JP2019053444A - 半導体集積回路及び半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】内部クロックを適切に生成できる半導体集積回路及び半導体装置を提供する。【解決手段】可変レジスタ104と検出回路103と生成回路102とを有する半導体集積回路100であって、可変レジスタ104は、第1の期間における第1のクロックに基づく基準遅延量の検出の開始タイミングが格納される。第1の期間は、第1のクロックの入力が開始される期間である。検出回路103は、複数の遅延段を有する。検出回路は、第1の期間において開始タイミングで基準遅延量を検出し、基準遅延量に対応した遅延段数を求める。生成回路102は、第2の期間において、検出回路で求められた遅延段数に応じて、第1のクロックのデューティ比を調整して第2のクロックを生成する。第2の期間は、第1の期間に続く期間である。【選択図】図2
Description
本実施形態は、半導体集積回路及び半導体装置に関する。
半導体メモリのインターフェースに用いられる半導体集積回路は、基準クロック及びデータを外部から受け、基準クロックのデューティ比を調整して内部クロックを生成し半導体メモリへ供給する。半導体メモリは、内部クロックでデータをラッチすることができる。このとき、内部クロックを適切に生成することが望まれる。
ISSCC 2015/Session 7.6
Open NAND Flash Interface Specification
一つの実施形態は、内部クロックを適切に生成できる半導体集積回路及び半導体装置を提供することを目的とする。
一つの実施形態によれば、可変レジスタと検出回路と生成回路とを有する半導体集積回路が提供される。可変レジスタは、第1の期間における第1のクロックに基づく基準遅延量の検出の開始タイミングが格納される。第1の期間は、第1のクロックの入力が開始される期間である。検出回路は、複数の遅延段を有する。検出回路は、第1の期間において開始タイミングで基準遅延量を検出し、基準遅延量に対応した遅延段数を求める。生成回路は、第2の期間において、検出回路で求められた遅延段数に応じて、第1のクロックのデューティ比を調整して第2のクロックを生成する。第2の期間は、第1の期間に続く期間である。
以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる半導体集積回路を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。
(実施形態)
実施形態に係る半導体集積回路について説明する。半導体集積回路は、半導体メモリに対するインターフェースとして用いられる。例えば、半導体集積回路100は、図1に示す半導体装置1に搭載される。図1は、半導体集積回路100が適用された半導体装置1の構成を示す図である。
実施形態に係る半導体集積回路について説明する。半導体集積回路は、半導体メモリに対するインターフェースとして用いられる。例えば、半導体集積回路100は、図1に示す半導体装置1に搭載される。図1は、半導体集積回路100が適用された半導体装置1の構成を示す図である。
半導体装置1は、コントローラ2及び半導体メモリ3を有する。コントローラ2は、クロックジェネレータ4、制御部5、及び半導体集積回路100を有する。
例えば、NAND型フラッシュメモリなどのようにクロックに同期した動作を行う半導体メモリ3においては、位相制御された内部クロックが必要となる。そのため、半導体集積回路100は、基準クロックφCKrefをクロックジェネレータ4から受けるとともに、データφDIを制御部5から受け、基準クロックφCKrefのデューティ比を調整して内部クロックφCKを生成し半導体メモリ3へ供給するとともにデータφDIをそのままデータφDOとして半導体メモリ3へ転送する。これにより、半導体メモリ3は、内部クロックφCKでデータφDOをラッチすることができる。
ここで、半導体装置1に要求されるアクセススピードの高速化に伴い、半導体集積回路100は、図2に示すように、レシーバ101,111、DLL(Delay Locked Loop)回路103、及びDCC(Duty Cycle Corrector)回路102を搭載する。DLL回路103は、TDC(Time to Digital Convert)技術をベースとして高速に(例えば、転送開始から数クロック程度で)ロック可能なDLL回路が用いられ得る。
