JP2007531064A

JP2007531064A - 集積回路チップ（パイプライン式の挿入のための回路および方法）

Info

Publication number: JP2007531064A
Application number: JP2006517829A
Authority: JP
Inventors: ホートン、ロバート、エス; ミルトン、デイヴィッド、ダブリュ; オギルヴィー、クラランス、アール; シェインリー、ポール、エム; ヴェントローネ、セバスチャン、ティー
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2003-07-01
Filing date: 2004-07-01
Publication date: 2007-11-01
Also published as: WO2005006453A8; KR100818908B1; KR20060083406A; EP1639655A1; CN100426532C; EP1639655A4; WO2005006453A1; US7065602B2; US20050001280A1; CN1846315A

Abstract

【課題】既存のデータ伝送ラインの利用を著しく向上させる、集積回路チップ構造全体にわたるデータを伝送するための新規な構造および方法を提示する。
【解決手段】本発明は、まず、セグメント化データ・ライン（１２０〜１２２）の第１のセグメント（１２０）に沿って第１のデータ部分を伝搬させ、次いで、セグメント化データ・ラインの第２のセグメント（１２１）に沿って第１のデータ部分を伝搬させ、同時に、セグメント化データ・ラインの第１のセグメントに沿って第２のデータ部分を伝搬させることによって、集積回路チップ上でデータを伝送する。本発明は、単一のデータ伝送を分解して、このような異なるデータ部分にし、後に、異なるデータ部分が全てセグメント化データ・ラインの全ての部分に沿って個別に伝送された後に、異なるデータ部分を組み立て直して、単一のデータ伝送にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、集積回路チップ構造全体にわたってデータを伝送することに関し、更に具体的には、単一のデータ伝送ラインの異なるセグメントに沿って異なるデータ部分を同時に伝送する（例えばパイプライン式に次々と送り込む）ことによって既存のデータ伝送ラインの利用を実質的に向上させる、集積回路チップ構造全体にわたってデータを伝送するための新規な構造および方法に関する。

集積回路チップ内のデバイスのサイズが縮小し、クロック速度が増すにつれて、チップのある部分から別の部分へデータを伝送可能とすることは、ますます難しくなる。基本的に、デバイス・サイズが縮小し、クロック速度が増しているので、データ伝送ラインが実際に同じサイズのままであるとしても、それらは実質的には相対的に長くなっている。なぜなら、それらの環境が周囲で縮小し続けているからである。すなわち、以前の１本のデータ伝送ラインが１０，０００個のデバイスにまたがることがあったのに対し、同じサイズのデータ伝送ラインは、現在、１００，０００個のデバイスにまたがる場合がある。

チップの中には、チップ全体にわたってデータを伝送する際に信号にパワーを再び供給するためのバッファを利用するものがある。しかしながら、バッファの数が多くなると、ある時点で、信号を伝送するために必要な時間が容認できないほど短縮する。従って、伝送信号を再びバッファリングすると、リターンを減少（消失）させることになり、場合によっては、デバイス・サイズの縮小およびクロック高速化に対処することができない。

集積回路の設計者は、チップ全体にわたるデータ伝送のための最大時間を考慮するようにクロック・ツリー（clock tree）のバランスを取らなければならない。存在するどんなスキュー（skew）であっても、最終的にはクロック・サイクル時間から出てくるはずであり、これがクロックを減速させる。更に、クロック・ツリーによって消費される電力は、チップの全体的な電力消費の大きな部分を占める。以下に記載する本発明は、これらの問題に対処するため、単一のデータ伝送ラインの異なるセグメントに沿って異なるデータ部分を同時に伝送することによって、既存のデータ伝送ラインの利用を実質的に向上させる、集積回路チップ構造全体にわたるデータを伝送するための新規な構造および方法を提示する。

