JP2005295492A

JP2005295492A - スリープモードの間のゲート漏れによる電力消費を低減する方法および装置

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Publication number: JP2005295492A
Application number: JP2004201131A
Authority: JP
Inventors: David L Harris; エル．ハリスデービッド
Original assignee: Sun Microsystems Inc
Current assignee: Sun Microsystems Inc
Priority date: 2003-07-07
Filing date: 2004-07-07
Publication date: 2005-10-20
Anticipated expiration: 2024-07-07
Also published as: GB2404101B; GB0413696D0; JP4859352B2; US6970034B1; GB2404101A

Abstract

【課題】スリープモードの間の集積回路における低ゲート漏れ電流を達成するシステムを提供すること。
【解決手段】本発明の１つの実施形態は、スリープモードの間の集積回路における低ゲート漏れ電流を達成するシステムを提供する。スリープモードに入るときに、このシステムは、集積回路に印加される電源電圧を低電圧レベルまで低減し、ここで、この低電圧レベルは、低ゲート漏れ電流を提供するだけ十分に低いが、集積回路の状態を維持するだけ十分に高い。
【選択図】なし

Description

本発明は、ＣＭＯＳ集積回路の設計に関する。より詳細には、本発明は、ＣＭＯＳ集積回路において、スリープモードの間にゲート漏れ電流による電力消費を低減する方法および装置に関する。

相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）集積回路における電力消費は、ダイナミック項およびスタティック項からなる。ダイナミック項は、ロードキャパシタンスの充電および放電から生じ、動作周波数に比例する。スタティック項は、直流（ＤＣ）の流れから生じ、動作周波数に独立である。大部分のデジタル論理回路では、チップがアクティブである間は、ダイナミック電力が支配的な項である。しかし、クロックが停止し、ＣＭＯＳデバイスが電力を保存するスリープモードに入ると、スタティック電力が支配的な項となる。

このスタティック電力消費の支配的な成分は、（１）通常ＯＦＦであるトランジスタを介するソースからドレインへの閾値下の漏れ電流と、（２）非常に薄いゲート酸化物を介するキャリアのトンネリングによって生じるゲート漏れ電流である。図１Ａは、負のチャネル金属酸化物半導体（ＮＭＯＳ）トランジスタの閾値下の漏れ電流を示す。この漏れ電流Ｉ_ｓは、トランジスタがオフである場合に、ドレイン（ｄ）からソース（ｓ）へ流れる。図１Ｂは、ＮＭＯＳトランジスタのゲート漏れ電流を示す。この電流Ｉ_Ｇは、ゲート酸化物材料間をトンネリングするキャリアによりゲートへ流れる。過去において、閾値下の漏れ電流は、スタティック項の支配的な成分であった。しかし、近年の回路は、性能を改良するために、非常に小型のゲート厚を用いて構築されている。これらのより小型のゲート厚の効果は、ゲート漏れ項を指数関数的に押し上げる。図１Ｃは、電力消費項の相対的な大きさを示すグラフを表わす。示されるように、ダイナミック電力は、時間とともに徐々に増加する一方、スタティック電力は、より高速に増加する。

多くの設計の方法論において、交流（ＡＣ）または電池で実行するシステムには、同じ基礎設計が利用される。周波数および電源電圧は、通常、電池ベースのシステムのダイナミック電力損失をカットするために低減される。これは、未来のシステムでは問題になる。なぜなら、低電力スリープモードの間のスタティック電力損失は、ラップトップコンピュータのようなシステムのスタンバイ寿命を不当に制限し得るからである。

スリープモードの間のスタティック電力損失を最小化するために、幾つかの技術が提案されてきた。これらの技術の多くは、従来最大のスタティック電力成分であった閾値下の漏れを最小化することを探し求めてきた。例えば、スリープモードの間に有効閾値電圧を生じさせるために、閾値下の漏れがより少ないより閾値の高いデバイスが利用されてもよいし、あるいは、ボディバイアスが印加されてもよい。不運なことに、これらの技術は、ゲート漏れ電流を低減するためには、何もしない。

従って、スリープモードの間にＣＭＯＳ集積回路におけるゲート漏れ電流を効果的に低減する方法および装置が、必要とされる。

本発明により、スリープモードの間の集積回路において低ゲート漏れ電流を達成する方法であって、スリープモードに入るときに、集積回路に印加される電源電圧を低電圧レベルまで低減するステップを包含し、該低電圧レベルは、低ゲート漏れ電流を達成するだけ十分に低いが、該集積回路の状態を維持するだけ十分に高い、方法が提供され、これにより上記目的が達成される。

