JP2002297271A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP2002297271A
JP2002297271A JP2001094103A JP2001094103A JP2002297271A JP 2002297271 A JP2002297271 A JP 2002297271A JP 2001094103 A JP2001094103 A JP 2001094103A JP 2001094103 A JP2001094103 A JP 2001094103A JP 2002297271 A JP2002297271 A JP 2002297271A
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Tadao Seto
唯雄 瀬戸
Satoshi Nonaka
聡 野中
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 この発明は、機能ブロック毎に最適な電源電
圧を供給して、装置全体の低消費電力化を達成すること
を課題とする。 【解決手段】 この発明は、装置内のすべての機能ブロ
ックA〜Fの電源電圧を、最低動作速度の任意の機能ブ
ロックA〜Fと同等の動作速度で動作する電源電圧に降
下させるように構成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、異なる最大動作速
度を有する複数の機能ブロックを備えた半導体装置の低
消費電力化に関する。
【0002】
【従来の技術】上記従来の大規模な半導体装置では、装
置内の各機能ブロックの最大動作速度は、機能ブロック
を構成する回路形態に依存しており、このため回路形態
が異なる各機能ブロックでは、最大動作速度が異なって
いた。また、各機能ブロックの動作速度は供給される電
源電圧にも依存し、各機能ブロックは、装置全体に共通
な動作可能な電源電圧範囲の上限において最大動作速度
のパフォーマンスを実現し、電源電圧が低下するにつれ
て動作速度も遅くなる。
【0003】一方、半導体装置全体として見ると、装置
全体の最大動作速度は、各機能ブロックの最大動作速度
の内、最も遅い最大動作速度を有する機能ブロックのそ
れと同じ動作速度となっていた。しかし、最も遅い最大
動作速度の機能ブロック以外の他の機能ブロックは、装
置全体に共通な電源電圧が供給されて最大動作速度で動
作していた。したがって、装置全体の動作速度の観点か
ら見ると、装置全体の動作速度は最も遅い最大動作速度
の機能ブロックのそれと同じとなるため、最も遅い最大
動作速度の機能ブロック以外の他の機能ブロックは、必
ずしも最大動作速度で動作させる必要はなかった。しか
し、上記他の機能ブロックは、最大動作速度で動作して
いたため、その分無駄に電力を消費していた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
異なる最大動作速度を有する複数の機能ブロックを有す
る従来の半導体装置において、必ずしも最大動作速度で
動作させる必要のない機能ブロックは、上限の電源電圧
が供給されて最大動作速度で動作していたため、消費電
力が最大となり、半導体装置全体としての消費電力が増
大するといった不具合を招いていた。
【0005】そこで、この発明は、上記に鑑みてなされ
たものであり、その目的とするところは、機能ブロック
毎に最適な電源電圧を供給して、装置全体の低消費電力
化を達成した半導体装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、課題を解決する第1の手段は、動作電源電圧範囲内
で供給される電源電圧に応じて動作速度が変化する複数
の機能ブロックと、前記複数の機能ブロックのそれぞれ
に対応して設けられ、それぞれ対応した前記機能ブロッ
クの動作速度を検知する検知回路と、前記複数の機能ブ
ロックの内、2つの前記機能ブロックのそれぞれに対応
