JP2007165527A - 半導体集積回路の制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】製造コストや消費電力を低減できる半導体集積回路の制御方法を提供する。
【解決手段】期間T1においてリセット信号およびクロック信号の生成処理が完了した後に、内部温度が温度Bへ到達するまでリセット状態を保つ。内部温度が温度Bへ到達すると、期間T2として、リセット信号の解除および初期設定動作シーケンスの開始を行う。これにより、初期設定動作が行われるときの内部温度の最低値を温度Aより高くすることが可能となる。
【選択図】図1
【解決手段】期間T1においてリセット信号およびクロック信号の生成処理が完了した後に、内部温度が温度Bへ到達するまでリセット状態を保つ。内部温度が温度Bへ到達すると、期間T2として、リセット信号の解除および初期設定動作シーケンスの開始を行う。これにより、初期設定動作が行われるときの内部温度の最低値を温度Aより高くすることが可能となる。
【選択図】図1
Description
本発明は、半導体集積回路の制御方法に関し、特に、温度が下がるほど動作可能な周波数が下がる半導体集積回路における製造コストや消費電力を低減するための技術に関する。
トランジスタの閾値電圧(Vth)に対して電源電圧の高い、電源電圧がだいたい1.5V以上の従来のプロセスでは、ゲート遅延はドレインノードの充放電時間が支配的であり、ノードの容量Cが一定であるとすると、トランジスタのソース−ドレイン電流(Ids)によりゲート遅延量が決まる。Idsは低温ほど大きく、温度が高くなれば減少する温度特性を持っているため、電源電圧の高いプロセスでは温度が高い方がゲート遅延が大きくなる。そのため高温での動作が動作速度(周波数)を見る上では最も厳しい温度条件となる(高温ワースト特性)ため、回路設計/シミュレーションや実デバイス評価では高温時を想定した設計/評価で十分であった。
しかしながら、低電圧化が進んだ先端プロセスでは、特に低消費電力対応のプロセスにおいては、低消費電力化の観点から、Vthをスケーリングに応じて低く設定できず、電源電圧に対するVthの割合が高くなる。そのような低電圧/低リークプロセスの場合、ゲート遅延量はVthの影響が支配的になる場合がある。Vthは高温ほど低く、温度が低くなれば増加する温度特性を持っているため、温度が低い方がゲート遅延が大きくなる。そのためこれらの回路では低温での動作が動作速度(周波数)を見る上では最も厳しい温度条件となる(低温ワースト特性)ため、回路設計/シミュレーションや実デバイス評価では低温時を想定した設計/評価が必要になる。
低温/高温どちらの条件が厳しいかは、ゲート長、回路トポロジ、製造ばらつき、電圧条件などさまざまな要因で決まる。また、マルチVthプロセスでは、トランジスタごとに変わる。傾向としては、リーク電流が特に問題となるメモリ等は低温が厳しく、高速動作を要する回路は高温が厳しくなる。
従って、同一LSI内に、低温でのクリティカルパスと高温でのクリティカルパスが別々に存在することになり、その両方を所望の周波数で動作させる必要がある。
場合によっては、1つのクリティカルパス内に低温が厳しいゲートと高温が厳しいゲートが混在することになる。その場合、低温が厳しいゲートは低温での遅延値を使用し、高温が厳しいゲートは高温での遅延値を使用しなければならず、実際にありえない条件で、過剰なマージンで設計しなければならない。過剰なマージンは、製造コストや消費電力を増やすことにつながる。
また、実デバイスでのテストでは、クリティカルパス内に低温が厳しいゲートと高温が厳しいゲートが混在する場合には現実の最悪値は中間の温度になるため、1点または数点の特定の温度でテストした場合に、それが最も厳しい条件とは限らない。そのため最も厳しい条件でも動作可能な周波数を保証するために、過剰なマージンを見込んだより厳しいテストが必要となり、結果として歩留まりを下げ、製造コストが高くなる。
特許文献1〜4には、高温または低温における動作を安定化させる回路または装置の例が開示されている。
上述したように、従来の半導体集積回路においては、過剰なマージンを見込んで設計やテストを行う必要があるので、製造コストや消費電力が高くなってしまうという問題点があった。
本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、製造コストや消費電力を低減できる半導体集積回路の制御方法を提供することを目的とするものである。
本発明に係る半導体集積回路の制御方法は、動作可能な周波数が温度の上昇に伴い上がる温度領域を少なくとも有する半導体集積回路の制御方法であって、所定の指示が与えられた後に内部温度が所定の温度へ到達するまで半導体集積回路が待機状態を保つ待機工程と、内部温度が所定の温度へ到達した後に半導体集積回路が所定の動作を開始する工程とを備える。
本発明に係る半導体集積回路の制御方法は、動作可能な周波数が温度の上昇に伴い上がる温度領域を少なくとも有する半導体集積回路の制御方法であって、所定の指示が与えられた後に内部温度が所定の温度へ到達するまで半導体集積回路が待機状態を保つ待機工程と、内部温度が所定の温度へ到達した後に半導体集積回路が所定の動作を開始する工程とを備える。従って、所定の温度より低い温度では所望の周波数へ到達する必要がなくなる。よって、高速化のための回路やバッファ等を不要とすることができるので、製造コストや消費電力を低減することが可能となる。
本発明に係る半導体集積回路(LSI)の制御方法は、低温ワースト特性による不具合を避けるために、内部温度が所定の温度へ到達するまで待機するか、あるいは内部温度を積極的に上昇させることを特徴とする。以下、LSI全体が低温ワースト特性を有する場合または低温ワースト特性を有する一部のモジュールがLSIに内蔵される場合における各実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
<実施の形態1>
図1は、実施の形態1に係るLSI100の構成を示すブロック図である。図2のグラフにおいて実線で示されるように、図1のLSI100は、低電圧/低電力プロセスで製造されており、動作可能な周波数が温度の上昇に伴い上がる温度領域を少なくとも有するものとする(図2では、説明の都合上、全温度領域において、動作可能な周波数が温度の上昇に伴い上がる場合(すなわち周波数−温度特性が低温ワーストとなる場合)について示している)。なお、図2においては、従来の、動作可能な周波数が温度の上昇に伴い下がる周波数−温度特性が、比較用に点線で示されている(図2では、説明の都合上、全温度領域において、動作可能な周波数が温度の上昇に伴い下がる場合(高温ワースト特性)について示している)。また、本発明は、動作可能な周波数が温度の上昇に伴い上がる温度領域と動作可能な周波数が温度の上昇に伴い下がる温度領域とが混在する場合においても、適用可能である。