半導体集積回路100において、レシーバ101は、基準クロックφCKrefを受け、レシーバ111は、データφDIを受ける。レシーバ101は、基準クロックφCKrefをDLL回路103へ転送するとともにDCC回路102へ転送する。
DLL回路103は、基準クロックφCKrefに基づき基準遅延量(例えば、基準クロックφCKrefの1周期分の遅延量)を検出する。例えば、DLL回路103は、互いに等価な遅延量を有する複数の遅延素子が直列に接続されたディレイチェーン103a及び位相比較回路103bを有し、ディレイチェーン103aにおける各遅延段の出力の位相と基準クロックφCKrefの位相とを比較して、基準遅延量を検出できる。DLL回路103は、その検出結果(位相比較結果)に応じて、基準遅延量に対応した遅延段数(例えば、所定の位相量に相当する遅延段数)を計算する。DLL回路103は、計算結果を位相コード(Phase Code)としてDCC回路102へ供給する。
DCC回路102は、位相コード(Phase Code)に応じて、基準クロックφCKrefに対するデューティ比の調整量を計算する。DCC回路102は、ディレイチェーン103aに対応するディレイチェーン102aを有する。DCC回路102は、計算された調整量に応じて、ディレイチェーン102aを用いながら基準クロックφCKrefの立ち上がりエッジ及び/又は立ち下がりエンジを遅延させる位相制御(デューティ補正+位相シフト)を行う。これにより、DCC回路102は、内部クロックφCKを生成する。また、レシーバ111は、データφDIをそのままデータφDOとして転送する。
例えば、クロックジェネレータ4から半導体集積回路100への基準クロックφCKrefの転送開始時は、半導体装置1の起動時などの電源が安定していない期間であることがある。これにより、半導体集積回路100は、転送開始時に受ける先頭の基準クロックφCKrefが安定せず、それに基づき生成される内部クロックφCKが安定しないことがある。
また、要求されるアクセススピードの高速化に伴い、半導体集積回路100がインターフェース動作を行う対象の半導体メモリ3は、クロックのダブルエッジに同期してコマンドに関する動作が行われるような半導体メモリが用いられる。例えば、半導体メモリ3は、DDR(Double−Data−Rate)、DDR2、DDR3、LPDDR(Low Power Double−Data−Rate)、LPDDR2、ONFI(Open NAND Flash Interface)などの規格に従っている。半導体メモリ3は、NAND型フラッシュメモリなどの不揮発性メモリでもよいし、SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)などの揮発性メモリでもよい。
このとき、データφDOのラッチに用いられるべき内部クロックφCKが安定しないと、データφDOのラッチにおけるセットアップ時間及びホール時間が十分に確保できずに、不揮発性メモリ3で誤ったデータφDOの値がラッチされる可能性がある。
そこで、本実施形態では、半導体集積回路100において、基準クロックφCKrefに基づく基準遅延量の検出を開始するタイミングを可変にする(例えば、基準クロックφCKrefの安定時まで遅らせる)ことで、生成する内部クロックφCKの適正化を図る。
具体的には、半導体集積回路100は、基準クロックφCKrefの受信開始時にデータφDOをラッチせずに待機するウォームアップサイクル期間Twuを設け、そのウォームアップサイクル期間Twu中のロックタイミング(DLL回路103による基準遅延量の検出の開始タイミング)を任意に選択できる可変レジスタ104を追加する。可変レジスタ104は、ロックタイミング(DLL回路103による基準遅延量の検出の開始タイミング)を示す開始コード(Start)が格納されている。可変レジスタ104は、ウォームアップサイクル設定レジスタ104a、及びDLLロックタイミングレジスタ104bを含むことができる。開始コード(Start)は、ウォームアップサイクル期間Twuの設定値と、ウォームアップサイクル期間Twu中における基準クロックφCKrefの1周期の長さが安定するタイミングの設定値とを含むことができる。可変レジスタ104は、半導体集積回路100の動作開始時等の所定のタイミングでDLL回路103へ開始コードを供給する。開始コード(Start)に示されたタイミングは、ウォームアップサイクル期間Twu中における基準クロックφCKrefの1周期の長さが安定するタイミングとして予め実験的に決められ得る。