した前記検知回路が検知した動作速度を比較し、動作速
度の速い前記機能ブロックに電源電圧の降下を指示する
比較器と、前記複数の機能ブロックのそれぞれに対応し
て設けられ、前記比較器から与えられる電源電圧降下の
指示に基づいて、それぞれ対応した前記機能ブロックに
電源電圧を供給する電圧制御回路とを有することを特徴
とする。
【0007】第2の手段は、前記第1の手段において、
前記検知回路、前記比較器ならびに前記電圧制御回路
は、前記複数の機能ブロックに対して共通化されてなる
ことを特徴とする。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、図面を用いてこの発明の実
施形態を説明する。
【0009】図1はこの発明の一実施形態に係る半導体
装置の構成を示す図である。図1において、この発明の
半導体装置は、複数の機能ブロックとして6つの機能ブ
ロックA〜Fを有し、半導体装置内の各機能ブロックA
〜Fにおける動作速度(Fa〜Ff)を検知し、各機能
ブロックA〜F間での最低動作速度を持つ機能ブロック
A〜Fを選び出し、この選び出された最低動作速度を持
つ機能ブロックA〜Fと同等の動作速度にすべくその他
の機能ブロックA〜Fは、機能ブロックA〜F内の電源
電圧を低下されて動作速度を下げ、これにより、動作速
度により余裕のある機能ブロックA〜Fの電源電圧が下
げられるため、電源電圧を下げた機能ブロックA〜Fを
含む半導体装置の消費電力を減少させるようにしてい
る。
【0010】図1において、半導体装置は、6つの機能
ブロックA〜Fに加えて速度比較器1AB、1BC、1
CD、1DE、1EFを有し、各機能ブロックA〜F
は、それぞれ動作速度検知回路2A〜2Fならびに電圧
制御回路3A〜3Fを備えて構成されている。動作速度
検知回路2A〜2Fは、それぞれ対応する機能ブロック
A〜Fの動作速度を例えば内部クロック信号(CLK)
に基づいて検知し、検知した動作速度を対応する速度比
較器1AB、1BC、1CD、1DE、1EFに与え
る。電圧制御回路3A〜3Fは、対応する速度比較器1
AB、1BC、1CD、1DE、1EFから与えられる
指示に基づいてそれぞれ対応する機能ブロックA〜Fの
電源電圧を所定の電圧範囲において制御して供給する。
速度比較器1ABは、機能ブロックAの動作速度検知回
路2Aで検知された動作速度と機能ブロックBの動作速
度検知回路2Bで検知された動作速度を受けて、両動作
速度を比較し、動作速度が速い一方の機能ブロックA又
はBの動作速度を動作速度が遅い他方の機能ブロックA
又はBの動作速度に一致させるべく、動作速度の速い機
能ブロックA又はBの電圧制御回路3A又は3Bに電源
電圧降下の指示を与える。他の速度比較器1BC、1C
D、1DE、1EFにおいて、速度比較器1BCは機能
ブロックB、Cに対応し、速度比較器1CDは機能ブロ
ックC、Dに対応し、速度比較器1DEは機能ブロック
D、Eに対応し、速度比較器1EFは機能ブロックE、
Fに対応し、対応する機能ブロックB〜Fに対して上記
速度比較器1ABと同様に動作する。
【0011】このような構成において、電源投入時に
は、各機能ブロックA〜Fには半導体装置に共通の共通
電源電圧、例えば1.5Vが供給され、各機能ブロック
A〜Fはそれそれの機能ブロックA〜Fの回路形態に応
じた最大動作速度で動作する。各機能ブロックA〜Fの
動作速度はそれぞれ対応する動作速度検知回路2A〜2
Fにより検知され、検知された動作速度はそれぞれ対応
した速度比較器1AB、1BC、1CD、1DE、1E
Fで比較される。
【0012】例えば機能ブロックAの最大動作速度Fa
と機能ブロックBの最大動作速度Fbが速度比較器1A
Bで比較されてFa<Fbとすると、電源電圧降下の指
示が速度比較器1ABから機能ブロックBの電圧制御回
路3Bに与えられる。これにより、機能ブロックBの電
源電圧は電源制御回路3Bにより降下され、これにとも
なって機能ブロックBの動作速度も低下する。機能ブロ
