JP2007027285A - 半導体デバイス - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 一又は二以上の回路ブロック10−1〜10−nを有するデジタル回路1aが搭載された半導体デバイスにおいて、クロックを分配するクロック配線20と、データを分配するデータ配線30とを備え、クロック配線20のクロック主経路21が、クロック分岐路22の各分岐点間に接続されたクロック用バッファ25を有し、データ配線30のデータ主経路31が、データ分岐路32の各分岐点間に接続されたデータ用バッファ35を有し、それらクロック用バッファ25及びデータ用バッファ35にBIAS信号を与えるバイアス配線40と、BIAS信号を生成する遅延ロックループ回路(DLL)60とを備えた。
【選択図】 図1
Description
クロックやデータの分配は、伝播遅延時間が小さく、クロックとデータ間のSKEWが少なく、消費電力が小さく、分配回路自身が発生するノイズが小さいことが望まれるが、現実的には、これらのトレードオフで、クロックやデータの分配が実現されている。
図8は、クロック分配方式の一般的な回路イメージ、図9は、半導体デバイスにおけるクロック分配方式の一般的なレイアウトの例である。
それら図8及び図9に示すクロック分配方式は、H−Tree構造と呼ばれるクロック分配構造である。これは、逆トーナメント式に分配を増やしていく方式で、分配先のファンアウトや配線負荷などを同条件にして、配線遅延や負荷容量を同一にすることで、分配経路の遅延時間の差を同一にするものである(例えば、特許文献1〜2参照。)。
例えば、駆動能力の高いバッファを用いて、長い配線や大きいファンアウトの回路を駆動するため、図10に示すように、消費電流が時間的に集中し、バイパスコンデンサでは、補償できない周波数帯の大きなノイズを生成していた。
これは、上述した電圧変動に対する遅延時間の変動の割合も、回路が異なると変化してしまうことから、Eye開口(アイ開口)を狭めてしまう原因となっていた。
なお、ここでアイ開口とは、各周期ごとのクロック波形を重ね合わせてできた波形のうち、その波形の中央にできた開口部分(目のようなかたちをした中央開口部分)をいう。
そして、そのノイズの低減等により、データ波形の時間方向のぶれ(ばらつき)が少なくなることから、アイ開口を確保しながらデータを伝播・分配させることができる。
そして、クロック用バッファやデータ用バッファの各段の消費電力が等しくなるとともに、分配回路の遅延時間がクロックの周期の整数倍となるようにコントロールされるため、とくにクロック分配回路の消費電力が時間方向に平坦となって、ノイズを低減することができる。
さらに、遅延ロックループ回路でコントロールすることから、外来の電源電圧変動や温度変動が起こっても追従するため、分配回路の遅延時間を一定に保つことができる。
また、遅延時間制御信号を与えてクロックとデータとの伝播遅延時間が同一となるようにすることで、データ波形のばらつきの影響が小さくなるため、アイ開口を確保しながらデータを分配することができる。
また、クロック分岐路やデータ分岐路にクロックとデータ間のSKEWを補償するためのバッファを接続することで、チップ全体に分配されたクロックとデータ間のSKEWを抑制できる。
まず、本発明の半導体デバイスの第一実施形態について、図1を参照して説明する。
同図は、本実施形態の半導体デバイスに搭載されるデジタル回路の構成を示す回路図である。
同図に示すように、本実施形態の半導体デバイスに搭載されるデジタル回路1aは、回路ブロック10−1〜10−nと、クロック配線20と、データ配線30と、バイアス配線40と、データ保持回路50とを備えた構成としてある。
第一保持回路11−1〜11−nは、データ配線30からのデータを入力する。そして、クロック配線20からクロックを入力し、このクロックの入力タイミングにもとづいて、データを出力する。この出力されたデータは、ロジック回路12−1〜12−nへ送られる。なお、第一保持回路11−1〜11−nは、例えばフリップフロップやラッチ回路などで構成することができる。
第二保持回路13−1〜13−nは、ロジック回路12−1〜12−nから出力された信号(出力データ)を入力する。そして、クロック配線20からクロックを入力し、このクロックの入力タイミングにもとづいて、信号(出力データ)を出力する。なお、第二保持回路13−1〜13−nは、例えばフリップフロップやラッチ回路などで構成することができる。
クロック主経路21は、クロック入力端子23から入力されたクロックを伝送する経路である。
クロック分岐路22は、各回路ブロック10−1〜10−nごとにクロック主経路21との間を接続する経路であって、クロック主経路21から各回路ブロック10−1〜10−nへクロックを送るものである。
