JP2003249563A - 半導体集積回路 - Google Patents
半導体集積回路Info
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Abstract
い半導体集積回路を提供することを目的とする。 【解決手段】 クリティカルパス上のゲート回路をタイ
ミング解析によって区分し、複数のしきい値電圧の低い
トランジスタとしきい値電圧の高いトランジスタとを組
み合わせたMTゲートセルにおいて、同時または近いタ
イミングで出力電圧が遷移しないMTゲートセル同士の
しきい値電圧の高いトランジスタ(スイッチ部)を共通
化する。
Description
スタを組み合わせて構成される半導体集積回路に関し、
特に消費電力の低減と信号伝送速度の向上を図る技術に
関する。
y Metal Oxide Semiconduct
or)論理回路の高速化を図るためには、しきい値電圧
の低いトランジスタで回路構成をする必要がある。とこ
ろが、トランジスタのしきい値電圧が低くなるほど、ス
タンバイ時のリーク電流が増大するという問題がある。
この問題を回避するために、回路の高速動作とスタンバ
イ時の低リーク電流を同時に達成できるMT(Mult
iple Thresholdvoltage)−CM
OS回路が提案されている。
である。図9の回路は、仮想電源線VDD1と仮想接地
線VSS1との間に接続され、しきい値電圧の低い複数
のトランジスタで構成されたLow−Vthブロック1
00と、仮想電源線VDD1と電源線VDDとの間に接
続されたしきい値電圧の高いトランジスタQ1と、仮想
接地線VSS1と接地線VSSとの間に接続され、しき
い値電圧の高いトランジスタQ2とを備えている。
ンジスタQ1,Q2がいずれもオンし、Low−Vth
ブロック100に電源電圧が供給される。Low−Vt
hブロック100はしきい値電圧の低いトランジスタで
構成されているため、高速に動作する。
1,Q2がいずれもオフし、電源線VDDから接地線V
SSにいたるリークパスが遮断され、リーク電流が少な
くなる。
では、動作時に電源線VDDから仮想電源線VDD1に
供給する電流量や、仮想接地線VSS1から接地線VS
Sへ流れ出す電流量が、しきい値電圧の高いトランジス
タQ1,Q2のオン抵抗で決まってしまう。そのため、
高速動作を達成するためには上記オン抵抗を低くしなけ
ればならないが、そのためにはしきい値電圧の高いトラ
ンジスタQ1,Q2のゲート幅を大きくする必要があ
り、チップ面積の増大を引き起こす。
えた高速動作可能で、リーク電流の少ない半導体集積回
路を提供するを目的とする。
めに本発明は、トランジスタの組み合わせで構成され、
それぞれ第1の仮想電源線および第2の仮想電源線を有
する複数の単一論理回路と、第1の基準電圧線と複数の
単一論理回路の各々の第1の仮想電源線との間に介在
し、単一論理回路を構成するトランジスタよりもしきい
値電圧の高いトランジスタからなる第1の共通スイッチ
部と、第2の基準電圧線と複数の単一論理回路の各々の
第2の仮想電源線との間に介在し、単一論理回路を構成
するトランジスタよりもしきい値電圧の高いトランジス
タからなる第2の共通スイッチ部とを具備し、少なくと
も単一論理回路が動作時は、第1および第2の共通スイ
ッチ部はオンされ、単一論理回路が全てスタンバイ時
は、第1および第2の共通スイッチ部はオフされるよう
制御されることを特徴とする半導体集積回路を提供す
る。
ごとにスイッチ部を設ける必要がなく、1つのスイッチ
部を複数の単一論理回路に共通化することができる。比
較的面積の大きなスイッチ部を減らすことができるの
で、チップ面積の増大を防ぐことができる。
