 라인이다.
상기 제 1 파워 게이팅 회로(1100)는 NMOS(N-channel metal-oxide semiconductor) 트랜지스터를 포함할 수 있다. 상기 제 2 파워 게이팅 회로(2100)는 PMOS(P-channel metal-oxide semiconductor) 트랜지스터를 포함할 수 있다.
상기 제 1 파워 게이팅 회로(1100)는 슬립모드 제어신호의 반전신호에 응답하여 상기 가상 기저전압 라인(1300)과 기저전압을 공급하는 기저전압 라인(2300)의 연결을 전기적으로 연결하거나 차단하는 전류 스위치 역할을 한다. 상기 제 2 레일 쌍(2000)의 가상 전원전압 라인(2200)은 제 2 파워 게이팅 회로(2100)에 의해 상기 제 1 레일 쌍(1000)의 전원전압을 공급하는 전원전압 라인(1200)과 연결되어 가상 전원전압을 공급한다.
상기 제 2 파워 게이팅 회로(2100)는 슬립모드 제어신호에 응답하여 상기 가상 전원전압 라인(2200)과 전원전압 라인(1200)의 연결을 전기적으로 연결하거나 차단하는 전류 스위치 역할을 한다.
상기 복수의 제 1 레일 쌍과 제 2 레일 쌍은 규칙적으로 반복될 수 있지만, 아래에서 살펴볼 바와 같이, 반도체 설계시에 필요에 따라 2~3행에 한번씩 불규칙적으로 반복 될 수도 있다.
Referring to FIG. 3, a semiconductor device includes a standard cell, a first rail pair, and a second rail pair. The power network to which zigzag power gating is applied includes a first rail pair 1000 and a second rail pair 2000. The first rail pair 1000 and the second rail pair 2000 may be one or more.
The first rail pair 1000 includes a power supply voltage line 1200 and a virtual base voltage line 1300. The power supply voltage line 1200 is a line for supplying a power supply voltage VDD, and the virtual base voltage line 1300 is a line connected to the base voltage line of another adjacent rail pair through the first power gating circuit 1100. to be.
The second rail pair 2000 includes a virtual power supply voltage line 2200 and a base voltage line 2000. The virtual power supply voltage line 2200 is a line connected to the power supply voltage line of another adjacent rail pair through the second power gating circuit 2100, and the base voltage line 2300 is a base for supplying a base voltage VSS. Low voltage line.
The first power gating circuit 1100 may include an N-channel metal-oxide semiconductor (NMOS) transistor. The second power gating circuit 2100 may include a P-channel metal-oxide semiconductor (PMOS) transistor.
The first power gating circuit 1100 electrically connects or disconnects the connection between the virtual base voltage line 1300 and the base voltage line 2300 for supplying a base voltage in response to an inversion signal of a sleep mode control signal. It acts as a switch. The virtual power supply voltage line 2200 of the second rail pair 2000 is connected to the power supply voltage line 1200 supplying the power supply voltage of the first rail pair 1000 by a second power gating circuit 2100. Supply virtual power supply voltage.
The second power gating circuit 2100 serves as a current switch for electrically connecting or disconnecting the connection between the virtual power supply voltage line 2200 and the power supply voltage line 1200 in response to a sleep mode control signal.
The plurality of first rail pairs and the second rail pairs may be regularly repeated. However, as will be described below, the plurality of first rail pairs and the second rail pair may be irregularly repeated once every two to three rows as necessary when designing a semiconductor.

상기 파워 네트워크는 하나의 레일 쌍이 전원전압 라인과 가상 기저전압 라인의 쌍 또는 가상 전원전압 라인과 기저전압 라인의 쌍을 하나씩 포함하므로, 기존의 표준셀을 기반으로 구현할 수 있다.