図1は、実施の形態1に係るLSI100の構成を示すブロック図である。図2のグラフにおいて実線で示されるように、図1のLSI100は、低電圧/低電力プロセスで製造されており、動作可能な周波数が温度の上昇に伴い上がる温度領域を少なくとも有するものとする(図2では、説明の都合上、全温度領域において、動作可能な周波数が温度の上昇に伴い上がる場合(すなわち周波数−温度特性が低温ワーストとなる場合)について示している)。なお、図2においては、従来の、動作可能な周波数が温度の上昇に伴い下がる周波数−温度特性が、比較用に点線で示されている(図2では、説明の都合上、全温度領域において、動作可能な周波数が温度の上昇に伴い下がる場合(高温ワースト特性)について示している)。また、本発明は、動作可能な周波数が温度の上昇に伴い上がる温度領域と動作可能な周波数が温度の上昇に伴い下がる温度領域とが混在する場合においても、適用可能である。
図1に示されるように、LSI100は、CPU10とSRAM20と周辺IO30とバスI/F40とPLL50とを備えている。CPU10とSRAM20と周辺IO30とバスI/F40とには、リセット信号等を含む各種信号がそれぞれ入力される。なお、図1においては、リセット信号等を含む各種信号がPLL50に入力されない場合が示されているが、これらの各種信号はPLL50に入力されてもよい。
図3は、一般的なLSIを動作させた場合におけるLSIの内部温度の変化を比較用に示すグラフである。図3においては、一般的なLSIの動作の時系列として、電源を投入した後に、リセット信号を生成する期間T1、初期設定を行う期間T2、および演算などを行う期間T3を考える。
期間T1において、電源を投入する前は内部温度は周囲温度とほぼ同じであるが、リセット信号が生成されこれによりクロック信号が生成されると、温度が少しずつ上がっていく。次に、期間T2において、リセット信号が解除され初期設定動作が開始されると、温度上昇率はさらに高くなる。次に、期間T3において、初期設定動作が完了し本格的に演算が開始されると、さらに高温となる。
図2に示されるように、低温ワースト特性を有するLSIにおいては、内部温度が低くなるほど、動作が遅くなるので、周波数が低くなる。しかしながら、初期設定動作以降の動作は、所望の周波数以上で動作を行う必要がある。従って、図3に示されるように、周囲温度と動作が保証できる下限である温度A(点線)とが等しい場合が、最も厳しい状態となる。
図4は、実施の形態1に係るLSI100の内部温度の変化を示すグラフである(なお、図示の都合上、図3とは縮尺が異なっている。また、図4以降の各図においても、都合に応じて縮尺を変えている)。図4に示されるように、初期設定動作を、リセット信号およびクロック信号の生成処理が完了するのを条件として開始するのではなく、内部温度が温度Aより高い所定の温度Bまで上昇するのを条件として開始することにより、初期設定動作が行われるときの内部温度の最低値を温度Aより高くすることが可能となる。すなわち、LSI100を、内部温度が温度Bへ到達するまで待ってからリセット信号の解除および初期設定動作シーケンスの開始を行うように設計すればよい。
このように、温度Bへの到達を待って初期設定動作を開始することにより、温度Bより低い温度において所望の周波数で動作させる必要がなくなる(すなわち温度Bより低い温度においては所望の周波数より低い周波数で動作させてよい)。従って、リセット信号およびクロック信号が生成された直後に初期設定動作を開始する場合に比べて、高速化のための回路やバッファ等を不要とすることができる。よって、LSI100において、面積を縮小したり消費電力を低減したりすることができる。また、設計に関する制約が緩くなり設計が容易となるので、開発期間を短縮し開発コストを低減することができる。
温度Bへ到達したことを検知するためには、電源が投入される都度にLSI100の内部温度を実際に測定してもよく、あるいは、温度Bへ到達すると見込まれる期間T1’の長さを予め求めておきその期間T1’の経過を以て温度Bへ到達したとみなしてもよい。
温度Bへ到達したことを期間T1’の経過を以て検知する場合には、LSI100は、電源を投入してから経過した時間をタイマやRC積による遅延で測定し、期間T1’を過ぎたら、リセット信号を解除するか、あるいは割り込み処理等で初期設定動作シーケンスを開始させる。なお、期間T1’の長さは、消費電力値や熱抵抗値からシミュレーションにより予め算出しておいてもよく、あるいは、LSI100を試作し実測により求めておいてもよい。
LSI100の内部温度を実際に測定する場合には、LSI100の近くに温度センサを配置するか、あるいは、図5に示されるように、LSI100内部に温度センサ60を配置すればよい。LSI100は、温度センサ60を用いて測定される温度が温度Bへ到達すると同時に、リセット信号を解除するか、あるいは割り込み処理等で初期設定動作シーケンスを開始させる。
また、温度Bへ到達したことを検知する上記以外の手法としては、図6に示されるような、温度に依存する遅延値を有する遅延測定回路200を用いてもよい。遅延測定回路200は、フリップフロップ回路110、温度に依存する遅延値を有するバッファ120〜140、およびフリップフロップ回路150を直列に接続させた構成からなる。また、フリップフロップ回路110,150には、同一のクロック信号が入力される。
図7は、図6の遅延測定回路200を用いた遅延測定動作を示すタイミングチャートである。フリップフロップ回路110からバッファ120へ入力される信号aは、クロック信号のHレベルへの立ち上がりに同期してLレベルへ立ち下がる。この信号aは、バッファ120〜140で温度に依存する遅延を与えられた後に、信号bとしてバッファ140からフリップフロップ回路150へ入力される。フリップフロップ回路150は、入力された信号bとクロック信号との論理和(OR)を信号cとして出力する。
信号bは、温度が比較的に高く所定の遅延値より小さい場合には、実線に示されるように、クロック信号がHレベルのときにLレベルへ立ち下がる。このとき、信号cは、実線に示されるようにLレベルとなる。一方、信号bは、温度が比較的に低く所定の遅延値より大きい場合には、点線に示されるように、クロック信号がHレベルのときにLレベルへ立ち下がる。このとき、信号cは、点線に示されるようにHレベルとなる。すなわち、信号cを用いて、温度を所定の閾値と比較することができる。
