JP2004280378A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、SoC(System on Chip)と称する例えばプロセッサを含む比較的規模の大きな半導体集積回路の低電力化に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体集積回路(以下、LSIと略称する)の低電力化は、それを用いた製品の低電力化を実現するために重要である。今後一層微細化が進み、LSIの集積度が向上した場合、単位面積当たりの発熱量が増加することが予想される。このため、回路の信頼性の観点からも、LSIの低電力化の要求が一層高まることが予想される。
【0003】
CMOS型LSIの消費電力は、ダイナミック成分とリーク成分に分類される。現在の加工技術において、微細化に伴うリークは少なく、ダイナミック電力が大半である。しかし、今後一層微細加工技術が進むに従いリーク電力が急増することが予想されている。また、CMOS型トランジスタの各種加工パラメータの最適化において、動作速度とリーク電力は一般的に正相関を有している。すなわち、動作速度を向上させることでリーク電力が増大する。さらに、リーク電力は温度依存性を有しており、温度の上昇に伴ってリークが増大することが知られている。
【0004】
低電力を実現する手法として、システムの時空間的な処理負荷の変動に応じて処理性能を制御することにより低電力化を実現する、所謂「システム低電力化」の手法が有効である。この方法の基本的なアイデアは、低負荷の場合、システムを部分的に低処理能力、低消費電力なモードで動作させることにより、不要な電力消費を抑制することである。
【0005】
システム低電力の主なアプローチは、次に示す2つに大別される。
【0006】
(1)低負荷時に低速(低電力)モードへ遷移。例:CrusoeTMプロセッサ
(2)無負荷(アイドル時)に停止モードへ遷移。例:ACPI(Advanced Configuration and Power Interface)
このような、システム低電力化を実現するためには、システム負荷を監視し、動作モードを選択して動作を指示するという処理を行なう電力制御(以下、PMと略称する)が必要である。
【0007】
LSIの集積度向上に伴い、システム低電力化が単一のLSI内で適用可能となってきた。つまり、従来は、パーソナルコンピュータのように多くの部品から構成されるシステムをその構成部品のひとつであるCPUチップで制御するようなシステム低電力化が一般的であった。しかし、近時、制御する側、及びされる側とも単一のLSI内に集積可能となってきている。
【0008】
尚、システム低電力化に関連する技術としては、次のようなものがある。
【0009】
熱効率の異なるRISC型プロセッサからなるメインCPUと、CISC型プロセッサからなるサブCPUをオン/オフ制御することにより低電力を図る技術(例えば、特許文献1参照)。
【0010】
負荷に応じてCPUの動作モードを変更することにより、消費電力を最適化する技術(例えば、特許文献2参照)。
【0011】
さらに、処理(タスク)を並列化できるマルチプロセッサにおいて、各プロセッサに最適な動作モード(電源電圧、クロック信号の周波数)を設定することにより、消費電力を最適化する技術(例えば、非特許文献1参照)。
【0012】
また、処理性能の異なる2つのプロセッサを用意し、要求性能に応じて2つのプロセッサを切り替える手法(例えば、非特許文献2参照)。
【0013】
【特許文献1】
特開平7−325788号公報
【0014】
【特許文献2】
特開2002−41160号公報
【0015】
【非特許文献1】
“Energy−Aware Runtime Scheduling for Embedded Multiprocessor SOCs” IEEE Design & Test of Computers, 2001
【0016】
【非特許文献2】
“兎・亀プロセッサの切替えによる低消費エネルギー化の提案” TECHNICAL REPORT OF IEICE. VLD2002−161, ICD2002−226(2003−03), p. 37−42
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のシステム低電力化手法は、1つのCPUで動作するソフトウェアの処理により、PM処理を行なうことが一般的であった。この理由は、PM処理が複雑な判定処理を必要とするため、ソフトウェアで実現するほうが容易且つ現実的だからである。また、CPUの処理負荷を把握するため、同じCPUを活用することが自然だからである。
【0018】
CPUは回路規模が大きいため、それ自体消費電力が大きい。また、高速で動作する必要があるため、リーク電力が大きくなるという傾向がある。今後微細加工が進むと、この傾向は一層顕著になることが予想されている。この結果、ソフトウェア処理でPMを行なう場合、CPUがアプリケーション処理に直接関与しないPMで消費される電力が大きくなる。
【0019】
一方、アプリケーションの要求から、CPUのピーク性能の向上の要求がさらに高まっている。CPUのピーク性能を高めるため、例えばキャッシュメモリを搭載すると言うように、ハードウェアリソースを追加する手法が多く用いられている。しかし、これもリーク電力を増大させる要因となり問題を悪化させている。
【0020】
このように、従来は、処理能力が高く消費電力効率が低いCPUにより、PMを行なっているため、システムの動作時のリーク電力を低減することが困難であった。
【0021】
また、複数のCPUを備えたシステムにおいて、CPUを切替える場合、負荷の状態を正確に検出することが重要である。しかし、従来、負荷の状態が十分に監視されていなかった。さらに、半導体チップの温度変化に対応したリーク電流も十分に考慮されていなかった。そこで、負荷の状態や温度変化に応じて、システムの消費電力効率を十分に向上することが要望されている。
【0022】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、負荷の状態や温度変化に応じて、システム動作時のリーク電力を低減することが可能な半導体装置を提供しようとするものである。
【0023】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、上記課題を解決するため、半導体チップと、前記半導体チップに実装され、処理を実行する第1のCPUと、前記半導体チップに実装され、前記第1のCPUよりピーク性能が低く、電力効率が高い第2のCPUとを具備し、前記第2のCPUは、負荷を監視し、前記負荷が大きい場合前記第1のCPUにより処理を実行させ、前記負荷が小さい場合、前記第1のCPUに代わり前記処理を実行する。
