JP2019501456A - 動作電圧を制御するシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

電子デバイスの動作電圧を制御するための制御システム１００が提示される。電子デバイスは、電子デバイスの動作に関連したタイミングイベント（例えばエラー）に応答するタイミングイベント検出器を備える。制御システムは、タイミングイベント・レートが実質的に目標レベルにある最小の動作電圧である閾値電圧を捜すように、タイミングイベント・レートが目標レベルを下まわるときに動作電圧を減少させるための、そしてタイミングイベント・レートが目標レベルを超えるときに動作電圧を増加させるためのコントローラ１０１を備える。制御システムは、クロック周波数が動作電圧の増加関数に一致するように、電子デバイスを動作させるためのクロック信号を発生するための制御可能なクロック信号ジェネレータ１０２を備える。こうして、エネルギー消費量が最小化される電圧—周波数動作点を見つけることができる。【選択図】図１

Description

本開示は、一般に、（例えば、しかし必然的にではなく、デジタルプロセッサ回路のような）電子デバイスのエネルギー消費量を制御することに関する。より詳しくは、本開示は、電子デバイスに供給される動作電圧を制御するための方法およびシステムに関する。さらに、本開示は、電子デバイスに供給される動作電圧を制御するためのコンピュータ・プログラムに関する。

多くの場合、電子デバイス（例えばデジタルプロセッサ回路）のエネルギー消費量は、重大な問題である。例えば、モノのインターネット（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ−ｏｆ−Ｔｈｉｎｇｓ）「ＩｏＴ」、産業インターネット（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ）「ＩＩ」、および全てのインターネット（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ−ｏｆ−Ｅｖｅｒｙｔｈｉｎｇ）「ＩｏＥ」のような技術は、塊状の進展の出発点にあり、そして、進展の裏の主要なドライバは、至る所にある無線プロセシングノードである。しかしながら、所与の距離にわたりビットを送信するエネルギー消費量は、無線ノードの範囲内のデジタルプロセシングほど都合よくムーアの法則に比例しない。したがって、デジタルプロセシングと比較されるときに、無線伝送のエネルギーコストは比例して成長する。このようにエネルギー効率を向上させることは、データの無線伝送を最小化するために内部ノードプロセシングの量を増加させることを必要とする。したがって、プロセッサおよびデジタル信号プロセシング「ＤＳＰ」は、最適化される最も重要なパーツとまではいかなくとも、そのうちの１つになる。これは、例えばＭａｃｈｉｎｅ Ｌｅａｒｎｉｎｇ、Ｖｉｄｅｏ、などのような無線ノードの増加する機能性によって増す。

例えば、従来のデジタル相補型金属酸化膜半導体「ＣＭＯＳ」デザインにおいて、動作電圧（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｖｏｌｔａｇｅ）すなわち電源電圧ＶＤＤは、概して１ボルトまたはそれよりも大きい。電力消費により示されるエネルギー消費量は、動作電圧ＶＤＤに実質的に二次曲線的に依存していて、すなわち消費電力はＶＤＤ^２に実質的に比例している。したがって、エネルギー抑制型システム（例えばモノのインターネット「ＩｏＴ」）から熱抑制型システム（例えばサーバー）まで広範囲にわたるアプリケーションのための動作電圧ＶＤＤを減らす強い動機付けがある。ａ）例えばＣＭＯＳ技術のような技術の機能的限界、およびｂ）例えば動作速度上の制限のようなパフォーマンス限界に起因して、動作電圧ＶＤＤ上には下限がある。動作電圧ＶＤＤの下限より僅かに上での、または閾値電圧近く「ＮＴＶ」での動作によって、デジタル設計は、堅牢であり、低いエネルギー消費量を有し、良好なパフォーマンスを有する。このように、デジタルＮＴＶデザインに基礎を置くますます多くの研究者および会社がある。若干の場合に、そして特に中央演算処理装置「ＣＰＵ」と連動して、動作電圧は、コア電圧としばしば呼ばれている。