ついて、図面を参照しながら具体的に説明する。本発明
の実施形態の半導体集積回路内の大半のゲート回路をし
きい値電圧の高いトランジスタで構成し、一部のゲート
回路のみをしきい値電圧の高いトランジスタと低いトラ
ンジスタとを組み合わせて構成したSMT(Selec
tive Multiple Threshold v
oltage)−CMOS回路方式を採用して、信号伝
送速度の高速化と消費電力の低減を図るものである。以
下では、しきい値電圧の高いトランジスタ(スイッチ
部)と低いトランジスタを組み合わせて構成されるゲー
ト回路をMTゲートセルと呼ぶ。
態について図1〜図4を用いて説明する。図1の回路
は、クリティカルパス上のゲート回路1の一部をしきい
値電圧の低いトランジスタとしきい値電圧の高いトラン
ジスタ(スイッチ部)とを組み合せたゲートセル、すな
わちMTゲートセルで構成し、それ以外のゲート回路
は、しきい値電圧の高いトランジスタで構成している。
トセル2を斜線で示している。この斜線で表したMTゲ
ートセル2は、しきい値電圧の低いトランジスタからな
るゲートセル(単一論理回路)にしきい値電圧の高いト
ランジスタ(スイッチ部)によって電源電圧を供給する
か否かを切り替える制御回路3が設けられている。すな
わち、この制御回路3はMTゲートセル内の電源供給切
替え用のトランジスタのオン・オフを制御する。
ト回路1をMTゲートセル2で構成しているため、クリ
ティカルパス上の信号伝送速度を高速化することができ
る。一方、それ以外の回路は、しきい値電圧の高いトラ
ンジスタで構成しているため、動作時のリーク電流を制
御することができる。
トセル2の具体例を図2に示す。図2の回路は、仮想電
源線VDD1と仮想接地線VSS1を有したしきい値電
圧の低いトランジスタで構成されたNAND回路4と、
NAND回路4に電源電圧を供給するか否かを切替える
トランジスタQ1,Q2とを備えている。このトランジ
スタQ1は電源線VDDと仮想電源線VDD1との間に
介在され、トランジスタQ2は接地線VSSと仮想接地
線VSS1との間に介在されたしきい値電圧の高いトラ
ンジスタ(スイッチ部)である。
2がオンすると、NAND回路4に電源電圧が供給さ
れ、このNAND回路4は低いしきい値で動作すること
ができるので高速に動作する。一方、トランジスタQ
1,Q2がオフすると、NAND回路4のリーク・パス
が遮断され、リーク電流を低減することができる。な
お、MTゲートセルは図2で説明したNAND回路に限
らず、他の各種単一論理回路にも適用することができ
る。
パス上にMTゲートセルと標準セルが混在している回路
図を示す一例である。フリップフロップ6間に複数のゲ
ートセル(単一論理回路)を直列に接続されている。斜
線を施したゲートセル(単一論理回路)5aは仮想電源
線VDD1および仮想接地線VSS1を有したしきい値
電圧の低いトランジスタから構成されているゲートセル
(単一論理回路)を表し、その他のゲートセル5bはし
きい値電圧の高いトランジスタで構成されている。
れたセルM1、M3の各々の仮想電源線VDD1と電源
線VDDとの間、各々の仮想接地線VSS1と接地線V
SSとの間に共通のしきい値電圧の高いトランジスタ
(スイッチ部)7a,7bを介在する。また、しきい値
電圧の低いトランジスタで構成されたセルM2、M4の
各々の仮想電源線VDD1と仮想接地線VSS1も同様
にそれぞれ共通のしきい値電圧の高いトランジスタ(ス
イッチ部)8a,8bが介在し、電源線VDDと接地線
VSSと接続される。これらのセルM1とセルM3また
はセルM2とセルM4は互いに異なるタイミングで出力
電圧が遷移するセル同士の組み合わせである。互いに異
なるタイミングとは、同時または近いタイミングで出力