このクロック主経路21における複数のクロック分岐点24の各間にはクロック用バッファ25が接続(挿入)されている。
このクロック用バッファ25は、クロック入力端子23と、このクロック入力端子23に最も近いクロック分岐点24との間にも接続される。
なお、クロック用バッファ25の構成については、後述の「クロック用バッファ,データ用バッファの構成について」にて説明する。
データ主経路31は、データ入力端子33から入力されたデータを伝送する経路である。
データ分岐路32は、各回路ブロック10−1〜10−nごとにデータ主経路31との間を接続する経路であって、データ主経路31から各回路ブロック10−1〜10−nへデータを送るものである。
このデータ主経路31における複数のデータ分岐点34の各間にはデータ用バッファ35が接続(挿入)されている。
このデータ用バッファ35は、データ入力端子33と、このデータ入力端子33に最も近いデータ分岐点34との間にも接続される。
なお、データ用バッファ35の構成については、後述の「クロック用バッファ,データ用バッファの構成について」にて説明する。
その遅延時間制御信号を与えることにより、クロック用バッファ24及びデータ用バッファ34の各段の伝播遅延時間を同一にする。これにより、各回路ブロック10−1〜10−nに入力されるデータ波形の時間方向の差異(ばらつき)が小さくなり、アイ開口を確保してデータを伝播・分配することができる。
なお、遅延時間制御信号を与える回路の構成は、次の「クロック用バッファ,データ用バッファの構成について」にて説明する。
同図は、バッファ(クロック用バッファとデータ用バッファのいずれも含む)の構成例を示す回路図であって、同図(a)は、シングル(Single)簡略型遅延回路、同図(b)は、シングル(Single)型遅延回路、同図(c)は、差動型遅延回路を示す。なお、バッファは、同図(a),(b),(c)のいずれかにより構成することができる。
NチャネルMOSFETのドレインとPチャネルMOSFETのソースとは接続されており、NチャネルMOSFETのソースは接地されていて、PチャネルMOSFETのドレインには所定の電圧が印加される。さらに、PチャネルMOSFETのゲートにはBIASPが入力され、NチャネルMOSFETのゲートには信号(クロック経路ではクロック、データ経路ではデータ)が入力される(In)。そして、NチャネルMOSFETのドレインとPチャネルMOSFETのソースとの接続点からは、BIASPにもとづき遅延された信号(クロック経路ではクロック、データ経路ではデータ)が出力される(Out)。
第一PチャネルMOSFETのソースと第二PチャネルMOSFETのドレインとが接続されており、第二PチャネルMOSFETのソースと第一NチャネルMOSFETのドレインとが接続されており、第一NチャネルMOSFETのソースと第二NチャネルMOSFETのドレインとが接続されている。また、第二NチャネルMOSFETのソースは接地されていて、第一PチャネルMOSFETのドレインには所定の電圧が印加される。さらに、第一PチャネルMOSFETのゲートにはBIASPxが入力され、第二NチャネルMOSFETのゲートにはBIASNxが入力され、第二PチャネルMOSFETのゲート及び第一NチャネルMOSFETのゲートには信号(クロック経路ではクロック、データ経路ではデータ)が入力される(In)。そして、第二PチャネルMOSFETのソースと第一NチャネルMOSFETのドレインとの接続点からは、BIASPx及びBIASNxにもとづき遅延された信号(クロック経路ではクロック、データ経路ではデータ)が出力される(Out)。
すなわち、シングル型遅延回路は、中程にCMOSインバータを備え、その両側に電流源を有した構成となっている。
また、二つのシングル簡略型遅延回路の各NチャネルMOSFETのゲートに信号(一方がINP、他方がINN)が入力され、シングル簡略型遅延回路の各PチャネルMOSFETのゲートに信号(BIASPx or Vss)が入力される。
そして、二つのシングル簡略型遅延回路の一方から信号Qが、他方から信号XQがそれぞれ出力される。
このシングル型遅延回路の中程にあるインバータがHiに遷移すると、Hi側の電流源(第一PチャネルMOSFET)から負荷(Out)に対して電流が流れて、負荷容量がチャージされる。一方、Low側に遷移すると、今度は負荷側から電源側に電流を逃がして遷移する。それら流れる電流を、シングル型遅延回路の両側に接続されたMOSFETが電流源として使用しており、チャージされるときもディスチャージされるときも、電流を流すようにコントロールしようというものである。