ＮＴＶの潜在市場は、上述のＩｏＴおよび無線ウェルビーイング（ｗｅｌｌｂｅｉｎｇ）および健康管理（ｈｅａｌｔｈｃａｒｅ）のようなアプリケーションのための近い将来の電子工学においてある。健康管理産業の成長は、主要なドライバの１つであると期待され、埋め込み型システム要求への好影響を有すると期待される。これは、血中グルコースモニタのような医療器具において使用する埋め込み型システムのかなりの数に帰することができる。

理想的には、電子システムは、名目動作電圧からＮＴＶまでその動作を拡大・縮小することが可能である。しかしながら、動作電圧を閾値電圧の下まで減らすことは、パフォーマンスの劇的な損失に結果としてなり、そして、実行において機能的失敗に至る場合がある。したがって、ＮＴＶで動作するために、閾値電圧がどこに位置するかを識別する方法が必要である。例えばＣＭＯＳデバイスの閾値電圧がローカルのおよびグローバルの両方のバリエーション（例えば温度）によって変化するので、方法は、都合よく動的である。加えて、閾値電圧を意図的に移動するために、現代のＣＭＯＳにおいてはボディバイアスが使われる。エネルギー消費量を減らすための周知の技術的ソリューションにおいて、動作電圧ＶＤＤは、例えばスループット要件および／または温度のような動作パラメータの関数として動作電圧の値を与えるルックアップ・テーブルを用いて決定される。しかしながら、ルックアップ・テーブルは電子システムの設計段階で仕上げられ、したがって、ルックアップ・テーブルは、動的な変化および設計後の変数を克服するために安全マージンを含まなければならない。この安全マージンは、ランタイムでエネルギー損失に至る。

エネルギー消費量を最適化することに関連して使用可能なおよび／またはエネルギー消費量を最適化することに関連した技術的ソリューションは、例えば、特許文献１〜３に記載されている。

米国特許第８９２４９０２号 米国特許第８２３７４７７号 米国特許第８０７２７９６号

さまざまな本発明の実施形態のいくつかの態様の基本的な理解を提供するために、簡略した概要を以下に示す。この概要は、本発明の広範囲な概要ではない。本発明の鍵となるまたは重要な要素を識別することを意図しないし、本発明の範囲を詳細に描写することも意図しない。以下の概要は、本発明の例示的実施形態のより詳細な説明の前兆として、単に若干の概念を簡略した形に示すだけである。

本発明によれば、例えばデジタルプロセッサ回路のような電子デバイスに供給される動作電圧ＶＤＤを制御するための新規な制御システムが提供される。電子デバイスは、電子デバイスの動作に関連したタイミングイベントに応答するタイミングイベント検出器を備える。タイミングイベントは、例えば、電子デバイスの動作に関連したエラーに、および／またはデバイスのダイナミック動作についての信号（例えば時間を借りている信号）に、および／または電子デバイスの動作の質、パフォーマンス、または若干の他の適切な特性を直接または間接的に表す他のいかなる信号またはイベントにも、応答することができる。

本発明による制御システムは、
−タイミングイベント・レートが実質的に目標レベルにある動作電圧の最小値である閾値電圧を捜すように、タイミングイベント・レートを決定するための、タイミングイベント・レートが目標レベルを下まわる限り動作電圧を減少させるための、そしてタイミングイベント・レートが目標レベルを超えるときに動作電圧を増加させるためのコントローラ、および、
−電子デバイスを動作させるためのクロック信号を発生するための制御可能なクロック信号ジェネレータであって、動作電圧が閾値電圧を上まわるときに、タイミングイベント・レートは実質的に目標レベルにあり、そして、動作電圧が閾値電圧を下まわるときに、タイミングイベント・レートは目標レベルを超えるように、クロック信号のパルスレートを表すクロック周波数Ｆ_ｃｌｋが動作電圧の増加関数に一致している、制御可能なクロック信号ジェネレータ、
を備える。