電圧が遷移することがないセルの相関関係をいう。
あり、インバータ回路が直列に接続されている。図4
(b)は図4(a)の回路の出力電圧または電源から接
地へ流れる貫通電流の時間変化を示した図である。出力
電圧が遷移している時または貫通電流が流れている時が
そのセルが遷移状態であることを示し、出力電圧が一定
または貫通電流がほぼゼロの場合はそのセルが定常状態
を示している。
セルM18に順次出力電圧が遷移または貫通電流が流れ
ている。すなわち左のセルM11から右のセルM18に
順次遷移状態が移動していることがわかる。
ミング中にセルM12も遷移状態であり、このセルM1
1とセルM12は同時に遷移状態にあるという。また、
セルM11の出力電圧が遷移しているタイミング中はセ
ルM13は遷移状態ではないが、セルM11の遷移状態
から定常状態に移行するとほぼ同時にセルM13が遷移
状態となっている。このセルM11とセルM13を近い
タイミングで遷移状態にあるという。
遷移状態の関係にあるセル同士のスイッチ部を共通化す
る必要がある。例えば、セルM11とセルM15のよう
にセルM11の出力電圧が遷移しているタイミング中は
必ずセルM15は定常状態であり、逆にセルM15の出
力電圧が遷移しているタイミング中は必ずセルM11は
定常状態である。
よって、セルM11,M12を第1区間、セルM13,
M14を第2区間、セルM15,M16を第3区間、セ
ルM17,M18を第4区間とに区分することができ
る。第1区間のセルと第3区間のセル同士または第2区
間のセルと第4区間のセル同士のしきい値電圧の高いト
ランジスタ(スイッチ部)を共通化させることができ
る。なお、第1区間セルと第4区間のセル同士のしきい
値電圧の高いトランジスタ(スイッチ部)を共通化でき
ることは当然である。
つのセルに供給する電源を共通化した1つのトランジス
タを介すると、セルの仮想電源線VDD1の電位がセル
の出力電圧の遷移によって変動して、一意に決まらな
い。これに対し、異なるタイミングで出力電圧が遷移す
る2つのセル同士では、一方のセルの出力電圧が遷移す
るときは必ず他方のセルの出力電圧は遷移されることは
ない。したがって、電源は必ず1つのセルにしか供給さ
れることはなく、セルの仮想電源線VDD1の電位は一
意に決めることができる。
1対のしきい値電圧の高いトランジスタを電源供給の共
通スイッチとして用いればよいので、素子数を抑えるこ
とができ、延いてはチップ面積を小さくすることができ
る。なお、共通化するセルは2つに限らず、3以上のセ
ルであっても構わない。
施形態について図5を用いて説明する。デコーダ回路9
の各出力信号にゲートセル(単一論理回路)M21〜M
2nが接続されている。これらのゲートセル(単一論理
回路)M21〜M2nは全て仮想電源線VDD1および
仮想接地線VSS1を有したしきい値電圧の低いトラン
ジスタで構成されている。また、これらのゲートセル
(単一論理回路)M21〜M2nの仮想電源線VDD1
はソースが電源線VDDに接続されたしきい値電圧の高
いトランジスタ(スイッチ部)10aのドレインが共通
に接続されている。さらに、これらのゲートセル(単一
論理回路)M21〜M2nの仮想接地線VSS1はドレ
インが接地されたしきい値電圧の高いトランジスタ(ス
イッチ部)10bのソースが共通に接続されている。
力信号に接続されたゲートセル(単一論理回路)のみが
遷移状態となり、その他の出力信号に接続されているゲ
ートセル(単一論理回路)は定常状態にある。したがっ
て、遷移状態のゲートセル(単一論理回路)の仮想電源
線VDD1および仮想接地線VSS1のみに電源線VD
Dおよび接地線VSSから電源電圧を供給するが、その
他のゲートセル(単一論理回路)には電源線VDDおよ