その電流源には、ある種のバイアス発生源が接続されており、そのバイアス発生源の最終段のトランジスタとカレントミラー接続している。カレントミラー接続しているため、一箇所のバイアス発生器で流している電流がミラーされ、それぞれミラーされて、すべてのトランジスタで、バイアス電流に近い電流で制限され、それぞれのバッファが遷移する際に負荷容量に対して充電する電流をコントロールするということになる。
同図は、本実施形態の半導体デバイスに搭載されたデジタル回路を動作させたときのクロックの入力((a)Clock in)、出力((b)Clock Out(回路Block In))、消費電力((c)Clock分配消費電流)の各波形である。
そして、このようにノイズの抑制が可能なことから、図4に示すようなデータ波形の時間方向のぶれ(ばらつき)の影響を小さくできる。このため、アイ開口を確保しながらデータを伝播・分配することが可能となる。
次に、本発明の半導体デバイスの第二実施形態について、図5を参照して説明する。
同図は、本実施形態の半導体デバイスに搭載されるデジタル回路の構成を示す回路図である。
本実施形態は、第一実施形態と比較して、クロックが返送されるクロック返送路と、遅延時間制御信号を出力する遅延ロックループ回路(DLL)とを新たに備えた点で相違する。他の構成要素は第一実施形態と同様である。
したがって、図5において、図1と同様の構成部分については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
ここで、クロック配線20は、クロック主経路21と、クロック分岐路22と、クロック入力端子23と、クロック分岐点24と、クロック用バッファ25と、クロック返送路26とを有している。
クロック返送路26は、クロック主経路21によりその終端まで伝播されたクロックをクロック入力端子23付近まで返送する経路である。このクロック返送路26の起点は、クロック主経路21上にあってもよく、また、クロック分岐路24上にあってもよい。
返送路用バッファ27は、クロック主経路21に接続されたクロック用バッファ24の各段に対応して接続されている。つまり、クロック用バッファ24と返送路用バッファ27とは段数が同一である。
クロック用バッファ24と返送路用バッファ27とはそれぞれ段数が同一であり、かつ、遅延時間制御信号(BIAS)によりクロックの伝播遅延時間も各段で同じとなっている。このため、それらクロック用バッファ24と返送路用バッファ27の各段での消費電力が等しくなっている。
位相比較器61は、クロック主経路21に入力されるクロック(伝送クロック)と、クロック返送路26により返送されてきたクロック(返送クロック)とを入力し、これら信号間の位相を検出し、この検出結果を位相信号として出力する。
カウンタ62は、位相比較器61から位相信号を入力し、その位相信号にもとづき制御信号を生成して出力する。
このような構成により、DLL60では、クロック配線20での伝播遅延時間がクロック周期の整数倍になるようにBIAS信号をコントロールする。
なお、DLL60では、伝送クロックと返送クロックが入力される。返送クロックは、通常、伝送クロックからちょうど1サイクル遅れてDLL60に入力されるものである。位相比較器61は、それら伝送クロックと返送クロックの各位相を比較して、返送クロックが伝送クロックの1サイクル遅れよりも進んでいるか遅れているかを判断し、その結果を示す信号をカウンタ62へ送る。カウンタ62では、その信号にもとづいてカウントをアップまたはダウンする。DAC63では、カウンタ62でのカウント値にもとづいて、遅れまたは進みの信号(BIAS信号)を出力する。これにより、返送クロックが伝送クロックのちょうど1サイクル遅れでDLL60に入力されるように調整される。すなわち、DLL60は、クロック配線20での伝播遅延時間がクロック周期の整数倍になるようにBIAS信号をコントロールしている。
そして、同図では、例えば、1発目のクロックがクロック主経路12に入力されてから出力されるまでに、クロック用バッファ25により所定時間遅延するが(同図(a),(b))、その間、クロック主経路21では消費電流が抑制されていることが(c)から把握できる。
次に、本発明の半導体デバイスの第三実施形態について、図7を参照して説明する。
同図は、本実施形態の半導体デバイスに搭載されるデジタル回路の構成を示すブロック図である。
本実施形態は、第一実施形態と比較して、クロックを返送するクロック返送路と、遅延時間制御信号を送るDLLとを新たに備え、さらにクロック配線の分岐路とデータ配線の分岐路のそれぞれにバッファを接続した点で相違する。他の構成要素は第一実施形態と同様である。
したがって、図7において、図1と同様の構成部分については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