なお、図6では、フリップフロップ回路110,150間において、バッファ120〜140を介在させて遅延を生成する場合について説明したが、単なるディレイラインやバッファ/インバータチェーンを介在させてもよく、あるいは、クリティカルパスのレプリカ回路を介在させることによりさらに精度を高めてもよい。具体的には、図6において、バッファ120〜140に代えて、クリティカルパスと全く同じ回路構成および配線形状を有する回路を配置する。これにより、クリティカルパスと同等の遅延を持つ遅延測定回路を実現できる。このような遅延測定回路を実現するためには、クリティカルパスが正確に分かっていることが必要となり、回路構成が大きくなるというデメリットはあるが、バッファ120〜140を用いる場合に比べて、温度や電圧、製造ばらつき等に対する特性の変化が本物のクリティカルパスにより近くなるので、正確な測定を行うことが可能となる。
このように、本実施の形態に係るLSI100では、内部温度が、動作が保証できる下限である温度Aより高い所定の温度Bへ到達するまではリセット状態を保ち、温度Bへ到達してから初期設定動作シーケンスを開始する。従って、温度Bより低い温度では所望の周波数へ到達する必要がなくなる。よって、高速化のための回路やバッファ等を不要とすることができるので、製造コストや消費電力を低減することが可能となる。
なお、上述においては、電源を投入する指示が与えられた場合について説明したが、これに限らず、低電力モードで全部または一部のモジュールを休止させたスタンバイモードから通常動作モードへ復帰する指示や、動作周波数を下げた状態から動作周波数を上げ通常動作モードへ復帰する指示や、割り込みによる起動を行う指示が与えられた場合等においても、同様に、内部温度が温度Bまで上昇してから復帰動作シーケンスを開始させてもよい。
また、上述においては、期間T1において、クロック信号が供給された状態でリセット状態を保つ場合について説明したが、これに限らず、期間T1においてはクロック供給を停止しておき、内部温度が温度Bへ到達した時点でクロック供給を開始してもよい。
また、上述においては、内部温度が温度Bへ到達するまでリセット状態を保つ場合について説明したが、リセット状態に限らず、待機状態であればよい。
また、上述においては、内部温度が温度Bへ到達した後に初期設定動作を開始する場合について説明したが、初期設定動作に限らず、それ以外の所定の動作であってもよい。
<実施の形態2>
実施の形態1においては、LSI100全体が、温度Bへ到達するまで待機状態を保ち温度Bへ到達してから初期設定動作シーケンスを開始させる場合について説明した。しかし、一部のモジュール(例えばSRAM20)のみが低温ワースト特性を有する場合には、LSI100全体が待機状態を保つ必要はなく、SRAM20のみが待機状態を保てばよい。
実施の形態1においては、LSI100全体が、温度Bへ到達するまで待機状態を保ち温度Bへ到達してから初期設定動作シーケンスを開始させる場合について説明した。しかし、一部のモジュール(例えばSRAM20)のみが低温ワースト特性を有する場合には、LSI100全体が待機状態を保つ必要はなく、SRAM20のみが待機状態を保てばよい。
図8は、実施の形態2に係るLSI100の動作を示すグラフである。図8に示されるように、本実施の形態においては、図3と同様に、電源を投入した後に期間T1においてリセット信号(およびクロック信号)の生成処理を行い、生成処理が完了した後に期間T2において初期設定動作を行い、初期設定動作が完了した後に期間T3において演算動作などを行う。また、図8に示されるように、本実施の形態においては、LSI100は、初期設定動作を開始してから内部温度が温度Bへ到達するまでは、低温ワースト特性を有するSRAM20へのアクセスを禁止し、温度Bへ到達するのを待ってアクセスを解除する(SRAM20は、温度Bへ到達するまで待機状態を保つ)。この温度Bは、SRAM20が所望の周波数で動作を行うことができる温度の最低値として定められる。このように定めることにより、SRAM20において、温度Bより低い温度で所望の周波数で動作させる必要がなくなる。
なお、本実施の形態においては、SRAM20以外のモジュールが待機状態を保たず温度Bへ到達するまでSRAM20へのアクセスを禁止すること以外は、実施の形態1と同様の動作を行う。
このように、本実施の形態においては、SRAM20以外のモジュールは、温度Bへ到達する前に初期設定動作を開始する。従って、実施の形態1の効果に加えて、処理能力を高めることができるという効果を奏する。
なお、上述においては、SRAM20を例にとり説明を行ったが、SRAM20に限らず、CPU10や周辺IO30等、LSI100に内蔵される低温ワースト特性を有するモジュール(第1モジュール)であればよい。また、図1に示されていない種類のモジュールであってもよく、さらに、複数個のモジュールが低温ワースト特性を有していてもよい。複数個のモジュールが低温ワースト特性を有する場合には、各回路の温度特性に応じて、複数種類の温度Bが定められることとなる。
<実施の形態3>
実施の形態1では、初期設定動作を内部温度が温度Bまで上昇するのを条件として開始させることにより、温度Bより低い温度においてLSI100を所望の周波数で動作させる必要をなくす場合について説明した。しかし、初期設定動作を所望の周波数で動作させる必要のない低速動作と所望の周波数で動作させる必要のある通常動作(以下では高速動作とも呼ぶ)との2段階に分け、温度Bより低い温度においては低速動作を行ってもよい。
実施の形態1では、初期設定動作を内部温度が温度Bまで上昇するのを条件として開始させることにより、温度Bより低い温度においてLSI100を所望の周波数で動作させる必要をなくす場合について説明した。しかし、初期設定動作を所望の周波数で動作させる必要のない低速動作と所望の周波数で動作させる必要のある通常動作(以下では高速動作とも呼ぶ)との2段階に分け、温度Bより低い温度においては低速動作を行ってもよい。
図9は、実施の形態3に係るLSI100の動作を示すグラフである。図9に示されるように、本実施の形態においては、図3と同様に、電源を投入した後に期間T1においてリセット信号(およびクロック信号)の生成処理を行い、生成処理が完了した後に期間T4として低速で動作を開始する(この場合、初期設定動作が開始される)。そして、内部温度が温度Bへ到達するまで低速動作を行い、内部温度が温度Bへ到達した後は高速動作への切り替え(第1切り替え)を行う(期間T5)。