도 3에서 사각형으로 표시한 셀 각각은 하나의 표준셀을 나타낸다. 상기 파워 네트워크는 제 1 파워 게이팅 회로(1100)와 제 2 파워 게이팅 회로(2100)의 MOS 트랜지스터의 문턱전압을 비교적 높게 설정하여, 정상 동작 모드에서는 MOS 트랜지스터를 턴 온 시켜 전원전압(또는 기저전압)을 문턱전압이 비교적 낮은 논리회로(미도시)에 공급함으로써 논리회로의 동작속도를 향상시키고, 대기 모드에서는 MOS 트랜지스터를 턴 오프시켜 논리회로에 공급되는 전원전압(또는 기저전압)을 차단함으로써 논리회로의 누설전류를 줄일 수 있다. 따라서 본 발명의 파워 네트워크를 적용한 반도체 장치는 정상 동작 모드에서의 동작 속도를 향상시키면서, 동시에 대기 모드에서 누설 전류를 억제하여 전력 소모를 줄이는 데 효과적이다.
The power network can be implemented based on an existing standard cell because one rail pair includes one pair of power supply voltage line and virtual base voltage line or one pair of virtual power supply voltage line and base voltage line.
Each cell indicated by the rectangle in FIG. 3 represents one standard cell. The power network sets the threshold voltages of the MOS transistors of the first power gating circuit 1100 and the second power gating circuit 2100 to be relatively high, and turns on the MOS transistors in a normal operation mode to supply a power supply voltage (or a base voltage). Is supplied to a logic circuit (not shown) with a relatively low threshold voltage, thereby improving the operation speed of the logic circuit.In the standby mode, the MOS transistor is turned off to cut off the power supply voltage (or base voltage) supplied to the logic circuit. Can reduce the leakage current. Therefore, the semiconductor device to which the power network of the present invention is applied is effective in reducing power consumption by suppressing leakage current in the standby mode while improving the operation speed in the normal operation mode.

또한, 본 발명의 파워 네트워크를 이용한다면, 기존의 표준셀을 기반으로 하여 세미 커스텀 방식으로 반도체 장치를 설계 할 수 있다. 이는 기존에 셀 간의 단락(short) 문제 때문에 반도체 장치를 풀 커스텀 방식으로 설계했던 것에 비해 비용, 시간 및 설계자의 노력을 경감시킨다.In addition, if the power network of the present invention is used, the semiconductor device may be designed in a semi-custom manner based on an existing standard cell. This saves cost, time, and designer effort compared to conventionally custom designing semiconductor devices due to short cell-to-cell problems.

또한, 복수개의 제 1 레일 쌍들 및 제 2 레일 쌍들은 규칙적으로 배열하거나 또는 필요에 따라 행의 수를 조절하여 배열할 수 있으며 논리 소자나 저장 장치들을 자유롭게 배치 할 수 있는 이점이 있다. 예를 들어 도 2에 도시된 것과 같은 논리소자들(11, 13, 15)을 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장치에 배치한다면, 상기 인버터(11)는 가상 전원전압(VDDV)과 기저전압(VSS)을 공급 받아야 하므로, 제 2 레일 쌍에 배치되는 것이 적합할 것이다. 마찬가지로 NAND 게이트(13)는 제 1 레일 쌍에, NOR 게이트(15)는 제 2 레일 쌍에 배치되는 것이 적합할 것이다. 반도체 장치는 복수 개의 제 1 레일 쌍과 제 2 레일 쌍을 가지고 있고, 이 행들이 규칙적으로 배열되어 있기 때문에, 논리소자는 비교적 자유롭게 배치될 수 있다.In addition, the plurality of first rail pairs and the second rail pairs may be arranged regularly or by adjusting the number of rows as necessary, and there is an advantage in that logic elements or storage devices may be freely arranged. For example, if logic elements 11, 13, and 15 as shown in FIG. 2 are arranged in a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, the inverter 11 may have a virtual power supply voltage VDDV and a base voltage ( VSS) should be supplied, so it would be suitable to be placed on the second rail pair. It would likewise be appropriate that the NAND gate 13 is arranged in the first rail pair and the NOR gate 15 in the second rail pair. Since the semiconductor device has a plurality of first rail pairs and second rail pairs, and these rows are regularly arranged, the logic elements can be arranged relatively freely.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치에 배치되는 저장장치의 하나인 D형 플립플롭을 나타낸 도면이다. 4 is a diagram illustrating a D-type flip-flop which is one of storage devices disposed in a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 파워 네트워크를 적용한 반도체 장치에 있어서, 대기 모드에서 저장 장치의 일부는 0 또는 1의 데이터를 저장 하여야 하므로 전원전압(VDD)과 기저전압(VSS)에 연결된다. 또한 저장 장치 내에서 데이터 유지와 관련 없는 부분은 제 2 파워 게이팅 회로 또는 제 1 파워 게이팅 회로에 연결되어 누설 전류를 감소시킨다.In the semiconductor device to which the power network of the present invention is applied, a part of the storage device in the standby mode is required to store 0 or 1 data and thus is connected to the power supply voltage VDD and the base voltage VSS. In addition, portions of the storage device not related to data retention are connected to the second power gating circuit or the first power gating circuit to reduce leakage current.

