JP2007226944A - 半導体メモリ及び半導体集積回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】モード制御信号入力により真理値表の書き込みを不要とし、かつ回路規模を増大することなく、2つの独立した演算器機能を実現するLUTとして動作する半導体メモリを提供する。
【解決手段】モード制御信号PM,PM_Nに応じてデータの読み書きと演算対象データの演算結果を構成する所定値の出力とのいずれか一方を実行するメモリセルOM4,AM5を有するメモリセルアレイと、データの書き込みアドレス又は演算対象データの信号入力を受け付け、入力された信号に対応する書き込みワード線WWLを活性化する書き込みアドレスデコーダWAD2と、データの読み出しアドレス又は演算対象データの信号入力を受け付け、入力された信号に対応する読み出しワード線RWLを活性化する読み出しアドレスデコーダRAD3とを備える。
【選択図】図1
【解決手段】モード制御信号PM,PM_Nに応じてデータの読み書きと演算対象データの演算結果を構成する所定値の出力とのいずれか一方を実行するメモリセルOM4,AM5を有するメモリセルアレイと、データの書き込みアドレス又は演算対象データの信号入力を受け付け、入力された信号に対応する書き込みワード線WWLを活性化する書き込みアドレスデコーダWAD2と、データの読み出しアドレス又は演算対象データの信号入力を受け付け、入力された信号に対応する読み出しワード線RWLを活性化する読み出しアドレスデコーダRAD3とを備える。
【選択図】図1
Description
この発明は、LUT(Look Up Table)として使用する半導体メモリ及びこれを用いた半導体集積回路に関するものである。
従来の半導体メモリとしては、例えば非特許文献1に開示される構成のRAMがある。このRAMは、メモリとして使用されるが、FPGA(Field Programmable Gate Array)に代表される再構成可能デバイスのキー回路としても活用される。
RAMには真理値表を書き込むことで様々な機能を実現することが可能であり、このような機能をLUT(Look Up Table)と呼ぶ。例えば、2b8w(2ビット8ワード)のRAMに対して1ビットの全加算器の真理値表を書き込むことにより、1ビットの全加算器を実現することができる。
RAMには真理値表を書き込むことで様々な機能を実現することが可能であり、このような機能をLUT(Look Up Table)と呼ぶ。例えば、2b8w(2ビット8ワード)のRAMに対して1ビットの全加算器の真理値表を書き込むことにより、1ビットの全加算器を実現することができる。
NEIL H.E.WESTE and KAMRAN ESHRAGHIAN著,"Principles of CMOS VLSI Design", ADDISON WESLEY出版,1993, p.564-566.
従来の半導体メモリでは、例えば2b8wのRAMで1ビットの全加算器を実現することができていた。しかしながら、通常、1ビットの全加算器をロジックに構成すると、24トランジスタ程度で実現できる。これに対し、2b8wのRAMを使用してLUTで1ビットの全加算器を作成すると、作り方にもよるがおよそ250トランジスタと回路規模が大きくなる。このため、複数の機能をLUTで実現しようとする場合、面積オーバヘッドが問題となる。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、モード制御信号入力により真理値表の書き込みを不要とし、かつ回路規模を増大することなく、2つの独立した演算器機能を実現するLUTとして動作する半導体メモリ及びこれを用いた半導体集積回路を得ることを目的とする。
この発明に係る半導体メモリは、自セルに接続する制御信号線が活性化されると、モード制御信号に応じてデータの読み書きと演算対象データの演算結果を構成する所定値の出力とのいずれか一方を実行するメモリセルを有するメモリセルアレイと、データの書き込みアドレス又は演算対象データの信号入力を受け付け、入力された信号に対応する制御信号線を活性化する書き込みアドレスデコーダと、データの読み出しアドレス又は演算対象データの信号入力を受け付け、入力された信号に対応する制御信号線を活性化する読み出しアドレスデコーダとを備えるものである。
この発明によれば、メモリセルがモード制御信号に応じてデータの読み書きと演算対象データの演算結果を構成する所定値の出力とのいずれか一方を実行するので、モード制御信号入力によりメモリとしてデータの読み書きがなされる他、真理値表のデータ入力をすることなく、演算結果を構成する所定のビット値が出力される。また、書き込みアドレスデコーダと読み出しアドレスデコーダにより別個の演算を行わせることができる。これにより、真理値表のデータを入力しておくメモリセルを用意することなく回路規模が維持され、かつ2つの独立した演算機能を有するLUTを実現できるという効果がある。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1による半導体メモリの構成を概略的に示す図であり、2b8w(2ビット8ワード)のRAMを前提とした構成を示している。図1において、トランスミッションゲートTG1は、プロセッシングモード信号PM(以降、モード制御信号PMと称す)とその反転信号PM_N(以降、モード制御信号PM_Nと称す)とによりオンオフ制御される。また、トランスミッションゲートTG1は、書き込みポートWDと出力端子Outを結ぶ信号線に介在し、書き込みポートWDと書き込みビット線WBL0,WBL1との導通を制御する。
図1は、この発明の実施の形態1による半導体メモリの構成を概略的に示す図であり、2b8w(2ビット8ワード)のRAMを前提とした構成を示している。図1において、トランスミッションゲートTG1は、プロセッシングモード信号PM(以降、モード制御信号PMと称す)とその反転信号PM_N(以降、モード制御信号PM_Nと称す)とによりオンオフ制御される。また、トランスミッションゲートTG1は、書き込みポートWDと出力端子Outを結ぶ信号線に介在し、書き込みポートWDと書き込みビット線WBL0,WBL1との導通を制御する。
書き込みアドレスデコーダWAD2は、セレクタSEL0〜2を介して3ビットの書き込みアドレス信号WAddrの1ビット毎のビット値WAdd0〜2を入力し、これらの値によりアドレスをデコードする。これにより、書き込みアドレスデコーダWAD2は、書き込みワード線WWL0〜WWL7(制御信号線)のうち、デコード結果のアドレスに対応する書き込みワード線の電位を上げて活性化(ハイレベル)する。
読み出しアドレスデコーダRAD3は、読み出しアドレス信号RAddrの1ビット毎のビット値RAdd0〜2を入力し、これらの値によりアドレスをデコードする。これにより、読み出しアドレスデコーダRAD3は、読み出しワード線RWL0〜RWL7(制御信号線)のうち、デコード結果のアドレスに対応する読み出しワード線の電位を上げて活性化(ハイレベル)する。
セレクタSEL0〜2は、2b8wのRAMによる3ビットのアドレス信号WAddの1ビット毎のビット値WAdd0〜2がそれぞれ入力されると共に、1ビットの全加算器の入力A,B,Ciがそれぞれ入力される。また、セレクタSEL0〜2は、モード制御信号PMの値に応じて、ビット値WAdd0〜2とA,B,Ciのいずれか一方をそれぞれ選択する。
メモリセルOM4は、モード制御信号PMの入力端子を有し、モード制御信号PMの値に応じてメモリセルとして機能したり、アドレス信号の値によらず予め定められたデジタル値を出力する。メモリセルAM5は、モード制御信号PM_Nの入力端子を有し、モード制御信号PM_Nの値に応じてメモリセルとして機能したり、アドレス信号の値によらず予め定められたデジタル値を出力する。なお、メモリセルOM4,AM5は、アレイ状に配置され、行方向に書き込みワード線WWL0〜WWL7及び読み出しワード線RWL0〜RWL7に順次接続し、列方向に書き込みビット線WBL0及び読み出しビット線RBL0、書き込みビット線WBL1及び読み出しビット線RBL1に順次接続する。
また、モード制御信号PMを伝送するモード制御信号線は、メモリセルOM4内のモード制御信号PMの入力端子と接続し、モード制御信号PM_Nを伝送するモード制御信号線は、メモリセルAM5内のモード制御信号PM_Nの入力端子と接続している。メモリセルからの読み出しデータは、読み出しビット線RBL0,RBL1を介して読み出しポートRDより出力される。
図2は、図1中のメモリセルOMの構成を示す回路図である。図2に示すように、メモリセルOM4は、トランジスタ(スイッチ)6,8及び2入力NOR回路7a,7bを含んで構成される。2入力NOR回路7a,7bは、モード制御信号PMの入力端子と接続する一方の入力が互いに接続され、他方の入力が互いの出力に接続している。2入力NOR回路7aの出力はトランジスタ8を介して読み出しビット線RBLと接続しており、2入力NOR回路7bの出力はトランジスタ6を介して書き込みビット線WBLと接続している。
トランジスタ6は、書き込みワード線WWLの電位に応じて2入力NOR回路7bの出力と書き込みビット線WBLとの導通を制御する。また、トランジスタ8は、読み出しワード線RWLの電位に応じて2入力NOR回路7aの出力と読み出しビット線RBLとの導通を制御する。
図3は、図1中のメモリセルAMの構成を示す回路図である。図3に示すように、メモリセルAM5は、トランジスタ(スイッチ)9,11及び2入力NAND回路10a,10bを含んで構成される。2入力NAND回路10a,10bは、モード制御信号PM_Nの入力端子と接続する一方の入力が互いに接続され、他方の入力が互いの出力に接続している。2入力NAND回路10aの出力はトランジスタ11を介して読み出しビット線RBLと接続しており、2入力NAND回路10bの出力はトランジスタ9を介して書き込みビット線WBLと接続している。
トランジスタ9は、書き込みワード線WWLの電位に応じて2入力NAND回路10bの出力と書き込みビット線WBLとの導通を制御する。また、トランジスタ11は、読み出しワード線RWLの電位に応じて2入力NAND回路10aの出力と読み出しビット線RBLとの導通を制御する。
次に動作について説明する。
モード制御信号PMの値が0(ロウレベル)、モード制御信号PM_Nの値が1(ハイレベル)である場合、トランスミッションゲートTG1はオンし、セレクタSEL0〜2ではアドレス信号WAddが選択される。これにより、実施の形態1による半導体メモリは、メモリとして機能する。