なお、低速動作における動作速度は、期間T4が開始する時点(の温度)において動作が保証できる上限の速度を第1速度とすると、第1速度より低く定められるものとする。このように定めることにより、LSI100の誤動作を防ぐことができる。
図10に示されるように、低速動作と高速動作との切り替えは、例えば、クロック信号の周波数を切り替えることにより行ってもよい。すなわち、内部温度が温度Bより低い期間T4においては低周波数のクロック信号を用いて低速動作を行い、内部温度が温度Bより高い期間T5においては高周波数のクロック信号を用いて高速動作を行えばよい。
なお、本実施の形態においては、LSI100は、初期設定動作を2段階に分け温度Bより低い温度において低速動作を行うこと以外は、実施の形態1と同様の動作を行う。
このように、本実施の形態においては、リセット状態を保つのではなく、低速で初期設定動作を行う。従って、実施の形態1の効果に加えて、処理能力を高めることができるという効果を奏する。
<実施の形態4>
実施の形態3においては、LSI100全体が、温度Bへ到達するまで低速動作を行ってから、通常動作を開始させる場合について説明した。しかし、一部のモジュール(例えばSRAM20)のみが低温ワースト特性を有する場合には、LSI100全体が低速動作を行う必要はなく、SRAM20のみが低速動作を行えばよい。
実施の形態3においては、LSI100全体が、温度Bへ到達するまで低速動作を行ってから、通常動作を開始させる場合について説明した。しかし、一部のモジュール(例えばSRAM20)のみが低温ワースト特性を有する場合には、LSI100全体が低速動作を行う必要はなく、SRAM20のみが低速動作を行えばよい。
図11は、実施の形態4に係るLSI100の動作を示すグラフである。図11に示されるように、本実施の形態においては、図9と同様に、電源を投入した後に期間T1においてリセット信号(およびクロック信号)の生成処理を行い、生成処理が完了した後に期間T4として低温ワースト特性を有するSRAM20のみが低速で、SRAM20以外のモジュールは高速で(通常速度で)、それぞれ動作を開始する(この場合、初期設定動作が開始される)。
そして、SRAM20は、内部温度が温度Bへ到達するまで低速動作を行い、内部温度が温度Bへ到達した後は高速動作に切り替える(期間T5)。これにより、SRAM20において、温度Bより低い温度で所望の周波数で動作させる必要がなくなる。
なお、本実施の形態においては、LSI100は、温度Bより低い温度において低速動作を行うモジュールがSRAM20のみであること以外は、実施の形態3と同様の動作を行う。
このように、本実施の形態においては、SRAM20以外のモジュールは、温度Bへ到達する前に初期設定動作を開始する。従って、実施の形態3の効果に加えて、処理能力をさらに高めることができるという効果を奏する。
なお、上述においては、実施の形態2と同様に、SRAM20を例にとり説明を行ったが、SRAM20に限らず、CPU10や周辺IO30等、LSI100に内蔵される低温ワースト特性を有するモジュール(第1モジュール)であればよい。また、図1に示されていない種類のモジュールであってもよく、さらに、複数個のモジュールが低温ワースト特性を有していてもよい。複数個のモジュールが低温ワースト特性を有する場合には、各回路の温度特性に応じて、複数種類の温度Bが定められることとなる。
また、動作速度の切り替えは、実施の形態3と同様にクロック信号の周波数を切り替えることにより行ってもよく、あるいは、SRAM20やDRAMのようなメモリの場合には、読み出しまたは書き込みの速度(レイテンシ)を切り替えることにより行ってもよい。
<実施の形態5>
実施の形態3においては、動作速度を2段階で切り替える場合について説明したが、段階数は2個に限らず、3個以上であってもよい。
実施の形態3においては、動作速度を2段階で切り替える場合について説明したが、段階数は2個に限らず、3個以上であってもよい。
図12は、実施の形態5に係るLSI100の動作を示すグラフである。図12に示されるように、本実施の形態においては、図9と同様に、電源を投入した後に期間T1においてリセット信号(およびクロック信号)の生成処理を行い、生成処理が完了した後に期間T4として低速で動作を開始する(この場合、初期設定動作が開始される)。そして、内部温度が温度Cへ到達するまで低速動作を行い、内部温度が温度Cへ到達した後は中速動作への切り替え(第2切り替え)を行う(期間T6)。さらに、内部温度が温度Bへ到達するまで中速動作を行い、内部温度が温度Bへ到達した後は高速動作への切り替え(第3切り替え)を行う(期間T5)。
なお、低速動作における動作速度は、期間T4が開始する時点(の温度)において動作が保証できる上限の速度を第1速度とすると、第1速度より低く定められるものとする。また、中速動作における動作速度は、期間T6が開始する時点(の温度)において動作が保証できる上限の速度を第2速度とすると、第2速度より低く定められるものとする(期間T6が開始する時点においては期間T4が開始する時点より温度が上昇しているので、第2速度は第1速度より高い)。このように定めることにより、LSI100の誤動作を防ぐことができる。
なお、本実施の形態においては、LSI100は、初期設定動作を3段階に分け温度Cより低い温度において低速動作を行い温度C以上で且つ温度Bより低い温度において中速動作を行うこと以外は、実施の形態3と同様の動作を行う。また、段階数は、2個に限らず、例えば第2切り替えと第3切り替えとの間で複数段階の切り替えが行われてもよい。また、LSI100全体ではなく、一部のモジュールのみが動作速度を切り替えてもよい。
このように、本実施の形態においては、実施の形態3における段階数を3個以上に増やすことにより、よりきめ細かく周波数を設定することを可能としている。従って、実施の形態3に比べて、期間T6において(温度が温度C以上で且つ温度Bより低い期間において)、動作させる周波数を高めることができるので、内部温度の上昇率を高め内部温度を早く温度Bへ到達させることが可能となる。よって、初期設定動作を早く開始することができる。すなわち、実施の形態3の効果に加えて、処理能力をさらに高めることができるという効果を奏する。
<実施の形態6>