前記低電圧レベルが低いため、前記集積回路がデータの計算動作を実行することができなくてもよい。

前記低電圧レベルは、前記集積回路のトランジスタの閾値電圧より低くてもよい。

スリープモードが終了しようとしていることを検出するときに、前記電源電圧を通常動作電圧まで回復させるステップをさらに包含してもよい。

前記電源電圧を低減するステップは、前記低電圧レベルまで該電源電圧を徐々にランプ状に変化させて、その電圧の変化によって生じるノイズを低減するステップを含んでもよい。

前記電源電圧を回復させるステップは、前記通常動作電圧まで該電源電圧を徐々にランプ状に変化させて、その電圧の変化によって生じるノイズを低減するステップを含んでもよい。

前記電源電圧を低減するステップは、前記低電圧レベルまで別々のステップで該電源電圧を階段状に変化させて、その電圧の変化によって生じるノイズを低減するステップを含んでもよい。

前記電源電圧を回復させるステップは、前記通常動作電圧まで別々のステップで該電源電圧を階段状に変化させて、その電圧の変化によって生じるノイズを低減するステップを含んでもよい。

前記低電圧レベルはまた、前記集積回路に低閾値下の漏れ電流を提供するだけ十分に低くてもよい。

本発明により、スリープモードの間の集積回路において低ゲート漏れ電流を達成する装置であって、スリープモードに入るときに、集積回路に印加される電源電圧を低電圧レベルまで低減するように構成される低減メカニズムを備え、該低電圧レベルは、低ゲート漏れ電流を達成するだけ十分に低いが、該集積回路の状態を維持するだけ十分に高い、装置が提供され、これにより上記目的が達成される。

スリープモードが終了しようとしていることを検出するときに、前記電源電圧を通常動作電圧まで回復させるように構成される回復メカニズムをさらに備えていてもよい。

前記電源電圧を低減することは、前記低電圧レベルまで該電源電圧を徐々にランプ状に変化させて、その電圧の変化によって生じるノイズを低減することを含んでもよい。

前記電源電圧を回復させることは、前記通常動作電圧まで該電源電圧を徐々にランプ状に変化させて、その電圧の変化によって生じるノイズを低減することを含んでもよい。

前記電源電圧を低減することは、前記低電圧レベルまで別々のステップで該電源電圧を階段状に変化させて、その電圧の変化によって生じるノイズを低減することを含んでもよい。

前記電源電圧を回復させることは、前記通常動作電圧まで別々のステップで該電源電圧を階段状に変化させて、その電圧の変化によって生じるノイズを低減することを含んでもよい。

本発明により、スリープモードの間に低ゲート漏れ電流を達成する集積回路であって、スリープモードに入るときに、集積回路に印加される電源電圧を低電圧レベルまで低減するように構成される低減メカニズムを備え、該低電圧レベルは、低ゲート漏れ電流を達成するだけ十分に低いが、該集積回路の状態を維持するだけ十分に高い、集積回路が提供され、これにより上記目的が達成される。

（要旨）
本発明のある実施形態では、スリープモードの間の集積回路における低ゲート漏れ電流を達成するシステムを提供する。スリープモードに入ると、システムは、集積回路に印加される電源電圧を低電圧レベルまで低減し、低電圧レベルは、低ゲート漏れ電流を提供するだけ十分に低いが、集積回路の状態を維持するだけ十分に高い。

この実施形態の変形では、低電圧レベルが低いため、集積回路がデータの消費動作を実行することができない。

この実施形態の変形では、低電圧レベルは、集積回路のトランジスタの閾値電圧よりも下である。

この実施形態の変形では、システムがスリープモードが終了しようとしていることを検出するとき、システムは、通常動作電圧まで電源電圧を回復させる。

さらなる変形では、電源電圧を低減することは、低電圧レベルまで電源電圧を徐々にランプ状に変化させて、その電圧の変化によって生じるノイズを低減することを含む。

さらなる変形では、電源電圧を回復させることは、通常動作電圧まで電源電圧を徐々にランプ状に変化させて、その電圧の変化によって生じるノイズを低減することを含む。

さらなる変形では、電源電圧を低減することは、低電圧レベルまで電源電圧を別個のステップで階段状に変化させて、その電圧の変化によって生じるノイズを低減することを含む。