モード制御信号PMの値が0(ロウレベル)、モード制御信号PM_Nの値が1(ハイレベル)である場合、トランスミッションゲートTG1はオンし、セレクタSEL0〜2ではアドレス信号WAddが選択される。これにより、実施の形態1による半導体メモリは、メモリとして機能する。
先ず、メモリ機能におけるデータ書き込み動作を説明する。
セレクタSEL0〜2により選択された3ビットのアドレス信号WAddの1ビット毎のビット値WAdd0〜2は、書き込みアドレスデコーダWAD2に入力される。書き込みアドレスデコーダWAD2では、入力されたアドレス信号WAddをデコードし、デコード結果に対応する書き込みワード線WWLを活性化(ハイレベル)する。このとき、書き込みポートWDから入力された書き込みデータは、オンとなったトランスミッションゲートTG1を通じて、書き込みすべきメモリセルの対応する書き込みビット線WBLに入力される。
セレクタSEL0〜2により選択された3ビットのアドレス信号WAddの1ビット毎のビット値WAdd0〜2は、書き込みアドレスデコーダWAD2に入力される。書き込みアドレスデコーダWAD2では、入力されたアドレス信号WAddをデコードし、デコード結果に対応する書き込みワード線WWLを活性化(ハイレベル)する。このとき、書き込みポートWDから入力された書き込みデータは、オンとなったトランスミッションゲートTG1を通じて、書き込みすべきメモリセルの対応する書き込みビット線WBLに入力される。
データを書き込むメモリセルがメモリセルOM4である場合、図2に示すように、メモリセルOM4では、書き込みワード線WWLが活性化されてその電位がハイレベルになると、トランジスタ6がオンとなり、書き込みビット線WBLに入力された書き込みデータが、NOR回路7a,7bからなるループに入力される。そして、NOR回路7aは、入力された書き込みデータ値とモード制御信号PMの値0(ロウレベル)とのNOR演算を行い、その演算結果がNOR回路7bの入力に帰還される。NOR回路7bでは、NOR回路7aの演算結果の値とモード制御信号PMの値0(ロウレベル)とのNOR演算がなされる。書き込み期間が完了し、書き込みワード線WWLの電位がロウレベルになっても、正帰還のしくみにより書き込まれたデータは保持される。
また、メモリセルAM5の場合、図3に示すように、メモリセルAM5では、書き込みワード線WWLが活性化されてその電位がハイレベルになると、トランジスタ9がオンとなり、書き込みビット線WBLに入力された書き込みデータが、NAND回路10a,10bからなるループに入力される。そして、NAND回路10aは、入力された書き込みデータ値とモード制御信号PM_Nの値1(ハイレベル)とのNAND演算を行い、その演算結果がNAND回路7bの入力に帰還される。NAND回路10bでは、NAND回路10aの演算結果の値とモード制御信号PM_Nの値1(ハイレベル)とのNAND演算がなされる。書き込み期間が完了し、書き込みワード線WWLの電位がロウレベルになっても、正帰還のしくみにより書き込まれたデータは保持される。
次に、メモリ機能におけるデータ読み出し動作を説明する。
読み出しアドレスデコーダRAD3は、3ビットの読み出しアドレスRAddr信号の1ビット毎のビット値RAdd0〜2が入力されると、これらの値により読み出しアドレスをデコードする。このデコード結果のアドレスに対応する読み出しワード線RWLを活性化(ハイレベル)する。
読み出しアドレスデコーダRAD3は、3ビットの読み出しアドレスRAddr信号の1ビット毎のビット値RAdd0〜2が入力されると、これらの値により読み出しアドレスをデコードする。このデコード結果のアドレスに対応する読み出しワード線RWLを活性化(ハイレベル)する。
読み出しワード線RWLが活性化されると、データを読み出すメモリセルがメモリセルOM4である場合、トランジスタ8がオンとなり、NOR回路7a,7bのループに保持された読み出しデータが、読み出しビット線RBLに出力される。また、データを読み出すメモリセルがメモリセルAM5である場合、トランジスタ11がオンとなり、NAND回路10a,10bのループに保持された読み出しデータが、読み出しビット線RBLに出力される。このように、読み出しビット線RBLに出力された読み出しデータは、読み出しポートRDまで達して出力される。
モード制御信号PMの値が1(ハイレベル)、モード制御信号PM_Nの値が0(ロウレベル)である場合、トランスミッションゲートTG1はオフし、セレクタSEL0〜2では、A,B,Ci入力側が選択される。これにより、実施の形態1による半導体メモリは、1ビットの全加算器として機能する。つまり、A,B,Ci入力値により特定されるアドレスに対応するメモリセルにおいて、ロウレベルを書き込むべきアドレスにはメモリセルOM4を配置し、ハイレベルを書き込むべきアドレスにはメモリセルAM5を配置する。これによって、全加算機能を持たせることができる。
例えば、A,B,Ciがそれぞれ0,1,0である場合、図4に示す真理値表によれば、演算結果のSumの値が1(ハイレベル)であり、桁上がりCoの値が0(ロウレベル)である。そこで、書き込みアドレスデコーダWAD2では、A,B,Ciがそれぞれ0,1,0であると、メモリセルAM5とメモリセルOM4に対応する書き込みワード線WWLを活性化(ハイレベル)して、Sumの値1(ハイレベル)と桁上がりCoの値0(ロウレベル)を出力端子Outから出力させる。
具体的に説明すると、メモリセルOM4では、図2に示すように、書き込みワード線WWLがハイレベルであると、トランジスタ6がオンになり、NOR回路7a,7bのループと書き込みビット線WBLが導通する。このとき、NOR回路7a,7bのループには、モード制御信号PMの値1(ハイレベル)が入力されており、書き込みビット線WBLの値がハイレベルであろうとロウレベルであろうと、その出力はロウレベルとなる。ここで、トランスミッションゲートTG1はオフであることから、NOR回路7a,7bのループからの出力により書き込みビット線WBLがロウレベルとなり、この書き込み側の経路を通って出力端子Outから桁上がりCoの値0(ロウレベル)が出力される。
一方、メモリセルAM5では、図3に示すように、書き込みワード線WWLがハイレベルであると、トランジスタ9がオンになり、NAND回路10a,10bのループと書き込みビット線WBLが導通する。ここで、NAND回路10a,10bのループには、モード制御信号PM_Nの値0(ロウレベル)が入力されており、書き込みビット線WBLの値がハイレベルであろうとロウレベルであろうと、その出力はハイレベルとなる。ここで、トランスミッションゲートTG1はオフであることから、NAND回路10a,10bのループからの出力により書き込みビット線WBLがハイレベルとなり、この書き込み側の経路を通って出力端子OutからSumの値1(ハイレベル)が出力される。
なお、上述したセレクタSEL0〜2のA,B,Ci入力にそれぞれ0,1,0を入力して行う演算処理の際、読み出しアドレスデコーダRAD3に対しても、A,B,Ciを入力すれば、同時に別の加算結果を得ることができる。読み出しアドレスデコーダRAD3に入力されたA,B,Ciが、例えばそれぞれ1,1,0である場合、図4に示す真理値表によれば、演算結果のSumの値は0(ロウレベル)であり、桁上がりCoの値は1(ハイレベル)である。この場合、読み出しアドレスデコーダRAD3は、メモリセルOM4とメモリセルAM5に対応する読み出しワード線RWLを活性化(ハイレベル)して、Sumの値0(ロウレベル)と桁上がりCoの値1(ハイレベル)を読み出しポートRDから出力させる。
具体的に説明すると、メモリセルOM4では、図2に示すように、読み出しワード線RWLがハイレベルであると、トランジスタ8がオンになり、NOR回路7a,7bのループと読み出しビット線RBLが導通する。このとき、NOR回路7a,7bのループには、モード制御信号PMの値1(ハイレベル)が入力されており、読み出しビット線RBLの値がハイレベルであるとロウレベルであろうと、その出力はロウレベルとなる。これにより、NOR回路7a,7bのループからの出力により読み出しビット線RBLがロウレベルとなり、この読み出し側の経路を通って読み出しポートRDからSumの値0(ロウレベル)が出力される。
一方、メモリセルAM5では、図3に示すように、読み出しワード線RWLがハイレベルであると、トランジスタ11がオンになり、NAND回路10a,10bのループと読み出しビット線RBLが導通する。ここで、NAND回路10a,10bのループには、モード制御信号PM_Nの値0(ロウレベル)が入力されており、読み出しビット線RBLの値がハイレベルであるとロウレベルであろうと、その出力はハイレベルとなる。これより、NAND回路10a,10bのループからの出力により読み出しビット線RBLがハイレベルとなり、この読み出し側の経路を通って読み出しポートRDから桁上がりCoの値1(ハイレベル)が出力される。
以上のように、この実施の形態1によれば、ビット値1(ハイレベル)を書き込むべきアドレスにメモリセルAM5、ビット値0(ロウレベル)を書き込むべきアドレスにメモリセルOM4を配置することにより、全加算器の真理値表を書き込むことなく、モード制御信号PM=1(ハイレベル)、モード制御信号PM_N=0(ロウレベル)とするだけで加算機能を実現できる。また、セレクタSEL0〜2のA,B,Ci入力側並びに読み出しアドレスデコーダRAD3における読み出しアドレス信号RAddrの入力側のそれぞれに入力する信号値に応じて、別々の演算による演算結果を得ることができる。これにより、従来に比べて2倍の数の加算器を実現することができる。さらに、プロセッシングモード信号PMの制御だけで加算器用のLUTを実現できるため、従来のようにデータを書き込む必要はない。
なお、上記実施の形態1では、セレクタSEL0〜2、トランスミッションゲートTG1を本実施の形態による半導体メモリの構成要素の一つとして記載したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。つまり、本実施の形態による半導体メモリの構成要素とは、別個にセレクタSEL0〜2及びトランスミッションゲートTG1をメモリの外部に用意しても良い。
また、上記実施の形態1では、2つの独立した全加算器用のLUTを実現する場合について説明したが、全加算器に限らず、他の演算機能であっても構わない。
実施の形態2.
