JP2003195992A - 回路装置 - Google Patents
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Abstract
ることが可能な回路装置を提供する。 【解決手段】 複数の配線131〜13nからなるバス
と、データ信号を入力して配線に出力する複数の駆動回
路121〜12n及び141〜14nとを備え、駆動回路
は、入力データ信号の論理状態の遷移方向に応じて出力
データ信号の出力タイミングに時間差が生じるように構
成されている。
Description
スを駆動する回路を有するCMOSLSIの配線の低電
力化に関するものである。
進歩しており、大規模で高速な集積回路(VLSI)が
実現可能となっている。市場からのVLSIに対する要
求は、従来は「小面積」及び「高性能」という点におか
れていたが、現在では「低消費電力」という点が重要に
なりつつある。
プロセスパラメータが比例縮小されたとき、集積回路内
の大域配線部分とその他の論理回路部分との消費電力を
比較すると、配線部分の消費電力が論理回路部分の消費
電力を上回ることとなる。バスは、集積回路内の大域配
線が集合したものであるため、将来的にバスの消費電力
がチップ全体に占める比率が増大することは明らかであ
り、VLSIの低消費電力化のためにはバスの消費電力
を低減させることが非常に重要であると考えられてい
る。
いった多数の配線が並行に近接して配置されたものであ
り、長距離配線として用いられることが多い。近年の微
細プロセスでは、隣接配線間の静電容量が対地容量の数
十倍程度になっており、配線間容量が支配的となってい
る。
に逆方法に同時に遷移した場合、すなわち一方の論理値
が“0”から“1”に、他方が“1”から“0”に同時
に移行した場合を考えると、配線間容量の電位が逆転す
ることから、容量が2倍相当に見えることが知られてい
る。この容量の増加により、信号遅延が増加するばかり
でなく、消費電力も増加することになる。
ction technique considering crosstalk (Kyushu Uni
v.), Design Automation and Test in Europe (DATE) 2
000)には、遅延インバータによってバスクロックのタ
イミングを意図的に遅延させるよう構成されたバスドラ
イバを配線1本おきに設けるという提案がなされてい
る。これにより、バスドライバのタイミングが1本おき
にずれることから、隣接する配線どうしの信号が同時に
逆方向に遷移することを防止可能である。しかしなが
ら、この方法では、予め設計段階で各配線を特定し、配
線の順序を考慮して適切な設計をしなければならず、設
計負担が大きくなる。
報)には、IC間のバスデータ転送において、クロック
の1周期内で各配線のデータ信号を少しずつ遅延させる
ことでクロストークを防止するという提案がなされてい
る。しかしながら、この方法では、1クロック周期内で
各信号を遅延させるため、遅延時間のオーバーヘッドが
大きくなり、バスの配線数が多い(データ幅が大きい)
場合やクロック周期が短い場合には適用が困難である。
配線の電位の遷移方向が逆方向であっても同方向であっ
ても、遷移タイミングに同様のずれが生じる。そのた
め、逆方向遷移の場合には低消費電力化が可能であって
も、同方向遷移の場合には逆に消費電力が増大するとい
う問題がある。
におけるバスでの低消費電力化、特に隣接する配線間に
おける信号の逆方向遷移に伴う低消費電力化が要求され
ているが、従来の方法では、設計段階の負担が大きくな
るといった問題、バスの配線数が多い場合に適用が困難
になるといった問題、さらには同方向遷移の場合には消
費電力が増大するといった問題があった。
且つ的確にバスでの低消費電力化をはかることが可能な
回路装置を提供することを目的としている。
は、複数の配線からなるバスと、データ信号を入力して
前記配線に出力する複数の駆動回路とを備え、前記駆動
回路は、入力データ信号の論理状態の遷移方向に応じて
出力データ信号の出力タイミングに時間差が生じるよう
に構成されていることを特徴とする。
参照して説明する。
た図である。
れデータ信号D1〜Dnが入力しており、共通のクロック
信号CLKによってデータ信号D1〜Dnがラッチされ
る。ラッチ回路111〜11nの出力にはそれぞれ駆動回
路(バスドライバ)121〜12nが接続されており、駆
動回路121〜12nからは配線131〜13nからなるバ
スにデータが出力される。これらの配線131〜13
nは、並行に且つ近接して配置されており、隣接する配
線間には寄生容量15が存在している。また、配線13
1〜13nの途中には、必要に応じて駆動回路(バスリピ
ータ)141〜14nが設けられている。
4nを構成する各バッファは、入力データ信号の論理状