ックBの低下した動作速度Fbは動作速度検知回路2B
により検知され、検知された動作速度Fbは速度比較器
1ABで機能ブロックAの動作速度Faと再び比較され
る。このような動作が、機能ブロックBの動作速度が機
能ブロックAの動作速度と同一になるまで繰り返し行わ
れる。すなわち、機能ブロックBの動作速度Fb=機能
ブロックAの動作速度Faとなるまで、機能ブロックB
の電源電圧が降下(例えば1.5Vから1.4Vに降
下)される。
【0013】次に、機能ブロックAと同等の動作速度に
なった機能ブロックBの動作速度Fbと機能ブロックC
の最大動作速度Fcが速度比較器1BCで比較されてF
b<Fcとすると、電源電圧降下の指示が速度比較器1
BCから機能ブロックCの電圧制御回路3Cに与えられ
る。これにより、機能ブロックCの電源電圧は電源制御
回路3Cにより降下され、これにともなって機能ブロッ
クCの動作速度も低下する。機能ブロックCの低下した
動作速度Fcは動作速度検知回路2Cにより検知され、
検知された動作速度Fcは速度比較器1BCで機能ブロ
ックBの動作速度Fbと再び比較される。このような動
作が、機能ブロックCの動作速度が機能ブロックBの動
作速度と同一になるまで繰り返し行われる。すなわち、
機能ブロックCの動作速度Fc=機能ブロックBの動作
速度Fbとなるまで、機能ブロックCの電源電圧が降下
(例えば1.5Vから1.45Vに降下)される。
【0014】次に、機能ブロックA、Bと同等の動作速
度になった機能ブロックCの動作速度Fcと機能ブロッ
クDの最大動作速度Fdが速度比較器1CDで比較され
てFc<Fdとすると、電源電圧降下の指示が速度比較
器1CDから機能ブロックDの電圧制御回路3Dに与え
られる。これにより、機能ブロックDの電源電圧は電源
制御回路3Dにより降下され、これにともなって機能ブ
ロックDの動作速度も低下する。機能ブロックDの低下
した動作速度Fdは動作速度検知回路2Dにより検知さ
れ、検知された動作速度Fdは速度比較器1CDで機能
ブロックCの動作速度Fcと再び比較される。このよう
な動作が、機能ブロックDの動作速度が機能ブロックC
の動作速度と同一になるまで繰り返し行われる。すなわ
ち、機能ブロックDの動作速度Fd=機能ブロックCの
動作速度Fcとなるまで、機能ブロックDの電源電圧が
降下(例えば1.5Vから1.1Vに降下)される。
【0015】次に、機能ブロックA、B、Cと同等の動
作速度になった機能ブロックDの動作速度Fdと機能ブ
ロックEの最大動作速度Feが速度比較器1DEで比較
されてFd<Feとすると、電源電圧降下の指示が速度
比較器1DEから機能ブロックEの電圧制御回路3Eに
与えられる。これにより、機能ブロックEの電源電圧は
電源制御回路3Eにより降下され、これにともなって機
能ブロックEの動作速度も低下する。機能ブロックEの
低下した動作速度Feは動作速度検知回路2Eにより検
知され、検知された動作速度Feは速度比較器1DEで
機能ブロックDの動作速度Fdと再び比較される。この
ような動作が、機能ブロックEの動作速度が機能ブロッ
クDの動作速度と同一になるまで繰り返し行われる。す
なわち、機能ブロックEの動作速度Fe=機能ブロック
Dの動作速度Fdとなるまで、機能ブロックEの電源電
圧が降下(例えば1.5Vから1.35Vに降下)され
る。
【0016】最後に、機能ブロックA、B、C、Dと同
等の動作速度になった機能ブロックEの動作速度Feと
機能ブロックFの最大動作速度Ffが速度比較器1EF
で比較されてFe<Ffとすると、電源電圧降下の指示
が速度比較器1EFから機能ブロックFの電圧制御回路
3Fに与えられる。これにより、機能ブロックFの電源
電圧は電源制御回路3Fにより降下され、これにともな
って機能ブロックFの動作速度も低下する。機能ブロッ
クFの低下した動作速度Ffは動作速度検知回路2Fに
より検知され、検知された動作速度Ffは速度比較器1
EFで機能ブロックEの動作速度Feと再び比較され