図5は、この発明の実施の形態2による半導体集積回路の構成を示す図であり、上記実施の形態1による半導体メモリを使用した、FPGAに代表されるリコンフィギャラブルデバイスを例示している。実施の形態2によるリコンフィギャラブルデバイス(半導体集積回路)12は、複数のRAMに加え、任意の論理構成が可能な複数のLUTを備える。ここで、リコンフィギャラブルデバイス12では、複数のLUTの全部又はその一部が上記実施の形態1による半導体メモリとして構成される。または、複数のRAMの全部又はその一部を、上記実施の形態1による半導体メモリで置き換える。
図5は、この発明の実施の形態2による半導体集積回路の構成を示す図であり、上記実施の形態1による半導体メモリを使用した、FPGAに代表されるリコンフィギャラブルデバイスを例示している。実施の形態2によるリコンフィギャラブルデバイス(半導体集積回路)12は、複数のRAMに加え、任意の論理構成が可能な複数のLUTを備える。ここで、リコンフィギャラブルデバイス12では、複数のLUTの全部又はその一部が上記実施の形態1による半導体メモリとして構成される。または、複数のRAMの全部又はその一部を、上記実施の形態1による半導体メモリで置き換える。
以上のように、この実施の形態2によれば、FPGAに代表されるリコンフィギャラブルデバイス等の半導体集積回路において、LUTを用いて論理を実現しようとする場合、その論理の中に全加算器が必要であれば、上記実施の形態1で示したように、従来の2倍の集積度で全加算器を実現することができる。
なお、RAMを上記実施の形態1による半導体メモリで置き換えることにより、RAMとしての用途よりLUTの機能を重視する場合等、RAMの機能からLUTの機能へ容易に切り替えることができる。また、LUTにより加算器の機能を用いる場合は、上述のようにその集積度を向上させることができる。
実施の形態3.
上記実施の形態1では、書き込みビット線WBLからデータ書き込みを行う場合、データ書き込みが、図2、3に示す2入力NOR回路7b、2入力NAND回路10bの出力に打ち勝つ信号強度で行われる。このため、例えばメモリセル4を構成する2つのNOR回路7a,7bのうち、NOR回路7bの駆動能力を弱くしてデータ書き込みをし易いように設計する必要がある。このような設計を行った場合、出力端子Outから出力される読み出しデータの遅延が大きくなり、演算器の速度性能が劣化する可能性がある。
上記実施の形態1では、書き込みビット線WBLからデータ書き込みを行う場合、データ書き込みが、図2、3に示す2入力NOR回路7b、2入力NAND回路10bの出力に打ち勝つ信号強度で行われる。このため、例えばメモリセル4を構成する2つのNOR回路7a,7bのうち、NOR回路7bの駆動能力を弱くしてデータ書き込みをし易いように設計する必要がある。このような設計を行った場合、出力端子Outから出力される読み出しデータの遅延が大きくなり、演算器の速度性能が劣化する可能性がある。
そこで、この実施の形態3では、メモリセルOM4を構成するNOR回路7a,7bやメモリセルAM5を構成するNAND回路10a,10bにおいて、演算器の速度性能に影響を与えるトランジスタのトランジスタサイズ(ゲート幅)を大きくすることにより、演算器の速度性能を向上させている。
図6は、この発明の実施の形態3による半導体メモリのメモリセルOMの構成を示す回路図であり、NOR回路7bについては回路構成を示している。なお、図6において、図2と同一又はこれに相当する構成要素には同一符号を付している。また、図6に示すメモリセルOM4が適用される半導体メモリの全体構成は、上記実施の形態1の図1で示したものと同様である。
図6に示すように、NOR回路7bは、電源13に接続するpMOSトランジスタQp1、該pMOSトランジスタQp1と直列に接続されるpMOSトランジスタQp2、該pMOSトランジスタQp2に対して並列に接続し他端が接地されるnMOSトランジスタQn1,Qn2から構成される。
例えば、実施の形態3による半導体メモリを全加算器として機能させる場合、上記実施の形態1で示したように、モード制御信号PMの値を1(ハイレベル)とし、モード制御信号PM_Nの値を0(ロウレベル)とする。このとき、NOR回路7bでは、モード制御信号PMがpMOSトランジスタQp1及びnMOSトランジスタQn1のゲートに入力され、pMOSトランジスタQp1はオフ状態となり、nMOSトランジスタQn1はオン状態になる。
これにより、nMOSトランジスタQn1を介して出力側が接地されてNOR回路7bの出力がロウレベルになる。このように実施の形態3による半導体メモリの演算器では、モード制御信号が入力された際にメモリセルOM4がロウレベルになる応答が速ければ、その演算速度性能を向上させることができる。
そこで、メモリセルOM4のNOR回路7bを構成するトランジスタのうち、モード制御信号PMの値に応じてロウレベルを出力するnMOSトランジスタQn1のトランジスタサイズ(ゲート幅)を必要十分なだけ大きくする。例えば、通常のメモリセルに用いられるNOR回路では、pMOSトランジスタQp1,Qp2のゲート幅は等しく、またnMOSトランジスタQn1,Qn2のゲート幅は等しく設定されるが、本実施の形態3では、nMOSトランジスタQn1のゲート幅をnMOSトランジスタQn2より大きくしている。
また、図6において図示していないが、同様の構成を有するNOR回路7aにおけるトランジスタを、pMOSトランジスタQp1’,Qp2’及びnMOSトランジスタQn1’,Qn2’とすると、pMOSトランジスタQp1,Qp2のゲート幅は等しいが、モード制御信号PMの値に応じてロウレベルを書き込む際に駆動するnMOSトランジスタQn1’のゲート幅については、上述のnMOSトランジスタQn1と等しい大きさとする。
このように構成することで、nMOSトランジスタQn1がオン状態となったとき、該トランジスタQn1を介して出力側から流れる電流値が大きくなり、その応答を速めることができる。なお、実施の形態3による半導体メモリを通常のメモリとして動作させる場合は、上記実施の形態1で説明したようにモード制御信号PMの値を0(ロウレベル)とするので、nMOSトランジスタQn1はオフ状態となり、データ書き込みに影響を与えない。
一方、メモリセルAM5においても同様の構成とすることができる。
図7は、この発明の実施の形態3による半導体メモリのメモリセルAMの構成を示す回路図であり、NAND回路10bについては回路構成を示している。なお、図7において、図3と同一又はこれに相当する構成要素には同一符号を付している。また、図7に示すメモリセルAM5が適用される半導体メモリの全体構成は、上記実施の形態1の図1で示したものと同様である。
図7は、この発明の実施の形態3による半導体メモリのメモリセルAMの構成を示す回路図であり、NAND回路10bについては回路構成を示している。なお、図7において、図3と同一又はこれに相当する構成要素には同一符号を付している。また、図7に示すメモリセルAM5が適用される半導体メモリの全体構成は、上記実施の形態1の図1で示したものと同様である。
図7に示すように、NAND回路10bは、電源13a,13bにそれぞれ接続するpMOSトランジスタQp3,Qp4、該pMOSトランジスタQp3,Qp4に接続されるnMOSトランジスタQn3、該nMOSトランジスタQn3と直列に接続し他端が接地されるnMOSトランジスタQn4から構成される。
上述のように、本半導体メモリを全加算器として機能させる場合、NAND回路10bには、値が0(ロウレベル)のモード制御信号PM_NがpMOSトランジスタQp3及びnMOSトランジスタQn4のゲートに入力し、pMOSトランジスタQp3はオン状態となり、nMOSトランジスタQn4はオフ状態になる。これにより、pMOSトランジスタQn3を介して出力側が電源13aと導通してNAND回路10bの出力がハイレベルになる。従って、メモリセルAM5では、実施の形態3による半導体メモリを演算器として機能させた際、モード制御信号に応じてメモリセルAM5がハイレベルになる応答が速ければその演算速度性能を向上させることができる。
そこで、メモリセルAM5のNAND回路10bを構成するトランジスタのうち、モード制御信号PM_Nの値に応じてハイレベルを出力するpMOSトランジスタQp3のトランジスタサイズ(ゲート幅)を必要十分なだけ大きくする。例えば、通常のメモリセルに用いられるNAND回路では、pMOSトランジスタQp3,Qp4のゲート幅は等しく、またnMOSトランジスタQn3,Qn4のゲート幅は等しく設定されるが、本実施の形態3では、pMOSトランジスタQp3のゲート幅をpMOSトランジスタQp4より大きくしている。
また、図7において図示していないが、同様の構成を有するNAND回路10aのトランジスタを、pMOSトランジスタQp3’,Qp4’及びnMOSトランジスタQn3’,Qn4’とすると、nMOSトランジスタQn3,Qn4のゲート幅は等しいが、モード制御信号PM_Nの値に応じてハイレベルを出力するpMOSトランジスタQp3’のゲート幅については、上述のpMOSトランジスタQp3と等しい大きさとする。
このように構成することで、pMOSトランジスタQp3がオン状態となったとき、該トランジスタQp3を介して出力側から流れる電流値が大きくなり、その応答を速めることができる。なお、実施の形態3による半導体メモリを通常のメモリとして動作させる場合は、上記実施の形態1で説明したようにモード制御信号PM_Nの値を1(ハイレベル)とするので、pMOSトランジスタQp3はオフ状態となり、データ書き込みに影響を与えない。
以上のように、この実施の形態3によれば、半導体メモリを演算器とした際、ロウレベルを出力するメモリセルOM4とハイレベルを出力するメモリセルAM5において、モード制御信号に応じて各レベルを出力するトランジスタのゲート幅を必要十分に大きくしたので、モード制御信号に対する応答を速めることができることから、出力側に接続するNOR回路7bやNAND回路10bの駆動能力を弱くしても、メモリセルの読み出しデータの遅延を抑制することができ、演算器の速度性能を向上させることができる。
実施の形態4.