実施の形態1〜5においては、温度Bへ到達するまで待ってから初期設定動作シーケンスを開始させる場合について説明したが、LSI100は、単に待つだけではなく、内部温度を積極的に高めてもよい。すなわち、LSI100は、初期設定動作シーケンスが開始される前はアイドル状態であるので、動作が保証できる上限の周波数より高い周波数で動作させても誤動作しない。従って、LSI100を、初期設定動作シーケンスが開始される前において、通常動作時より高い周波数で動作させることにより、温度上昇率を高め内部温度を早く温度Bへ到達させることが可能となる。
実施の形態1〜5においては、温度Bへ到達するまで待ってから初期設定動作シーケンスを開始させる場合について説明したが、LSI100は、単に待つだけではなく、内部温度を積極的に高めてもよい。すなわち、LSI100は、初期設定動作シーケンスが開始される前はアイドル状態であるので、動作が保証できる上限の周波数より高い周波数で動作させても誤動作しない。従って、LSI100を、初期設定動作シーケンスが開始される前において、通常動作時より高い周波数で動作させることにより、温度上昇率を高め内部温度を早く温度Bへ到達させることが可能となる。
図13は、実施の形態6に係るLSI100の動作を示すグラフである。図13(a)の実線および図13(b)に示されるように、本実施の形態においては、LSI100は、内部温度が温度Bへ到達するまでは周波数が通常より高いクロックで動作を行い、内部温度が温度Bへ到達するとクロックの周波数を通常値に切り替えるとともに初期設定動作シーケンスを開始する。周波数が高いクロックで動作する場合には、クロックバッファ等のスイッチング回数が増えるので、温度上昇率が高められる。従って、図13(a)においては、実線で示される本実施の形態に係るグラフは、点線で示されるようにクロックを通常の周波数のみで動作させる場合に比べて、温度Bへ早く到達する。
なお、本実施の形態においては、LSI100は、内部温度が所定の温度Bへ到達するまで周波数が通常より高いクロックで動作を行うこと以外は、実施の形態1と同様の動作を行う。
このように、本実施の形態においては、LSI100は、内部温度が温度Bへ到達するまでは周波数が通常動作時より高いクロックでアイドリング動作を行うので、内部温度の上昇率を高め内部温度を早く温度Bへ早く到達させることができる。従って、初期設定動作を早く開始することができる。よって、実施の形態1の効果に加えて、処理能力を高めることができるという効果を奏する。
<実施の形態7>
実施の形態6においては、周波数が通常より高いクロックで動作を行うことにより内部温度を高める場合について説明したが、LSI100は、クロックの周波数に限らず、あるいは、電源電圧を高めることにより内部温度を高めてもよい。
実施の形態6においては、周波数が通常より高いクロックで動作を行うことにより内部温度を高める場合について説明したが、LSI100は、クロックの周波数に限らず、あるいは、電源電圧を高めることにより内部温度を高めてもよい。
図14は、実施の形態7に係るLSI100の動作を示すグラフである。図14(a)の実線および図14(b)に示されるように、本実施の形態においては、LSI100は、内部温度が温度Bへ到達するまでは通常動作時より高い電源電圧で動作を行い、内部温度が温度Bへ到達すると電源電圧を通常値に切り替えるとともに初期設定動作シーケンスを開始する。高い電源電圧で動作する場合には、消費電力が増えるので、温度上昇率が高められる。従って、図14(a)においては、実線で示される本実施の形態に係るグラフは、点線で示されるように通常の電源電圧のみで動作させる場合に比べて、温度Bへ早く到達する。
なお、本実施の形態においては、LSI100は、内部温度が所定の温度Bへ到達するまで通常より高い電源電圧で動作を行うこと以外は、実施の形態1と同様の動作を行う。
このように、本実施の形態においては、LSI100は、内部温度が温度Bへ到達するまでは通常より高い電源電圧で動作を行うので、内部温度の上昇率を高め内部温度を早く温度Bへ到達させることができる。従って、実施の形態6と同様の効果を奏する。
<実施の形態8>
実施の形態6〜7においては、周波数や電源電圧等を高めることによりLSI100の内部温度を高める場合について説明したが、これに限らず、あるいは、LSI100内にヒーターを設けることにより内部温度を高めてもよい。
実施の形態6〜7においては、周波数や電源電圧等を高めることによりLSI100の内部温度を高める場合について説明したが、これに限らず、あるいは、LSI100内にヒーターを設けることにより内部温度を高めてもよい。
図15は、実施の形態8に係るLSI100内の配置を示す模式図である。図15に示されるように、LSI100は、低温ワースト特性を有するモジュール71と、高温ワースト特性を有するモジュール72と、ヒーター73とを備えている。このヒーター73は、タングステンやポリシリコン等の高抵抗素子からなり、モジュール71の近傍に設けられる。ヒーター73を用いることにより、モジュール71の温度を早く上昇させることが可能となる。また、内度温度が温度Bに到達するとともにヒーター73をオフすることにより低電力化を実現することができる。あるいは、温度Bよりさらに低い温度でヒーター73をオフしたり低電力モードではヒーター73をオフしておくすることにより、ヒーター73を必要最小限でごく部分的にのみ使用してもよい。
このように、本実施の形態においては、ヒーター73をモジュール71の近傍に設けることにより、モジュール71の温度上昇率を高めている。従って、内部温度を早く温度Bへ到達させることができる。よって、実施の形態6〜7と同様の効果を奏する。
<実施の形態9>
実施の形態8においては、ヒーター73をモジュール71の近傍に設けることによりLSI100の内部温度を高める場合について説明したが、ヒーター73に限らず、あるいは、比較的に(モジュール71より)発熱しやすいモジュールをモジュール71の近傍に設けることにより内部温度を高めてもよい。
実施の形態8においては、ヒーター73をモジュール71の近傍に設けることによりLSI100の内部温度を高める場合について説明したが、ヒーター73に限らず、あるいは、比較的に(モジュール71より)発熱しやすいモジュールをモジュール71の近傍に設けることにより内部温度を高めてもよい。