【0024】
さらに、本発明の半導体装置は、半導体チップと、前記半導体チップに実装され、処理を実行する第1のCPUと、前記半導体チップに実装され、前記第1のCPUよりピーク性能が低く、電力効率が高い第2のCPUと、前記半導体チップの温度を検出する検出部とを具備し、前記第2のCPUは、前記検出部により検出された温度に応じて負荷の判定基準を変化させ、この判定基準に基づき前記負荷が大きい場合前記第1のCPUにより処理を実行させ、前記負荷が小さい場合、前記第1のCPUに代わり前記処理を実行する。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【0026】
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係り、非対称なマルチCPUを利用したSoCの一例を示している。
【0027】
図1において、半導体チップ11内には、メインCPU12、サブCPU13、入出力制御部(I/O)14、タイマ15、割込みコントローラ16、図示せぬメモリ等が設けられている。これらメインCPU12、サブCPU13、入出力制御部(I/O)14、タイマ15、割込みコントローラ16は、システムバス17により接続されている。メインCPU12はスリープモードと、ランモード、及びピーク性能で動作するスプリントモードを有し、サブCPU13及び入出力制御部14は、スリープモードとランモードを有している。ランモードは、スプリントモードに比べて低速動作である。タイマ15、及び割込みコントローラ16はランモードを有している。
【0028】
サブCPU13は、PMユニットを構成し、且つ、低負荷時において、サブCPU13は、メインCPU12のアプリケーション処理を実行可能とされている。サブCPU13は、メインCPU12に比べてコンパクトな構成とされている。すなわち、メインCPU12は、例えばキャッシュメモリ、多段のパイプラインを有し、さらに、分岐予測機能を有している。これに対して、サブCPU13は、例えばキャッシュメモリ及び分岐予測機能を持たず、パイプラインの段数もメインCPU12に比べて小さく設計されている。このため、サブCPU13は、メインCPU12に比べて消費電力効率が高く設計されている。つまり、メインCPU12は、ピーク性能が高く、消費電力効率が低く、サブCPU13は、ピーク性能がメインCPU12に比べて低く、消費電力効率が高く設計されている。
【0029】
図2は、メインCPU12とサブCPU13の性能と消費電力の関係を各動作モードに対応して示している。
【0030】
メインCPU12は、例えばスプリントモードにおいて、クロック周波数が最大周波数Fmaxとされ、ボディ電圧Vbbが印加される。また、ランモードにおいて、クロック周波数が最大周波数の1/2とされ、ボディ電圧Vbbは印加されない。さらに、スリープモードにおいて、クロック周波数が停止され、ボディ電圧Vbbも印加されない。
【0031】
また、メインCPU12の消費電力は、スプリントモードにおいて、リーク電力が例えば100mW、ダイナミック電力が100mW、総電力が200mWであり、ランモードにおいて、リーク電力が例えば20mW、ダイナミック電力が50mW、総電力が70mWであり、スリープモードにおいて、リーク電力が例えば10mW、ダイナミック電力が0mW、総電力が10mWである。
【0032】
サブCPU13は、例えばランモードにおいて、クロック周波数が最大周波数の1/4とされ、スリープモードにおいて、クロック周波数が停止される。サブCPU13は、ボディ電圧Vbbは印加されない。
【0033】
また、サブCPU13の消費電力は、ランモードにおいて、リーク電力が例えば4mW、ダイナミック電力が10mW、総電力が14mWであり、スリープモードにおいて、リーク電力が例えば1mW、ダイナミック電力が0mW、総電力が1mWである。
【0034】
図3(A)〜(D)は、サブCPUにより、PMを実現するための例を示している。図3(A)〜(D)において、リソースとしては、上記キャッシュメモリ、分岐予測、命令メモリ等が含まれる。
【0035】
図3(A)は、基本構成を示すものであり、図1において説明したように、システムのリソースを変える構成を示している。すなわち、サブCPU13に接続されるリソース21は、メインCPU12に接続されるリソース22に比べて小規模、且つ低リークな構成とされている。
【0036】
図3(B)は、メインCPU12とサブCPU13とにコンパチブルな命令セットを使用する場合を示している。この場合、命令メモリなどのリソース23を最適化することにより、メインCPU12とサブCPU13はリソース23を共有することができる。このような構成とすることにより、メインCPU12とサブCPU13のオーバーヘッドを軽減することが可能である。
【0037】
図3(C)は、メインCPUが使用する命令セットを実行できるエミュレーション機能を有するサブCPU13を使用する場合を示している。このような構成とすることにより、サブCPU13は、メインCPU12が使用するプログラムを共有することが可能となり、図3(B)の構成と同様に、リソース23を共有することができる。
【0038】
図3(D)は、図3(B)を変形したものであり、メインCPU12が複数設けられている場合を示している。このように、複数のメインCPU12を設けることにより、ピーク性能を向上することが可能である。
【0039】
図4は、図1、図3(A)乃至(D)に示す第1の実施形態の基本構成における動作の一例を示している。前述したように、メインCPU12は、スリープモードとスプリントモードを有し、サブCPU13は、負荷の状態を監視し、負荷の大きさに応じてメインCPUとサブCPUの動作モードを切り替え制御する。
【0040】
図4において、例えばメインCPU(M−CPU)12により、例えばマルチメディア処理等のアプリケーション(APP)が処理開始される(S1)。先ず、負荷が最も重い最悪の条件でも処理が可能となるように、メインCPU12はスプリントモードにより処理される(S2)。次いで、例えばメインCPU12のアプリケーション処理が中断される(S3)。すると、サブCPU13により、アプリケーション処理が終了したかどうかが判断される(S4)。この結果、アプリケーション処理が終了した場合、メインCPU12の動作が終了される。
【0041】
一方、処理が終了していない場合、サブCPU(S−CPU)13により、電力制御処理(PM)が開始される(S5)。すなわち、サブCPU13により、負荷が監視される(S6)。この状態において、負荷が大きい場合、前述したと同様に、メインCPU12によりアプリケーション処理が再開され(S8)、この後、メインCPU12によりアプリケーション処理がスプリントモードで実行され(S9)、次いで、処理が中断される(S10)。
