JP2019046199A - プロセッサ、および電子機器 - Google Patents
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Abstract
Description
本実施の形態では、半導体装置の一例として、パワーゲーティングが可能な半導体装置について説明する。
図1に示すプロセッサ100は、アーキテクチャが異なるプロセッサコアを備えるヘテロジニアス(異種混合)なプロセッサであり、CPU(中央演算装置)110、GPU(グラフィック演算装置)112、PMU(電力管理装置)113、メモリ装置114、バス115、インターフェース部116、メモリ制御部121、オーディオ処理部122、ビデオ処理部123、ディスプレイ制御部124を有する。これら集積回路は1のダイに設けられている。つまり、プロセッサ100は、システムオンチップで構成されている。図1に示すように、CPU110、GPU112等の各半導体装置が相互にデータの授受が可能に構成されている。
図2に、CPU110の構成例を示す。CPU110は、CPUコア200、L1(レベル1)キャッシュメモリ装置202、L2キャッシュメモリ装置203、バスインターフェース部205、パワースイッチ210〜212、レベルシフタ(LS)214を有する。CPUコア200はフリップフロップ220を有する。
図3にフリップフロップ220の回路構成例を示す。フリップフロップ220はスキャンフリップフロップ221、バックアップ回路222を有する。
バックアップ回路222は、ノードSD_IN、SN11、トランジスタM11〜M13、容量素子C11を有する。
CPUコア200の低消費電力状態として、例えば、クロックゲーティング状態、パワーゲーティング状態、休止状態を設定することができる。PMU113は、割り込み信号、信号SLEEP1等に基づき、CPUコア200の低消費電力モードを選択する。例えば、通常動作状態からクロックゲーティング状態に移行する場合、PMU113はクロック信号GCLK1の生成を停止する。
t1以前は、通常動作状態である。パワースイッチ210はそれぞれオンであり、CPUコア200には電圧VDDDが入力される。スキャンフリップフロップ221は通常動作を行う。このとき、レベルシフタ214は動作させる必要がないため、パワースイッチ212はオフであり、信号SCE、BK、RCは“L”である。ノードSEが“L”であるため、スキャンフリップフロップ221はノードD1のデータを記憶する。なお、図4の例では、t1において、バックアップ回路222のノードSN11は“L”である。
t1で、PMU113はクロック信号GCLK1を停止し、信号PSE2、BKを“H”にする。レベルシフタ214はアクティブになり、“H”の信号BKHをバックアップ回路222に出力する。
信号PSE0が“Lになることで、V_VDD線の電圧が低下するため、ノードQ1のデータは失われる。ノードSN11は、時刻t1でのノードQ1のデータを保持し続ける。
t4で、PMU113が信号PSE0を“H”にすることで、パワーゲーティング状態からリカバリ状態に移行する。V_VDD線の充電が開始され、V_VDD線の電圧がVDDDになった状態(時刻t5)で、PMU113は信号PSE2、RC、SCEを“H”にする。
キャッシュメモリ装置202、203は、oxメモリ装置で構成される。oxメモリ装置とは、メモリセルにoxトランジスタが用いられているメモリ装置のことを指す。例えば、キャッシュメモリ装置202、203は、NOSRAM(登録商標)、またはOSSRAMで構成される。
図5AはNOSRAMの構成例を示すブロック図である。NOSRAM240には、パワードメイン242、243、パワースイッチ245〜247が設けられている。パワードメイン242には、メモリセルアレイ250が設けられ、パワードメイン243にはNOSRAM240の周辺回路が設けられている。周辺回路は、制御回路251、行回路252、列回路253を有する。
図7を参照して、NOSRAM240の動作例を説明する。図7は、NOSRAM240の動作例を示すタイミングチャートである。書込み動作状態、読出し動作状態、およびスタンバイ状態において、パワースイッチ245〜247はオンであり、パワードメイン243には電圧VDDD、VDHW、VDHRが入力される。
“H”の信号CEと、“H”の信号WEとが入力されると、NOSRAM240は書き込み動作を行う。行回路252によって選択された行のワード線WWLは“H”に、ワード線RWLは“L”である。列回路253によって選択されたビット線WBLには、データに応じた電圧が入力される。選択されたメモリセル10のノードSN1の電圧は、データ“1”が書き込まれた場合VDDDとなり、データ“0”が書き込まれた場合VSSSとなる。
“H”の信号CEと、“L”の信号WEとが入力されると、NOSRAM240は読み出し動作を行う。列回路253は、ビット線RBLを電圧VSSSにプリチャージし、次に、ソース線SLを“H”にする。次いで、行回路252によって選択された行のワード線RWLは“L”となる。選択行のメモリセル10がデータ“0”を保持している場合、トランジスタM2のゲートには電圧VSSSが入力されているため、トランジスタM2のソースードレイン間には大きな電流が流れる。したがって、ビット線RBLは速やかに充電され、ビット線RBLの電位は上昇する。選択行のメモリセル10がデータ“1”を保持している場合、トランジスタM2のゲートには電位VDDDが入力されているため、トランジスタM2はドレイン電流を殆んど流さない。そのため、ビット線RBLはプリチャージ電圧(VSSS)を維持する。