び接地線VSSからは電源は供給されることはない。よ
って、複数のゲートセル(単一論理回路)M21〜M2
nに対して1対のスイッチ部を共通化することができ、
チップ面積を小さくすることができる。
スライン11と複数のバスドライバ(単一論理回路)M
31〜M3nにも応用することができる。これら複数の
バスドライバ(単一論理回路)M31〜M3nは、それ
ぞれ仮想電源線VDD1および仮想接地線VSS1を有
したしきい値電圧の低いトランジスタから構成されてい
る。また、バスドライバ(単一論理回路)M31〜M3
nの仮想電源線VDD1はソースが電源線VDDに接続
されたしきい値電圧の高いトランジスタ(スイッチ部)
のドレインが共通に接続されている。さらに、バスドラ
イバ(単一論理回路)M31〜M3nの仮想接地線VS
S1はソースが接地されたしきい値電圧の高いトランジ
スタ(スイッチ部)のドレインが共通に接続されてい
る。
スドライバ(単一論理回路)M31〜M3nは、バスド
ライバ(単一論理回路)M31〜M3nの信号が衝突し
ないように選択された1のバスドライバ(単一論理回
路)のみを遷移状態とし、その他のバスドライバ(単一
論理回路)は定常状態とし、バスライン11において信
号の衝突を防いでいる。
31〜M3nは全て仮想電源線VDD1と仮想接地線V
SS1を有したしきい値電圧の低いトランジスタで構成
されている。また、これらのバスドライバ(単一論理回
路)M31〜M3nの仮想電源線VDD1はソースが電
源VDDに接続されたしきい値電圧の高いトランジスタ
(スイッチ部)12aのドレインが共通に接続されてい
る。さらに、これらのバスドライバ(単一論理回路)M
31〜M3nの仮想接地線VSS1はドレインが接続さ
れたしきい値電圧の高いトランジスタ(スイッチ部)1
2bのソースが共通に接続されている。
1〜M3nの中から選択された1のバスドライバ(単一
論理回路)の仮想電源線VDD1および仮想接地線VS
S1のみに電源線VDDおよび接地線VSSから電源電
圧を供給するが、その他のバスドライバ(単一論理回
路)には電源線VDDおよび接地線VSSからは電源は
供給されることはない。以上のように、図6に示すバス
ライン11とバスドライバ(単一論理回路)M31〜M
3nにおいても複数のバスドライバ(単一論理回路)M
31〜M3nに対して1対のスイッチ部12a,12b
を共通化することができ、チップ面積を小さくすること
ができる。
施形態について図7を用いて説明する。図7に示す回路
は、1のクリティカルパス上のフリップフロップ16間
に複数のゲートセル(単一論理回路)13が直列に接続
されている。斜線を施したゲートセル(単一論理回路)
は仮想電源線VDD1および仮想接地線VSS1を有し
たしきい値電圧の低いトランジスタから構成された一段
ゲート反転ロジックである。ゲートセル(一段ゲート反
転ロジック)14、15のように隣り合う2つの一段ゲ
ートの反転ロジックは、仮想電源線VDD1と電源線V
DDとの間および仮想接地線VSS1と接地線VSSと
の間に介在する1対のしきい値電圧の高いトランジスタ
(スイッチ部)を共有することができる。
ル(一段ゲート反転ロジック)14、15がインバータ
回路の場合の例を示した具体的な回路図である。ゲート
セル(一段ゲート反転ロジック)14の入力端からHレ
ベルの電圧が入力されると、ゲートセル(一段ゲート反
転ロジック)14のPMOSトランジスタM41はOF
F、NMOSトランジスタM42はONされる。よっ
て、ゲートセル(一段ゲート反転ロジック)14の出力
端からLレベルの電圧が出力され、ゲートセル(一段ゲ
ート反転ロジック)15の入力端にはLレベルの電圧が
入力される。ゲートセル(一段ゲート反転ロジック)1