【0042】
また、負荷が中程度と判断された場合、メインCPU12によりアプリケーション処理が再開され(S11)、この後、メインCPU12によりアプリケーション処理がランモードで実行され(S12)、次いで、処理が中断される(S13)。
【0043】
さらに、負荷が小さいと判断された場合、サブCPU13によりアプリケーション処理が再開され(S14)、この後、メインCPU13によりアプリケーション処理がランモードで実行され(S15)、次いで、処理が中断される(S16)。
【0044】
また、負荷が極めて小さいと判断された場合、サブCPU13が一定期間スリープモード(休止)とされる(S17)。
【0045】
上記各処理の中断、及びスリープモードの後、サブCPU13により、再度、アプリケーション処理が終了したかどうかが判断され(S4)、この結果に応じて上記動作が繰り返される。
【0046】
上記負荷監視には、例えば2つの方法が考えられる。第1の方法は、アプリケーション処理の実行時間を負荷の指標とする方法であり、第2の方法は、アプリケーション処理の待ち時間を負荷の指標とする方法である。
【0047】
第1の方法において、アプリケーションプログラムの構成としては、アプリケーションプログラムの主要処理の例えば先頭の1箇所にPM起動関数(PM処理を起動するための関数)をコールする命令を設定する。図4に示すアプリケーション処理開始時(S1)において、図1に示すタイマ15を起動する。アプリケーション処理中にPM起動関数がコールされると、図4に示すステップS3,S10,S13,S16において、アプリケーション処理が中断され、サブCPU13によるPM処理に移行する。すなわち、ステップS6の負荷監視動作において、サブCPU13は、タイマ15の値を読み込み、前回のPM処理で読み取った値との差を計算する。ステップS6において計算したタイマの時間差は、同一の処理手順に要したアプリケーション処理の実行時間に相当する。したがって、この値が大きい場合、アプリケーション処理の負荷が大きいこととなる。
【0048】
一方、第2の方法において、アプリケーションプログラムの構成としては、アプリケーションプログラムとPM処理との両方からアクセス可能なグローバル変数を設定し、図1に示すI/O14からのデータ入力を待つ場合、グローバル変数をインクリメントするようにプログラミングする。図4に示すアプリケーション処理開始時(S1)において、一定時間間隔毎に割り込みが係るように、タイマ15と割り込みコントローラ16を設定する。アプリケーション処理中に割り込みが発生すると、図4に示すステップS3,S10,S13,S16のように、アプリケーション処理が中断され、サブCPU13によるPM処理に移行する。すなわち、ステップS6の負荷監視動作において、サブCPU13は、グローバル変数を読み出す。このグローバル変数は、特定の期間内にアプリケーション処理がデータの入力待ちになっていた無駄時間を計測している。このため、読み出したグローバル変数の値が大きい場合、アプリケーションプログラムは待機時間が長かったこととなるため、相対的に負荷が小さいこととなる。
【0049】
上記第1の実施形態によれば、半導体チップ11内にメインCPU12に比べてピーク性能が低く、電力効率が高いサブCPU13を組み込み、このサブCPU13により負荷の状態を監視し、低負荷時はメインCPU12に代えてサブCPU13によりアプリケーション処理を実行している。このため、高性能な機能が必要な場合以外は、消費電力効率が高いサブCPU13により処理されているため、システムの動作時における消費電力を大幅に低減することが可能である。
【0050】
図5は、1つのCPUによりPM処理を行う従来の半導体装置のフローチャートを示している。図5に示す従来の半導体装置の場合、負荷の大、小、極小に応じて、1つのCPUがスプリントモード(S8−S10)、ランモード(S21−23)、休止モード(S17)に設定される。
【0051】
図6は、従来と第1の実施形態のCPUの動作の一例を示しており、横軸は時間軸を示し、動作モードが時間的に遷移する状況を模式的に示している。図6(A)に示す従来の場合、1つのCPUが負荷の状態に応じてスプリントモード(Sp)、ランモード(R)、休止モード(Sl)に設定される。これに対して、図6(B)に示す第1の実施形態の場合、メインCPUとサブCPUの2つのCPUが負荷の状態に応じてスプリントモード(Sp)、ランモード(R)、休止モード(Sl)に切り替わっていることが分かる。
【0052】
図6(A)に示す従来の制御動作は、図7のメインCPU12で示された曲線のスプリントモード、ランモード、スリープモードに対応する点を結んだ折れ線状の制御になる。これに対して、図6(B)に示す第1の実施形態の場合、メインCPU12のスプリントモード、ランモード、及びサブCPU13のランモード、スリープモードに対応する点を結んだ折れ線状の制御になる。このため、平均的な負荷が小さく、低い相対性能で、処理可能な期間が長いアプリケーションでは、消費電力を抑制することができる。
【0053】
図8は、従来と第1の実施形態の平均消費電力を示している。このように、各ビジーの比率において、本実施形態の平均消費電力が従来のそれより低いことが分かる。このため、第1の実施形態によれば、平均消費電力を従来に比べて1/3乃至2/3に低減することができる。
【0054】
尚、第1の実施形態の場合、コンピュータのアーキテクチャによりメインCPU12とサブCPU13の性能を変えた。しかし、この手法に替え、半導体製造上のライブラリを変えることも可能である。例えばサブCPU13を構成する加算器やラッチ回路をメインCPU12のそれらに比べて低速、低消費電力動作にチューニングするなどの手法を適用することも可能である。すなわち、メインCPU12を高速ライブラリで構成し、サブCPU13をメインCPU12に比べて、低速、且つ低リークライブラリで構成するようにすることも可能である。
【0055】
(第2の実施形態)
図9は、本発明の第2の実施形態を示している。図9において、図1と同一部分には同一符号を付し、異なる部分についてのみ説明する。
【0056】
前述したように、半導体素子のリーク電流は温度上昇に従って増加する。また、温度を一定とした場合、ゲート長が微細な半導体素子程リーク電流が大きい。このため、半導体装置の消費電力を管理する上で半導体チップの温度を考慮することで、より最適化することができる。そこで、第2の実施形態は、半導体チップ11内に温度検出部31を配置し、この温度検出部31の出力信号に応じて半導体装置の消費電力を管理する。
【0057】