図16は、実施の形態9に係るLSI100内の配置を示す模式図である。図16に示されるように、LSI100は、低温ワースト特性を有するモジュール71と、高温ワースト特性を有するモジュール72と、比較的に発熱しやすいモジュール74とを備えている。モジュール74の例としては、CPUのような高速演算を行う回路や、クロック生成回路のような低電力モードであっても高速に動作する回路や、大きなバッファ回路を持つモジュールが考えられる。あるいは、高速メモリや高速演算器モジュールなどの、消費電力が大きい回路が考えられる。
図16においては、モジュール74は、モジュール71近傍に配置されている。このように配置することにより、モジュール74からの発熱を伝えモジュール71の温度を早く上昇させることが可能となる。
このように、本実施の形態においては、比較的に発熱しやすいモジュール74(第2モジュール)を低温ワースト特性を有するモジュール71近傍に配置することにより、モジュール71の温度上昇率を高めている。従って、内部温度を早く温度Bへ到達させることができる。よって、実施の形態6〜8と同様の効果を奏する。
なお、上述においては、比較的に発熱しやすいモジュール74を用いてモジュール71の温度を上昇させる場合について説明したが、これに限らず、例えば高温ワースト特性を有するモジュール72(但し、モジュール71より発熱しやすいものに限る)を用いてもよい。これにより、モジュール72における発熱をモジュール71へ伝え、モジュール72の温度を下降させることが可能となる。従って、モジュール72において、速度向上や、誤動作防止(歩留まり向上)、低電力/低コスト化を実現することができる。
<実施の形態10>
実施の形態9においては、低温ワースト特性を有するモジュール71近傍に比較的に発熱しやすいモジュール74を配置させる場合について説明したが、これに限らず、あるいは、モジュール71,74を、ペルチェ素子を介して接続してもよい。
実施の形態9においては、低温ワースト特性を有するモジュール71近傍に比較的に発熱しやすいモジュール74を配置させる場合について説明したが、これに限らず、あるいは、モジュール71,74を、ペルチェ素子を介して接続してもよい。
図17は、実施の形態10に係るLSI100内のモジュールの配置を示す模式図である。図17に示されるように、LSI100においては、低温ワースト特性を有するモジュール71と比較的に発熱しやすいモジュール74とが、ペルチェ素子75,76を介して接続されている。ペルチェ素子75,76は、それぞれ、2種類の異なる金属(アルミニウムや、銅、タングステン、チタン、コバルト等)から構成されてもよく、あるいは、2種類の異なる導電型(n型およびp型)を有する半導体(シリコンやゲルマニウム等)から構成されてもよい。
図17に示されるように、ペルチェ素子75,76は、電流Iを流されることにより、モジュール74からの発熱を吸熱しモジュール71へ放熱する。これにより、モジュール74からの発熱を伝えモジュール71の温度を早く上昇させることが可能となる。
このように、本実施の形態においては、比較的に発熱しやすいモジュール74と低温ワースト特性を有するモジュール71とをペルチェ素子75,76を介して接続することにより、モジュール71の温度上昇率を高めている。従って、内部温度を早く温度Bへ到達させることができる。よって、実施の形態6〜9と同様の効果を奏する。
<実施の形態11>
実施の形態9〜10においては、低温ワースト特性を有するモジュール71の温度を、比較的に発熱しやすいモジュール74からの発熱で上昇させる場合について説明した。しかし、これに限らず、モジュール71を、放熱量を低減することにより温度を上昇させてもよい。
実施の形態9〜10においては、低温ワースト特性を有するモジュール71の温度を、比較的に発熱しやすいモジュール74からの発熱で上昇させる場合について説明した。しかし、これに限らず、モジュール71を、放熱量を低減することにより温度を上昇させてもよい。
図18は、実施の形態11に係るLSI100において放熱量を低減する一の手法を示す断面図である。図18においては、シリコン基板300表面のトランジスタ領域310上には、絶縁膜400が全面的に形成されている。絶縁膜400上には、金属からなる配線層500が全面的に形成されている。
シリコン基板300の左半分には低温ワースト特性を有するモジュール71が形成されており、絶縁膜400のうちモジュール71上に位置する領域410は低い熱伝導率を有する材料で構成されている。すなわち、モジュール71は、低い熱伝導率を有する材料で構成される領域410で覆われることにより、放熱量を低減されている。これにより、モジュール71の温度を早く上昇させることが可能となる。低い熱伝導率を有する領域410を形成する手法としては、電子ビーム蒸着(EB−PVD)法をジルコニア等のセラミックスコーティング合成に適用し低熱伝導セラミックス膜を形成する等の手法が考えられる。なお、この絶縁膜400は、その全てが低い熱伝導率を有する材料で構成されていてもよい。また、絶縁膜400には、トランジスタ領域310と配線層500とを接続するためのコンタクトホール420が形成されている。
図19は、本実施の形態に係るLSI100において放熱量を低減する他の手法を示す断面図である。図19は、図18において、シリコン基板300上に配線層500を直接に形成するとともに、絶縁膜400aを、配線層500上で且つモジュール71上方に位置する領域に形成させたものである。なお、この絶縁膜400aは、配線層500上で全面的に形成されてもよい。
図20は、本実施の形態に係るLSI100において放熱量を低減する他の手法を示す断面図である。図20において、LSI100は、その表面上に、低い熱伝導率を有する材料で構成された絶縁膜400bを全面的に形成された後に、パッケージ600で覆われている。この絶縁膜400bとしては、例えば低熱伝導性シートを用いて、LSI100上に貼り付ければよい。なお、この絶縁膜400bは、LSI100のうち低温ワースト特性を有するモジュール71上のみに形成されてもよい。
このように、本実施の形態においては、LSI100は、低い熱伝導率を有する材料で覆われることにより、放熱量を低減し、LSI100またはモジュール71の温度上昇率を高めている。従って、内部温度を早く温度Bへ到達させることができる。よって、実施の形態6〜10と同様の効果を奏する。
<実施の形態12>
実施の形態9〜10においては、低温ワースト特性を有するモジュール71の温度を、比較的に発熱しやすいモジュール74からの発熱で上昇させる場合について説明した。しかし、複数個のLSIを同一パッケージ内に封止するマルチチップパッケージの場合には、これに限らず、比較的に発熱量の多い他のLSIからの発熱で上昇させてもよい。