この文書において、用語「増加関数」は、その導関数（ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）が正（例えばｄＦ_ｃｌｋ／ｄＶＤＤ＞０）である関数を意味し、すなわち、動作電圧が減少するときにクロック周波数は減少し、そして動作電圧が増加するときにクロック周波数は増加する。上述のタイミングイベント・レートは、例えば、しかし必然的にではなく、電子デバイスの動作に関連したエラーレートであることができる。

上述の閾値電圧を捜すときに上述のクロック周波数Ｆ_ｃｌｋが動作電圧ＶＤＤと共に変化するにつれて、しかしながら検出されたタイミングイベント・レートが許容レベルに保たれるように、そしてこのようにパフォーマンスがクラッシュしないように、電子デバイスのエネルギー消費量が最小化される電圧−周波数動作点を見つけることができる。動作条件（例えば温度）の変化に関して動作電圧ＶＤＤおよびクロック周波数Ｆ_ｃｌｋを動的に適応させるように、制御システムは、電子デバイスの動作の間、動作するように都合よく構成される。

本発明によれば、
−電子デバイスの動作に関連したタイミングイベントに応答するタイミングイベント検出器を備える電子デバイス、および、
−電子デバイスに供給される動作電圧を制御するための制御システム、
を備える新規な電子システムも提供される。

電子デバイスの動作に関連したエラーを訂正するように、電子デバイスは、電子デバイスの動作に関連したエラーに応答するエラー−訂正および／またはエラー防止ロジックをさらに備えてよい。

本発明によれば、電子デバイスの動作に関連したタイミングイベントに応答するタイミングイベント検出器を備える電子デバイスに供給される動作電圧を制御する新規な方法も提供される。本発明による方法は、
−タイミングイベント・レートを決定するステップ、および、
−タイミングイベント・レートが実質的に目標レベルにある動作電圧の最小値である閾値電圧を捜すように、タイミングイベント・レートが目標レベルを下まわる限り動作電圧を減少させるステップ、そしてタイミングイベント・レートが目標レベルを超えるときに動作電圧を増加させるステップ、
を含む。

本発明による方法において、動作電圧が閾値電圧を上まわるときに、タイミングイベント・レートは実質的に目標レベルにあり、そして、動作電圧が閾値電圧を下まわるときに、タイミングイベント・レートは目標レベルを超えるように、電子デバイスを動作させるクロック信号のパルスレートを表すクロック周波数は動作電圧の増加関数に一致している。

本発明によれば、電子デバイスの動作に関連したタイミングイベントに応答するタイミングイベント検出器を備える電子デバイスに供給される動作電圧を制御するための新規なコンピュータ・プログラムが提供される。本発明によるコンピュータ・プログラムは、
−タイミングイベント・レートを決定し、
−タイミングイベント・レートが実質的に目標レベルにある動作電圧の最小値である閾値電圧を捜すように、タイミングイベント・レートが目標レベルを下まわる限り動作電圧を減少させ、そしてタイミングイベント・レートが目標レベルを超えるときに動作電圧を増加させ、そして、
−電子デバイスを動作させるためのクロック信号を発生するために制御可能なクロック信号ジェネレータを制御する、ためにプログラム可能な処理システムを制御するためのコンピュータ実行可能命令を含み、動作電圧が閾値電圧を上まわるときに、タイミングイベント・レートは実質的に目標レベルにあり、そして、動作電圧が閾値電圧を下まわるときに、タイミングイベント・レートは目標レベルを超えるように、クロック周波数は動作電圧の増加関数に一致している。

本発明によれば、新規なコンピュータ・プログラム製品も提供される。コンピュータ・プログラム製品は、本発明によるコンピュータ・プログラムによってコード化される不揮発性コンピュータ可読媒体（例えばコンパクトディスク「ＣＤ」）を含む。

本発明によれば、本発明の一実施形態によるコンピュータ・プログラムを定義する情報をもたらす新規な信号も提供される。信号は、例えば、通信ネットワークから（例えばクラウド・サービスから）受信することができる。