これに応じて、DLL回路103は、基準クロックφCKrefの受信が開始されウォームアップサイクル期間Twuが開始されても直ちに基準遅延量の検出動作を開始せずに、開始コードに示されたタイミング(例えば、ウォームアップサイクル期間Twuの開始から所定クロック数経過したタイミング)まで待機する。DLL回路103は、ウォームアップサイクル期間Twu中における開始コードに示されたタイミングになると、基準遅延量の検出動作を開始する。これにより、DLL回路103は、基準クロックφCKrefの1周期の長さが安定するタイミングで基準遅延量の検出動作を行うことができるので、基準遅延量に対応する適正な遅延段数をDCC回路102へ供給でき、DCC回路102が適正な内部クロックφCKを生成できるようにすることができる。
例えば、半導体集積回路100は、図3に示すように動作できる。図3は、半導体集積回路100の動作を示す波形図である。
図3に示す例では、DLL回路103が、基準クロックφCKrefの1周期に相当する遅延段数を検出し、1周期の遅延段数に応じてデューティ比50%を示す位相コード(Phase Code)、及び、25%の位相シフトを示す位相コード(Phase Code)をDCC回路102へ供給する。DCC回路102は、位相コード(Phase Code)に基づきデューティ比25%分の遅延段数を計算し、ディレイチェーン102aを用いて、その遅延段数分で基準クロックφCKrefの立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッジをそれぞれ遅延させて内部クロックφCKを生成する。
また、図3に示すように、ウォームアップサイクル期間Twuとして基準クロックφCKrefの6クロックの期間が設けられる。ウォームアップサイクル期間Twu中で、例えば、電源が不安定な先頭2サイクルでロックすると、基準クロックφCKrefの1周期が本来の適正な長さに対して120%ずれた先頭クロックでロックされ、例えばデューティ比50%とすべき位相コードをデューティ比60%の位相コードとして生成してしまう。すなわち、基準クロックφCKrefの適正な1周期に対応する遅延段数が10段である場合に、120%ずれた先頭クロックでロックすると、基準クロックφCKrefの1周期の遅延段数を12段として計算してしまい、デューティ比50%の位相コードとして6段を示す位相コードをDCC回路102へ供給する。これにより、DCC回路102で生成された内部クロックφCKを受けた半導体メモリ3が誤った位相角でロックしてしまう(すなわち、正常に転送できない)可能性がある。
それに対して、図3に示すように、例えば電源安定のために必要なサイクルが基準クロックφCKrefの4サイクル、DLLロックに必要なサイクルが基準クロックφCKrefの2サイクル必要な場合において、ウォームアップサイクル設定レジスタ104aに“6”、DLLロックタイミングレジスタ104bに“5”を設定することにより、電源が安定(周期が安定)したタイミングt1でロックさせることができる。すなわち、DLL回路103が、基準クロックφCKrefの適正な1周期を検出できるので、それに相当する遅延段数として10段を計算し、デューティ比50%の位相コードとして5段を示す位相コードをDCC回路102へ供給できる。これに応じて、DCC回路102は、データφDOの値が安定したタイミング(セットアップ時間及びホールド時間が十分に確保可能なタイミング)t2,t3,t4,t5,t6,・・・に立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジを持つ内部クロックφCKを生成できる。
また、「電源安定のため(Warmup)に必要な最小サイクル数」+「DLLロックに必要な最小サイクル数」を設定することができるため、必要最小限のレイテンシでアクセスすることができ、半導体集積回路100のパフォーマンスの低下を抑えることができる。
以上のように、実施形態では、半導体集積回路100において、基準クロックφCKrefに基づく基準遅延量の検出を開始するタイミングを可変にする。例えば、DLL回路103のロックタイミングを基準クロックφCKrefの安定時まで遅らせる。これにより、DCC回路102で生成される内部クロックφCKを適正化できる。すなわち、高速ロック可能なDLL回路103を搭載している半導体装置1において、基準クロックφCKrefが不安定な場合でもDLL回路103によるロックの精度を向上でき、それに応じて適正な内部クロックφCKを生成できる。