上記実施の形態1〜3では、NOR回路を用いてメモリセルOMを構成し、NAND回路を用いてメモリセルAMを構成する例を示したが、この実施の形態4は、インバータを用いてメモリセルOM,AMを構成するものである。
上記実施の形態1〜3では、NOR回路を用いてメモリセルOMを構成し、NAND回路を用いてメモリセルAMを構成する例を示したが、この実施の形態4は、インバータを用いてメモリセルOM,AMを構成するものである。
図8は、この発明の実施の形態4による半導体メモリのメモリセルOMの構成を示す回路図である。図8に示すように、メモリセルOM4は、トランジスタ6,8,15及びインバータ14a,14bを含んで構成される。インバータ14a,14bは、pMOSトランジスタとnMOSトランジスタが直列に接続された一般的なインバータの回路構成を有しており、入力と出力が互いに接続されたループを構成している。
トランジスタ6は、書き込みワード線WWLの電位に応じてインバータ14aの入力及びインバータ14bの出力と書き込みビット線WBLとの導通を制御する。また、トランジスタ8は、読み出しワード線RWLの電位に応じてインバータ14aの出力及びインバータ14bの入力と読み出しビット線RBLとの導通を制御する。
インバータ14aの出力及びインバータ14bの入力は、トランジスタ8を介して読み出しビット線RBLと接続しており、インバータ14aの入力及びインバータ14bの出力は、トランジスタ6を介して書き込みビット線WBLと接続すると共に、モード制御信号PMの値に応じてオンオフするトランジスタ15を介して接地される。
図9は、この発明の実施の形態4による半導体メモリのメモリセルAMの構成を示す回路図である。図9に示すように、メモリセルAM5は、トランジスタ9,11,16及びインバータ14a,14bを含んで構成される。なお、インバータ14a,14bは、上述したメモリセルOM4の場合と同様に、pMOSトランジスタとnMOSトランジスタが直列に接続された一般的なインバータの回路構成を有しており、入力と出力が互いに接続されたループを構成している。
インバータ14aの入力及びインバータ14bの出力は、書き込みワード線WWLの電位に応じてオンオフするトランジスタ9を介して書き込みビット線WBLに導通すると共に、モード制御信号PM_Nの値に応じてオンオフするトランジスタ16を介して電源13に接続される。また、トランジスタ11は、読み出しワード線RWLの電位に応じてインバータ14aの出力及びインバータ14bの入力と読み出しビット線RBLとの導通を制御する。
このようにすることで、上記実施の形態1〜3による構成と比較して少ないトランジスタでメモリセルOM4,AM5を構成することが可能である。つまり、図6,7に示すように、上記実施の形態1〜3によるメモリセル構成では、1つのメモリセルに10個のトランジスタが必要である。これに対し、インバータ14a,14bは、pMOSトランジスタとnMOSトランジスタが直列に接続された構成を有することから、図8,9に示すように、1つのメモリセルを構成するのに7個のトランジスタで済む。
また、上記実施の形態1〜3のメモリセルのようなNAND型やNOR型のメモリセルは、半導体レイアウト上、電源と接地との間に2個のトランジスタがシリアルに繋がる構成となるが、本実施の形態4のメモリセルのようなインバータ型のメモリセルでは、電源と接地の間に配置すべきトランジスタが1個のみでよいことから、同程度の駆動能力を発揮させるためのトランジスタ自体のサイズも小さくすることができる。従って、メモリセル全体の占有面積も小さくすることが可能である。
次に動作について説明する。
モード制御信号PMの値を0(ロウレベル)、モード制御信号PM_Nの値を1(ハイレベル)とすると、トランスミッションゲートTG1はオンし、セレクタSEL0〜2ではアドレス信号WAddが選択される。これにより、実施の形態4による半導体メモリは、メモリとして機能する。
モード制御信号PMの値を0(ロウレベル)、モード制御信号PM_Nの値を1(ハイレベル)とすると、トランスミッションゲートTG1はオンし、セレクタSEL0〜2ではアドレス信号WAddが選択される。これにより、実施の形態4による半導体メモリは、メモリとして機能する。
(1)メモリ機能におけるデータ書き込み動作を説明する。
上記実施の形態1で示したように、セレクタSEL0〜2により選択された3ビットのアドレス信号WAddの1ビット毎のビット値WAdd0〜2は、書き込みアドレスデコーダWAD2に入力される。書き込みアドレスデコーダWAD2では、入力されたアドレス信号WAddをデコードし、デコード結果に対応する書き込みワード線WWLを活性化(ハイレベル)する。このとき、書き込みポートWDから入力された書き込みデータは、オンとなったトランスミッションゲートTG1を通じて、書き込みすべきメモリセルの対応する書き込みビット線WBLに入力される。
上記実施の形態1で示したように、セレクタSEL0〜2により選択された3ビットのアドレス信号WAddの1ビット毎のビット値WAdd0〜2は、書き込みアドレスデコーダWAD2に入力される。書き込みアドレスデコーダWAD2では、入力されたアドレス信号WAddをデコードし、デコード結果に対応する書き込みワード線WWLを活性化(ハイレベル)する。このとき、書き込みポートWDから入力された書き込みデータは、オンとなったトランスミッションゲートTG1を通じて、書き込みすべきメモリセルの対応する書き込みビット線WBLに入力される。
ここで、メモリセルOM4にデータを書き込む場合、図8に示すように書き込みワード線WWLが活性化されてその電位がハイレベルであると、トランジスタ6がオンとなり、書き込みビット線WBLに入力された書き込みデータが、インバータ14a,14bからなるループに入力される。インバータ14aは、入力された書き込みデータ値を反転してインバータ14bの入力に帰還される。インバータ14bでは、インバータ14aの出力値を反転して元の書き込みデータ値とする。このとき、トランジスタ15には、ロウレベルのモード制御信号PMが入力してオフ状態となることから、書き込み期間が完了し、書き込みワード線WWLの電位がロウレベルになっても書き込まれたデータは保持される。
また、メモリセルAM5にデータを書き込む場合、図9に示すように、書き込みワード線WWLが活性化されてその電位がハイレベルであると、トランジスタ9がオンとなり、書き込みビット線WBLに入力された書き込みデータが、インバータ14a,14bからなるループに入力される。インバータ14aでは、入力された書き込みデータ値を反転してインバータ14bの入力に帰還される。インバータ14bでは、インバータ14aの出力値を反転して元の書き込みデータ値とする。このとき、トランジスタ16には、ハイレベルのモード制御信号PM_Nが入力してオフ状態となることから、書き込み期間が完了し、書き込みワード線WWLの電位がロウレベルになっても書き込まれたデータは保持される。
(2)メモリ機能におけるデータ読み出し動作を説明する。
読み出しアドレスデコーダRAD3は、3ビットの読み出しアドレスRAddr信号の1ビット毎のビット値RAdd0〜2が入力されると、これらの値により読み出しアドレスをデコードする。このデコード結果のアドレスに対応する読み出しワード線RWLを活性化(ハイレベル)する。
読み出しアドレスデコーダRAD3は、3ビットの読み出しアドレスRAddr信号の1ビット毎のビット値RAdd0〜2が入力されると、これらの値により読み出しアドレスをデコードする。このデコード結果のアドレスに対応する読み出しワード線RWLを活性化(ハイレベル)する。
読み出しワード線RWLが活性化されると、データを読み出すメモリセルがメモリセルOM4である場合、トランジスタ8がオンとなり、インバータ14a,14bのループに保持された読み出しデータが、読み出しビット線RBLに出力される。また、データを読み出すメモリセルがメモリセルAM5である場合、トランジスタ11がオンとなり、インバータ14a,14bのループに保持された読み出しデータが、読み出しビット線RBLに出力される。このように、読み出しビット線RBLに出力された読み出しデータは、読み出しポートRDまで達して出力される。
続いて、モード制御信号PMの値を1(ハイレベル)、モード制御信号PM_Nの値を0(ロウレベル)とすると、トランスミッションゲートTG1はオフし、セレクタSEL0〜2では、A,B,Ci入力側が選択される。これにより、実施の形態4による半導体メモリは、1ビットの全加算器として機能する。
(3)演算器におけるメモリセルOM4の動作を説明する。