さらなる変形では、電源電圧を回復させることは、通常動作電圧まで電源電圧を別個のステップで階段状に変化させて、その電圧の変化によって生じるノイズを低減することを含む。

さらなる変形では、低電圧レベルはまた、集積回路に低閾値下の漏れ電流を提供するだけ十分に低い。

本発明により、スリープモードの間にＣＭＯＳ集積回路におけるゲート漏れ電流が効果的に低減される。

（詳細な説明）
以下の記載は、当業者なら誰しも本発明を実施し、かつ、利用することが可能になるように表現され、特定の用途および要件の文脈で提供される。開示される実施形態に対する様々な改変が、当業者に容易に理解され、本明細書中に記載される一般原理は、本発明の意図および範囲から逸脱することなく、他の実施形態および用途に適用され得る。従って、本発明は、示される実施形態に制限されるのではなく、本明細書中に開示される原理および特徴と一致する最大範囲を許容されることが意図される。

（電力消費）
図２は、本発明の実施形態による、いくつかのゲート厚に対するゲート漏れ電流密度対印加された電圧を示すグラフを表わす。矢印は、様々なプロセスの発生の間の酸化物の厚さ（Ｔ_Ｇ）およびゲート電圧（Ｖ_Ｇ）の予測されるスケーリングを示す。なお、ゲート漏れ電流密度（Ｊ_Ｇ）は、ゲート厚が減少するにつれて指数関数的に増加する。なお、ゲート漏れ電流は、約０．３Ｖまでゲート電圧（Ｖ_Ｇ）を低減することによって、約３桁の大きさが低減され得る。この電圧レベルは、デバイスがスリープモードにありクロックされていない場合に、ＣＭＯＳデバイスの状態を維持するために十分である。

大部分の集積回路デバイスは、外部電圧レギュレータから電力を受け取る。多くのシステムでは、このレギュレータは、調節可能である。例えば、いくつかのラップトップマイクロプロセッサは、ラップトップがＡＣ電源にプラグ接続される場合には、高速動作のためのより高い供給電圧を利用し、さらに、電池で動作する場合には、ダイナミック電力を保存するためにより低い供給電圧を利用する。この電源は、ゲート漏れ電流が許容されるレベルになるまで、スリープモードの間にさらに低減され得る。

（より低い電圧までのランプ状の変動）
図３は、本発明の実施形態による、スリープモードの間のより低いレベルまで電圧をランプ状に変化させるプロセスを示すグラフを表わす。システムがスリープモードに入ると、電圧レギュレータは、より低い「スリープモード」電圧まで電圧をランプ状に変化させる。通常動作を再開する直前で、電圧レギュレータは、ダイナミック動作の通常電圧まで電圧をランプ状に上昇させる。電圧がランプ状に上下する率は、ＣＭＯＳ回路のノイズ耐久レベルに基づいて決定され得る。

（より低い電圧までの階段状の変動）
図４は、本発明の実施形態による、スリープモードの間のより低いレベルまで電圧を階段状に変化させるプロセスを示すグラフを表わす。システムがスリープモードに入るとき、電圧レギュレータは、より低い「スリープモード」電圧まで別々のステップで電圧を階段状に変化させる。通常動作を再開する直前に、電圧レギュレータは、ダイナミック動作の通常電圧まで別々のステップアップで電圧を階段状に変化させる。ステップの数および大きさは、ＣＭＯＳ回路のノイズの耐久レベルに基づいて決定され得る。

（電圧レギュレーション）
図５は、本発明の実施形態による電圧レギュレーションシステムを示す。このシステムは、ＣＭＯＳ集積回路５０２、電圧レギュレータ５０４、および電源５０６を備える。電源５０６は、電圧レギュレータ５０４を介して集積回路５０２にＤＣ電力を提供する。電圧レギュレータ５０４がスリープモード信号５０８を受け取るとき、電圧レギュレータは、ゲート漏れ電流は低減されるが、集積回路５０２が状態を維持し得ないほどには低くはならない程度に十分に低いレベルまで、集積回路５０２に印加される電圧を低減する。この低電圧レベルは、例えば、図２に示されるグラフに類似するグラフを調べることによって、決定され得る。この実施形態の変形では、電圧は、閾値下の漏れ電流を低減するさらに低いレベルまで低減される。