本発明の多くの例示的かつ非限定的な実施形態は、添付の従属クレームに記載されている。

そのさらなる目的および利点と共に、構造および動作方法の両方に関する本発明のさまざまな例示的かつ非限定的な実施形態は、添付図面に関連して読み込まれるときに、特定の例示的実施形態の以下の説明から最もよく理解されるであろう。

この文書において動詞「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」および「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」は、詳述されない特徴の存在を除外もせず必要ともしない開いた制限として使われる。

明示的に述べられない限り、添付の従属クレームにおいて詳述される特徴は、相互に自由に組み合わせ可能である。さらに、この文書の全体を通じて「１（ａ）」または「１つ（ａｎ）」（すなわち単数形）の使用は、複数を除外しないことを理解すべきである。

本発明の例示的かつ非限定的な実施形態およびそれらの利点は、添付図面を参照して後でさらに詳細に説明される、

図１は、電子システムの動作電圧を制御するための本発明の例示的かつ非限定的な実施形態による制御システムを備える電子システムの機能ブロック図を示す。 図２は、図１に示される制御システムの動作を示す。 図３は、電子システムの動作電圧を制御するための本発明の別の例示的かつ非限定的な実施形態による制御システムを備える電子システムの機能ブロック図を示す。 図４は、図３に示される制御システムの動作を示す。 図５は、電子デバイスの動作電圧を制御するための本発明の例示的かつ非限定的な実施形態による方法のフローチャートを示す。 図６は、本発明の例示的かつ非限定的な実施形態のユーザビリティを検証するための例示的テストシステムの一部の実施を示す。

下記の説明において提供される具体例は、添付のクレームの範囲および／または適用可能性を制限するものとして解釈されてはならない。明示的に述べられない限り、下記の説明において提供される実施例のリストおよびグループは、徹底的ではない。

図１は、本発明の例示的かつ非限定的な実施形態による電子システムの機能ブロック図を示す。電気システムは、例えばデジタルプロセッサ回路でありえる電子デバイス１０３を含む。電子デバイス１０３は、電子デバイスの動作に関連したタイミングイベント（例えばエラー）に応答するタイミングイベント検出器を備える。電子デバイス１０３は、電子デバイスの動作に関連したタイミングイベントに対応するパルスから成るタイミングイベント信号１０７を発生する。例えば、タイミングイベント信号１０７における各パルスは、例えば、しかし必然的にでなく、電子デバイス１０３の動作における１つのエラーに対応してよい。タイミングイベント検出器に加えて、電子デバイス１０３は、エラーを訂正するように、エラーに応答するエラー−訂正および／またはエラー防止ロジックをさらに備えてよい。上述の種類のタイミングイベント検出器およびエラー−訂正および／またはエラー防止ロジックを備える例示的電子デバイスは、例えば、米国特許出願公開第２００７０２８８７９８号から見つかる。

電子システムは、電子デバイス１０３に供給される動作電圧ＶＤＤを制御するための制御システム１００を含む。制御システム１００は、電圧レギュレータ１０８を制御するための電圧制御信号１０４を発生するように構成される。電圧レギュレータ１０８は、エネルギーソース１０９の電圧を、値が電圧制御信号１０４に依存する直接的な「ＤＣ」電圧に変換するように構成される。電圧レギュレータ１０８は、例えば、スイッチモードＤＣ−ＤＣコンバータまたはＡＣ−ＤＣコンバータでありえる。エネルギーソース１０９は、例えば、バッテリ、燃料電池、代替電圧を供給する送電網、またはエネルギー収穫ソースでありえる。