消費電力の管理において、物理的なケルビン温度はそれ程重要ではなく、リーク電流対動作電流の比(以下、リーク比と称す)が重要である。このため、温度検出部31はケルビン温度を測定するのではなく、リーク比を測定することにより、相対的に温度を検出している。
【0058】
図10は、温度検出部31の一例を示している。この温度検出部31は、リーク電流源32、トランジスタの直流電流又は動作電流源33、及び比較器34を有している。比較器34は、リーク電流源32からのリーク電流とトランジスタの直流電流又は動作電流源33からの電流を比較し、リーク比を測定する。この測定されたリーク比としての温度は、サブCPU13に供給される。サブCPU13はこの測定された温度に応じて動作モードを切り替えるアルゴリズムを適応する。
【0059】
図11は、温度検出部31の他の例を示している。この温度検出部31は、例えば直列接続された論理回路35とリーク電流源36とから構成されており、論理回路35の動作に応じたリーク比を測定する。この測定されたリーク比はサブCPU13に供給される。サブCPU13はこの測定されたリーク比に応じて動作モードを切り替えるアルゴリズムを適応する。
【0060】
図12は、温度とリーク電流の関係を示している。温度検出部31は、温度が例えばほぼ50℃において、リーク電流とDC電流(オン電流)又はAC電流が等しくなるように設計する。
【0061】
図13(A)(B)は、リーク電流源32の一例を示し、図13(C)(D)は直流電流源の一例を示している。図13(A)は、常時オフ状態とされたPチャネルMOSトランジスタ32Aにより構成されている。図13(B)は、PチャネルMOSトランジスタ32Bにより構成されている。このトランジスタ32Bのゲートには電源Vddが供給され、ソースには制御信号が供給される。この制御信号は、測定時に電源電圧Vddとされ、休止時は接地電位とされる。図13(C)は、ゲートが接地され、常時オン状態とされたPチャネルMOSトランジスタ33Aにより構成されている。図13(D)は、PチャネルMOSトランジスタ33Bにより構成されている。このトランジスタ33Bのソースには制御信号が供給され、ゲートは接地されている。この制御信号は測定時に電源電圧Vddとされ、休止時は接地電位とされる。リーク電流源を構成するトランジスタ32A、32Bのチャネル幅とDC電流源を構成するトランジスタ33A、33Bのチャネル幅は、デバイスの特性によって決まり、現在最先端とされるゲート長0.09〜0.18μmでは、一般にDC電流の方がリーク電流よりはるかに多いため、前者の方が大きくされている。また、図13(B)(D)に示す回路構成の場合、休止時はトランジスタがオフとされるため、不要な電流をカットすることができる。
【0062】
図14は、AC(交流)電流源33の一例を示している。このAC電流源33は、例えば直列接続されたインバータ回路33C、抵抗33D、キャパシタ33Eにより構成されている。インバータ回路33Cの入力端には例えばシステムクロック信号CLKが供給される。インバータ回路33Cの出力信号は、抵抗33D及びキャパシタ33Eからなるフィルタ回路を介して比較器34に供給される。比較器34はリーク電流源32の出力信号とフィルタ回路の出力信号を比較する。これらフィルタ回路及び比較器34は温度情報をデジタル信号として出力する1ビットのAD変換回路を構成している。
【0063】
図15は、リーク電流源32、DC電流源33、又は動作電流源の他の例を示している。図15(A)は、複数のPチャネルMOSトランジスタを直並列接続し、これらトランジスタを制御信号により導通制御することにより、出力電流を制御している。図15(B)は、並列接続された複数のPチャネルMOSトランジスタを制御信号により導通制御することにより、電流能力を制御できる。
【0064】
このような構成とすることにより、電流源の能力を可変とする。このため、温度(リーク比)の変化点の設定を変えることが可能となる。また、デバイス特性の異なる製造技術を用いた場合も同一の回路を使用することができる。
【0065】
図16は、温度検出部31の具体的な回路の一例を示すものであり、図10と同一部分には同一符号を付している。この回路は、全てNチャネルMOSトランジスタにより構成されている。DC電流源33は直列接続された複数のトランジスタ33C、33D、33E、及びこれらトランジスタに並列接続されたトランジスタ33Fにより構成されている。トランジスタ33C、33D、33Eのゲートにはトランジスタを常時オンさせるためのハイレベル信号(Vdd)が供給され、トランジスタ33C、33Fのドレインにイネーブル信号ENが供給される。このイネーブル信号ENは温度測定時にハイレベル(Vdd)とされる。また、直流電流を増加させる場合、トランジスタ33Fがオンとされる。また、リーク電流源32はトランジスタ32Cにより構成され、比較器34は直列接続されたインバータ回路IV1、IV2により構成されている。
【0066】
上記構成において、温度が高い場合、リーク電流源32に流れる電流が多くなり、比較器34の入力端がローレベルとなる。このため、比較器34の出力信号はローレベルとなる。一方、温度が低い場合、リーク電流が減少するため、比較器34の入力端はハイレベルに充電される。このため、比較器34の出力信号はハイレベルとなる。
【0067】
図17は、図11に示す論理回路とリーク電流源を用いた温度検出部31の例を示している。この温度検出部31において、論理回路35は、可変パルス発生器41A、PチャネルMOSトランジスタ41B、比較器41C、ドライバ41Dにより構成されている。リーク電流源36はチャネル幅の大きなNチャネルMOSトランジスタ41Eにより構成されている。可変パルス発生器41Aは、PチャネルMOSトランジスタ41Bのゲートに接続されている。PチャネルMOSトランジスタ41BとNチャネルMOSトランジスタ41Eとの接続ノードには比較器41Cの一方入力端が接続されている。この比較器41Cの他方入力端は比較器41Cの出力端に接続されている。この出力端にはドライバ41Dが接続されている。このドライバ41Dの出力端にはカウンタ42が接続されている。このカウンタ42はドライバ41Dから出力されるパルス信号をカウントする。
【0068】
図18は、前記可変パルス発生器41Aの一例を示している。この可変パルス発生器41Aは、参照レジスタ51、カウンタ52、比較器53により構成されている。参照レジスタ51は、例えばサブCPU13から供給されるパルスデューティを示す参照値を保持する。カウンタ52は、イネーブル信号ENに応じてクロック信号CLKをカウントする。このカウンタは、オール“1”となった場合、“0”にリセットされる。比較器53は、カウンタ52のカウント値が参照レジスタ51に保持されている参照値より大きい場合、データ“1”を出力し、小さい場合データ“0”を出力する。すなわち、この可変パルス発生器41Aは周波数の低いパルス信号を出力する。