る。このような動作が、機能ブロックFの動作速度が機
能ブロックEの動作速度と同一になるまで繰り返し行わ
れる。すなわち、機能ブロックFの動作速度Ff=機能
ブロックEの動作速度Feとなるまで、機能ブロックF
の電源電圧が降下(例えば1.5Vから1.2Vに降
下)される。
【0017】この結果、すべての機能ブロックA〜F
は、その動作速度が機能ブロックA〜Fの最大動作速度
の内最も遅い機能ブロックAの最大動作速度に統一され
る。このような状態では、各機能ブロックB〜Fは、そ
の動作速度がそれぞれの機能ブロックB〜Fの最大動作
速度よりも遅い動作速度となり、共通電源電圧以下の電
源電圧で動作することになる。したがって、各機能ブロ
ックB〜Fは、共通電源電圧の供給を受けて最大動作速
度で動作している場合に比べて、消費電力を削減するこ
とが可能となる。
【0018】図2は図1に示す動作速度検知回路2A〜
2Fの一構成例を示す図である。図2において、動作速
度検知回路は、検知期間を示すSET信号に基づいてサ
ンプリングしたい期間の内部クロック信号(CLK)を
論理ゲート21、22により抽出し、抽出した信号T1
を対応する機能ブロックA〜F内でのワーストスピード
の遅延パス(Delay)23に入力し、遅延パス23
の出力信号をT2とする。信号T2は内部クロック信号
(CLK)およびその反転信号(CLKバー)にしたが
ってラッチゲート24により、内部クロック信号(CL
K)がハイレベルのときは信号T3へと伝播され、内部
クロック信号(CLK)がロウレベルのときは信号T3
の状態が保持される。信号T3は、内部クロック信号
(CLK)の反転信号との論理ゲート25、26による
AND(論理積)により、内部クロック信号(CLK)
に同期した速度検知信号(Vdown)として出力される。こ
のような速度検知信号(Vdown)は、遅延パス23の信号
伝播が内部クロック信号の半サイクルよりも短い場合に
はハイレベルとなり、一方長い場合にはロウレベルとな
る。
【0019】図3は図1に示す電圧制御回路3A〜3F
の一構成例を示す図であり、図4は図3に示す電圧制御
回路3A〜3Fのタイミングチャートである。図3に示
す電圧制御回路は、各機能ブロックA〜Fに共通に供給
される共通電源電圧VDD_INを、例えば(VDD−
0.1V)、(VDD−0.2V)、(VDD−0.3
V)の3段階に低下させて、内部供給電源電圧VDD_
OUTとして対応する機能ブロックA〜Fに供給する。
図3において、図2に示す動作速度検知回路で得られた
速度検知信号(Vdown)は4サイクル分がラッチ回路3
1によりラッチされ、ラッチされた4サイクル分の速度
検知信号(4ビット)はデコード回路32に与えられて
16のデコード出力にデコードされて出力される。それ
ぞれのデコード出力の一部は、対応する論理和ゲート3
3を介して対応するラッチ回路34でラッチされ,ラッ
チされたデコード出力は対応する転送制御ゲート35を
介して電圧制御信号T5、T7、T9、T10として対
応するスイッチS1〜S4に与えられるとともに、保持
回路36により保持される。電圧制御のリセット信号と
なるVreset (=1)信号ならびにデコード回路32の
出力(デコード入力=0010)T4では、電圧制御信号T
5がハイレベルとなりスイッチS1がオン状態となり、
デコード回路32の出力(デコード入力=0001,0110)
T6では、電圧制御信号T7がハイレベルとなりスイッ
チS2がオン状態となり、デコード回路32の出力(デ
コード入力=0011,1110)T8では、電圧制御信号T9
がハイレベルとなりスイッチS3がオン状態となり、デ
コード回路32の出力(デコード入力=0111)T10で
は、電圧制御信号T11がハイレベルとなりスイッチS
4がオン状態となる。
【0020】スイッチS1がオン状態になると、共通電
源電圧VDD_INがスイッチS1を介してVDD_O
UTとなり、スイッチS2がオン状態になると、共通電