制御システム１００は、電子デバイス１０３を動作させるためのクロック信号１０６を発生する制御可能なクロック信号ジェネレータ１０２を備える。制御システム１００は、電子デバイス１０３の動作に関連したタイミングイベント・レート（例えばエラーレート）を決定するためのコントローラ１０１をさらに備える。カウンタのうちの１つがクロック信号１０６のパルスを計数し、そしてカウンタのうちの他の１つがタイミングイベント信号１０７のパルスを計数するように、タイミングイベント・レートは、２つのカウンタを用いて決定されることができる。タイミングイベント・レートは、例えば、適切なサンプル期間の間に計数されたタイミングイベント信号１０７のパルス数とクロック信号１０６のパルス数との比として定められることができる。タイミングイベント・レートが実質的に目標レベルにある動作電圧の最小値である閾値電圧Ｖｔｈを捜すように、コントローラ１０１は、タイミングイベント・レートが予め定められた目標レベルを下まわる限り、動作電圧ＶＤＤを減少させるように構成され、そしてタイミングイベント・レートが目標レベルを超えるときに、動作電圧ＶＤＤを増加させるように構成される。目標レベルは、例えば０．１％（すなわち、タイミングイベント信号１０７のパルスレートがクロック信号１０６のパルスレートよりも１０００倍少ない）であることができる。

動作電圧が閾値電圧Ｖｔｈを上まわるときにタイミングイベント・レートが実質的に目標レベルにあり、そして動作電圧が閾値電圧を下まわるときにタイミングイベント・レートが目標レベルを超えるように、制御可能なクロック信号ジェネレータ１０２は、クロック信号１０６のパルスレートを表すクロック周波数Ｆ_ｃｌｋが動作電圧ＶＤＤの増加関数に一致するようにクロック信号１０６を発生するように構成される。

図２は、検出されるタイミングイベントが電子デバイス１０３の動作に関連したエラーである例示的ケースを示す。かくして、図２では、検出されたタイミングイベント・レートは、エラーレートである。図２において、動作電圧ＶＤＤの関数としてのエラーレートは、曲線２２１によって表され、そして動作電圧ＶＤＤの上述の増加関数としてのクロック周波数Ｆ_ｃｌｋは、曲線２２３によって表される。曲線２２３上で、動作電圧ＶＤＤが閾値電圧Ｖｔｈよりも十分に大きいときに、クロック周波数Ｆ_ｃｌｋは、以下の方程式（１）に実質的にしたがっていることができる。
ここで、Ｋは遅延−適合パラメータ、Ｃｇは電子デバイスのトランジスタ技術に関連した特性インバータの出力キャパシタンス、αｖは１と２の間にある速度飽和インデックスである。曲線２２３は、例えば、ＶＤＤの適切な多項式関数によって近似されることができる。

図２から分かるように、動作電圧ＶＤＤが閾値電圧Ｖｔｈより上にあり、そしてクロック周波数Ｆ_ｃｌｋが曲線２２３に一致しているときに、曲線２２１で表されるエラーレートは、実質的に目標レベルにある。動作電圧ＶＤＤが閾値電圧Ｖｔｈより下に減少し、そしてクロック周波数Ｆ_ｃｌｋが曲線２２３に一致しているときに、エラーレートは急増する。図２において、曲線２２４は、エラーレートを目標レベルに保つために、動作電圧ＶＤＤが閾値電圧Ｖｔｈより下に減少するときに、クロック周波数Ｆ_ｃｌｋがどのように減少しなければならないかについて示す。曲線２２４上で、動作電圧ＶＤＤが閾値電圧Ｖｔｈ以下であるときに、クロック周波数Ｆ_ｃｌｋは、以下の方程式（２）に実質的にしたがっていることができる。
ここで、Ｉ_Ｏは電子デバイスのトランジスタ技術に関連した特性インバータのＯＮ電流、ｎはサブ閾値スイング係数、Ｕ_Ｔは熱力学的電圧である。上に提示された方程式についてのより詳細な情報は、例えば、Ｗａｎｇ Ａ．， Ｃａｌｈｏｕｎ Ｂ．，およびＣｈａｎｄｒａｋａｓａｎ Ａ， Ｓｕｂ−ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｕｌｔｒａ Ｌｏｗ−Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ， Ｓｐｒｉｎｇｅｒ， ２００５から見つかる。