態の遷移方向に応じて、すなわち入力信号の論理値がハ
イ(H)からロウ(L)に立ち下がる場合とロウ(L)
からハイ(H)に立ち上がる場合とで、出力データ信号
の出力タイミングに時間差が生じるように構成されてい
る。なお、これらのバッファは、入力データ信号の論理
値を反転させて出力するタイプのものであってもよい
し、入力データ信号の論理値をそのまま出力するタイプ
のものであってもよい。
バッファの入力データ信号(a)と出力データ信号
(b)との関係の一例を示したものである。図の例で
は、入力データ信号が立ち上がる場合よりも立ち下がる
場合の方が出力タイミングが時間差tdだけ遅れている
が、逆に入力データ信号が立ち下がる場合よりも立ち上
がる場合の方が出力タイミングが時間差tdだけ遅れる
ようにしてもよい。時間差tdは、論理状態の遷移時間
(論理値がハイからロウ或いはロウからハイに遷移する
時間)よりも長いことが望ましい。なお、論理状態の遷
移時間は、図2(b)に示すように、電圧振幅(ハイレ
ベル電圧とロウレベル電圧との差)の10%から90%
或いは90%から10%に電圧が変化する時間を指すも
のとする。
データ信号の論理状態の遷移方向に応じて、出力データ
信号の出力タイミングに時間差が生じるため、隣接する
配線の電位が互いに逆方向となっている期間、すなわち
配線間容量(寄生容量)が増大して見える期間を短くす
ることができ、消費電力を低減することが可能となる。
特に、出力タイミングの時間差tdを論理状態の遷移時
間よりも長くすることで、隣接する配線の電位が互いに
逆方向となっている期間を実質的にゼロにすることがで
き、上述した効果をより確実に奏することができる。ま
た、時間差tdを最適化することで、信号の遅延時間を
最小限に抑えることができ、高速化を維持することが可
能となる。
遷移方向に応じて自動的に出力タイミングに時間差が生
じることになる。そのため、従来のように予め設計段階
で配線の順序等を考慮する必要がなく、設計負担を軽減
することが可能となる。また、従来のように各データ信
号を順次遅延させるわけではないので、バスの配線数が
多い場合等であっても容易に適用可能である。
において論理状態の遷移が逆方向となる場合においての
み時間差が生じ、遷移が同方向となる場合には時間差は
生じない。従来技術で説明した方法では、逆方向遷移で
あっても同方向遷移であっても遷移タイミングに同様の
ずれが生じるため、同方向遷移において消費電力が増大
するおそれがあったが、上述した構成ではこのような問
題を回避することが可能となる。
等の観点からも消費電力を低減させることが可能であ
る。すなわち、従来の集積回路では、配線間容量の影響
を受けないような信号パターンに変換するために、余分
な論理回路を付加したりデータ送出周期を速くしたりす
る必要があったが、上述した構成ではそのような構成を
採用する必要がなく、消費電力を低減させることができ
る。
141〜14nを構成する各バッファの構成例を説明す
る。
プラス電源側(プルアップ側)に接続された回路とマイ
ナス電源側(プルダウン側、接地側)に接続された回路
とからなり、プラス電源側回路とマイナス電源側回路と
で駆動能力を互いに異ならせることで、出力タイミング
に時間差が生じるように構成されている。また、いずれ
も相補型MIS(MOS)構造を基本構成としている。
ンジスタ21及び23がそれぞれ1段目及び2段目のプ
ラス電源側回路を構成し、N型MOSトランジスタ22
及び24がそれぞれ1段目及び2段目のマイナス電源側
回路を構成しており、1段目ではN型MOSトランジス
タ22の駆動能力をP型MOSトランジスタ21の駆動
能力よりも大きくし、2段目ではP型MOSトランジス
タ23の駆動能力をN型MOSトランジスタ24の駆動
能力よりも大きくしている。
目及び2段目それぞれにおいて、ゲート幅とゲート長の
比をP型MOSトランジスタとN型MOSトランジスタ
とで異ならせるようにすればよい。具体的には、1段目
では、N型MOSトランジスタ22のゲート幅をP型M
OSトランジスタ21のゲート幅よりも長く、或いはN
型MOSトランジスタ22のゲート長をP型MOSトラ
ンジスタ21のゲート長よりも短くし、2段目では、P
型MOSトランジスタ23のゲート幅をN型MOSトラ
ンジスタ24のゲート幅よりも長く、或いはP型MOS
トランジスタ23のゲート長をN型MOSトランジスタ
24のゲート長よりも短くすればよい。
MOSトランジスタ31a及び31bがプラス電源側回
路を、N型MOSトランジスタ32がマイナス電源側回
路を構成し、2段目ではP型MOSトランジスタ33が
プラス電源側回路を、N型MOSトランジスタ34a及
び34bがマイナス電源側回路を構成しており、1段目
ではマイナス電源側回路の駆動能力をプラス電源側回路
の駆動能力よりも大きくし、2段目ではプラス電源側回
路の駆動能力をマイナス電源側回路の駆動能力よりも大