도 3 및 도 4를 참조하면, 반도체 장치에 포함되는 저장 장치의 일 예로서 D형 플립플롭은 마스터 래치(MASTER LATCH)와 슬레이브 래치(SLAVE LATCH)로 이루어져 있다. 마스터 래치(MASTER LATCH)는 제 1 인버터(100), 제 2 인버터(200) 및 제 3 인버터(300)를 포함한다. 상기 제 1 인버터(100) 및 제 2 인버터(200)는 직렬로 연결되어 있고, 상기 제 3 인버터(300)는 상기 제 2 인버터(200)에 피드백 형태로 연결되어 있다.
도 4의 플립플롭은 대기 모드에서 입력단자(D)에 0이 입력되는 경우의 D형 플립플롭으로서, 상기 마스터 래치(MASTER LATCH)의 상기 제 1 인버터(100) 및 제 3 인버터(300)의 게이트 단자들은 전원전압 라인과 가상 기저전압 라인에 연결되고, 상기 제 2 인버터(200)의 게이트 단자는 가상 전원전압 라인과 기저전압 라인에 연결된다.
상기 게이트 단자와 연결되는 라인들은 상기 도 3의 제 1 레일 쌍 및 제 2 레일 쌍을 지나는 전원전압(VDD), 기저전압(VSS), 가상 전원전압(VDDV), 및 가상 기저전압(VSSV)에 해당한다. 따라서 데이터 유지와 관계없는 상기 마스터 래치(MASTER LATCH)가 대기 모드에서 제 2 파워 게이팅 회로(2100) 또는 제 1 파워 게이팅 회로(1100)와 연결되므로 누설 전류를 줄일 수 있다.
3 and 4, as an example of a storage device included in a semiconductor device, a D-type flip-flop includes a master latch and a slave latch. The master latch includes a first inverter 100, a second inverter 200, and a third inverter 300. The first inverter 100 and the second inverter 200 are connected in series, and the third inverter 300 is connected to the second inverter 200 in a feedback form.
The flip-flop of FIG. 4 is a D-type flip-flop when 0 is input to the input terminal D in the standby mode, and the flip-flops of the first inverter 100 and the third inverter 300 of the master latch (MASTER LATCH). The gate terminals are connected to the power supply voltage line and the virtual base voltage line, and the gate terminal of the second inverter 200 is connected to the virtual power supply voltage line and the base voltage line.
Lines connected to the gate terminal are connected to a power supply voltage VDD, a base voltage VSS, a virtual power supply voltage VDDV, and a virtual base voltage VSSV passing through the first rail pair and the second rail pair of FIG. 3. Corresponding. Therefore, the master latch (MASTER LATCH) irrespective of data retention is connected to the second power gating circuit 2100 or the first power gating circuit 1100 in the standby mode, thereby reducing the leakage current.

다른 실시예에서, 대기 모드에서 상기 입력단자(D)에 1이 입력되는 D형 플립플롭인 경우에는 인버터들에 연결되는 전원 라인들이 상기 전원 라인들과 반대로 연결된 마스터 래치(MASTER LATCH)가 된다. 이 경우 상기 마스터 래치(MASTER LATCH)의 상기 제 1 인버터(100) 및 제 3 인버터(300)의 전원 단자 들은 가상 전원전압 라인과 기저전압 라인에 연결되고, 상기 제 2 인버터(200)의 게이트 단자는 전원전압 라인과 가상 기저전압 라인에 연결된다.In another embodiment, in the case of a D-type flip-flop in which 1 is input to the input terminal D in a standby mode, power lines connected to inverters become a master latch connected to the power lines. In this case, power terminals of the first inverter 100 and the third inverter 300 of the master latch are connected to the virtual power supply line and the base voltage line, and the gate terminal of the second inverter 200. Is connected to the supply voltage line and the virtual ground voltage line.