【0069】
図19は、図17、18の動作を示している。図19(A)は温度が高い場合、すなわちリーク電流が多い場合を示し、図19(B)は温度が低い場合、すなわちリーク電流が少ない場合を示している。
【0070】
図17において、可変パルス発生器41Aからは、参照値に応じたデューティのパルス信号NAが出力される。PチャネルMOSトランジスタ41Bはこのパルス信号NAのローレベルの期間に接続ノードNBを充電する。温度が高い場合、リーク電流源36を流れる電流が多い。このため、接続ノードNBの充電電荷は、図19(A)に示すように、速く放電される。したがって、出力ノードNCからは、ハイレベルの周期が短いパルス信号が出力される。
【0071】
一方、温度が低い場合、リーク電流源36を流れる電流が少なくなる。このため、接続ノードNBの電荷が保持され、接続ノードNBはハイレベルを維持する。したがって、出力ノードNCからハイレベルの周期が長いパルス信号が出力される。
【0072】
上記出力ノードNCから出力されるパルス信号を例えばカウンタ42によりカウントすることにより、温度を検出することができる。このカウンタ42のカウント値は、前記サブCPU13に供給される。
【0073】
図20は、第2の実施形態の動作を示すものであり、上記温度検出部31の出力信号を用いた動作の一例を示している。図20において、図4と同一部分には同一符号を付している。
【0074】
図20において、サブCPU13は、メインCPU12の処理が中断されると、温度検出部31の出力信号に応じて半導体チップの温度を監視する(S31)。さらに、サブCPU13は負荷の大小を監視する(S32)。この後、温度が基準値より高く、負荷が基準値より小さいかどうかが判別される(S33)。すなわち、高温ではリーク電流が大きいメインCPU12を起動するペナルティが大きい。このため、負荷が小さい場合、メインCPU12の起動を最小にするきめ細かいPM処理によって、こうした複合条件下での消費電力を一層抑制することが期待できる。したがって、温度が高く負荷が小さい場合は、電力制御(PM)の起動間隔が短縮され、負荷の判定基準値が増加される(S35)。
【0075】
また、前記ステップS33の条件を満たさない場合、温度が基準値より低く、負荷が基準値より大きいかどうか判定される(S34)。すなわち、低温ではリーク電流が大きいメインCPU12を起動するペナルティが相対的に小さく、負荷が大きい場合は、サブCPU13の電力制御(PM)を起動するオーバーヘッドが相対的に大きくなる。このため、こうした複合条件下では、サブCPU13の起動を抑制したPM処理によって消費電力を一層抑制することができる。したがって、PMの起動間隔が増加され、負荷の判定基準値が減少される(S36)。
【0076】
前記ステップS34の条件を満たさない場合、PMの起動間隔、及び負荷の判定基準値は変更されない。このようにして、PMの起動間隔、及び負荷の判定基準値が制御された後、第1の実施形態と同様に負荷の大小が判定され、判定せれた負荷に応じてメインCPU12、及びサブCPU13の動作モードが制御される。
【0077】
上記第2の実施形態によれば、半導体チップ11内に温度検出部31を設け、この温度検出部31により検出された温度に応じて、PMの起動間隔、及び負荷の判定基準値を制御し、この状態において、負荷の大小に応じてメインCPU12、及びサブCPU13の動作モードを制御している。したがって、半導体チップ11内の温度に応じて第1、第2のCPU12、13の動作を切り替えることにより、リーク電流を最小限に抑えることができ、且つ処理能力の低下を抑えることができる。
【0078】
尚、上記第1、第2の実施形態において、メインCPU、サブCPUはスプリントモード、ランモード、スリープモードのような2乃至3の動作モードを有する場合について説明した。しかし、これに限定されるものではなく、3つ以上の動作モードを有することも可能である。すなわち、離散的な複数の動作モードに限らず、連続的な動作モードを有するCPUに第1、第2の実施形態を適用することも可能である。
【0079】
その他、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変えない範囲において種々変形実施可能なことは勿論である。
【0080】
【発明の効果】
以上、詳述したように本発明によれば、負荷の状態や温度変化に応じて、システムの動作時のリーク電力を低減することが可能な半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態に係る半導体装置を示す構成図。
【図2】メインCPUとサブCPUの性能と消費電力の関係を各動作モードに対応して示す図。
【図3】第1の実施形態におけるメインCPUとサブCPUの変形例を示す図。
【図4】第1の実施形態の動作の一例を示すフローチャート。
【図5】従来の半導体装置の動作を示すフローチャート。
【図6】従来と第1の実施形態の動作を概略的に示す図。
【図7】従来と第1の実施形態の相対性能と消費電力の関係を概略的に示す図。
【図8】従来と第1の実施形態のビジーの比率と平均消費電力の関係を示す図。
【図9】本発明の第2の実施形態に係る半導体装置を示す構成図。
【図10】温度検出部の一例を示す構成図。
【図11】温度検出部の他の例を示す構成図。
【図12】温度とリーク電流の関係を示す図。
【図13】リーク電流源及びDC又は動作電流源の一例を示す回路図。
【図14】AC電流源の一例を示す回路図。
【図15】リーク電流源及びDC又は動作電流源の他の例を示す回路図。
【図16】温度検出部の具体的な一例を示す回路図。
【図17】論理回路とリーク電流源を用いた温度検出部の具体例を示す回路図。
【図18】可変パルス発生器の一例を示す構成図。
【図19】図17、図18の動作を示す波形図。
【図20】第2の実施形態の動作の一例を示すフローチャート。
【符号の説明】
11…半導体チップ、12…メインCPU、13…サブCPU、21、22、23…リソース、31…温度検出部、32…リーク電流源、33…直流又は動作電流源、34…比較器、35…論理回路、36…リーク電流源、41A…可変パルス発生器。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to reducing the power of a relatively large-scale semiconductor integrated circuit including, for example, a processor called an SoC (System on Chip).