本発明は、まず、セグメント化データ・ラインの第１のセグメントに沿って第１のデータ部分を伝搬させ、次いで、セグメント化データ・ラインの第２のセグメントに沿って第１のデータ部分を伝搬させ、同時に、セグメント化データ・ラインの第１のセグメントに沿って第２のデータ部分を伝搬させることによって、集積回路チップ上でデータを伝送する。本発明は、単一のデータ伝送を分解して、このような異なるデータ部分にし、後に、異なるデータ部分が全てセグメント化データ・ラインの全ての部分に沿って個別に伝送された後で、異なるデータ部分を組み立て直して、単一のデータ伝送にする。

従って、本発明は、セグメント化データ・ラインのセグメントに沿って異なるデータ部分を同時に伝搬させ、セグメント化データ・ラインの第２のセグメントが第１のデータ部分を搬送するのと同時に、セグメント化データ・ラインの第１のセグメントは第２のデータ部分を同時に搬送する。

更に具体的には、本発明は、セグメント化データ・ラインと、このセグメント化データ・ラインのセグメント間に配置されたデータ伝搬装置と、を有する集積回路チップを提供する。各データ伝搬装置は、セグメント化データ・ラインの異なるセグメントに沿って異なるデータ部分を同時に伝搬する。セグメント化データの一端におけるイニシエータ（送信器）は、単一のデータ伝送を異なるデータ部分に分解し、セグメント化データ・ラインの他端におけるコレクタ（受信器）は、異なるデータ部分が全てセグメント化データ・ラインの全ての部分に沿って個別に伝送された後で、異なるデータ部分を組み合わせて元の単一のデータ伝送にする。

異なるデータ部分は、システム・クロックの影響を受けない（free of）セルフタイム（self-timed）・データ部分を含む。このため、データ伝搬装置（datapropagator）およびデータ受信器は、システム・クロックと同期を取るのではなく、互いに対して同期を取っている。データ送信器およびデータ伝搬装置は、セグメント化データ・ラインのセグメントの各々に沿って、一度にセルフタイム・データ部分の１つを伝送するように適合（構成）され（adapted）、セグメント化データ・ラインのセグメントの各々が異なるセルフタイム・データ部分を同時に伝送するようになっている。

セグメント化データ・ラインは、単一のデータ・ソースと単一のデータ・ターゲットとの間の単一のデータ通信ライン、または、少なくとも１つのデータ・ソースと多数のデータ・ターゲットとの間のデータ通信ネットワークとすることができる。データ伝搬装置の各々がデータを次のデータ伝搬装置に転送する際に、データ伝搬装置（およびコレクタ）は、データ受信確認を前のデータ伝搬装置（およびイニシエータ）に戻すように適合されている。

従来のデータ伝送システムに比べて、本発明は、待ち時間（latency）は同じであるがスループットは著しく増大する（所与のサイズの伝送ラインについて）。例えば、従来の伝送ラインが、単一のデータ部分（例えば１バイト）を伝送するために、ある数のクロック・サイクル（例えば１０クロック・サイクル）を要する場合、本発明も、同じデータ量を伝送するために同じクロック・サイクル数を要する。従って、本発明は、従来の伝送ラインと同じ待ち時間を有する。しかしながら、本発明では、スループットが著しく増大している。従来のシステムは、全データ伝送ラインに沿って、一度に１つのデータ部分を送ることができるのみである。これに対して、本発明は、データ伝送ラインの異なるセグメントに沿って異なるデータ部分を同時に送信するので、本発明によって、１つおきのクロック・サイクルで新しいデータ部分を送ることができる（例えばラインにおける次の伝搬装置から確認を受信したらすぐに）。従って、スループットを劇的に向上させることによって、本発明では、同じサイズ（および同じ長さ）のデータ伝送ラインを介して同じデータ量を伝送するために必要なクロック・サイクル数が減少する。