입력 받은 데이터를 유지하는 상기 슬레이브 래치(SLAVE LATCH)는 제 4 인버터(400), 제 5 인버터(500) 및 제 6 인버터(600)를 포함한다. 상기 제 4 인버터(400) 및 제 5 인버터(500)는 직렬로 연결되고, 상기 제 6 인버터(600)는 상기 제 4 인버터(400)와 피드백으로 연결된다. 상기 제 4 인버터(400), 제 5 인버터(500) 및 제 6 인버터(600)의 게이트 단자들은 모두 전원전압 라인과 기저전압 라인에 연결 된다. The slave latch holding the received data includes a fourth inverter 400, a fifth inverter 500, and a sixth inverter 600. The fourth inverter 400 and the fifth inverter 500 are connected in series, and the sixth inverter 600 is connected to the fourth inverter 400 by feedback. Gate terminals of the fourth inverter 400, the fifth inverter 500, and the sixth inverter 600 are all connected to a power supply line and a base voltage line.

상기 도 4의 슬레이브 래치(SLAVE LATCH)가 데이터를 유지하기 위해서 클럭은 논리 로우, 즉 0의 값으로 유지 되어야 한다(CLK=0). 본 발명의 파워 네트워크에서 저장 장치인 D형 플립플롭은 전원전압(VDD), 기저전압(VSS), 가상 전원전 압(VDDV), 및 가상 기저전압(VSSV)으로 이루어진 네 종류의 파워를 필요로 한다. 그러나 기존의 표준셀 형태의 D형 플립플롭은 전원전압(VDD) 및 기저전압(VSS) 단자만을 갖기 때문에, 본 발명에서는 배선을 통한 저장 장치의 파워 연결을 제안한다. In order for the slave latch of FIG. 4 to hold data, the clock must be kept at a logic low value, that is, a value of 0 (CLK = 0). In the power network of the present invention, the D-type flip-flop, which is a storage device, requires four types of powers consisting of a power supply voltage (VDD), a base voltage (VSS), a virtual power supply voltage (VDDV), and a virtual base voltage (VSSV). do. However, since the conventional D-type flip-flop of the standard cell type has only a power supply voltage VDD and a ground voltage VSS terminal, the present invention proposes a power connection of a storage device through wiring.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치에서 D형 플립플롭을제 2 레일 쌍에 배치한 경우에 D형 플립플롭과 그 외의 셀 간의 n-well 분리를 나타낸 도면이다.FIG. 5 is a diagram illustrating n-well separation between a D-type flip-flop and other cells when a D-type flip-flop is disposed on a second rail pair in a semiconductor device according to an exemplary embodiment of the present invention.

본 발명의 파워 네트워크를 이용하면 도 3에서 예시 된 것처럼 D형 플립플롭은 배선을 통하여 가까운 전원전압(VDD), 기저전압(VSS), 가상 전원전압(VDDV), 및 가상 기저전압(VSSV)을 공급 받을 수 있다. 따라서 상기 D형 플립플롭은 자유롭게 배치 가능하다.
제 2 레일 쌍에 배치되는 표준셀들의 n-well은 가상 전원전압(VDDV)에 연결 되는데, 가상 전원전압(VDDV)은 대기 모드에서 전원전압(VDD)보다 낮은 전압을 갖는다. 따라서 제 2 레일 쌍에 D형 플립플롭을 배치한다면 D형 플립플롭을 구성하는 PMOS 트랜지스터의 바디(n-well)가 가상 전원전압(VDDV)에 연결되므로, 소스 전압(VDD) 보다 낮은 바디 전압 때문에 D형 플립플롭에 있는 상기 PMOS 트랜지스터의 문턱전압이 감소하게 된다. 따라서 슬레이브 래치(SLAVE LATCH)에서 누설 전류가 증가될 수 있다.