源電圧VDD_INが抵抗R1により(VDD−0.1
V)に降下されて(VDD−0.1V)の電圧がスイッ
チS2を介して内部供給電源電圧VDD_OUTとな
り、スイッチS3がオン状態になると、共通電源電圧V
DD_INが2つの抵抗R1により(VDD−0.2
V)に降下されて(VDD−0.2V)の電圧がスイッ
チS3を介して内部供給電源電圧VDD_OUTとな
り、スイッチS4がオン状態になると、共通電源電圧V
DD_INが3つの抵抗R1により(VDD−0.3
V)に降下されて(VDD−0.3V)の電圧がスイッ
チS4を介して内部供給電源電圧VDD_OUTとな
る。一方、スイッチS1、S2、S3、S4のいずれか
がオン状態でない場合には、転送制御ゲート35はオフ
して電圧制御信号T5、T7、T9、T11は保持回路
36によって保持されスイッチS1〜S4の状態は保持
される。なお、図3の構成では、共通電源電圧VDD_
INの降下は抵抗による分圧方式を用いているが、スイ
ッチS1〜S4により抵抗値を可変するようにしてもよ
い。
【0021】このような構成において、図2に示す遅延
パス23の入力となる信号T1と出力となる信号T2の
関係が例えば図4に示すような場合の動作について図4
を参照して説明する。図4において、第1のステップと
して、信号T2が内部クロック信号(CLK)の立下り
に間に合っているため、速度検知信号(Vdown)がハイ
レベルとなり、デコード出力は(0001)がハイレベルと
なるためスイッチS1がオフ状態、スイッチS2がオン
状態となり、内部供給電源電圧VDD_OUTは共通電
源電圧VDD_INが1段階降下して(VDD−0.1
V)となる。次の第2のステップでは、電源電圧降下後
でも信号T2が内部クロック信号(CLK)の立下りに
間に合っているため、速度検知信号(Vdown)がハイレ
ベルとなり、デコード出力は(0011)がハイレベルとな
るためスイッチS2がオフ状態、スイッチS3がオン状
態となり、内部供給電源電圧VDD_OUTは共通電源
電圧VDD_INが更にもう1段階降下して(VDD−
0.2V)となる。次の第3のステップでは、電源電圧
降下後でも信号T2が内部クロック信号(CLK)の立
下りに間に合っているため、速度検知信号(Vdown)が
ハイレベルとなり、デコード出力は(0111)がハイレベ
ルとなるためスイッチS3がオフ状態、スイッチS4が
オン状態となり、内部供給電源電圧VDD_OUTは共
通電源電圧VDD_INが更にもう1段階降下して(V
DD−0.3V)となる。次の第4のステップでは、電
源電圧降下後に信号T2が内部クロック信号(CLK)
の立下りに間に合わなくなり、速度検知信号(Vdown)
がロウレベルとなり、デコード出力は(1110)ハイレベ
ルとなるためスイッチS4がオフ状態、スイッチS3が
オン状態となり、内部供給電源電圧VDD_OUTは1
段階上昇して(VDD−0.2V)となる。速度検知の
サンプリング期間は内部クロック信号(CLK)を4サ
イクルとしているため、以降は、速度検知信号(Vdow
n)は、ロウレベルの固定となり、デコード出力は、(1
100,1000,0000)が順次ハイレベルとなり、転送制御
ゲート35がオフ状態となり、保持回路36によりそれ
までの電圧制御信号S5、S7、S9、S11が保持さ
れる。
【0022】なお、上記実施形態の説明では、共通電源
電圧での最大動作速度が最も遅い機能ブロックを機能ブ
ロックAとしたが、勿論他の機能ブロックB〜Fであっ
ても同様の効果を得ることができる。
【0023】また、図1に示す構成では、動作速度検知
回路2A〜2Fならびに電圧制御回路3A〜3Fは各機
能ブロックA〜F内に設けられ、速度比較器1AB、1
BC、1CD、1DE、1EFは、隣接する2つの機能
ブロックA〜Fにそれぞれ対応して設けられているが、
動作速度検知回路2A〜2F、電圧制御回路3A〜3F
ならびに速度比較器1AB、1BC、1CD、1DE、
1EFを各機能ブロックA〜Fに対してそれぞれ共通化