きくしている。
MOSトランジスタ41がプラス電源側回路を、N型M
OSトランジスタ42a及び42bがマイナス電源側回
路を構成し、2段目ではP型MOSトランジスタ43a
及び43bがプラス電源側回路を、N型MOSトランジ
スタ44がマイナス電源側回路を構成しており、1段目
ではマイナス電源側回路の駆動能力をプラス電源側回路
の駆動能力よりも大きくし、2段目ではプラス電源側回
路の駆動能力をマイナス電源側回路の駆動能力よりも大
きくしている。
MOSトランジスタ51及び電流制限回路53がプラス
電源側回路を、N型MOSトランジスタ52がマイナス
電源側回路を構成し、2段目ではP型MOSトランジス
タ54がプラス電源側回路を、N型MOSトランジスタ
55及び電流制限回路56がマイナス電源側回路を構成
しており、1段目ではマイナス電源側回路の駆動能力を
プラス電源側回路の駆動能力よりも大きくし、2段目で
はプラス電源側回路の駆動能力をマイナス電源側回路の
駆動能力よりも大きくしている。
構成例を示したものである。図7(a)はP型MOSト
ランジスタ53aのゲートとドレインを共通接続した
例、図7(b)はP型MOSトランジスタ53bのゲー
トを接地した例、図7(c)はP型MOSトランジスタ
53cのゲートに所定の電位を与えた例であり、これら
の構成によって電流制限回路が得られる。
構成例を示したものである。図8(a)はN型MOSト
ランジスタ56aのゲートとドレインを共通接続した
例、図8(b)はN型MOSトランジスタ56bのゲー
トをプラス電源に接続した例、図8(c)はN型MOS
トランジスタ56cのゲートに所定の電位を与えた例で
あり、これらの構成によって電流制限回路が得られる。
の段数をさらに増やしてバッファを構成するようにして
もよい。また、図3〜図6の回路構成手法を適宜組み合
わせることで、プラス電源側回路の駆動能力とマイナス
電源側回路の駆動能力とを異ならせるようにしてもよ
い。
も、1段目ではマイナス電源側回路の駆動能力をプラス
電源側回路の駆動能力よりも大きく、2段目ではプラス
電源側回路の駆動能力をマイナス電源側回路の駆動能力
よりも大きくすることで、信号の立ち下がりの方が立ち
上がりよりも出力タイミングが遅れるようにしたが、P
型MOSトランジスタとN型MOSトランジスタの関係
を逆にすることで、1段目ではプラス電源側回路の駆動
能力をマイナス電源側回路の駆動能力よりも大きく、2
段目ではマイナス電源側回路の駆動能力をプラス電源側
回路の駆動能力よりも大きくして、信号の立ち上がりの
方が立ち下がりよりも出力タイミングが遅れるようにす
ることも可能である。
る低消費電力化の効果を定量的に示したものである。こ
れは、互いに隣接する2本の配線(配線A、配線B)の
各遷移状態において、それらの配線を駆動する駆動回路
(バスドライバ)に電源から流入する電荷量を示したも
のである。配線間容量をCc、対地容量をCo、電圧振幅
をVとして示している。
本の配線の一方がハイ(H)からロウ(L)、他方がロ
ウ(L)からハイ(H)というように互いに逆方向に遷
移する場合には、本方式では電源から流入する電荷量が
従来技術に比べてCcVだけ減少し、1箇所につき(1/2)
CcV2の電力を低減することができる。
式における流入電荷量との比を考えると、上記逆方向遷
移の場合は、 (Cc+Co)/(2Cc+Co) となる。また、図9に示した各遷移が同じ確率で起こる
と仮定した場合、流入電荷量の比は、 (3Cc+4Co)/(4Cc+4Co) となる。
ることから、逆方向遷移については50%程度、平均で
も23%程度の電力削減が可能である。
及び141〜14nを構成する各バッファの他の構成例に
ついて説明する。
(MOS)構造を基本構成としたトライステートバッフ
ァで、プラス電源側(プルアップ側)に接続された回路
とマイナス電源側(プルダウン側、接地側)に接続され
た回路とからなり、プラス電源側回路とマイナス電源側
回路とで能動状態に移行するタイミングを互いに異なら
せることで、出力タイミングに時間差が生じるように構
成されている。
及び62がプラス電源側回路を構成し、N型MOSトラ
ンジスタ63及び64がマイナス電源側回路を構成して
いる。P型MOSトランジスタ61及びN型MOSトラ
ンジスタ64にはデータ信号Dが入力しており、また、
N型MOSトランジスタ63にはクロック信号CLKが
入力し、P型MOSトランジスタ62にはクロック信号
CLKを反転したクロック信号/CLKが遅延回路65
を介して入力している。クロック信号CLKはデータ信
号Dが確定した後に入力する(立ち上がる)ようになっ
ており、クロック信号が入力することでデータ信号がバ
スを構成する配線に出力される。
がロウ(L)からハイ(H)に立ち上がる場合には、ク
ロック信号CLKの立ち上がりタイミングに同期して、