書込みワード線WWL、ソース線SLは“L”であり、読出しワード線RWLは“H”である。メモリセル10のトランジスタM1はオフ状態である。
次に、図8、図9を参照して、OSSRAMについて説明する。
図9Aにセル20の回路構成例を示す。セル20は、メモリセル21、バックアップ回路22を有する。メモリセル21は、標準的な6T(トランジスタ)SRAMセルと同じ回路構成であり、双安定回路25、トランジスタMT1、MT2を有する。双安定回路25は、ワード線WL、ビット線BL、BLB、V_VDM線、V_VSM線に電気的に接続されている。なお、V_VDM線は、パワースイッチ312、313によって、電圧の入力が制御されるバーチャル電源電であり、V_VSM線は、パワースイッチ314によって、電圧の入力が制御されるバーチャル電源電である。電圧VDHBは、ゲート線OGLの高レベル電圧であり、VDDMよりも高い電圧である。
OSSRAM300には4種類の低消費電力状態がある。(1)ビット線フローティングモ状態、(2)休止状態(3)セルアレイドメインPG状態、(4)全ドメインPG状態。パワーゲーティング制御回路330は、PMU113のPG信号等にもとづき、低消費電力状態でのOSSRAM300の動作を管理する。
図9Bに、パワードメイン302に対するパワーゲーティングシーケンスの一例を示す。図9Bにおいて、t1、t2等は期間を表している。
時刻t1以前では、OSSRAM300の状態は、通常動作状態(書き込み状態または読み出し状態)である。OSSRAM300はシングルポートSRAMと同様の通常動作を行う。パワースイッチ310〜312、314はオンであり、パワースイッチ313はオフである。
パワーゲーティング制御回路330の制御信号基づき、パワーゲーティングシーケンスが実行される。時刻t1でバックアップ動作が開始する。バックアップ及びリカバリドライバ335は、“全て配線OGLを“H”にする。ここでは、時刻t1でノードQ/Qbは“H”/“L”であり、ノードSN21/SN22は“L”/“H”であるので、トランジスタM21、M22がオンになると、ノードSN21の電圧はVSMからVDMに上昇し、ノードSN22の電圧はVDMからVSMに低下する。t2で信号PGMが“L”となることで、バックアップ動作が終了する。ノードSN21/SN22には、t1でのノードQ/Qbのデータが書き込まれる。
t2で、信号PSE2を“L”にしてパワースイッチ312、314をオフすることで、パワードメイン302のパワーゲーティングが開始する。V_VDM線とV_VSM線の電圧差が低下することで、メモリセル21は非アクティブになる。メモリセル21のデータは消失するが、バックアップ回路22はデータを保持し続ける。
行回路332、列回路333、バックアップおよびリカバリドライバ335は、パワーゲーティング制御回路330の制御信号に従い、リカバリ動作を行う。リカバリ動作では、双安定回路25は、ノードQ/Qbのデータを検知するためのセンスアンプとして機能する。まず、ノードQ、Qbのリセット動作が行われる。t3で、列回路333は、全ビット線対(BL、BLB)のプリチャージ動作を行う。全ビット線対(BL、BLB)は電圧Vpr2にプリチャージされる。行回路332は、全ワード線WLを選択状態にする。V_VDM線、V_VSM線は電圧Vpr2にプリチャージされ、ノードQ、Qbの電圧はVpr2に固定される。
トランジスタM21、M22がオンになる。容量素子C21の電荷がノードQ、ノードSN21に分配され、容量素子C22の電荷がノードQb、ノードSN22に分配され、ノードQとノードQbとに電圧差が生じる。
複数のコアを有するマルチコアCPUをプロセッサ100に設けてもよい。図10に、マルチコアCPUの一例を示す。図10に示すCPU111は、複数のCPUコア200、複数のL1キャッシュメモリ装置202、L2キャッシュメモリ装置203、バスインターフェース部205を有する。図示していないが、CPU111は、CPU110と同様のパワーゲーティング機構を備える。
メモリ装置114は、CPU110および/又はGPU112がアクセス可能に設けられている。メモリ装置114は適宜取捨される。プロセッサ100にメモリ装置114を設けることで、外部メモリ装置にアクセスする場合よりも、データ転送に要する時間およびエネルギーを低減できる。
図11Aに示すように、DOSRAM350のメモリセル16は、ビット線BL(またはBLB)、ワード線WL、配線BGL6、PLに電気的に接続される。ビット線BLBは、反転ビット線である、例えば、配線BGL6、PLには、電圧VBG6、VSSSが入力される。トランジスタM6、および容量素子C6を有する。トランジスタM6はバックゲートを有するoxトランジスタである。
GPU112は、多量の計算を並列に実行できる並列演算装置である。例えば、プロセッサ100において、GPU112は、CPU110のアクセラレータまたはコプロセッサとして機能させることができる。