実施の形態9〜10においては、低温ワースト特性を有するモジュール71の温度を、比較的に発熱しやすいモジュール74からの発熱で上昇させる場合について説明した。しかし、複数個のLSIを同一パッケージ内に封止するマルチチップパッケージの場合には、これに限らず、比較的に発熱量の多い他のLSIからの発熱で上昇させてもよい。
図21は、実施の形態12に係るLSI100の配置を模式的に示す断面図である。図21において、LSI100は、低温ワースト特性を有するモジュール71の表面上に、比較的に発熱量の多いLSI101を配置された後に、パッケージ600で覆われている。このように配置することにより、モジュール71の温度を早く上昇させることが可能となる。
なお、このLSI101は、例えばLSI100全体が低温ワースト特性を有する場合等には、LSI100上で全面的に配置されてもよい。また、LSI100上に限らず、LSI100下に配置されてもよい。
また、比較的に発熱量の多いLSI101に限らず、LSI100の起動前から稼働しているLSIや、LSI100が低電力モードになっている場合にも通常に動作しているLSIを用いてもよい。
このように、本実施の形態においては、比較的に発熱量の多いLSI101をLSI100近傍に配置することにより、LSI100またはモジュール71の温度上昇率を高めている。従って、内部温度を早く温度Bへ到達させることができる。よって、実施の形態6〜11と同様の効果を奏する。
<実施の形態13>
実施の形態11においては、低温ワースト特性を有するLSI100を、低い熱伝導率を有する材料で覆うことにより放熱量を低減し内部温度を早く上昇させる場合について説明した。また、実施の形態12においては、LSI100の上または下に、比較的に発熱量の多いLSI101等を配置する場合について説明した。
実施の形態11においては、低温ワースト特性を有するLSI100を、低い熱伝導率を有する材料で覆うことにより放熱量を低減し内部温度を早く上昇させる場合について説明した。また、実施の形態12においては、LSI100の上または下に、比較的に発熱量の多いLSI101等を配置する場合について説明した。
しかし、低い熱伝導率を有する材料や比較的に発熱量の多いLSI101に限らず、他のLSIでLSI100を上下で挟み込むことによりモジュール71の放熱量を低減させてもよい。
図22は、実施の形態12に係るLSI100の配置を模式的に示す断面図である。図22において、LSI100は、他のLSI102に挟まれるように配置された後に、パッケージ600で覆われている。このように配置することにより、LSI102が断熱材として機能しLSI100の放熱量を低減できるとともに、LSI102の稼働による発熱を伝えることができる。これにより、LSI100の温度を早く上昇させることが可能となる。
LSI102としては、通常のLSIであってもよいが、比較的に発熱量の多いLSIや、LSI100の起動前から稼働しているLSIや、LSI100が低電力モードになっている場合にも通常モードで稼働するLSIを用いることにより、発熱を伝えモジュール71の温度をさらに早く上昇させることができる。
例えば、SRAMやDRAM等のメモリ用LSIとCPU用LSIとアナログ回路用LSIとの3チップが同一パッケージ内に封止されている場合、メモリ用LSIのみが、微細かつ低リーク(高Vth)プロセスを使用しているので低温ワースト特性を有しやすい。このような場合には、高速(低Vth)で高温ワースト特性を有し且つ発熱量が多いCPU用LSIやアナログ回路用LSIをLSI102として上下でLSI100を挟み込みことにより、放熱量を低減するとともに発熱を伝え、LSI100の温度を早く上昇させることが可能となる。なお、LSI102は、LSI100の上下いずれか一方のみに配置されてもよい。
このように、本実施の形態においては、LSI100は、断熱材としての他のLSI102で挟まれることにより放熱量を低減されたり、LSI102からの発熱を伝えられたりすることで、温度上昇率を高めている。従って、内部温度を早く温度Bへ到達させることができる。よって、実施の形態6〜12と同様の効果を奏する。
10 CPU、20 SRAM、30 周辺IO、40 バスI/F、50 PLL、60 温度センサ、71,72,74 モジュール、73 ヒーター、75〜76 ペルチェ素子、100〜102 LSI、110,150 フリップフロップ回路、120〜140 バッファ、200 遅延測定回路、300 シリコン基板、310 トランジスタ領域、400 絶縁膜、410 領域、420 コンタクトホール、500 配線層、600 パッケージ、a〜c 信号、A〜C 温度、T1〜T6 期間。
Claims (27)
- 動作可能な周波数が温度の上昇に伴い上がる温度領域を少なくとも有する半導体集積回路の制御方法であって、
所定の指示が与えられた後に内部温度が所定の温度へ到達するまで前記半導体集積回路が待機状態を保つ待機工程と、
前記内部温度が前記所定の温度へ到達した後に前記半導体集積回路が所定の動作を開始する工程と
を備える半導体集積回路の制御方法。 - 動作可能な周波数が温度の上昇に伴い上がる温度領域を少なくとも有する第1モジュールを備える半導体集積回路の制御方法であって、
所定の指示が与えられた後に内部温度が所定の温度へ到達するまで前記第1モジュールが待機状態を保つ待機工程と、
前記内部温度が前記所定の温度へ到達した後に前記第1モジュールが所定の動作を開始する工程と
を備える半導体集積回路の制御方法。 - 請求項1又は請求項2に記載の半導体集積回路の制御方法であって、
前記待機状態は、リセット状態である
半導体集積回路の制御方法。 - 動作可能な周波数が温度の上昇に伴い上がる温度領域を少なくとも有する半導体集積回路の制御方法であって、
所定の指示が与えられた後に前記半導体集積回路が所定の第1速度より低い速度で所定の動作を開始する動作開始工程と、
前記内部温度が前記所定の温度へ到達した後に前記半導体集積回路が前記所定の第1速度より高い速度に切り替えて動作する第1切り替え工程と
を備える半導体集積回路の制御方法。 - 動作可能な周波数が温度の上昇に伴い上がる温度領域を少なくとも有する第1モジュールを備える半導体集積回路の制御方法であって、
所定の指示が与えられた後に前記第1モジュールが所定の第1速度より低い速度で所定の動作を開始する動作開始工程と、
前記内部温度が前記所定の温度へ到達した後に前記第1モジュールが前記所定の第1速度より高い速度へ切り替えて動作する第1切り替え工程と
を備える半導体集積回路の制御方法。 - 請求項5に記載の半導体集積回路の制御方法であって、