するようにしてもよい。この場合には、図1に示す実施
形態に比べて構成の小型化が図られる。一方、図1に示
す構成では、動作速度検知回路、電圧制御回路ならびに
速度比較器を各機能ブロックA〜Fに対してそれぞれ共
通化する構成に比べて、動作速度検知回路2A〜2F、
電圧制御回路3A〜3Fならびに速度比較器1AB、1
BC、1CD、1DE、1EFは機能ブロックA〜F内
や隣接して配置されるので、配線等の引き回しが最小と
なり、動作速度の点で有利となる。
【0024】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、装置内のすべての機能ブロックの電源電圧を、最低
動作速度の任意の機能ブロックと同等の動作速度で動作
する電源電圧に降下させることにより、すべての機能ブ
ロックを共通の電源電圧で動作させる場合に比べて消費
電力の低減を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施形態に係る半導体装置の構成
を示す図である。
【図2】動作速度検知回路の構成を示す図である。
【図3】電圧制御回路の構成を示す図である。
【図4】図3に示す電圧制御回路のタイミングチャート
を示す図である。
【符号の説明】
A〜F 機能ブロック 1AB、1BC、1CD、1DE、1EF 速度比較器 2A〜2F 動作速度検知回路 3A〜3F 電圧制御回路 21、22、25、26、33 論理ゲート 23 遅延パス 24 ラッチゲート 31、34 ラッチ回路 32 デコード回路 35 転送制御ゲート 36 保持回路 S1〜S4 スイッチ R1 抵抗
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野中 聡 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝マイクロエレクトロニクスセン ター内 Fターム(参考) 5B011 DB04 EA09 LL02 5F038 CD06 CD09 DF06 DF08 DF14 5J055 AX12 AX59 BX09 BX12 BX16 CX23 CX24 DX43 DX44 EX37 EZ10 EZ50 EZ56 FX17 FX21 FX38 GX01 GX02 5J056 AA05 BB17 CC04 DD00 FF01 FF07 GG08 GG14 KK01

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 動作電源電圧範囲内で供給される電源電
    圧に応じて動作速度が変化する複数の機能ブロックと、 前記複数の機能ブロックのそれぞれに対応して設けら
    れ、それぞれ対応した前記機能ブロックの動作速度を検
    知する検知回路と、 前記複数の機能ブロックの内、2つの前記機能ブロック
    のそれぞれに対応した前記検知回路が検知した動作速度
    を比較し、動作速度の速い前記機能ブロックに電源電圧
    の降下を指示する比較器と、 前記複数の機能ブロックのそれぞれに対応して設けら
    れ、前記比較器から与えられる電源電圧降下の指示に基
    づいて、それぞれ対応した前記機能ブロックに電源電圧
    を供給する電圧制御回路とを有することを特徴とする半
    導体装置。
  2. 【請求項2】 前記検知回路、前記比較器ならびに前記
    電圧制御回路は、前記複数の機能ブロックに対して共通
    化されてなることを特徴とする請求項1記載の半導体装
    置。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2005235223A (ja) * 2004-02-20 2005-09-02 Samsung Electronics Co Ltd ダイナミック電圧スケーリングによる低消費電力集積回路装置
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