なお、図1では、基準クロックφCKref及びデータφDIが半導体装置1の内部で生成される場合について例示しているが、基準クロックφCKref及びデータφDIは、半導体装置1の外部から受けてもよい。この場合でも、半導体集積回路100を実施形態と同様に構成することで、同様の効果を実現可能である。
あるいは、半導体集積回路200は、パフォーマンス向上のための工夫が施されてもよい。例えば、基準クロックφCKrefに基づき計算される遅延段数は、基準クロックφCKrefが変動するとその値が変わり得るが、時間平均することでその変動による影響をある程度抑制できる。そのような考えに基づき、半導体集積回路200は、図4に示すように構成できる。図4は、半導体集積回路200の構成を示す図である。
すなわち、半導体集積回路200は、図2に示す構成に対して、平均値計算器205、マルチプレクサ(MUX)206、及び切り替え制御回路207をさらに有する。平均値計算器205は、DLL回路103がDCC回路102側へ位相コード(Current Phase Code)を供給する際などに位相コードを受け、位相コードを時間平均する。例えば、平均値計算器205は、N回受ける度に(Nは2以上の整数)、直前のN回の位相コードで示された遅延段数の合計をNで除算して、平均遅延段数を求める。平均値計算器205は、平均遅延段数を示す平均位相コード(Average Phase Code)を生成してマルチプレクサ206へ供給する。
平均値計算器205は、半導体集積回路200の動作停止時等に、直前に計算した平均位相コードを保持できる。切り替え制御回路207は、半導体集積回路200が動作停止後に再び起動されるまでに、マルチプレクサ206を、平均値計算器205で計算された平均位相コードがDCC回路102へ供給される状態(第1の状態)に切り替えておく。そして、切り替え制御回路207は、電源が安定化したタイミングで、マルチプレクサ206を、DLL回路103で計算された位相コードがDCC回路102へ供給される状態(第2の状態)に切り替える。
例えば、可変レジスタ104のDLLロックタイミングレジスタに“3”を設定した場合、図5に示すように動作できる。図5では、先頭の電源が不安定な期間Taveは、前の転送時の平均位相コード(Average Phase Code)を使用し、電源が安定した時点(図5では4サイクル目)で、ロックした位相コード(Current Phase Code)へ切り替えを行う。
これにより、半導体集積回路200は、2回目以降の起動時のウォームアップサイクル期間Twuに相当する期間においてもデータφDOをラッチ可能な内部クロックφCKを生成でき、そのパフォーマンスを向上できる。
あるいは、半導体集積回路300は、さらにパフォーマンスを向上するための工夫が施されてもよい。例えば、変動を検知した際にその時間平均した遅延段数を用いるようにすれば、基準クロックφCKrefの変動による影響をさらに抑制できる。そのような考えに基づき、半導体集積回路300は、図6に示すように構成できる。図6は、半導体集積回路300の構成を示す図である。
すなわち、半導体集積回路300は、図4に示す構成に対して、リミット(Limit)設定レジスタ308、比較回路309をさらに有する。リミット(Limit)設定レジスタ308は、例えば、遅延段数の変動可能な許容範囲(例えば、上限値及び下限値)が設定されており、半導体集積回路300の起動時等の所定のタイミングでリミット値を比較回路309へ供給する。比較回路309は、DLL回路103からDCC回路102側へ供給される位相コード(Current Phase Code)を受け、位相コードで示された遅延段数と許容範囲とを比較する。比較回路309は、遅延段数が許容範囲を外れた場合、その旨を切り替え制御回路207へ通知する。このとき、比較回路309は、遅延段数が許容範囲を外れた旨の警告φWNをさらに外部(例えば、図1に示す制御部5)へさらに通知してもよい。
切り替え制御回路207は、遅延段数が許容範囲を外れた旨の通知を受けるまでは、DLL回路103で計算された位相コードがDCC回路102へ供給される状態(第2の状態)に、マルチプレクサ206を制御する。切り替え制御回路207は、遅延段数が許容範囲を外れた旨の通知を受けると、平均値計算器205で計算された平均位相コードがDCC回路102へ供給される状態(第1の状態)に切り替えるよう、マルチプレクサ206を制御する。