[0002]
[Prior art]
It is important to reduce the power consumption of a semiconductor integrated circuit (hereinafter, abbreviated as LSI) in order to realize low power consumption of a product using the same. In the future, when miniaturization is further advanced and the degree of integration of the LSI is improved, it is expected that the amount of heat generated per unit area will increase. For this reason, from the viewpoint of circuit reliability, it is expected that demand for lower power of LSIs will be further increased.
[0003]
The power consumption of the CMOS LSI is classified into a dynamic component and a leak component. In current processing technology, leakage due to miniaturization is small, and most of the dynamic power is used. However, it is expected that the leak power will increase rapidly as the fine processing technology further advances. In optimizing various processing parameters of the CMOS transistor, the operating speed and the leak power generally have a positive correlation. That is, the leakage power is increased by improving the operation speed. Furthermore, it is known that the leak power has a temperature dependency, and the leak increases as the temperature rises.
[0004]
As a technique for realizing low power, a so-called “system low power” technique for realizing low power by controlling processing performance in accordance with a spatio-temporal variation in processing load of a system is effective. The basic idea of this method is to reduce unnecessary power consumption by operating the system in a low-power, low-power mode at low load.
[0005]
The main approaches for system low power are roughly classified into the following two.
[0006]
(1) Transition to low speed (low power) mode at low load. Example: Crusoe TM Processor
(2) Transition to stop mode with no load (idle). Example: ACPI (Advanced Configuration and Power Interface)
In order to realize such system power reduction, power control (hereinafter abbreviated as PM) for performing processing of monitoring a system load, selecting an operation mode, and instructing operation is required.
[0007]
As the degree of integration of LSIs has been improved, system power reduction has become applicable within a single LSI. That is, in the past, it has been general to reduce the power consumption of a system such as a personal computer in which a system composed of many components is controlled by a CPU chip which is one of the components. However, recently, both the controlling side and the controlled side can be integrated in a single LSI.
[0008]
In addition, there are the following technologies related to system power reduction.
[0009]
A technique for reducing power consumption by controlling on / off of a main CPU composed of a RISC processor and a sub CPU composed of a CISC processor having different thermal efficiencies (for example, see Patent Document 1).
[0010]
A technology that optimizes power consumption by changing the operation mode of a CPU according to a load (for example, see Patent Document 2).
[0011]
Furthermore, in a multiprocessor capable of parallelizing processes (tasks), a technology for optimizing power consumption by setting an optimal operation mode (power supply voltage, frequency of a clock signal) for each processor (for example, Non-Patent Document 1) reference).
[0012]
Also, there is a method in which two processors having different processing performances are prepared, and the two processors are switched according to the required performance (for example, see Non-Patent Document 2).
[0013]
[Patent Document 1]
JP-A-7-325788
[0014]
[Patent Document 2]
JP-A-2002-41160
[0015]
[Non-patent document 1]
“Energy-Aware Runtime Scheduling for Embedded Multiprocessor SOCs” IEEE Design & Test of Computers, 2001
[0016]
[Non-patent document 2]
“Proposal of Low Energy Consumption by Switching Rabbit / Turtle Processor” TECHNICAL REPORT OF IEICE. VLD2002-161, ICD2002-226 (2003-03), p. 37-42
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the conventional system low power method, PM processing is generally performed by processing of software operated by one CPU. The reason for this is that the PM process requires a complicated determination process, so that it is easier and more realistic to realize it by software. Also, it is natural to utilize the same CPU to grasp the processing load of the CPU.
[0018]
Since the CPU has a large circuit scale, the power consumption itself is large. Further, since it is necessary to operate at a high speed, there is a tendency that the leak power increases. It is expected that this tendency will become more prominent as microfabrication proceeds in the future. As a result, when PM is performed by software processing, power consumed by PM that does not directly involve the CPU in application processing increases.
[0019]
On the other hand, there is a growing demand from applications to improve the peak performance of the CPU. In order to increase the peak performance of the CPU, a method of adding a hardware resource, such as mounting a cache memory, is often used. However, this also causes an increase in the leakage power, and exacerbates the problem.
[0020]
As described above, conventionally, since PM is performed by a CPU having a high processing capability and a low power consumption efficiency, it has been difficult to reduce leak power during system operation.
[0021]
In a system including a plurality of CPUs, when switching the CPU, it is important to accurately detect the state of the load. However, conventionally, the state of the load has not been sufficiently monitored. Furthermore, a leak current corresponding to a temperature change of a semiconductor chip has not been sufficiently considered. Therefore, there is a demand for sufficiently improving the power consumption efficiency of the system according to the state of the load and a change in temperature.
[0022]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of reducing leakage power during system operation according to a load state or a temperature change. It is something to offer.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a semiconductor device according to the present invention has a semiconductor chip, a first CPU mounted on the semiconductor chip and executing a process, and a peak performance mounted on the semiconductor chip and higher than the first CPU. Low, the second CPU with high power efficiency, the second CPU monitors the load, if the load is large, causes the first CPU to execute processing, if the load is small, The processing is executed in place of the first CPU.
[0024]
Further, the semiconductor device of the present invention includes a semiconductor chip, a first CPU mounted on the semiconductor chip and executing a process, and a peak performance lower than the first CPU mounted on the semiconductor chip and lowering power efficiency. And a detection unit for detecting the temperature of the semiconductor chip, wherein the second CPU changes a load criterion according to the temperature detected by the detection unit, When the load is large, the first CPU executes the process when the load is large, and when the load is small, the process is executed instead of the first CPU.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0026]
(1st Embodiment)
FIG. 1 shows an example of an SoC using an asymmetric multi-CPU according to the first embodiment of the present invention.
[0027]
In FIG. 1, a
[0028]
The
[0029]
FIG. 2 shows a relationship between the performance and the power consumption of the
[0030]
In the
[0031]
The power consumption of the
[0032]
For example, the clock frequency of the
[0033]
In the run mode, the power consumption of the
[0034]
FIGS. 3A to 3D show an example in which PM is realized by the sub CPU. 3A to 3D, the resources include the cache memory, the branch prediction, the instruction memory, and the like.