メモリセルOM4では、図8に示すように、書き込みワード線WWLがハイレベルになると、トランジスタ6がオンになり、インバータ14a,14bのループと書き込みビット線WBLが導通する。このとき、トランジスタ15のゲートには、ハイレベルのモード制御信号PMが入力されてオン状態になり接地される。これにより、書き込みビット線WBLの電位にかかわらず、メモリセルOM4の出力はロウレベルとなる。ここで、トランスミッションゲートTG1はオフであることから、メモリセルOM4からの出力によって書き込みビット線WBLがロウレベルとなり、この書き込み側の経路を通って出力端子Outから桁上がりCoの値0(ロウレベル)が出力される。
メモリセルOM4では、図8に示すように、書き込みワード線WWLがハイレベルになると、トランジスタ6がオンになり、インバータ14a,14bのループと書き込みビット線WBLが導通する。このとき、トランジスタ15のゲートには、ハイレベルのモード制御信号PMが入力されてオン状態になり接地される。これにより、書き込みビット線WBLの電位にかかわらず、メモリセルOM4の出力はロウレベルとなる。ここで、トランスミッションゲートTG1はオフであることから、メモリセルOM4からの出力によって書き込みビット線WBLがロウレベルとなり、この書き込み側の経路を通って出力端子Outから桁上がりCoの値0(ロウレベル)が出力される。
(4)演算器におけるメモリセルAM5の動作を説明する。
メモリセルAM5では、図9に示すように、書き込みワード線WWLがハイレベルであると、トランジスタ9がオンになり、インバータ14a,14bのループと書き込みビット線WBLが導通する。ここで、トランジスタ16のゲートには、ロウレベルのモード制御信号PM_Nが入力されてオン状態となり、インバータ14a,14bのループと電源13とが導通する。これにより、書き込みビット線WBLの電位にかかわらず、メモリセルAM5の出力はハイレベルとなる。ここで、トランスミッションゲートTG1はオフであることから、メモリセルAM5からの出力により書き込みビット線WBLがハイレベルとなり、この書き込み側の経路を通って出力端子OutからSumの値1(ハイレベル)が出力される。
メモリセルAM5では、図9に示すように、書き込みワード線WWLがハイレベルであると、トランジスタ9がオンになり、インバータ14a,14bのループと書き込みビット線WBLが導通する。ここで、トランジスタ16のゲートには、ロウレベルのモード制御信号PM_Nが入力されてオン状態となり、インバータ14a,14bのループと電源13とが導通する。これにより、書き込みビット線WBLの電位にかかわらず、メモリセルAM5の出力はハイレベルとなる。ここで、トランスミッションゲートTG1はオフであることから、メモリセルAM5からの出力により書き込みビット線WBLがハイレベルとなり、この書き込み側の経路を通って出力端子OutからSumの値1(ハイレベル)が出力される。
以上のように、この実施の形態4によれば、メモリセルOM4,AM5をインバータ型のメモリセルとしたので、上記実施の形態1〜3によるNOR回路型やNAND回路型のメモリセルと比較して少ないトランジスタ数で構成できる上、トランジスタ自体のサイズも小さくすることができる。これにより、メモリセル全体の占有面積も小さくすることが可能である。
実施の形態5.
上記実施の形態1〜4ではメモリセルをSRAMで構成した場合を示したが、この実施の形態5は、DRAMでメモリセルOM,AMを構成したものである。
図10は、従来の半導体メモリに使用される3トランジスタ型のDRAMセルの構成を示す図である。図10において、DRAMセル100は、データ書き込み用のトランジスタ101、データ読み出し用のトランジスタ103、及びデータ保持用のトランジスタ102を備える。
上記実施の形態1〜4ではメモリセルをSRAMで構成した場合を示したが、この実施の形態5は、DRAMでメモリセルOM,AMを構成したものである。
図10は、従来の半導体メモリに使用される3トランジスタ型のDRAMセルの構成を示す図である。図10において、DRAMセル100は、データ書き込み用のトランジスタ101、データ読み出し用のトランジスタ103、及びデータ保持用のトランジスタ102を備える。
データ書き込み用のトランジスタ101は、書き込みワード線WWLの電位に応じてオンオフすることによりトランジスタ102のゲートと書き込みビット線WBLとの導通を制御する。データ読み出し用のトランジスタ103は、読み出しワード線RWLの電位に応じてオンオフすることによりトランジスタ102と読み出しビット線RBLとの導通を制御する。データ保持用のトランジスタ102は、ドレイン又はソース電極の一方がトランジスタ103と接続しており、他方の電極が接地される。
書き込みワード線WWLが活性化されてその電位がハイレベルになると、トランジスタ101がオン状態となり、書き込みビット線WBLに入力された書き込みデータが、トランジスタ102に保持される。また、読み出しワード線RWLが活性化されると、トランジスタ103がオン状態となり、トランジスタ102からの読み出しデータが、読み出しビット線RBLに出力される。
この実施の形態5では、図10に示すような従来のDRAMセルに対してトランジスタを1つ追加することにより、上記実施の形態1〜4と同様に機能するメモリセルを得る。図11は、この発明の実施の形態5による半導体メモリのメモリセルOMの構成を示す回路図である。このメモリセルOM4では、図10と同様の構成として、書き込みワード線WWLの電位に応じてオンオフするデータ書き込み用のトランジスタ6、読み出しワード線RWLの電位に応じてオンオフするデータ読み出し用のトランジスタ8、及びデータを保持するデータ保持用のトランジスタ17を備える。
また、図10と異なる構成としては、モード制御信号に応じてオンオフする機能選択用のトランジスタ18を備える。このトランジスタ18は、ゲート電極に入力されたモード制御信号PMの値によって制御されるnMOSトランジスタからなり、ドレイン又はソースの電極の一方がトランジスタ17のゲートに接続され、他方の電極が接地される。
図12は、この発明の実施の形態5による半導体メモリのメモリセルAMの構成を示す回路図である。このメモリセルAM5においても、図10と同様の構成として、書き込みワード線WWLの電位に応じてオンオフするトランジスタ9、読み出しワード線RWLの電位に応じてオンオフするトランジスタ11、及びデータを保持するデータ保持用のトランジスタ17を備える。
また、図10と異なる構成としては、モード制御信号に応じてオンオフする機能選択用のトランジスタ19を備える。このトランジスタ19は、ゲート電極に入力されたモード制御信号PM_Nの値によって制御されるpMOSトランジスタからなり、ドレイン又はソースの電極の一方がトランジスタ17のゲートに接続され、他方の電極が電源13に接続される。
次に動作について説明する。
ここでは、モード制御信号PMの値を1(ハイレベル)、モード制御信号PM_Nの値を0(ロウレベル)に設定することにより、実施の形態5による半導体メモリを1ビットの全加算器として機能させた場合を説明する。
ここでは、モード制御信号PMの値を1(ハイレベル)、モード制御信号PM_Nの値を0(ロウレベル)に設定することにより、実施の形態5による半導体メモリを1ビットの全加算器として機能させた場合を説明する。
メモリセルOM4では、書き込みワード線WWLがハイレベルになると、トランジスタ6がオン状態になり、トランジスタ17と書き込みビット線WBLとが導通する。このとき、トランジスタ18のゲートには、ハイレベルのモード制御信号PMが入力されてオン状態になり接地される。これにより、書き込みビット線WBLの電位にかかわらず、メモリセルOM4の出力はロウレベルとなる。ここで、トランスミッションゲートTG1はオフであることから、メモリセルOM4からの出力によって書き込みビット線WBLがロウレベルとなり、この書き込み側の経路を通って出力端子Outから桁上がりCoの値0(ロウレベル)が出力される。
また、メモリセルAM5では、書き込みワード線WWLがハイレベルであると、トランジスタ9がオン状態になり、トランジスタ17と書き込みビット線WBLとが導通する。ここで、トランジスタ19のゲートには、ロウレベルのモード制御信号PM_Nが入力されてオン状態となり、トランジスタ17のゲートと電源13とが導通する。これにより、書き込みビット線WBLの電位にかかわらず、メモリセルAM5の出力はハイレベルとなる。ここで、トランスミッションゲートTG1はオフであることから、メモリセルAM5からの出力により書き込みビット線WBLがハイレベルとなり、この書き込み側の経路を通って出力端子OutからSumの値1(ハイレベル)が出力される。
以上のように、この実施の形態5によれば、モード制御信号PM,PM_Nで制御されるトランジスタを3トランジスタ型のDRAMセルに設けてメモリセルOM4,AM5を構成したので、簡単な設計変更でDRAMセルで本実施の形態5による半導体メモリのメモリセルを構成することができる。また、上記実施の形態1〜4におけるSRAMセルと比較して消費電力を抑えることができ、集積度も大きくすることが可能である。
実施の形態6.