閾値下の漏れは、ドレインソース電圧Ｖ_ｄｓに指数関数的に依存し、熱電圧Ｖ_ｔ（室温で〜２５ｍＶ）の数倍で完全な値に達する。しかしながら、この漏れは、電源をＶ_ｔのオーダの電圧まで低下させることによって低減され得る。このような低電圧レベルでは、ノイズがシステム状態を妨害しないことのケアが取られなければならない。

スリープモード信号５０８が通常の動作を再開する前に取り除かれる場合、電圧レギュレータ５０４は、通常の動作レベルまで電圧を戻す。なお、電圧レギュレータ５０４は、異なるレベル間で、電圧をランプ状に変化させるか、あるいは、電圧を階段状に変化させるかのどちらかを行い得る。

（電力消費の低減）
図６は、本発明の実施形態による、スリープモードの間の電源電圧を低減し、スリープモードが終了するときに電圧を回復させるプロセスを示すフローチャートを表わす。このシステムは、システムがスリープモードに入ることを示す信号が検出されたときに（６０２）開始する。次に、システムは、電圧レギュレータに信号を送り、システムの集積回路に印加された電圧を低減する（ステップ６０４）。これに応答して、電圧レギュレータは、図５に関連して上述された電圧を低減する。その後、システムは、スリープモードが今まさに終了しようとしていることの信号を待つ（ステップ６０６）。

スリープモードが今まさに終了しようとしていることの信号を受け取ると、システムは、システムの集積回路への電圧を通常の動作値まで回復させる（ステップ６０８）。最終的に、システムは、スリープモードを離れ、通常動作を継続する（ステップ６１０）。

本発明の実施形態の以上の説明は、例示および説明のためだけに提示された。包括的であるか、または、本発明を開示された実施形態に限定することは意図されない。従って、当業者には、多くの改変および変更が理解され得る。さらに、上述の開示は、本発明を限定することを意図されない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって規定される。
（要約）
本発明の１つの実施形態は、スリープモードの間の集積回路における低ゲート漏れ電流を達成するシステムを提供する。スリープモードに入るときに、システムは、集積回路に印加される電源電圧を低電圧レベルまで低減し、ここで、この低電圧レベルは、低ゲート漏れ電流を提供するだけ十分に低いが、集積回路の状態を維持するだけ十分に高い。

図１Ａは、ＮＭＯＳトランジスタの閾値下の漏れ電流を示す。図１Ｂは、ＮＭＯＳトランジスタのゲート漏れ電流を示す。図１Ｃは、スタティックおよびダイナミック電力消費成分の相対的な大きさを示すグラフを表わす。図２は、本発明の実施形態による、いくつかのゲート厚に対するゲート漏れ電流密度対印加された電圧を示すグラフを表わす。図３は、本発明の実施形態による、スリープモードの間の低電圧レベルまで電源電圧をランプ状に変化させるプロセスを示すグラフを表わす。図４は、本発明の実施形態による、スリープモードの間の低電圧レベルまで電圧を階段状に変化させるプロセスを示すグラフを表わす。図５は、本発明の実施形態による、電圧レギュレーションシステムを示す。図６は、本発明の実施形態による、スリープモードの間の電源電圧を低減し、スリープモードが終了するときに電源電圧を回復させるプロセスを示すフローチャートを表わす。