本発明は、図面を参照した以下の詳細な説明から、よりいっそう理解されよう。

上述のように、本発明は、従来のデータ伝送の問題に対処するため、単一のデータ伝送ラインの異なるセグメントに沿って異なるデータ部分を同時に伝送することによって既存のデータ伝送ラインの利用を実質的に向上させる、集積回路チップ構造全体にわたってデータを伝送するための新規な構造および方法を提示する。本発明は、ストレージ要素を用いて、同時に多数の信号を伝送することを可能とする。本発明が利用する手法は、チップ全体の通信を、より短いセルフタイム要素に分解し、これが、セルフタイム要求および確認ハンドシェイク（handshake）を利用して、確認応答が戻る前に通らなければならない全距離を分割することができ、これによって、所与のラインのセグメント上に１つの情報がとどまる全時間を実質的に短縮する。

更に具体的には、図１を参照すると、本発明は、集積回路チップ上でデータを伝送する際に、まず、セグメント化データ・ライン１２０〜１２２のうち第１のセグメント１２０に沿って第１のデータ部分を伝搬させ、次いで、セグメント化データ・ラインの第２のセグメント１２１に沿って第１のデータ部分を伝搬させ、同時に、セグメント化データ・ラインの第１のセグメント１２０に沿って第２のデータ部分を伝搬させる。本発明は、単一のデータ伝送を、このような異なるデータ部分に分解し、後に、異なるデータ部分を全てセグメント化データ・ラインの全ての部分に沿って個別に伝送した後で、異なるデータ部分を組み立て直して単一のデータ伝送にする。このように、本発明は、セグメント化データ・ラインの複数のセグメントに沿って異なるデータ部分を同時に伝送させ、セグメント化データ・ラインの第２のセグメント１２１が第１のデータ部分を搬送し、セグメント化データ・ラインの第１のセグメント１２０が第２のデータ部分を同時に搬送するようにする。

更に具体的には、本発明が提供する集積回路チップは、１つ以上のセグメント化データ・ライン１２０〜１２２、および、セグメント化データ・ラインのセグメント間に位置するデータ伝搬装置１１２を有する。各データ伝搬装置１１２は、セグメント化データ・ラインの異なるセグメントに沿って、異なるデータ部分を同時に伝搬させる。セグメント化データの一端におけるイニシエータ（送信器）１１１は、単一のデータ伝送を異なるデータ部分に分解し、セグメント化データ・ラインの他端におけるコレクタ（受信器）１１４は、異なるデータ部分が全てセグメント化データ・ラインの全ての部分に沿って個別に伝送された後で、異なるデータ部分を組み合わせて元の単一のデータ伝送にする。データ・ソースおよびデータ・ターゲットは、クロック・ロジックＡ１１６およびクロック・ロジックＢ１１５として示し、これらは同一または異なるクロック・レートで動作することができる。

異なるデータ部分は、システム・クロックの影響を受けないセルフタイム・データ部分を含む。このため、データ伝搬装置およびデータ受信器は、システム・クロックのいずれか（１１５、１１６）と同期を取るのではなく、互いに対して同期を取っている。データ送信器およびデータ伝搬装置は、セグメント化データ・ラインのセグメントの各々に沿って、一度にセルフタイム・データ部分の１つを伝送するように適合され、セグメント化データ・ラインのセグメントの各々が異なるセルフタイム・データ部分を同時に伝送するようになっている。

更に具体的には、図２は、イニシエータ１１１（これはクロック・ドメイン部分およびセルフタイム・ドメイン部分を有する）と伝搬装置１１２の１つ（これはセルフタイム・ドメインである）との間の相互作用を示す。通信を行う際に、イニシエータ１１１は単一データ伝送を多数のデータ部分に分割する。データ部分の各々は、イニシエータ１１１における多くのラッチ２０２の１つに保存される。好ましくは、ラッチ２０２のサイズは、伝送ラインの幅に合わせて、個々のラッチ内の全データが同時にセグメント化データ・ライン１２０〜１２２に沿って伝送可能であるようになっている。イニシエータは、クロック状態マシン（state machine）２００を用いて、転送されているデータが有効であることを保証する。これについては、図４（以下で考察する）に関して更に詳細に示す。イニシエータ１１１内のセルフタイム状態マシン２０４は、マルチプレクサ２０６を制御して、ラッチ２０２の１つから、隣接する下流の伝搬装置１１２に渡すデータを選択する。セルフタイム状態マシンは、次の伝搬装置１１２に要求（Req）し、伝搬装置がデータを受信し認証したら、伝搬装置１１２から確認を受信する。いったん確認（Ack）を受信すると、マルチプレクサ２０６は、異なるラッチ２０２からデータを選択して、これを隣接する下流の伝搬装置１１２に送信する。従って、本発明は、単一の伝送時間を短縮する。なぜなら、データ・ターゲットよりもデータ・ソースの近くに位置する伝搬装置から確認が来るので、この確認をはるかに速く受信するからである。