따라서 제 2 레일 쌍에 배치된 D형 플립플롭의 누설 전류의 증가를 막기 위해서는 n-well을 전원전압(VDD)에 연결해야하기 때문에 도 5와 같이 D형 플립플롭이 배치된 셀의 n-well을 이웃하는 셀들의 n-well과 분리해야 한다. 도 5의 'A', 'B', 'C'는 제 2 레일 쌍에 놓인 D형 플립플롭이 배치된 셀과 이웃하는 셀 간의 n-well 분리를 위한 공간을 나타내는 것으로 반도체 장치의 면적을 증가시킨다. 따라서 D형 플립플롭을 제 1 레일 쌍에만 배치하면 반도체 장치의 면적을 줄일 수 있다.
Using the power network of the present invention, as illustrated in FIG. 3, the D-type flip-flop converts the close power supply voltage VDD, the base voltage VSS, the virtual power supply voltage VDDV, and the virtual base voltage VSSV through wiring. Can be supplied. Therefore, the D flip-flop can be freely disposed.
The n-wells of the standard cells arranged in the second rail pair are connected to the virtual power supply voltage VDDV. The virtual power supply voltage VDDV has a voltage lower than the power supply voltage VDD in the standby mode. Therefore, if the D-type flip-flop is disposed on the second rail pair, the body (n-well) of the PMOS transistors constituting the D-type flip-flop is connected to the virtual power supply voltage VDDV, and thus the body voltage lower than the source voltage VDD. The threshold voltage of the PMOS transistor in the D flip-flop is reduced. Therefore, the leakage current may be increased in the slave latch.
Therefore, in order to prevent an increase in leakage current of the D-type flip-flop disposed on the second rail pair, the n-well must be connected to the power supply voltage VDD, so that the n-well of the cell in which the D-type flip-flop is disposed as shown in FIG. Must be separated from the n-wells of neighboring cells. 'A', 'B', and 'C' in FIG. 5 represent a space for n-well separation between a cell in which a D-type flip-flop disposed on a second rail pair and a neighboring cell are increased, thereby increasing the area of a semiconductor device. Let's do it. Therefore, if the D-type flip-flop is disposed only in the first rail pair, the area of the semiconductor device may be reduced.

도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치에서 D형 플립플롭을제 1 레일 쌍에만 배치한 경우에 D형 플립플롭과 그 외의 셀 간의 n-well 분리가 필요 없음을 나타낸 도면이다.FIG. 6 illustrates that n-well separation between a D-type flip-flop and other cells is not required when the D-type flip-flop is disposed only on a first rail pair in a semiconductor device according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, D형 플립플롭을 제 1 레일 쌍에만 배치하여, 도 5와 같이 셀간의 n-well 분리를 위해서 낭비되는 공간을 줄일 수 있다. 본 발명의 파워 네트워크를 이용한 반도체 장치는 D형 플립플롭을 제 1 레일 쌍에만 배치하는 경우 D형 플립플롭을 포함하는 표준셀들의 면적을 고려하여 전체 제 1 레일 쌍과 제 2 레일 쌍의 수를 조정할 수 있다.Referring to FIG. 6, the D-type flip-flop may be disposed only on the first rail pair to reduce the space wasted for n-well separation between cells as shown in FIG. 5. In the semiconductor device using the power network of the present invention, when the D flip-flop is disposed only on the first rail pair, the total number of first rail pairs and the second rail pair may be determined in consideration of the area of the standard cells including the D flip-flop. I can adjust it.

도 7은 D형 플립플롭과 연결되는 논리 소자의 배치를 설명하기 위한 도면이다.7 is a diagram for describing an arrangement of logic elements connected to a D flip-flop.