[0035]
FIG. 3A shows a basic configuration, and shows a configuration for changing system resources as described in FIG. That is, the
[0036]
FIG. 3B shows a case where a compatible instruction set is used for the
[0037]
FIG. 3C shows a case where a
[0038]
FIG. 3D is a modification of FIG. 3B and shows a case where a plurality of
[0039]
FIG. 4 shows an example of the operation in the basic configuration of the first embodiment shown in FIGS. 1 and 3A to 3D. As described above, the
[0040]
In FIG. 4, for example, an application (APP) such as multimedia processing is started by the main CPU (M-CPU) 12, for example (S1). First, the
[0041]
On the other hand, if the processing is not completed, the sub CPU (S-CPU) 13 starts the power control processing (PM) (S5). That is, the load is monitored by the sub CPU 13 (S6). In this state, when the load is large, the application processing is restarted by the main CPU 12 (S8), and thereafter, the application processing is executed by the
[0042]
When it is determined that the load is moderate, the application processing is restarted by the main CPU 12 (S11). Thereafter, the application processing is executed in the run mode by the main CPU 12 (S12), and then the processing is interrupted (S12). S13).
[0043]
Further, when it is determined that the load is small, the application processing is restarted by the sub CPU 13 (S14), and thereafter, the application processing is executed in the run mode by the main CPU 13 (S15), and then the processing is interrupted (S16). ).
[0044]
When it is determined that the load is extremely small, the
[0045]
After the interruption of each process and the sleep mode, the
[0046]
For the load monitoring, for example, two methods can be considered. The first method is a method using the execution time of the application process as an index of the load, and the second method is the method using the waiting time of the application process as the index of the load.
[0047]
In the first method, as the configuration of the application program, an instruction to call a PM activation function (a function for activating PM processing) is set at, for example, one of the main processes of the application program. When the application process shown in FIG. 4 starts (S1), the
[0048]
On the other hand, in the second method, as a configuration of the application program, a global variable accessible from both the application program and the PM process is set, and when waiting for data input from the I /
[0049]
According to the first embodiment, the
[0050]
FIG. 5 shows a flowchart of a conventional semiconductor device in which PM processing is performed by one CPU. In the case of the conventional semiconductor device shown in FIG. 5, one CPU is set to a sprint mode (S8-S10), a run mode (S21-23), and a sleep mode (S17) in accordance with a large, small, or minimal load. You.
[0051]
FIG. 6 illustrates an example of the operation of the CPU according to the related art and the first embodiment. The horizontal axis indicates a time axis, and schematically illustrates a state in which the operation mode changes with time. In the case of the related art shown in FIG. 6A, one CPU is set to a sprint mode (Sp), a run mode (R), and a pause mode (S1) according to the load state. On the other hand, in the case of the first embodiment shown in FIG. 6B, the two CPUs of the main CPU and the sub CPU are operated in the sprint mode (Sp), the run mode (R), and the sleep mode according to the load state. It can be seen that it has been switched to (S1).
[0052]
The conventional control operation shown in FIG. 6A is a polygonal control that connects points corresponding to the sprint mode, the run mode, and the sleep mode of the curve shown by the
[0053]
FIG. 8 shows the average power consumption of the conventional and the first embodiment. As described above, it can be seen that the average power consumption of the present embodiment is lower than that of the related art at each busy ratio. Therefore, according to the first embodiment, the average power consumption can be reduced to 1/3 to 2/3 as compared with the conventional case.
[0054]
In the case of the first embodiment, the performance of the
[0055]
(Second embodiment)
FIG. 9 shows a second embodiment of the present invention. 9, the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and only different parts will be described.
[0056]
As described above, the leak current of the semiconductor element increases as the temperature rises. In addition, when the temperature is kept constant, the leak current increases as the gate length of the semiconductor device becomes smaller. For this reason, the power consumption of the semiconductor device can be further optimized by taking the temperature of the semiconductor chip into consideration in managing the power consumption. Therefore, in the second embodiment, the
[0057]
In managing power consumption, the physical Kelvin temperature is not so important, and the ratio of leakage current to operating current (hereinafter referred to as leakage ratio) is important. For this reason, the
[0058]
FIG. 10 illustrates an example of the
[0059]
FIG. 11 shows another example of the
[0060]
FIG. 12 shows the relationship between the temperature and the leak current. The
[0061]
FIGS. 13A and 13B show an example of the leak
[0062]
FIG. 14 shows an example of an AC (alternating current)
[0063]
FIG. 15 shows another example of the leak
[0064]
With such a configuration, the capability of the current source is made variable. Therefore, it is possible to change the setting of the changing point of the temperature (leak ratio). Also, the same circuit can be used when manufacturing technologies having different device characteristics are used.
[0065]
FIG. 16 shows an example of a specific circuit of the
[0066]
In the above configuration, when the temperature is high, the current flowing through the leak
[0067]
FIG. 17 shows an example of the
[0068]
FIG. 18 shows an example of the
[0069]
FIG. 19 shows the operation of FIGS. FIG. 19A shows a case where the temperature is high, that is, a case where the leak current is large, and FIG. 19B shows a case where the temperature is low, that is, a case where the leak current is small.
[0070]
17, a
[0071]
On the other hand, when the temperature is low, the current flowing through the leak
[0072]
The temperature can be detected by counting the pulse signal output from the output node NC by, for example, the
[0073]
FIG. 20 shows an operation of the second embodiment, and shows an example of an operation using an output signal of the
[0074]
In FIG. 20, when the processing of the
[0075]
If the condition in step S33 is not satisfied, it is determined whether the temperature is lower than the reference value and the load is higher than the reference value (S34). That is, at low temperatures, the penalty for starting the
[0076]
If the condition in step S34 is not satisfied, the PM activation interval and the load criterion value are not changed. After the start interval of the PM and the load determination reference value are controlled in this manner, the magnitude of the load is determined in the same manner as in the first embodiment, and the
[0077]
According to the second embodiment, the
[0078]
In the first and second embodiments, the case where the main CPU and the sub CPU have two or three operation modes such as the sprint mode, the run mode, and the sleep mode has been described. However, the present invention is not limited to this, and it is possible to have three or more operation modes. That is, the first and second embodiments can be applied not only to a plurality of discrete operation modes but also to a CPU having a continuous operation mode.