次々に、各伝搬装置１１２は、データがコレクタに到達するまで、次の下流の伝搬装置と通信を行う。データ伝搬装置の各々が、データを次のデータ伝搬装置に転送する際に、データ伝搬装置は、データ受信確認を前のデータ伝搬装置（およびイニシエータ）に戻すように適合されている。従って、伝搬装置１１２は、協調動作して、セグメント化データ・ライン１２０〜１２２の各異なるセグメントがデータの異なる部分を同時に搬送することを可能とする。

図３は、どのようにコレクタ１１４がデータの部分を組み立て直してイニシエータ１１１に提示されたのと同じ幅に戻すかを示す。換言すると、異なるデータ部分が全てセグメント化データ・ラインの全部分に沿って個別に伝送された後に、コレクタ１１４は、異なるデータ部分を組み合わせて元の単一のデータ伝送にする。データの各部分を受信すると、これを、コレクタ１１４内の別個のラッチ３００にストアする。コレクタ１１４によって、同じタイプのセルフタイム状態マシン２０４およびクロック状態マシン２００を利用して、セルフタイム・ドメインからの伝送データをクロック・ドメインにする（しかしながら、このクロック・ドメインは以前のクロック・ドメインとは異なる周波数で動作している場合がある）。

図４に示す構造によって、セルフタイム状態マシン２０４は、適宜、前進し制御を行うことができる。図４に見られるように、Ｍｕｅｌｌｅｒ（ミュラー）Ｃ要素４００は、要求（Ｒｅｑ１）および確認（Ａｃｋ２）入力ならびにＡｃｋ１出力を有する。ＭｕｅｌｌｅｒＣ要素４００の動作によると、Ｒｅｑ１およびＡｃｋ２が異なる場合は、未処理の（outstanding）要求があり、それらが同一である場合は、データはこの段のラッチに捕捉されており、Ａｃｋ１を送出する。Ａｃｋ１上のいずれかのエッジ（ＸＯＲデバイス４０４において行われる遅延４０３の比較によって判定される）は、状態の変化を表し、そのため、状態マシンにおける変化を信号で伝えるために用いられる。このパルスを発生するため、エッジ検出回路（遅延４０３および排他的ＯＲゲート４０４）を介してＡｃｋ１を送信し、これによって全てのエッジでパルスを生成する。このパルスは、アイテム（item）４０５において状態マシンのラッチをクロック制御するものであり、アイテム４０５は、状態マシン・ロジック４０２における前進および制御のために用いられる。

セグメント化データ・ラインは、単一のデータ・ソースと単一のデータ・ターゲットとの間の単一のデータ通信ライン、または、図５に示すように、少なくとも１つのデータ・ソースと多数のデータ・ターゲットとの間のデータ通信ネットワークとすることができる。更に具体的には、図５が示す拡張機構（expander）１１３は、多数のセグメント化データ経路に沿ってデータを伝送するために用いることができる。拡張機構１１３は、Ｎ組の受信信号を受信し、アービトレーション（arbitration）を実行し、競合（conflict）がない場合、それらを転送経路にルーティングする機能を有する。競合が存在する場合、Ｎ組の受信信号は、第１の組が伝送段（transmit stage）をクリアするまで、バッファ／時間遅延要素を要求する。いったん第１の組が伝送段をクリアすると、次の組の時間的にバッファされた受信信号をルーティングし、Ｎ組の受信信号が全て拡張機構をクリアするまでこれを行う。このため、図５は、多数の宛先に対応する非対称の送信／受信デバイスを示す。