도 6에서처럼 D형 플립플롭를 제 1 레일 쌍에만 배치하는 경우 반도체 장치의 면적을 줄일 수 있으나, D형 플립플롭과 연결된 배선의 길이를 증가 시킬 수 있다. 따라서 도 7에서 D형 플립플롭의 입력단과 출력단에 연결된 논리 소자들이 제 2 레일 쌍의 표준셀에 배치 될수록 배선 길이가 증가 한다. 논리 소자를 포함한 표준셀의 배치는 슬립 벡터에 의한 출력 값에 의해 결정 되므로, 배선 길이의 증가를 최소화 하기 위해서 D형 플립플롭과 연결된 논리소자를 최대한 제 1 레일 쌍에 배치하고, 원하는 논리 소자의 출력에 맞추어 슬립 벡터를 정한다. 이로써 반도체 장치의 배선을 최소화 할 수 있다.As shown in FIG. 6, when the D flip-flop is disposed only on the first rail pair, the area of the semiconductor device may be reduced, but the length of the wiring connected to the D flip-flop may be increased. Therefore, in FIG. 7, as the logic elements connected to the input terminal and the output terminal of the D flip-flop are disposed in the standard cells of the second rail pair, the wiring length increases. Since the arrangement of the standard cells including the logic elements is determined by the output value of the slip vector, in order to minimize the increase in the wiring length, the logic elements connected to the D-type flip-flop are arranged on the first rail pair as much as possible. Set the slip vector to match the output. This can minimize the wiring of the semiconductor device.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 지그재그 파워 게이팅을 적 용한 파워 네트워크 및 파워 네트워크 설계 방법은 전력 소모를 줄일 수 있다.As described above, a power network and a power network design method using zigzag power gating according to an embodiment of the present invention can reduce power consumption.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 지그재그 파워 게이팅을 적용한 파워 네트워크를 포함하는 반도체 장치 및 반도체 장치 설계 방법은 표준셀을 이용하여 구현할 수 있으므로 세미 커스텀 방식으로 설계 가능하며, 전력 소모를 줄일 수 있다.In addition, since the semiconductor device and the semiconductor device design method including the power network to which zigzag power gating is applied according to an embodiment of the present invention can be implemented using a standard cell, the semiconductor device can be designed in a semi-custom manner and power consumption can be reduced. .

나아가 본 발명의 일 실시예에 따른 지그재그 파워 게이팅을 적용한 파워 네트워크를 포함하는 반도체 장치 및 반도체 장치 설계 방법은 반도체 장치의 면적과 배선길이가 최소화 되도록 논리 소자 및 D형 플립플롭을 배치할 수 있다.Furthermore, in the semiconductor device and the semiconductor device design method including the power network to which the zigzag power gating is applied according to an embodiment of the present invention, the logic element and the D-type flip-flop may be disposed to minimize the area and the wiring length of the semiconductor device.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described with reference to the embodiments above, those skilled in the art will understand that the present invention can be variously modified and changed without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the claims below. Could be.

Claims (14)

전원전압을 공급하는 전원전압 라인 및 근접하는 다른 레일 쌍의 기저전압 라인에 제 1 파워 게이팅 회로를 통하여 연결된 가상 기저전압 라인으로 이루어진 하나 이상의 제 1 레일 쌍; 및At least one first rail pair consisting of a supply line voltage supplying a supply voltage line and a virtual base voltage line connected via a first power gating circuit to a base voltage line of another rail pair in proximity; And 근접하는 다른 레일 쌍의 전원전압 라인에 제 2 파워 게이팅 회로를 통하여 연결된 가상 전원전압 라인 및 기저전압을 공급하는 기저전압 라인으로 이루어진 하나 이상의 제 2 레일 쌍을 포함하는 파워 네트워크 회로.A power network circuit comprising one or more second rail pairs comprising a virtual power supply line and a base voltage line for supplying a base voltage to a power supply line of another rail pair in close proximity via a second power gating circuit. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제 1 파워 게이팅 회로는 슬립모드 제어신호의 반전신호에 응답하여, 상기 근접하는 다른 레일 쌍의 기저전압 라인과 상기 가상 기저전압 라인의 연결을 스위칭하는 NMOS(N-channel metal-oxide semiconductor) 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 파워 네트워크 회로.The first power gating circuit (NMOS) transistor for switching the connection of the base voltage line and the virtual base voltage line of the other adjacent rail pair in response to the inversion signal of the sleep mode control signal. The power network circuit characterized by the above-mentioned. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제 2 파워 게이팅 회로는 슬립모드 제어신호에 응답하여, 상기 근접하는 다른 레일 쌍의 전원전압 라인과 상기 가상 전원전압 라인의 연결을 스위칭하는 PMOS(P-channel metal-oxide semiconductor) 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 파워 네트워크 회로.The second power gating circuit is a P-channel metal-oxide semiconductor (PMOS) transistor that switches a connection between the power supply voltage line and the virtual power supply voltage line of another adjacent rail pair in response to a sleep mode control signal. Power network circuit. 전원전압을 공급하는 전원전압 라인 및 가상 기저전압 라인으로 이루어진 하나 이상의 제 1 레일 쌍을 배치하는 단계;Arranging at least one first rail pair consisting of a power supply voltage line and a virtual base voltage line for supplying a power supply voltage; 가상 전원전압 라인 및 기저전압을 공급하는 기저전압 라인으로 이루어진 하나 이상의 제 2 레일 쌍을 배치하는 단계;Disposing at least one second rail pair consisting of a virtual power supply line and a base voltage line for supplying a base voltage; 상기 가상 기저전압 라인과 근접하는 다른 레일 쌍의 기저전압 라인을 NMOS(N-channel metal-oxide semiconductor) 트랜지스터로 연결하는 단계; 및 Connecting base voltage lines of another rail pair adjacent to the virtual base voltage line to an N-channel metal-oxide semiconductor (NMOS) transistor; And 상기 가상 전원전압 라인과 근접하는 다른 레일 쌍의 전원전압 라인을 PMOS(P-channel metal-oxide semiconductor) 트랜지스터로 연결하는 단계를 포함하는 파워 네트워크 회로 설계방법.And connecting a power supply voltage line of another rail pair adjacent to the virtual power supply voltage line with a P-channel metal-oxide semiconductor (PMOS) transistor. 복수의 행을 이루는 표준셀들;Standard cells constituting a plurality of rows; 상기 복수의 행들 중에서 하나 이상의 제 1 행의 상부에 각각 형성되며, 전원전압을 공급하는 전원전압 라인 및 근접하는 다른 레일 쌍의 기저전압 라인과 제 1 파워 게이팅 회로를 통하여 연결된 가상 기저전압 라인으로 이루어진 하나 이상의 제 1 레일 쌍; 및And a virtual base voltage line formed on top of one or more first rows of the plurality of rows, the power supply voltage line supplying a power supply voltage, and the base voltage line of another pair of rails adjacent to each other and a virtual base voltage line connected through a first power gating circuit. One or more first rail pairs; And 상기 복수의 행들 중에서 상기 하나 이상의 제 1 행을 제외한 제 2 행의 상부에 각각 형성되며, 근접하는 다른 레일 쌍의 전원전압 라인과 제 2 파워 게이팅 회로를 통하여 연결된 가상 전원전압 라인 및 기저전압을 공급하는 기저전압 라인으로 이루어진 하나 이상의 제 2 레일 쌍을 포함하는 반도체 장치. A virtual power supply voltage line and a base voltage which are formed on an upper portion of the second row except for the one or more first rows among the plurality of rows, and are connected through power supply voltage lines of another adjacent rail pair and a second power gating circuit; And at least one second rail pair of base voltage lines. 제 5 항에 있어서, The method of claim 5, wherein 상기 제 1 파워 게이팅 회로는 상기 표준셀들 중 하나에 형성되고, 슬립모드 제어신호의 반전신호에 응답하여 상기 근접하는 다른 레일 쌍의 기저전압 라인과 상기 가상 기저전압 라인의 연결을 스위칭하는 NMOS(N-channel metal-oxide semiconductor) 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.The first power gating circuit is formed in one of the standard cells, and the NMOS switching the connection between the base voltage line and the virtual base voltage line of the other pair of rails in close proximity in response to the inversion signal of the sleep mode control signal ( An N-channel metal-oxide semiconductor transistor. 제 5 항에 있어서, The method of claim 5, wherein 상기 제 2 파워 게이팅 회로는 상기 표준셀들 중 하나에 형성되고, 슬립모드 제어신호에 응답하여 상기 근접하는 다른 레일 쌍의 전원전압 라인과 상기 가상 전원전압 라인의 연결을 스위칭하는 PMOS(P-channel metal-oxide semiconductor) 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.The second power gating circuit is formed in one of the standard cells, and PMOS (P-channel) for switching the connection between the power supply line and the virtual power supply line of the other rail pair in close proximity in response to a sleep mode control signal A metal device comprising a metal-oxide semiconductor transistor. 