5のPMOSトランジスタM43はON、NMOSトラ
ンジスタM44はOFFされる。
ロジック)14のPMOSトランジスタM41とゲート
セル(一段ゲート反転ロジック)15のPMOSトラン
ジスタM43、またゲートセル(一段ゲート反転ロジッ
ク)14のNMOSトランジスタM42とゲートセル
(一段ゲート反転ロジック)15のNMOSトランジス
タM44が同時または近いタイミングでONになること
はありえない。したがって、スイッチ部との接続点の電
位変動は一意に決めることができるので、スイッチ部を
共有することができる。よって、しきい値電圧の高いト
ランジスタから構成されるスイッチ部を減らすことがで
きるので、チップ面積を小さくすることができる。
ルパス上のセル同士を対象としたが、異なるクリティカ
ルパスのセル同士のスイッチを共通化しても本発明を実
施することは可能である。
複数のMTゲートセルのスイッチ部を共通化することに
よって、チップ面積の増大を押さえた高速動作可能で、
リーク電流の少ない半導体集積回路を提供することがで
きる。
形態を表す回路図である。
の具体例である。
形態を表す回路図である。
1の実施形態を表す具体回路であり、(b)は(a)の
回路の電圧または電流の時間変化を表した図である。
形態を表す回路図である。
形態を表す回路図である。
形態を表す回路図である。
の具体例である。
図である。
セル、3…制御回路、4…NAND回路、5…ゲートセ
ル、5a…しきい値電圧の低いトランジスタからなるゲ
ートセル、5b…しきい値電圧の高いトランジスタから
なるゲートセル、6,16…フリップフロップ回路、7
a,7b,8a,8b…しきい値電圧の高いトランジス
タ(スイッチ部)、9…デコーダ回路、10a,10b…
しきい値電圧の高いトランジスタ(スイッチ部)、11…
バスライン、12a.12b…しきい値電圧の高いトラ
ンジスタ、M1〜M4,M11〜M18,M21〜M2
n,M31〜M3n…しきい値電圧の低いトランジスタ
からなるゲートセル、M41〜M44…しきい値電圧の
低いトランジスタ、VDD…電源線、VSS…接地線、
VDD1…仮想電源線、VSS1…仮想接地線、Q1,
Q2…しきい値電圧の高いトランジスタ(スイッチ部)、
13…ゲートセル、14,15…しきい値電圧の低いト
ランジスタからなるゲートセル(一段ゲート反転ロジッ
ク)
Claims (6)
- 【請求項1】 トランジスタの組み合わせで構成され、
それぞれ第1の仮想電源線および第2の仮想電源線を有
する複数の単一論理回路と、 第1の基準電圧線と前記複数の単一論理回路の各々の第
1の仮想電源線との間に介在し、前記単一論理回路を構
成するトランジスタよりもしきい値電圧の高いトランジ
スタからなる第1の共通スイッチ部と、 第2の基準電圧線と前記複数の単一論理回路の各々の第
2の仮想電源線との間に介在し、前記単一論理回路を構
成するトランジスタよりもしきい値電圧の高いトランジ
スタからなる第2の共通スイッチ部とを具備し、 少なくとも前記単一論理回路が動作時は、前記第1およ
び第2の共通スイッチ部はオンされ、前記単一論理回路
が全てスタンバイ時は、前記第1および第2の共通スイ
ッチ部はオフされるよう制御されることを特徴とする半
導体集積回路。 - 【請求項2】 トランジスタの組み合わせで構成され、
それぞれ第1の仮想電源線および第2の仮想電源線を有
する複数の単一論理回路と、 第1の基準電圧線と前記複数の単一論理回路の各々の第
1の仮想電源線との間に介在し、前記単一論理回路を構
成するトランジスタよりもしきい値電圧の高いトランジ
スタからなる第1の共通スイッチ部と、 第2の基準電圧線と前記複数の単一論理回路の各々の第