クロック配線20のクロック分岐路22には、それぞれバッファ28−1〜28−nが接続されている。また、データ配線30のデータ分岐路32には、それぞれバッファ38−1〜38−nが接続されている。これらバッファ28−1〜28−nとバッファ38−1〜38−nとは、回路ブロック10−1、10−2、・・・、10−n間のSKEWを補償するために接続される。
例えば、クロック主経路21(データ主経路31)に接続されるクロック用バッファ25(データ用バッファ35)がn個の場合、クロック入力端子23(データ入力端子33)に最も近いクロック分岐点24(データ分岐点34)に接続されたクロック分岐路22(データ分岐路32)にはn−1個のバッファ28−1(バッファ38−1)が接続される。
以降、クロック入力端子23(データ入力端子33)から順次遠くなるにしたがって、各クロック分岐路22(データ分岐路32)の有するバッファ28(バッファ38)の数は1ずつ減った数となる。
なお、図7では、説明の便宜上、バッファ28−n(バッファ38−n)の図記号を記載するとともに、そのバッファ28−n(バッファ38−n)は0個であることを示す「×0」を記載してある。
例えば、上述した実施形態では、クロック主経路又はデータ主経路を直線で示したが、半導体デバイス上では、それらクロック主経路又はデータ主経路は直線で配置することに限るものではなく、直角などに曲がった部分を含むこともできる。
10−1〜10−n 回路ブロック
20 クロック配線
21 クロック主経路
22 クロック分岐路
23 クロック入力端子
24 クロック分岐点
25 クロック用バッファ
26 クロック返送路
27 返送路用バッファ
28 分岐路用バッファ
30 データ配線
31 データ主経路
32 データ分岐路
33 データ入力端子
34 データ分岐点
35 データ用バッファ
36 データ返送路
37 返送路用バッファ
38 分岐路用バッファ
40 バイアス配線(制御信号配線)
50 データ保持回路
60 DLL(遅延ロックループ回路)
Claims (5)
- 一又は二以上の回路ブロックと、これら回路ブロックのそれぞれに対してクロックを分配するクロック配線と、前記一又は二以上の回路ブロックのそれぞれに対してデータを分配するデータ配線とを備えた半導体デバイスであって、
前記クロック配線は、前記クロックに所定の遅延量を与えるクロック用バッファを有し、
前記データ配線は、前記データに所定の遅延量を与えるデータ用バッファを有し、
前記半導体デバイスは、
前記クロック用バッファの各段と前記データ用バッファの各段に対して、同一の伝播遅延時間を与えるための遅延時間制御信号を送る制御信号配線を備えた
ことを特徴とする半導体デバイス。 - 前記クロック配線は、前記クロックを伝送するクロック主経路と、各前記回路ブロックごとに前記クロック主経路との間を接続して、前記クロック主経路から前記回路ブロックへ前記クロックを送るクロック分岐路を備え、
前記クロック主経路は、前記クロック分岐路が分岐するクロック分岐点を有し、
前記クロック用バッファは、前記クロック主経路における前記クロック分岐点の各間に接続され、
前記データ配線は、前記データを伝送するデータ主経路と、各前記回路ブロックごとに前記データ主経路との間を接続して、前記データ主経路から前記回路ブロックへ前記データを送るデータ分岐路を備え、
前記データ主経路は、前記データ分岐路が分岐するデータ分岐点を有し、
前記データ用バッファは、前記データ主経路における前記データ分岐点の各間に接続された
ことを特徴とする請求項1記載の半導体デバイス。 - 前記クロック分岐路は、クロック分岐路用バッファを備え、
前記データ分岐路は、データ分岐路用バッファを備え、
前記制御信号配線は、前記クロック分岐路により伝播されるクロックの伝播遅延時間と前記データ分岐路により伝播されるデータの伝播遅延時間とが同一となるように前記クロック分岐路用バッファ及び前記データ分岐路用バッファに対して遅延時間制御信号を与える
ことを特徴とする請求項2記載の半導体デバイス。 - 前記クロック配線は、クロック主経路により伝播されたクロックを返送するクロック返送路を備え、
前記半導体デバイスは、前記クロック主経路に入力されたクロックと前記クロック返送路から出力されたクロックとを入力して前記遅延時間制御信号を生成し前記制御信号配線へ送る遅延ロックループ回路を備えた
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の半導体デバイス。 - 前記クロック返送路は、返送路用バッファを備え、
前記制御信号配線は、前記クロック主経路により伝播されるクロックの伝播遅延時間と前記クロック返送路により伝播されるクロックの伝播遅延時間とが同一となるように前記クロック用バッファ及び前記返送路用バッファに対して遅延時間制御信号を与える
ことを特徴とする請求項4記載の半導体デバイス。
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