符号の説明

５０２集積回路
５０４電圧レギュレータ
５０６電源
５０８スリープモード信号

Claims

スリープモードの間の集積回路において低ゲート漏れ電流を達成する方法であって、スリープモードに入るときに、集積回路に印加される電源電圧を低電圧レベルまで低減するステップを包含し、該低電圧レベルは、低ゲート漏れ電流を達成するだけ十分に低いが、該集積回路の状態を維持するだけ十分に高い、方法。
前記低電圧レベルが低いため、前記集積回路がデータの計算動作を実行することができない、請求項１に記載の方法。
前記低電圧レベルは、前記集積回路のトランジスタの閾値電圧より低い、請求項１に記載の方法。
スリープモードが終了しようとしていることを検出するときに、前記電源電圧を通常動作電圧まで回復させるステップをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
前記電源電圧を低減するステップは、前記低電圧レベルまで該電源電圧を徐々にランプ状に変化させて、その電圧の変化によって生じるノイズを低減するステップを含む、請求項４に記載の方法。
前記電源電圧を回復させるステップは、前記通常動作電圧まで該電源電圧を徐々にランプ状に変化させて、その電圧の変化によって生じるノイズを低減するステップを含む、請求項４に記載の方法。
前記電源電圧を低減するステップは、前記低電圧レベルまで別々のステップで該電源電圧を階段状に変化させて、その電圧の変化によって生じるノイズを低減するステップを含む、請求項４に記載の方法。
前記電源電圧を回復させるステップは、前記通常動作電圧まで別々のステップで該電源電圧を階段状に変化させて、その電圧の変化によって生じるノイズを低減するステップを含む、請求項４に記載の方法。
前記低電圧レベルはまた、前記集積回路に低閾値下の漏れ電流を提供するだけ十分に低い、請求項１に記載の方法。
スリープモードの間の集積回路において低ゲート漏れ電流を達成する装置であって、スリープモードに入るときに、集積回路に印加される電源電圧を低電圧レベルまで低減するように構成される低減メカニズムを備え、該低電圧レベルは、低ゲート漏れ電流を達成するだけ十分に低いが、該集積回路の状態を維持するだけ十分に高い、装置。
前記低電圧レベルが低いため、前記集積回路がデータの計算動作を実行することができない、請求項１０に記載の装置。
前記低電圧レベルは、前記集積回路のトランジスタの閾値電圧より低い、請求項１０に記載の装置。
スリープモードが終了しようとしていることを検出するときに、前記電源電圧を通常動作電圧まで回復させるように構成される回復メカニズムをさらに備える、請求項１０に記載の装置。
前記電源電圧を低減することは、前記低電圧レベルまで該電源電圧を徐々にランプ状に変化させて、その電圧の変化によって生じるノイズを低減することを含む、請求項１３に記載の装置。
前記電源電圧を回復させることは、前記通常動作電圧まで該電源電圧を徐々にランプ状に変化させて、その電圧の変化によって生じるノイズを低減することを含む、請求項１３に記載の装置。
前記電源電圧を低減することは、前記低電圧レベルまで別々のステップで該電源電圧を階段状に変化させて、その電圧の変化によって生じるノイズを低減することを含む、請求項１３に記載の装置。
前記電源電圧を回復させることは、前記通常動作電圧まで別々のステップで該電源電圧を階段状に変化させて、その電圧の変化によって生じるノイズを低減することを含む、請求項１３に記載の装置。
前記低電圧レベルはまた、前記集積回路に低閾値下の漏れ電流を提供するだけ十分に低い、請求項１０に記載の装置。
スリープモードの間に低ゲート漏れ電流を達成する集積回路であって、スリープモードに入るときに、集積回路に印加される電源電圧を低電圧レベルまで低減するように構成される低減メカニズムを備え、該低電圧レベルは、低ゲート漏れ電流を達成するだけ十分に低いが、該集積回路の状態を維持するだけ十分に高い、集積回路。
前記低電圧レベルが低いため、前記集積回路がデータの計算動作を実行することができない、請求項１９に記載の集積回路。
前記低電圧レベルは、前記集積回路のトランジスタの閾値電圧より低い、請求項１９に記載の集積回路。
スリープモードが終了しようとしていることを検出するときに、前記電源電圧を通常動作電圧まで回復させるように構成される回復メカニズムをさらに備える、請求項１９に記載の集積回路。
前記電源電圧を低減することは、前記低電圧レベルまで該電源電圧を徐々にランプ状に変化させて、その電圧の変化によって生じるノイズを低減することを含む、請求項２２に記載の集積回路。
前記電源電圧を回復させることは、前記通常動作電圧まで該電源電圧を徐々にランプ状に変化させて、その電圧の変化によって生じるノイズを低減することを含む、請求項２２に記載の集積回路。
前記電源電圧を低減することは、前記低電圧レベルまで別々のステップで該電源電圧を階段状に変化させて、その電圧の変化によって生じるノイズを低減することを含む、請求項２２に記載の集積回路。
前記電源電圧を回復させることは、前記通常動作電圧まで別々のステップで該電源電圧を階段状に変化させて、その電圧の変化によって生じるノイズを低減することを含む、請求項２２に記載の集積回路。
前記低電圧レベルはまた、前記集積回路に低閾値下の漏れ電流を提供するだけ十分に低い、請求項１９に記載の集積回路。