上記実施の形態5によるメモリセルAMでは、nMOSトランジスタであるトランジスタ9,17に隣接してpMOSトランジスタであるトランジスタ19を配置している。この構成の場合、極性の異なるMOSを隣接させる際に必要とされる異なるウェルを分離するための領域を設けなければならず、半導体レイアウト上メモリセルの占有面積が増大する可能性がある。
上記実施の形態5によるメモリセルAMでは、nMOSトランジスタであるトランジスタ9,17に隣接してpMOSトランジスタであるトランジスタ19を配置している。この構成の場合、極性の異なるMOSを隣接させる際に必要とされる異なるウェルを分離するための領域を設けなければならず、半導体レイアウト上メモリセルの占有面積が増大する可能性がある。
そこで、この実施の形態6では、メモリセルAM5においてモード制御信号で制御するトランジスタとして、図13に示すように、pMOSトランジスタの代わりにnMOSトランジスタ20を設ける。これにより、異なるウェルを分離するための領域が不要となり、半導体メモリのレイアウト設計時におけるメモリセルの占有面積の増加を抑制することができる。なお、nMOSトランジスタ20を電源13(VDD)側に接続すると、その書き込み電圧に対して閾値電圧Vthシフトが発生するが、データ書き込み用のトランジスタ9も同様に動作するので影響はない。
また、本実施の形態6によるメモリセルAM5は、メモリセルOM4と同様にモード制御信号PMのみで制御が可能である。従って、図14に示すように、モード制御信号PMをメモリセルOM4及びメモリセルAM5に振り分ける信号線を設けるだけで、実施の形態6による半導体メモリを実現することができる。
以上のように、この実施の形態6によれば、上記実施の形態5によるメモリセルAM5の構成においてpMOSトランジスタ19をnMOSトランジスタ20で代替したので、半導体メモリのレイアウト設計時におけるメモリセルの占有面積の増加を抑制することができる。また、モード制御信号PMのみによる簡易な構成で本発明による半導体メモリを実現可能である。
実施の形態7.
上記実施の形態5では、3トランジスタ型DRAMセルを用いてメモリセルOM,AMを構成したが、この実施の形態7は、2トランジスタ型DRAMセルを用いてメモリセルOM,AMを構成する。
図15は、従来の半導体メモリに使用される2トランジスタ型のDRAMセルの構成を示す図である。図15において、DRAMセル200は、データ書き込み用のトランジスタ201、データ読み出し用のトランジスタ202、及びデータ保持用のキャパシタ203を備える。
上記実施の形態5では、3トランジスタ型DRAMセルを用いてメモリセルOM,AMを構成したが、この実施の形態7は、2トランジスタ型DRAMセルを用いてメモリセルOM,AMを構成する。
図15は、従来の半導体メモリに使用される2トランジスタ型のDRAMセルの構成を示す図である。図15において、DRAMセル200は、データ書き込み用のトランジスタ201、データ読み出し用のトランジスタ202、及びデータ保持用のキャパシタ203を備える。
データ書き込み用のトランジスタ201は、書き込みワード線WWLの電位に応じてオンオフすることによりキャパシタ203と書き込みビット線WBLとの導通を制御する。データ読み出し用のトランジスタ202は、読み出しワード線RWLの電位に応じてオンオフすることにより、キャパシタ203と読み出しビット線RBLとの導通を制御する。キャパシタ203は、一端がトランジスタ201,202と接続しており、他端が接地される。
書き込みワード線WWLが活性化されてその電位がハイレベルになると、トランジスタ201がオン状態となり、書き込みビット線WBLに入力された書き込みデータが、キャパシタ203に保持される(ハイレベルのとき電荷がチャージされる)。また、読み出しワード線RWLが活性化されると、トランジスタ202がオン状態となり、キャパシタ203に保持されたデータが、読み出しビット線RBLに出力される。
この実施の形態7では、図15に示すような従来のDRAMセルに対してトランジスタを1つ追加することにより、上記実施の形態1〜4と同様に機能するメモリセルを得る。図16は、この発明の実施の形態7による半導体メモリのメモリセルOMの構成を示す回路図である。このメモリセルOM4では、図15と同様の構成として、書き込みワード線WWLの電位に応じてオンオフするデータ書き込み用のトランジスタ6、読み出しワード線RWLの電位に応じてオンオフするデータ読み出し用のトランジスタ8、及びデータを保持するキャパシタ22を備える。
また、図15と異なる構成としては、モード制御信号に応じてオンオフする機能選択用のトランジスタ21を備える。このトランジスタ22は、ゲート電極に入力されたモード制御信号PMの値によって制御されるnMOSトランジスタからなり、ドレイン又はソースの電極の一方がキャパシタ22のトランジスタ6側の端部に接続され、他方の電極が接地される。
図17は、この発明の実施の形態7による半導体メモリのメモリセルAMの構成を示す回路図である。このメモリセルAM5においても、図15と同様の構成として、書き込みワード線WWLの電位に応じてオンオフするトランジスタ9、読み出しワード線RWLの電位に応じてオンオフするトランジスタ11、及びデータを保持するキャパシタ22を備える。
また、図15と異なる構成としては、モード制御信号に応じてオンオフする機能選択用のトランジスタ23を備える。このトランジスタ23は、ゲート電極に入力されたモード制御信号PMの値によって制御されるnMOSトランジスタからなり、ドレイン又はソースの電極の一方がキャパシタ22のトランジスタ9側の端部に接続され、他方の電極が電源13に接続される。
次に動作について説明する。
ここでは、モード制御信号PMの値を1(ハイレベル)、モード制御信号PM_Nの値を0(ロウレベル)に設定することにより、実施の形態7による半導体メモリを1ビットの全加算器として機能させた場合を説明する。
ここでは、モード制御信号PMの値を1(ハイレベル)、モード制御信号PM_Nの値を0(ロウレベル)に設定することにより、実施の形態7による半導体メモリを1ビットの全加算器として機能させた場合を説明する。
メモリセルOM4では、書き込みワード線WWLがハイレベルになると、トランジスタ6がオン状態になり、キャパシタ22と書き込みビット線WBLとが導通する。このとき、トランジスタ21のゲートには、ハイレベルのモード制御信号PMが入力されてオン状態になり接地される。これにより、書き込みビット線WBLの電位にかかわらず、メモリセルOM4の出力はロウレベルとなる。ここで、トランスミッションゲートTG1はオフであることから、メモリセルOM4からの出力によって書き込みビット線WBLがロウレベルとなり、この書き込み側の経路を通って出力端子Outから桁上がりCoの値0(ロウレベル)が出力される。
また、メモリセルAM5では、書き込みワード線WWLがハイレベルであると、トランジスタ9がオン状態になり、キャパシタ22と書き込みビット線WBLとが導通する。ここで、トランジスタ23のゲートには、ハイレベルのモード制御信号PMが入力されてオン状態となり、電源13がキャパシタ22側に導通する。これにより、書き込みビット線WBLの電位にかかわらず、メモリセルAM5の出力はハイレベルとなる。ここで、トランスミッションゲートTG1はオフであることから、メモリセルAM5からの出力により書き込みビット線WBLがハイレベルとなり、この書き込み側の経路を通って出力端子OutからSumの値1(ハイレベル)が出力される。
なお、図17に示すメモリセルAM5の構成においても、モード制御信号PMのみで半導体メモリの機能選択が可能であることから、図14に示すようなモード制御信号PMをメモリセルOM4及びメモリセルAM5に振り分ける信号線を設けるだけで、実施の形態6による半導体メモリを実現することができる。
以上のように、この実施の形態7によれば、モード制御信号PMで制御されるトランジスタを2トランジスタ型のDRAMセルに設けてメモリセルOM4,AM5を構成したので、簡単な設計変更でDRAMセルで本実施の形態7による半導体メモリのメモリセルを構成することができる。また、上記実施の形態1〜4におけるSRAMセルと比較して消費電力を抑えることができ、集積度も大きくすることが可能である。
実施の形態8.