2の仮想電源線との間に介在し、前記単一論理回路を構
成するトランジスタよりもしきい値電圧の高いトランジ
スタからなる第2の共通スイッチ部とを具備し、 前記複数の単一論理回路のうち少なくとも1の単一論理
回路の出力電圧が遷移しているときは他の単一論理回路
の出力電圧は遷移していないことを特徴とする半導体集
積回路。 - 【請求項3】 トランジスタの組み合わせで構成され、
それぞれ第1の仮想電源線および第2の仮想電源線を有
する複数の単一論理回路からなる3以上の群に区分され
た第1乃至第3の単一論理回路群と、 第1の基準電圧線と、前記第1の単一論理回路群の単一
論理回路と前記第3の単一論理回路群の単一論理回路の
各々の第1の仮想電源線との間に介在し、前記単一論理
回路を構成するトランジスタよりもしきい値電圧の高い
トランジスタからなる第1の共通スイッチと、 第2の基準電源線と、前記第1の単一論理回路群の単一
論理回路と前記第3の単一論理回路群の単一論理回路の
各々の第2の仮想電源線との間に介在し、前記単一論理
回路を構成するトランジスタよりもしきい値電圧の高い
トランジスタからなる第2の共通スイッチとを具備し、 前記第2の単一論理回路群は、前記第1の単一論理回路
群の出力電圧と前記第3の単一論理回路群の出力電圧と
を同時に遷移させない遅延能力を有していることを特徴
とする半導体集積回路。 - 【請求項4】 トランジスタの組み合わせで構成され、
第1および第2の仮想電源線を有する第1の一段ゲート
反転ロジックと、 この第1の一段ゲート反転ロジックと隣接し、第3およ
び第4の仮想電源線を有する第2の一段ゲート反転ロジ
ックと、 第1の基準電圧線と前記第1および第3の仮想電圧源線
との間に介在し、前記第1および第2の一段ゲート反転
ロジックを構成しているトランジスタよりもしきい値電
圧の高いトランジスタからなる第1のスイッチ部と、 第2の基準電圧線と前記第2および第4の仮想電圧源線
との間に介在し、前記第1および第2の一段ゲート反転
ロジックを構成している第2のスイッチ部と、を具備す
ることを特徴とする半導体集積回路。 - 【請求項5】 複数の出力端を有するデコーダ回路と、 このデコーダ回路の複数の出力端にそれぞれ接続され、
且つトランジスタの組み合わせで構成され、それぞれ第
1の仮想電源線および第2の仮想電源線を有する複数の
単一論理回路と、 第1の基準電圧線と前記デコーダ回路の複数の出力端に
それぞれ接続された単一論理回路の第1の仮想電源線と
の間に介在し、前記単一論理回路を構成するトランジス
タよりもしきい値電圧の高いトランジスタからなる第1
のスイッチ部と、 第2の基準電圧線と前記デコーダ回路の複数の出力端に
それぞれ接続された単一論理回路の第2の仮想電源線と
の間に介在し、前記単一論理回路を構成するトランジス
タよりもしきい値電圧の高いトランジスタからなる第2
のスイッチ部とを具備することを特徴とする半導体集積
回路。 - 【請求項6】 トランジスタの組み合わせで構成され、
それぞれ第1の仮想電源線および第2の仮想電源線を有
する複数の単一論理回路と、 これら複数の単一論理回路の出力端が接続された1本の
バスラインと、 第1の基準電圧線と前記複数の単一論理回路の第1の仮
想電源線との間に介在し、前記単一論理回路を構成する
トランジスタよりもしきい値電圧の高いトランジスタか
らなる第1のスイッチ部と、 第2の基準電圧線と前記複数の単一論理回路の第2の仮
想電源線との間に介在し、前記単一論理回路を構成する
トランジスタよりもしきい値電圧の高いトランジスタか
らなる第2のスイッチ部とを具備することを特徴とする
半導体集積回路。
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