演算コア261には、複数の演算ユニットが設けられる。例えば、1または複数の積和演算(MAC)ユニット280を備える。図13に示すように、MACユニット280は、MACアレイ281〜283、ドライバ285〜287、出力回路289を有する。なお、MACアレイの数は3に限定されない、1または複数のMACアレイがMACユニット280に設けられる。
プロセッサ100は、ノーマリオフコンピューティングシステムに好適である。プロセッサ100を組み込むことで、電子機器の消費電力を低減できる。図15に、プロセッサ100が組み込まれた電子機器の幾つかの例を示す。例えば、各電子機器において、プロセッサ100はAIプロセッサとして機能させることができる。もちろん。プロセッサ100の処理はAIの演算処理に限定されない、アプリケーションプロセッサとして用いることが可能である。
20:セル、 21:メモリセル、 22:バックアップ回路、 25:双安定回路、
80:乗算器、 82:電流源回路、 83:差分回路、 84:増幅回路、
100:プロセッサ、 110、 111:CPU、 112:GPU、 113:PMU、 115:バス、 116:インターフェース部、 121:メモリ制御部、 122:オーディオ処理部、 123:ビデオ処理部、 124:ディスプレイ制御部、
200:CPUコア、 202:L1キャッシュメモリ装置、 203:L2キャッシュメモリ装置、 205:バスインターフェース部、 210、211、212:パワースイッチ、 214:レベルシフタ、 220:フリップフロップ、 221:スキャンフリップフロップ、 221A:クロックバッファ回路、 222:バックアップ回路、
240:NOSRAM、 242、243:パワードメイン、 245、246、247:パワースイッチ、 250:メモリセルアレイ、 251:制御回路、 252:行回路、 253:列回路、
260:制御回路、 261:演算コア、 263:L1キャッシュメモリ装置、 264:L2キャッシュメモリ装置、 265:インターフェース部、 280:MAC(積和演算)ユニット、 281、282、283:MACアレイ、 285、286、287:ドライバ、 289:出力回路、 290:乗算器アレイ、 292:電流源、 293:差分部、 294:増幅部、
300:OSSRAM、 301、302、303:パワードメイン、310、311、312、313、314:パワースイッチ、
320:メモリセルアレイ、 330:パワーゲーティング制御回路、 331:制御回路、 332:行回路、 333:列回路、 335:バックアップ及びリカバリドライバ、
350:DOSRAM、 360:メモリセルアレイ、 365:周辺回路、 371、:パワースイッチ、
372:パワースイッチ、
7100:ロボット、 7120:飛行体、 7140:掃除ロボット、 7160:自動車、 7200:TV装置、 7210:スマートフォン、 7220、7230:PC、 7232:キーボード、 7233:モニタ装置、 7240、7260:ゲーム機、 7262:コントローラ
Claims (8)
- CPU、GPUが設けられたチップを有するプロセッサであり、
前記CPU、前記GPUそれぞれは、1又は複数のパワーゲーティングが可能なパワードメインを有し、
前記CPUには、バックアップ回路が電気的に接続されているフリップフロップが設けられ、
前記GPUには、行列状に配置された複数の乗算器が設けられ、
前記乗算器は、第1トランジスタ、第2トランジスタ、容量素子および保持ノードを有し、
前記第2トランジスタのゲート、および前記容量素子の端子は前記保持ノードにそれぞれ電気的に接続され、
前記第1トランジスタは、前記保持ノードへのデータの書き込みを制御する機能をもち、
前記バックアップ回路のトランジスタ、前記乗算器の前記第1トランジスタそれぞれにおいて、チャネル形成領域は金属酸化物を有することを特徴とするプロセッサ。 - 請求項1において、
前記バックアップ回路は、前記フリップフロップに積層されていることを特徴とするプロセッサ。 - 請求項1又は2において、
前記乗算器の前記保持ノードに書き込まれるデータは、アナログデータであることを特徴とするプロセッサ。 - 請求項1乃至3の何れか1項において、
前記CPUには、更に第1メモリ装置が設けられ、
前記第1メモリ装置のメモリセルにおいて、書込みトランジスタのチャネル形成領域は金属酸化物で形成されていることを特徴とするプロセッサ。 - 請求項1乃至4の何れか1項において、
前記CPUには、更に第2メモリ装置が設けられ、
前記第2メモリ装置のメモリセルには、バックアップ回路が設けられ、
前記バックアップのトランジスタにおいて、チャネル形成領域は金属酸化物を有することを特徴とするプロセッサ。 - 請求項1乃至5の何れか1項において、
更に第3メモリ装置が前記チップに設けられ、
前記第3メモリ装置は、前記CPUまたは前記GPUがアクセス可能であり、
前記第3メモリ装置のメモリセルにおいて、書込みトランジスタのチャネル形成領域は金属酸化物で形成されていることを特徴とするプロセッサ。 - 請求項1乃至6の何れか1項において、
前記CPUは複数のCPUコアを備えることを特徴とするプロセッサ。 - 請求項1乃至7の何れか1項に記載のプロセッサが組み込まれている電子機器。
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