上記実施の形態1〜7では、本発明による半導体メモリを全加算器として機能させる場合を示したが、この実施の形態8は、本発明による半導体メモリを乗算器として機能させる構成を示すものである。
上記実施の形態1〜7では、本発明による半導体メモリを全加算器として機能させる場合を示したが、この実施の形態8は、本発明による半導体メモリを乗算器として機能させる構成を示すものである。
図18は、乗算器の基本構成を示す図であり、本実施の形態8による半導体メモリを乗算器として機能させた場合におけるアレイセルの基本構成を示している。図18に示すように、この乗算器では、全加算器がA,Bの部分積、部分和P、Ciを入力して、桁上がりCo及び算出結果のデータにおける各ビットごとの算出結果Yを出力する。
図19は、この発明の実施の形態8による半導体メモリの構成を示す回路図である。図19において、書き込みアドレスデコーダWAD2aは、セレクタSEL0〜3を介して4ビットの書き込みアドレス信号WAddrの1ビット毎のビット値WAdd0〜3を入力し、これらの値によりアドレスをデコードする。これにより、書き込みアドレスデコーダWAD2aは、書き込みワード線WWL(制御信号線)のうち、デコード結果のアドレスに対応する書き込みワード線の電位を上げて活性化(ハイレベル)する。
読み出しアドレスデコーダRAD3aは、読み出しアドレス信号RAddrの1ビット毎のビット値RAdd0〜3を入力し、これらの値によりアドレスをデコードする。これにより、読み出しアドレスデコーダRAD3aは、読み出しワード線RWL(制御信号線)のうち、デコード結果のアドレスに対応する読み出しワード線の電位を上げて活性化(ハイレベル)する。
セレクタSEL0〜3は、4ビットのアドレス信号WAddの1ビット毎のビット値WAdd0〜3がそれぞれ入力されると共に、乗算器の入力A,B,P,Ciがそれぞれ入力される。また、セレクタSEL0〜3は、モード制御信号PMの値に応じて、ビット値WAdd0〜3とA,B,P,Ciのいずれか一方をそれぞれ選択する。なお、その他の構成は、図1と同様であるので説明を省略する。
次に動作について説明する。
モード制御信号PMの値を1(ハイレベル)とし、モード制御信号PM_Nの値が0(ロウレベル)であると、トランスミッションゲートTG1はオフし、セレクタSEL0〜3では、A,B,P,Ci入力側が選択される。これにより、この実施の形態8による半導体メモリは、乗算器として機能する。つまり、A,B,P,Ci入力値により特定されるアドレスに対応するメモリセルにおいて、ロウレベルを書き込むべきアドレスにはメモリセルOM4を配置し、ハイレベルを書き込むべきアドレスにはメモリセルAM5を配置する。これによって、乗算機能を持たせることができる。
モード制御信号PMの値を1(ハイレベル)とし、モード制御信号PM_Nの値が0(ロウレベル)であると、トランスミッションゲートTG1はオフし、セレクタSEL0〜3では、A,B,P,Ci入力側が選択される。これにより、この実施の形態8による半導体メモリは、乗算器として機能する。つまり、A,B,P,Ci入力値により特定されるアドレスに対応するメモリセルにおいて、ロウレベルを書き込むべきアドレスにはメモリセルOM4を配置し、ハイレベルを書き込むべきアドレスにはメモリセルAM5を配置する。これによって、乗算機能を持たせることができる。
例えば、A,B,P,Ciがそれぞれ0,1,1,0である場合、図20に示す真理値表によれば、演算結果のYの値が1(ハイレベル)であり、桁上がりCoの値が0(ロウレベル)である。そこで、書き込みアドレスデコーダWAD2aでは、A,B,P,Ciがそれぞれ0,1,1,0であると、メモリセルAM5とメモリセルOM4に対応する書き込みワード線WWLを活性化(ハイレベル)し、上記実施の形態1と同様にして、Yの値1(ハイレベル)と桁上がりCoの値0(ロウレベル)を出力端子Outから出力させる。
なお、上述したセレクタSEL0〜3のA,B,P,Ci入力にそれぞれ0,1,1,0を入力して行う演算処理の際、読み出しアドレスデコーダRAD3aに対しても、A,B,P,Ciを入力すれば、同時に別の乗算結果を得ることができる。読み出しアドレスデコーダRAD3aに入力されたA,B,P,Ciが、例えばそれぞれ1,1,0,1である場合、図20に示す真理値表によれば、演算結果のYの値は0(ロウレベル)であり、桁上がりCoの値は1(ハイレベル)である。
この場合、読み出しアドレスデコーダRAD3aは、メモリセルOM4とメモリセルAM5に対応する読み出しワード線RWLを活性化(ハイレベル)し、上記実施の形態1と同様にして、Yの値0(ロウレベル)と桁上がりCoの値1(ハイレベル)を読み出しポートRDから出力させる。
以上のように、この実施の形態8によれば、ビット値1(ハイレベル)を書き込むべきアドレスにメモリセルAM5、ビット値0(ロウレベル)を書き込むべきアドレスにメモリセルOM4を配置することにより、乗算器の真理値表を書き込むことなく、モード制御信号PM=1(ハイレベル)、モード制御信号PM_N=0(ロウレベル)とするだけ乗算機能を実現できる。
実施の形態9.
上記実施の形態1〜8では、データ書き込みポートとデータ読み出しポートとが異なるメモリ構成について説明したが、この実施の形態9は、データ書き込みポートとデータ読み出しポートが同一のシングルポート構成で上記実施の形態1〜8と同様の機能を持たせた半導体メモリについて説明する。
上記実施の形態1〜8では、データ書き込みポートとデータ読み出しポートとが異なるメモリ構成について説明したが、この実施の形態9は、データ書き込みポートとデータ読み出しポートが同一のシングルポート構成で上記実施の形態1〜8と同様の機能を持たせた半導体メモリについて説明する。
図21は、この発明の実施の形態9による半導体メモリの構成を示す回路図であり、2b8w(2ビット8ワード)のRAMを前提とした構成を示している。なお、図1と同一又はこれに相当する構成要素には同一符号を付している。図21において、アドレスデコーダAD24は、セレクタSEL2aを介して入力される制御信号WRの値に応じて、セレクタSEL0〜2を介して3ビットの書き込みアドレス信号WAddrの1ビット毎のビット値WAdd0〜2、若しくは、読み出しアドレス信号RAddrの1ビット毎のビット値RAdd0〜2を入力して、これらの値によりアドレスをデコードする。
これにより、アドレスデコーダAD24は、データ書き込み動作の場合、書き込みワード線WWL0〜WWL7(制御信号線)のうち、デコード結果のアドレスに対応する書き込みワード線の電位を上げて活性化(ハイレベル)し、データ読み出し動作の場合、読み出しワード線RWL0〜RWL7(制御信号線)のうち、デコード結果のアドレスに対応する読み出しワード線の電位を上げて活性化(ハイレベル)する。
セレクタSEL0〜2は、2b8wのRAMによる3ビットのアドレス信号WAddの1ビット毎のビット値WAdd0〜2、若しくは、アドレス信号RAddの1ビット毎のビット値RAdd0〜2がそれぞれ入力されると共に、1ビットの全加算器の入力A,B,Ciがそれぞれ入力される。また、セレクタSEL0〜2は、モード制御信号PMの値に応じて、ビット値WAdd0〜2(若しくはビット値RAdd0〜2)とA,B,Ciのいずれか一方をそれぞれ選択する。なお、図21の例では、この実施の形態9による半導体メモリを全加算器として機能させる場合を示しているが、適当なセレクタを追加することにより上記実施の形態8で示した乗算器として機能させても構わない。
セレクタSEL2aは、入力の一方が接地されており、他方から入力される制御信号WRをアドレスデコーダAD24に出力する。制御信号WRは、0,1のデジタル値が設定され、値1(ハイレベル)のとき、アドレスデコーダAD24は、データ書き込み動作として、書き込みワード線WWL0〜WWL7(制御信号線)のうち、デコード結果のアドレスに対応する書き込みワード線の電位を上げて活性化(ハイレベル)する。また、制御信号WRの値が0(ロウレベル)のとき、データ読み出し動作として、読み出しワード線RWL0〜RWL7(制御信号線)のうち、デコード結果のアドレスに対応する読み出しワード線の電位を上げて活性化(ハイレベル)する。
次に動作について説明する。
上記実施の形態1と同様に、モード制御信号PMの値を0(ロウレベル)とし、モード制御信号PM_Nの値が1(ハイレベル)である場合、トランスミッションゲートTG1はオンし、セレクタSEL0〜2ではアドレス信号WAddが選択される。これにより、実施の形態9による半導体メモリは、メモリとして機能する。
上記実施の形態1と同様に、モード制御信号PMの値を0(ロウレベル)とし、モード制御信号PM_Nの値が1(ハイレベル)である場合、トランスミッションゲートTG1はオンし、セレクタSEL0〜2ではアドレス信号WAddが選択される。これにより、実施の形態9による半導体メモリは、メモリとして機能する。
(1)メモリ機能におけるデータ書き込み動作を説明する。
アドレスデコーダAD24は、セレクタSEL2aから入力された制御信号WRの値が1(ハイレベル)であると、セレクタSEL0〜2介して3ビットのアドレス信号WAddの1ビット毎のビット値WAdd0〜2を入力してデコードし、デコード結果に対応する書き込みワード線WWLを活性化(ハイレベル)する。このとき、書き込みポートWDから入力された書き込みデータは、オンとなったトランスミッションゲートTG1を通じて、書き込みすべきメモリセルの対応する書き込みビット線WBLに入力される。これにより、データ書き込みすべきメモリセルOM4,AM5が、上記実施の形態と同様に動作してデータを保持する。
アドレスデコーダAD24は、セレクタSEL2aから入力された制御信号WRの値が1(ハイレベル)であると、セレクタSEL0〜2介して3ビットのアドレス信号WAddの1ビット毎のビット値WAdd0〜2を入力してデコードし、デコード結果に対応する書き込みワード線WWLを活性化(ハイレベル)する。このとき、書き込みポートWDから入力された書き込みデータは、オンとなったトランスミッションゲートTG1を通じて、書き込みすべきメモリセルの対応する書き込みビット線WBLに入力される。これにより、データ書き込みすべきメモリセルOM4,AM5が、上記実施の形態と同様に動作してデータを保持する。