図６は、本発明のフロー図を示す。項目６００では、本発明は、単一のデータ伝送を異なるデータ部分に分解する。次に、項目６０２では、本発明は、第１のデータ部分を、セグメント化データ・ラインの第１のセグメントに沿って伝搬させる。項目６０４では、本発明は、第１のデータ部分を、セグメント化データ・ラインの第２のセグメントに沿って伝搬させ、第２のデータ部分を、第１のセグメントに沿って伝搬させる。項目６０６では、異なるデータ部分を全てセグメント化データ・ラインの全ての部分に沿って個別に伝送した後に、本発明は、異なるデータ部分を組み立て直して単一のデータ伝送にする。

従来のデータ伝送システムに比べて、本発明は、待ち時間は同じであるがスループットは著しく増大する（所与のサイズの伝送ラインについて）。例えば、従来の１バイト伝送ラインは、過剰な抵抗−コンデンサ（ＲＣ）効果を克服するために、４つのバッファを含む場合がある。これらのバッファは、伝送ラインを５つの部分に分割する。この例では、伝送ラインの一端（データ・ソース）から伝送ラインの他端（データ・ターゲット）まで１バイトのデータを伝送するために、５クロック・サイクルがかかることが想定される。なぜなら、各バッファが追加的な１クロック・サイクルを消費すると考えられるからである。データを受信した後、確認信号が伝送ラインの開始点に戻るために、追加的な５クロック・サイクルを要する。このため、かかる従来のデータ伝送ラインに沿って１バイトのデータを伝送するためには、１０クロック・サイクルを要する。従って、同じ従来の伝送ラインに沿って５バイトのデータを伝送するためには、５０クロック・サイクルが必要である。

これに対して、本発明では、同様の１バイト伝送ラインを、４つの伝搬装置を用いて５つのセグメントに分割する。この例では、上述の従来のデータ伝送ラインにおいてバッファが配置されたのと同じ位置に、伝搬装置を配置する。イニシエータにおける１バイト・バッファの１つから第１の伝搬装置まで第１のデータ・バイトを送信するために、１クロック・サイクルが必要であり、第１の伝搬装置からイニシエータまで確認を返信するために、もう１クロック・サイクルが必要である。第３のクロック・サイクルでは、イニシエータは、データ伝送ラインの第１のセグメントに沿って異なる１バイト・バッファからの第２のデータ・バイトを伝送し、第１の伝搬装置は、同時に、データの第１の部分を次の伝搬装置（例えばラインにおける第２の伝搬装置）に送信している。第４のサイクルでは、第２の伝搬装置は、第１の伝搬装置に確認を送信し、第１の伝搬装置は同時にイニシエータに確認を送信する。本発明では、５バイトのデータを全て送信するまで、このプロセスを繰り返す。本発明によって、１つおきのクロック・サイクルごとに、新しいデータ・バイトを送信することができる（例えば、ラインの次の伝搬装置から確認を受信したらすぐに）。

従って、本発明のデータ伝送ラインによって、第１のデータ・バイトは１０クロック・サイクルで伝送され、従って、本発明は、上述の従来の伝送ラインと同じ待ち時間を有する。しかしながら、第１１のクロック・サイクルでは、本発明のデータ伝送ラインは、データ伝送ラインの第１のセグメントに沿って第５のデータ・バイトを送信している（これに対し、従来のシステムは、第１１のクロック・サイクルでは、第２のデータ・バイトの伝送を始めているに過ぎない）。本発明のデータ伝送ラインにおける第５のデータ・バイトは、同様に、伝送ラインの開始点から伝送ラインの終端までの道のりを完了するために、１０クロック・サイクルが必要である。従って、本発明において、全５バイトは２１のクロック・サイクルで送信され、これは、従来のシステムにおいて必要であった５０クロック・サイクルよりも実質的に短い。従って、スループットを劇的に向上させることによって、本発明では、同じサイズ（および同じ長さ）のデータ伝送ラインを介して同じデータ量を伝送するために必要なクロック・サイクル数が減少する。