제 5 항에 있어서, The method of claim 5, wherein 상기 반도체 장치의 면적을 최소화하기 위하여 상기 하나 이상의 제 1 행에만 D형 플립플롭(flip-flop)이 배치된 것을 특징으로 하는 반도체 장치.And a D-type flip-flop is disposed only in the one or more first rows in order to minimize the area of the semiconductor device. 제 8 항에 있어서, The method of claim 8, 상기 반도체 장치의 배선을 최소화하기 위하여 상기 D형 플립플롭과 연결되는 논리 소자는 상기 하나 이상의 제 1 행에 배치되고, 상기 논리 소자의 출력 값 에 따라 슬립 벡터를 입력받는 것을 특징으로 하는 반도체 장치. In order to minimize the wiring of the semiconductor device, a logic element connected to the D-type flip-flop is disposed in the at least one first row, the semiconductor device, characterized in that receives a sleep vector according to the output value of the logic element. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 D형 플립플롭 및 상기 논리 소자가 배치된 표준셀들의 면적에 비례하여 상기 하나 이상의 제 1 행 및 상기 하나 이상의 제 2 행의 수를 조정하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치. And adjusting the number of the at least one first row and the at least one second row in proportion to the area of the standard cells in which the D-type flip-flop and the logic element are disposed. 슬립벡터를 결정하는 단계;Determining a slip vector; 상기 슬립벡터에 의해 결정되는 논리소자들의 출력 값에 따라 상기 논리소자들을 복수의 행으로 나열하는 단계;Arranging the logic elements in a plurality of rows according to output values of the logic elements determined by the sleep vector; 상기 복수의 행들 중에서 출력이 1인 논리소자가 배치된 하나 이상의 제 1 행의 상부에 전원전압을 공급하는 전원전압 라인 및 가상 기저전압 라인으로 이루어진 하나 이상의 제 1 레일 쌍을 각각 배치하는 단계;Disposing one or more first pairs of rails each including a power supply voltage line and a virtual base voltage line supplying a power supply voltage to an upper portion of the one or more first rows in which a logic element having an output of 1 is disposed among the plurality of rows; 상기 복수의 행들 중에서 상기 하나 이상의 제 1 행을 제외한 제 2 행의 상부에 가상 전원전압 라인 및 기저전압을 공급하는 기저전압 라인으로 이루어진 하나 이상의 제 2 레일 쌍을 각각 배치하는 단계;Arranging at least one pair of second rails each including a virtual power supply line and a base voltage line supplying a base voltage line to an upper portion of the second row except the at least one first row among the plurality of rows; 상기 가상 기저전압 라인과 근접하는 다른 레일 쌍의 기저전압 라인을 NMOS(N-channel metal-oxide semiconductor) 트랜지스터로 각각 연결하는 단계; 및Connecting base voltage lines of another rail pair adjacent to the virtual base voltage line to N-channel metal-oxide semiconductor (NMOS) transistors, respectively; And 상기 가상 전원전압 라인과 근접하는 다른 레일 쌍의 전원전압 라인을 PMOS(P-channel metal-oxide semiconductor) 트랜지스터로 각각 연결하는 단계를 포함하는 반도체 장치 설계방법.Connecting power supply voltage lines of other rail pairs adjacent to the virtual power supply voltage lines to P-channel metal-oxide semiconductor (PMOS) transistors, respectively. 제 11 항에 있어서, The method of claim 11, 상기 반도체 장치의 면적을 최소화하기 위하여 상기 하나 이상의 제 1 행에만 D형 플립플롭(flip-flop)을 배치하는 단계를 더 포함하는 반도체 장치 설계방법.Disposing a D-type flip-flop only in the at least one first row to minimize the area of the semiconductor device. 제 12 항에 있어서, The method of claim 12, 상기 반도체 장치의 배선을 최소화하기 위하여 상기 D형 플립플롭과 연결되는 논리 소자를 상기 하나 이상의 제 1 행에 배치하는 단계를 더 포함하는 반도체 장치 설계방법.And arranging logic elements connected to the D flip-flop in the one or more first rows to minimize wiring of the semiconductor device. 제 13 항에 있어서,The method of claim 13, 상기 D형 플립플롭 및 상기 논리 소자가 배치된 표준셀들의 면적에 비례하여 상기 하나 이상의 제 1 행 및 상기 하나 이상의 제 2 행의 수를 조정하는 단계를 더 포함하는 반도체 장치 설계방법.And adjusting the number of the at least one first row and the at least one second row in proportion to the area of the D-type flip-flop and the standard cells in which the logic element is disposed.
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