前記第1モジュールはメモリであり、
前記動作開始工程において、前記メモリは、読み出し速度または書き込み速度を下げることにより前記所定の第1速度より低い速度で動作を行う
半導体集積回路の制御方法。 - 動作可能な周波数が温度の上昇に伴い上がる温度領域を少なくとも有する半導体集積回路の制御方法であって、
所定の指示が与えられた後に前記半導体集積回路が前記所定の第1速度より低い速度で所定の動作を開始する動作開始工程と、
前記動作開始工程の後に前記半導体集積回路が前記所定の第1速度より高い所定の第2速度へ切り替えて動作する第2切り替え工程と
前記内部温度が前記所定の温度へ到達した後に前記半導体集積回路が前記所定の第2速度より高い速度へ切り替えて動作する第3切り替え工程と
を備える半導体集積回路の制御方法。 - 動作可能な周波数が温度の上昇に伴い上がる温度領域を少なくとも有する第1モジュールを備える半導体集積回路の制御方法であって、
所定の指示が与えられた後に前記第1モジュールが前記所定の第1速度より低い速度で所定の動作を開始する動作開始工程と、
前記動作開始工程の後に前記第1モジュールが前記所定の第1速度より高い所定の第2速度へ切り替えて動作する第2切り替え工程と
前記内部温度が前記所定の温度へ到達した後に前記第1モジュールが前記所定の第2速度より高い速度へ切り替えて動作する第3切り替え工程と
を備える半導体集積回路の制御方法。 - 請求項7に記載の半導体集積回路の制御方法であって、
前記第2切り替え工程の後かつ前記第3切り替え工程の前に、前記半導体集積回路が速度を複数段階で切り替える工程
をさらに備える半導体集積回路の制御方法。 - 請求項8に記載の半導体集積回路の制御方法であって、
前記第2切り替え工程の後かつ前記第3切り替え工程の前に、前記第1モジュールが速度を複数段階で切り替える工程
をさらに備える半導体集積回路の制御方法。 - 動作可能な周波数が温度の上昇に伴い上がる温度領域を少なくとも有する半導体集積回路の制御方法であって、
所定の指示が与えられた後に内部温度が所定の温度へ到達するまで前記半導体集積回路が待機状態を保ちつつ通常動作時より高い周波数でアイドリング動作を行う待機工程と、
前記内部温度が前記所定の温度へ到達した後に前記半導体集積回路が所定の動作を開始する工程と
を備える半導体集積回路の制御方法。 - 動作可能な周波数が温度の上昇に伴い上がる温度領域を少なくとも有する半導体集積回路の制御方法であって、
所定の指示が与えられた後に内部温度が所定の温度へ到達するまで前記半導体集積回路が待機状態を保ちつつ通常動作時より高い電源電圧で動作を行う待機工程と、
前記内部温度が前記所定の温度へ到達した後に前記半導体集積回路全体が所定の動作を開始する工程と
を備える半導体集積回路の制御方法。 - 請求項1乃至請求項12のいずれかに記載の半導体集積回路の制御方法であって、
前記内部温度が前記所定の温度へ到達したかどうかを、前記半導体集積回路に内蔵された温度センサにより検知する工程
をさらに備える半導体集積回路の制御方法。 - 請求項1乃至請求項12のいずれかに記載の半導体集積回路の制御方法であって、
前記内部温度が前記所定の温度へ到達したかどうかを、予め設定された期間の経過に基づき検知する工程
をさらに備える半導体集積回路の制御方法。 - 請求項1乃至請求項12のいずれかに記載の半導体集積回路の制御方法であって、
前記内部温度が前記所定の温度へ到達したかどうかを、遅延測定回路により検知する工程
をさらに備える半導体集積回路の制御方法。 - 請求項1乃至請求項15のいずれかに記載の半導体集積回路の制御方法であって、
前記待機工程においては、クロック供給は停止されている
半導体集積回路の制御方法。 - 請求項1乃至請求項16のいずれかに記載の半導体集積回路の制御方法であって、
前記所定の指示は、電源を投入する指示である
半導体集積回路の制御方法。 - 請求項1乃至請求項16のいずれかに記載の半導体集積回路の制御方法であって、
前記所定の指示は、低電力モードから復帰する指示である
半導体集積回路の制御方法。 - 請求項1乃至請求項16のいずれかに記載の半導体集積回路の制御方法であって、
前記所定の指示は、動作周波数を変更する指示である
半導体集積回路の制御方法。 - 請求項1乃至請求項16のいずれかに記載の半導体集積回路の制御方法であって、
前記所定の指示は、割り込みによる起動を行う指示である
半導体集積回路の制御方法。 - 請求項2,5,6,8,10のいずれかに記載の半導体集積回路の制御方法であって、
前記待機工程は、前記第1モジュールの近傍に配置され且つ所定の温度以上あるいは低電力モードでは動作しないヒーターを用いて前記内部温度を上昇させる昇温工程
を有する半導体集積回路の制御方法。 - 請求項2,5,6,8,10のいずれかに記載の半導体集積回路の制御方法であって、
前記待機工程は、前記第1モジュールの近傍に配置され前記第1モジュールより発熱しやすい第2モジュールを用いて前記内部温度を上昇させる昇温工程
を有する半導体集積回路の制御方法。 - 請求項22に記載の半導体集積回路の制御方法であって、
前記第2モジュールは、動作可能な周波数が温度の上昇に伴い下がる温度領域を少なくとも有する
半導体集積回路の制御方法。 - 請求項22又は請求項23に記載の半導体集積回路の制御方法であって、
前記昇温工程においては、前記第1モジュール・前記第2モジュール間に介在するペルチェ素子がさらに用いられる
半導体集積回路の制御方法。 - 請求項2,5,6,8,10のいずれかに記載の半導体集積回路の制御方法であって、
前記待機工程は、前記第1モジュールを覆うように配置され低い熱伝導率を有する絶縁領域を用いて前記内部温度を上昇させる昇温工程
を有する半導体集積回路の制御方法。 - 請求項2,5,6,8,10のいずれかに記載の半導体集積回路の制御方法であって、
前記待機工程は、前記第1モジュールより発熱しやすく前記第1モジュールを覆うように配置され前記半導体集積回路とは異なる他の半導体集積回路を用いて前記内部温度を上昇させる昇温工程
を有する半導体集積回路の制御方法。 - 請求項1乃至請求項20のいずれかに記載の半導体集積回路の制御方法であって、
前記待機工程は、前記半導体集積回路に隣接して配置され前記半導体集積回路とは異なる他の半導体集積回路を用いて前記内部温度を上昇させる昇温工程
を有する半導体集積回路の制御方法。
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