N型MOSトランジスタ63及び64からなるマイナス
電源側回路が導通状態(能動状態)となり、出力データ
信号がハイ(H)からロウ(L)に立ち下がる。一方、
入力データ信号Dがハイ(H)からロウ(L)に立ち下
がる場合には、反転クロック信号/CLKの立ち下がり
タイミングに同期して、P型MOSトランジスタ61及
び62からなるプラス電源側回路が導通状態(能動状
態)となり、出力データ信号がロウ(L)からハイ
(H)に立ち上がる。遅延回路65により、P型MOS
トランジスタ62に入力する反転クロック信号/CLK
の立ち下がりタイミングは、N型MOSトランジスタ6
3に入力するクロック信号CLKの立ち上がりタイミン
グよりも所定期間遅れるため、入力データ信号が立ち下
がる場合の方が立ち上がる場合よりもデータ信号の出力
タイミングが遅れる(時間差td遅れる)ことになる。
スタ62の入力側に遅延回路65を設けるようにした
が、N型MOSトランジスタ63の入力側に遅延回路6
5を設け、P型MOSトランジスタ62に反転クロック
信号/CLKを、N型MOSトランジスタ63に遅延し
たクロック信号CLKを入力するようにしてもよい。こ
の場合には、入力データ信号が立ち上がる場合の方が立
ち下がる場合よりもデータ信号の出力タイミングが遅れ
ることになる。
1本毎に遅延回路65を設けるようにしたが、図11に
示すように、複数の配線(複数のバッファ)で遅延回路
65を共有するようにしてもよい。
の直列接続構成を避けたい場合には、図12に示したよ
うな構成を用いても図10に示した回路と同様の機能を
達成することができる。図12の例では、P型MOSト
ランジスタ71の入力側に所定の論理機能を有する論理
回路73aを、N型MOSトランジスタ72の入力側に
所定の論理機能を有する論理回路73bを設けている。
また、論理回路73aと論理回路73bとでは、データ
信号Dの立ち上がりと立ち下がりとで遅延時間(出力タ
イミング)が異なっており、論理回路73a及び73b
を設けることで、図12に示した回路全体の入出力関係
が図10に示した回路全体の入出力関係と同等になるよ
うにしている。
発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣
旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施するこ
とが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階
の発明が含まれており、開示された構成要件を適宜組み
合わせることによって種々の発明が抽出され得る。例え
ば、開示された構成要件からいくつかの構成要件が削除
されても、所定の効果が得られるものであれば発明とし
て抽出され得る。
状態の遷移方向に応じて出力データ信号の出力タイミン
グに時間差を生じさせることにより、バスでの低消費電
力化を容易且つ的確にはかることが可能となる。
と出力データ信号との関係の一例を示した図。
構成の一例を示した図。
構成の他の例を示した図。
構成の他の例を示した図。
構成の他の例を示した図。
た図。
した図。
化の効果を示した図。
図。
るための図。
た図。
3b、51、54、53a〜53c、61、62、71
…P型MOSトランジスタ 22、24、32、34a、34b、42a、42b、
44、52、55、56a〜56c、63、64、72
…N型MOSトランジスタ 53、56…電流制限回路 65…遅延回路 73a、73b…論理回路
Claims (4)
- 【請求項1】複数の配線からなるバスと、 データ信号を入力して前記配線に出力する複数の駆動回
路とを備え、 前記駆動回路は、入力データ信号の論理状態の遷移方向
に応じて出力データ信号の出力タイミングに時間差が生
じるように構成されていることを特徴とする回路装置。 - 【請求項2】前記駆動回路は、第1の電源側に接続され
た第1の回路部と、第1の電源よりも低電圧の第2の電
源側に接続された第2の回路部とを有し、第1の回路部
と第2の回路部の駆動能力を互いに異ならせることで、
前記出力タイミングに時間差が生じるように構成されて
いることを特徴とする請求項1に記載の回路装置。 - 【請求項3】前記駆動回路は、第1の電源側に接続され
た第1の回路部と、第1の電源よりも低電圧の第2の電
源側に接続された第2の回路部とを有し、第1の回路部
と第2の回路部の能動状態に移行するタイミングを互い
に異ならせることで、前記出力タイミングに時間差が生
じるように構成されていることを特徴とする請求項1に
記載の回路装置。 - 【請求項4】前記時間差は、前記出力データ信号の論理
状態の遷移時間よりも長いことを特徴とする請求項1乃
至3のいずれかに記載の回路装置。
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