[0079]
In addition, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it goes without saying that various modifications can be made without departing from the spirit of the invention.
[0080]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device capable of reducing leakage power during operation of a system according to a load state or a temperature change.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a semiconductor device according to a first embodiment.
FIG. 2 is a diagram illustrating a relationship between performance and power consumption of a main CPU and a sub CPU in correspondence with each operation mode.
FIG. 3 is a diagram showing a modification of the main CPU and the sub CPU in the first embodiment.
FIG. 4 is a flowchart showing an example of the operation of the first embodiment.
FIG. 5 is a flowchart showing the operation of a conventional semiconductor device.
FIG. 6 is a diagram schematically showing operations of the conventional and the first embodiment.
FIG. 7 is a diagram schematically showing a relationship between relative performance and power consumption of the conventional and the first embodiment.
FIG. 8 is a diagram illustrating a relationship between a busy ratio and an average power consumption according to the related art and the first embodiment.
FIG. 9 is a configuration diagram showing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a configuration diagram illustrating an example of a temperature detection unit.
FIG. 11 is a configuration diagram showing another example of the temperature detection unit.
FIG. 12 is a graph showing a relationship between temperature and leakage current.
FIG. 13 is a circuit diagram showing an example of a leak current source and a DC or operating current source.
FIG. 14 is a circuit diagram showing an example of an AC current source.
FIG. 15 is a circuit diagram showing another example of a leak current source and a DC or operating current source.
FIG. 16 is a circuit diagram showing a specific example of a temperature detection unit.
FIG. 17 is a circuit diagram showing a specific example of a temperature detector using a logic circuit and a leak current source.
FIG. 18 is a configuration diagram showing an example of a variable pulse generator.
FIG. 19 is a waveform chart showing the operation of FIGS. 17 and 18.
FIG. 20 is a flowchart illustrating an example of an operation according to the second embodiment;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記半導体チップに実装され、処理を実行する第1のCPUと、
前記半導体チップに実装され、前記第1のCPUよりピーク性能が低く、電力効率が高い第2のCPUとを具備し、
前記第2のCPUは、負荷を監視し、前記負荷が大きい場合前記第1のCPUにより処理を実行させ、前記負荷が小さい場合、前記第1のCPUに代わり前記処理を実行することを特徴とする半導体装置。A semiconductor chip,
A first CPU mounted on the semiconductor chip and executing a process;
A second CPU mounted on the semiconductor chip and having lower peak performance than the first CPU and higher power efficiency;
The second CPU monitors a load, and causes the first CPU to execute a process when the load is large, and executes the process instead of the first CPU when the load is small. Semiconductor device.
前記半導体チップに実装され、処理を実行する第1のCPUと、
前記半導体チップに実装され、前記第1のCPUよりピーク性能が低く、電力効率が高い第2のCPUと、
前記半導体チップの温度を検出する検出部とを具備し、
前記第2のCPUは、前記検出部により検出された温度に応じて負荷の判定基準を変化させ、この判定基準に基づき前記負荷が大きい場合前記第1のCPUにより処理を実行させ、前記負荷が小さい場合、前記第1のCPUに代わり前記処理を実行することを特徴とする半導体装置。A semiconductor chip,
A first CPU mounted on the semiconductor chip and executing a process;
A second CPU mounted on the semiconductor chip and having lower peak performance and higher power efficiency than the first CPU;
A detecting unit for detecting the temperature of the semiconductor chip,
The second CPU changes a load criterion in accordance with the temperature detected by the detection unit. If the load is large based on the criterion, the second CPU causes the first CPU to execute a process. When the size is smaller, the semiconductor device executes the processing in place of the first CPU.
リーク電流源と、
直流電流源又は交流電流源と、
前記リーク電流源の出力と前記直流電流源又は交流電流源の出力とを比較し、温度情報を出力する比較器と
を具備することを特徴とする請求項9記載の半導体装置。The detection unit,
A leak current source;
A direct current source or an alternating current source,
10. The semiconductor device according to claim 9, further comprising: a comparator that compares an output of the leakage current source with an output of the DC current source or the AC current source and outputs temperature information.
前記交流電流源は、
システムクロック信号を受ける論理回路と、
前記論理回路に直列接続されたフィルタ回路と、
前記フィルタ回路の出力信号及び前記リーク電流源の出力信号が供給される比較器とを有し、
前記フィルタ回路及び比較器は温度情報をデジタル値として出力するAD変換回路を構成することを特徴とする請求項9記載の半導体装置。The detection unit includes a leak current source and an AC current source,
The AC current source is
A logic circuit for receiving a system clock signal;
A filter circuit connected in series to the logic circuit,
A comparator to which an output signal of the filter circuit and an output signal of the leak current source are supplied,
10. The semiconductor device according to claim 9, wherein the filter circuit and the comparator constitute an AD conversion circuit that outputs temperature information as a digital value.
論理回路と、
前記論理回路に直列接続されたリーク電流源とを有し、
前記論理回路はパルス信号のデューティ比を変えることが可能な可変パルス発生器を有し、この可変パルス発生器の出力信号に応じて温度情報を出力することを具備することを特徴とする請求項9記載の半導体装置。The detection unit,
A logic circuit;
A leakage current source connected in series to the logic circuit,
The logic circuit includes a variable pulse generator capable of changing a duty ratio of a pulse signal, and outputs temperature information according to an output signal of the variable pulse generator. 10. The semiconductor device according to item 9.
前記第2のCPUから供給される参照値を保持するレジスタと、
クロック信号をカウントするカウンタと、
前記レジスタからの前記参照値と前記カウンタからのカウント値を比較し、前記パルス信号を出力する比較器と
を具備することを特徴とする請求項14記載の半導体装置。The variable pulse generator,
A register for holding a reference value supplied from the second CPU;
A counter for counting clock signals,
15. The semiconductor device according to claim 14, further comprising: a comparator that compares the reference value from the register with a count value from the counter and outputs the pulse signal.
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