これにより、半導体集積回路300は、その動作中に基準クロックφCKrefの周期が動的に変動した場合に、その変動による影響を抑制して適正な内部クロックφCKを生成できる。また、半導体集積回路300は、基準クロックφCKrefの変動が許容範囲を超えた場合にその警告φWNを例えば制御部5へ通知することで、制御部5による半導体集積回路300のフェイルセーフ(動作停止など)をかけることができる。
また、半導体集積回路300は、消費電力を低減するための工夫がさらに施されてもよい。例えば、位相コードを周期的に更新させれば、クロックサイクルごとに更新する場合に比べて更新のための動作の頻度を低減でき、低消費電力化が期待できる。すなわち、半導体集積回路300は、周期更新制御回路310をさらに有していてもよい。周期更新制御回路310は、平均値計算器205と切り替え制御回路207とが周期的に動作するように制御し、その周期の合間には平均値計算器205と切り替え制御回路207とが休止するように制御できる。これにより、平均値計算器205と切り替え制御回路207との動作頻度を低減でき、半導体集積回路300の消費電力を低減できる。
さらに、周期更新制御回路310は、図6に破線で示すように、遅延段数が許容範囲を外れた旨の通知を比較回路309から受けるように構成されていてもよい。この場合、周期更新制御回路310は、遅延段数が許容範囲を外れた旨の通知を所定期間内に受けない場合に、位相コードの更新の周期を長くし、遅延段数が許容範囲を外れた旨の通知を所定期間内に受けた場合に、位相コードの更新の周期を短くすることができる。例えば、期間Trf1では、位相コードの更新の周期が4クロックサイクルである場合に、この期間Trf1内に遅延段数が許容範囲を外れた旨の通知を受けなかったことに応じて、期間Trf1に続く期間Trf2において、位相コードの更新の周期を6クロックサイクルに延長させることができる。これにより、半導体集積回路300の消費電力を低減できる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1 半導体装置、100 半導体集積回路、102 DCC回路、103 DLL回路、104 可変レジスタ、206 マルチプレクサ、310 周期更新制御回路。
Claims (7)
- 第1のクロックの入力が開始される第1の期間における前記第1のクロックに基づく基準遅延量の検出の開始タイミングが格納される可変レジスタと、
複数の遅延段を有し、前記第1の期間において前記開始タイミングで前記基準遅延量を検出し、前記基準遅延量に対応した遅延段数を求める検出回路と、
前記第1の期間に続く第2の期間において、前記検出回路で求められた遅延段数に応じて、前記第1のクロックのデューティ比を調整して第2のクロックを生成する生成回路と、
を備えた半導体集積回路。 - 前記検出回路で求められた遅延段数を時間平均して平均遅延段数を求める演算回路と、
前記演算回路で求められた平均遅延段数が前記生成回路へ供給される第1の状態と前記検出回路で求められた遅延段数が前記生成回路へ供給される第2の状態とを切り替える切り替え回路と、
をさらに備えた
請求項1に記載の半導体集積回路。 - 前記切り替え回路は、前記第1のクロックの入力が再び開始される第3の期間において前記第1の状態へ切り替え、前記第3の期間に続く第4の期間において前記第2の状態へ切り替える
請求項2に記載の半導体集積回路。 - 前記切り替え回路は、前記第4の期間において、前記検出回路で求められた遅延段数が前記平均遅延段数に応じた許容範囲を外れた場合、前記第1の状態へ切り替える
請求項3に記載の半導体集積回路。 - 前記半導体集積回路は、前記検出回路で求められた遅延段数が前記許容範囲を外れた場合、警告信号を生成する
請求項4に記載の半導体集積回路。 - 前記第4の期間において、前記切り替え回路が前記第1の状態と前記第2の状態との切り替えを前記第1のクロックの複数周期に対応した周期で行うように前記切り替え回路を制御する制御回路をさらに備えた
請求項3から5のいずれか1項に記載の半導体集積回路。 - 第1のクロックを受けて第2のクロックを生成する請求項1から6のいずれか1項に記載の半導体集積回路と、
前記第2のクロックを用いて動作する半導体メモリと、
を備えた半導体装置。
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