(2)メモリ機能におけるデータ読み出し動作を説明する。
アドレスデコーダAD24は、セレクタSEL2aから入力された制御信号WRの値が0(ロウレベル)であると、セレクタSEL0〜2介して3ビットの読み出しアドレスRAddr信号の1ビット毎のビット値RAdd0〜2を入力してデコードし、デコード結果のアドレスに対応する読み出しワード線RWLを活性化(ハイレベル)する。このとき、データ読み出しすべきメモリセルOM4,AM5が上記実施の形態と同様に動作して、読み出しデータが読み出しビット線RBLに出力される。これにより、読み出しビット線RBLに出力された読み出しデータが読み出しポートRDまで達して出力される。
アドレスデコーダAD24は、セレクタSEL2aから入力された制御信号WRの値が0(ロウレベル)であると、セレクタSEL0〜2介して3ビットの読み出しアドレスRAddr信号の1ビット毎のビット値RAdd0〜2を入力してデコードし、デコード結果のアドレスに対応する読み出しワード線RWLを活性化(ハイレベル)する。このとき、データ読み出しすべきメモリセルOM4,AM5が上記実施の形態と同様に動作して、読み出しデータが読み出しビット線RBLに出力される。これにより、読み出しビット線RBLに出力された読み出しデータが読み出しポートRDまで達して出力される。
また、上記実施の形態1と同様に、モード制御信号PMの値が1(ハイレベル)、モード制御信号PM_Nの値が0(ロウレベル)であると、トランスミッションゲートTG1はオフし、セレクタSEL0〜2では、A,B,Ci入力側が選択される。これにより、実施の形態9による半導体メモリは、1ビットの全加算器として機能する。
例えば、A,B,Ciがそれぞれ0,1,0であると、図4に示す真理値表によれば、演算結果のSumの値が1(ハイレベル)であり、桁上がりCoの値が0(ロウレベル)である。そこで、アドレスデコーダAD24は、A,B,Ciがそれぞれ0,1,0であると、メモリセルAM5とメモリセルOM4に対応する書き込みワード線WWLを活性化(ハイレベル)し、メモリセルAM5とメモリセルOM4が上記実施の形態1と同様に動作してSumの値1(ハイレベル)と桁上がりCoの値0(ロウレベル)を読み出しポートRDから出力させる。
以上のように、この実施の形態9によれば、データ書き込みと読み出しを切り替える制御信号WRを導入するセレクタSEL2aと、制御信号WRの値に応じてデータ書き込み又は読み出し動作を行うアドレスデコーダAD24を備えたので、本発明による半導体メモリをシングルポート構成で実現することができる。
1 トランスミッションゲート、2 書き込みアドレスデコーダ、3 読み出しアドレスデコーダ、4,5 メモリセル、6,8,9,11 トランジスタ(スイッチ)、7a,7b NOR回路、10a,10b NAND回路、12 リコンフィギャラブルデバイス(半導体集積回路)、13,13a,13b 電源、14a,14b インバータ、15〜21,23 トランジスタ、22 キャパシタ、23 アドレスデコーダ。
Claims (15)
- 自セルに接続する制御信号線が活性化されると、モード制御信号に応じてデータの読み書きと、演算対象データの演算結果を構成する所定値の出力とのいずれか一方を実行するメモリセルを有するメモリセルアレイと、
データの書き込みアドレス、データの読み出しアドレス又は前記演算対象データの信号入力を受け付け、データの書き込み、データの読み出し又は演算処理のいずれかに応じて前記入力された信号に対応する前記制御信号線を活性化するアドレスデコーダとを備えた半導体メモリ。 - 自セルに接続する制御信号線が活性化されると、モード制御信号に応じてデータの読み書きと、演算対象データの演算結果を構成する所定値の出力とのいずれか一方を実行するメモリセルを有するメモリセルアレイと、
データの書き込みアドレス又は前記演算対象データの信号入力を受け付け、入力された信号に対応する前記制御信号線を活性化する書き込みアドレスデコーダと、
データの読み出しアドレス又は前記演算対象データの信号入力を受け付け、入力された信号に対応する前記制御信号線を活性化する読み出しアドレスデコーダとを備えた半導体メモリ。 - メモリセルは、書き込みアドレスデコーダにより制御信号線が活性化されると、モード制御信号に応じて演算対象データの演算結果を構成する所定値を出力する書き込み側の経路と、読み出しアドレスデコーダにより制御信号線が活性化されると、前記モード制御信号に応じて演算対象データの演算結果を構成する所定値を出力する読み出し側の経路とを備えたことを特徴とする請求項2記載の半導体メモリ。
- メモリセルアレイは、演算対象データの演算結果を構成する所定値として、ロウレベル値を出力する第1メモリセルと、ハイレベル値を出力する第2メモリセルとを備えたことを特徴とする請求項1から請求項3のうちのいずれか1項記載の半導体メモリ。
- 第1メモリセルは、一方の入力が互いに接続され、他方の入力が互いの出力に接続した2つの2入力NOR回路と、前記2つの2入力NOR回路の前記一方の入力が互いに接続する経路に設けたモード制御信号の入力端子と、前記2つの2入力NOR回路の各出力にそれぞれ接続し、制御信号線の電位レベルに応じて開閉するスイッチとを備えたことを特徴とする請求項4記載の半導体メモリ。
- 第2メモリセルは、一方の入力が互いに接続され、他方の入力が互いの出力に接続した2つの2入力NAND回路と、前記2つの2入力NAND回路の前記一方の入力が互いに接続する経路に設けられ、第1メモリセルに入力されるモード制御信号の反転値の入力端子と、前記2つの2入力NAND回路の各出力にそれぞれ接続し、制御信号線の電位レベルに応じて開閉するスイッチとを備えたことを特徴とする請求項4記載の半導体メモリ。
- メモリセルを構成するトランジスタのうち、モード制御信号に応じて電圧を出力に印加又は出力を接地することにより演算結果を構成する所定値を設定するトランジスタを、前記モード制御信号の入力から前記所定値の設定までの応答速度を考慮して前記メモリセルを構成する他のトランジスタのサイズより大きくしたことを特徴とする請求項5または請求項6記載の半導体メモリ。
- 第1メモリセルは、ループ状に一方の出力が他方の入力に接続された2つのインバータからなるループ回路と、制御信号線の電位レベルに応じて書き込みデータ信号線と前記ループ回路との導通を開閉するデータ書き込み用スイッチと、制御信号線の電位レベルに応じて読み出しデータ信号線と前記ループ回路との導通を開閉するデータ読み出し用スイッチと、前記データ書き込み用スイッチと前記ループ回路との間に介在し、モード制御信号に応じて接地電位と前記ループ回路との導通を開閉する制御用スイッチとを備えたことを特徴とする請求項4記載の半導体メモリ。
- 第2メモリセルは、ループ状に一方の出力が他方の入力に接続された2つのインバータからなるループ回路と、制御信号線の電位レベルに応じて書き込みデータ信号線と前記ループ回路との導通を開閉するデータ書き込み用スイッチと、制御信号線の電位レベルに応じて読み出しデータ信号線と前記ループ回路との導通を開閉するデータ読み出し用スイッチと、前記データ書き込み用スイッチと前記ループ回路との間に介在し、モード制御信号に応じて電源電位と前記ループ回路との導通を開閉する制御用スイッチとを備えたことを特徴とする請求項4記載の半導体メモリ。
- 第1メモリセルは、データ保持用のトランジスタと、制御信号線の電位レベルに応じて書き込みデータ信号線と前記データ保持用のトランジスタとの導通を開閉するデータ書き込み用スイッチと、制御信号線の電位レベルに応じて読み出しデータ信号線と前記データ保持用のトランジスタとの導通を開閉するデータ読み出し用スイッチと、前記データ書き込み用スイッチと前記データ保持用のトランジスタとの間に介在し、モード制御信号に応じて接地電位と前記データ保持用のトランジスタとの導通を開閉する制御用スイッチとを備えたことを特徴とする請求項4記載の半導体メモリ。
- 第2メモリセルは、データ保持用のトランジスタと、制御信号線の電位レベルに応じて書き込みデータ信号線と前記データ保持用のトランジスタとの導通を開閉するデータ書き込み用スイッチと、制御信号線の電位レベルに応じて読み出しデータ信号線と前記データ保持用のトランジスタとの導通を開閉するデータ読み出し用スイッチと、前記データ書き込み用スイッチと前記データ保持用のトランジスタとの間に介在し、モード制御信号に応じて電源電位と前記データ保持用のトランジスタとの導通を開閉する制御用スイッチとを備えたことを特徴とする請求項4記載の半導体メモリ。
- 制御用スイッチは、ゲートに入力されたモード制御信号に応じて電源とデータ保持用のトランジスタとの導通を開閉するnMOSトランジスタからなることを特徴とする請求項11記載の半導体メモリ。
- 第1メモリセルは、データ保持用のキャパシタと、制御信号線の電位レベルに応じて書き込みデータ信号線と前記キャパシタとの導通を開閉するデータ書き込み用スイッチと、制御信号線の電位レベルに応じて読み出しデータ信号線と前記キャパシタとの導通を開閉するデータ読み出し用スイッチと、前記データ書き込み用スイッチと前記キャパシタとの間に介在し、モード制御信号に応じて前記キャパシタを接地電位に設定する制御用スイッチとを備えたことを特徴とする請求項4記載の半導体メモリ。
- 第2メモリセルは、データ保持用のキャパシタと、制御信号線の電位レベルに応じて書き込みデータ信号線と前記キャパシタとの導通を開閉するデータ書き込み用スイッチと、制御信号線の電位レベルに応じて読み出しデータ信号線と前記キャパシタとの導通を開閉するデータ読み出し用スイッチと、前記データ書き込み用スイッチと前記キャパシタとの間に介在し、モード制御信号に応じて前記キャパシタを電源電位に設定する制御用スイッチとを備えたことを特徴とする請求項4記載の半導体メモリ。
- 記憶装置及びルックアップテーブルのうちの少なくとも一方を複数備え、これらの全部又は一部が請求項1から請求項14のうちのいずれか1項記載の半導体メモリからなる半導体集積回路。
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