本発明について、好適な実施形態に関連付けて説明してきたが、特許請求の範囲の精神および範囲内の変形と共に本発明を実施可能であることは、当業者には認められよう。

本発明によるデータ伝送システムの概略図である。図１に示すイニシエータと伝搬装置との間のインタフェースの概略図である。図１に示すイニシエータとコレクタとの間のインタフェースの概略図である。図２および３に示す状態マシンが適正に前進することを可能とする本発明の構造の概略図である。本発明によるデータ伝送システムの概略図である。本発明の好適な方法を示すフロー図である。

Claims

集積回路チップであって、
セグメント化データ・ラインと、
前記セグメント化データ・ラインのセグメント間に配置されたデータ伝搬装置と、
を含み、前記データ伝搬装置が、前記セグメント化データ・ラインのセグメントに沿って異なるデータ部分を同時に伝搬させるように適合され、前記セグメント化データ・ラインの第１のセグメントが第１のデータ部分を搬送し、同時に前記セグメント化データ・ラインの第２のセグメントが第２のデータ部分を搬送する、集積回路チップ。
前記セグメント化データ・ラインに接続されたコレクタを更に含み、前記コレクタが前記異なるデータ部分を組み合わせて単一のデータ伝送にするように適合されている、請求項１に記載の集積回路チップ。
前記単一のデータ伝送を分解して前記異なるデータ部分にするように適合されたイニシエータを更に含む、請求項２に記載の集積回路チップ。
前記異なるデータ部分がセルフタイム・データ部分を含む、請求項２に記載の集積回路チップ。
前記セグメント化データ・ラインが、単一のデータ・ソースと単一のデータ・ターゲットとの間の単一のデータ通信ラインを含む、請求項１に記載の集積回路チップ。
前記セグメント化データ・ラインが、少なくとも１つのデータ・ソースと多数のデータ・ターゲットとの間のデータ通信ネットワークを含む、請求項１に記載の集積回路チップ。
前記データ伝搬装置の各々がデータを次のデータ伝搬装置に転送する際に、前記データ伝搬装置がデータ受信確認を前のデータ伝搬装置に戻すように適合されている、請求項１に記載の集積回路チップ。
集積回路チップであって、
データ・ソースと、
データ・ターゲットと、
前記データ・ソースと前記データ・ターゲットとの間のセグメント化データ・ラインと、
前記データ・ソースおよび前記セグメント化データ・ラインの第１のセグメントに接続されたデータ送信器であって、前記データ・ソースからのデータを、前記セグメント化データ・ラインに沿った伝送のために準備するように適合されている、データ送信器と、
前記セグメント化データ・ラインの前記第１のセグメントおよび前記セグメント化データ・ラインの第２のセグメントに接続された少なくとも１つのデータ伝搬装置であって、前記データ送信器にデータ受信確認を送信し、前記セグメント化データ・ラインの前記第２のセグメントに沿って前記データを伝搬させるように適合され、前記セグメント化データ・ラインの前記第１のセグメントが第１のデータ部分を搬送し、同時に前記セグメント化データ・ラインの前記第２のセグメントが第２のデータ部分を搬送する、データ伝搬装置と、
前記セグメント化データ・ラインの前記第２のセグメントおよび前記データ・ターゲットに接続されたデータ受信器であって、前記セグメント化データ・ラインの前記第２のセグメントからのデータを、前記データ・ターゲットによる受信のために準備するように適合された、データ受信器と、
を含む、集積回路チップ。
前記データ送信器、前記データ伝搬装置、および前記データ受信器が、互いに対して同期を取っている、請求項８に記載の集積回路チップ。
前記データ送信器が、前記データ・ソースから受信したデータ・セグメントを分解して、複数のより小さいセルフタイム・データ部分にするように適合されている、請求項８に記載の集積回路チップ。