図２から分かるように、動作電圧ＶＤＤが閾値電圧Ｖｔｈより上にあるとき、曲線２２３と曲線２２４とは一致し、そして動作電圧ＶＤＤが閾値電圧Ｖｔｈより下にあるとき、曲線２２３と曲線２２４とは互いから逸脱する。図２に示される曲線２２２は、電子デバイス１０３の動作当たりの平均エネルギー消費量を示す。動作は、例えば、論理演算、レジスタへの書き込み、またはレジスタからの読み出しでありえる。曲線２２２で示すように、動作電圧ＶＤＤが高いときに、または動作電圧ＶＤＤが低いときに、動作当たりのエネルギーは高い。電子デバイス１０３の内部キャパシタンスの充放電のための電流が動作電圧とともに成長するので、高い動作電圧によって動作当たり高いエネルギー消費量を発生する。一方で、電子デバイス１０３の半導体スイッチによるリーク電流が原因で、低い動作電圧によって動作当たり高いエネルギー消費量が発生する。

図２から分かるように、動作当たりのエネルギーの最小値は、閾値電圧Ｖｔｈの近くに位置する。多くの種類の電子デバイス（例えばＣＭＯＳ回路）とともに、動作当たりのエネルギーの最小値は、動作電圧が閾値電圧より下に減少し、そしてクロック周波数が動作電圧の下に凸の増加関数に一致するときに、エラーレートが急速に増大し始める閾値電圧の近くに位置すると気づかされた。用語「下に凸の関数」は、関数のグラフがグラフのタンジェントより上に考慮される各位置にあることを意味する。このように、動作電圧ＶＤＤを閾値電圧Ｖｔｈにまたは閾値電圧Ｖｔｈよりわずかに上（例えば１〜１０％）に制御することによって、電子デバイス１０３のエネルギー消費量は、最適化されることができる。

本発明の例示的かつ非限定的な実施形態による制御システムにおいて、制御可能なクロック信号ジェネレータ１０２は、動作電圧ＶＤＤが変化するときにクロック周波数Ｆ_ｃｌｋが所望の方法でふるまうように、すなわちクロック周波数Ｆ_ｃｌｋが動作電圧ＶＤＤの所望の増加関数に一致するように、クロック信号１０６を発生するように選択された電気部品によって造られる。制御可能なクロック信号ジェネレータ１０２は、例えば、動作電圧ＶＤＤの所望の増加関数にしたがって動作電圧ＶＤＤに応答する電圧−制御−発振器「ＶＣＯ」から成ってよい。

場合によっては、しかしながら、動作電圧ＶＤＤが変化するときにクロック周波数Ｆ_ｃｌｋが所望の方法でふるまうようにクロック信号１０６を発生するために、制御可能なクロック信号ジェネレータ１０２を調整する必要がありえる。本発明の例示的かつ非限定的な実施形態による制御システムにおいて、コントローラ１０１は、閾値電圧Ｖｔｈのための探索に先立って、動作電圧ＶＤＤが閾値電圧Ｖｔｈよりも大きい初期値Ｖ＿ｉｎｉを有するために、そして、動作電圧ＶＤＤの初期値Ｖ＿ｉｎｉに対応するクロック周波数Ｆ_ｃｌｋの初期値Ｆ＿ｉｎｉを捜すように、タイミングイベント・レート（例えばエラーレート）が目標レベルより下にあるときにクロック周波数Ｆ_ｃｌｋを増加させ、そしてタイミングイベント・レートが目標レベルを超えるときにクロック周波数Ｆ_ｃｌｋを減少させるために制御可能なクロック信号ジェネレータ１０２を制御するために、動作電圧ＶＤＤをセットするように構成される。コントローラ１０１は、初期値Ｖ＿ｉｎｉおよびＦ＿ｉｎｉに基づいて、所望の方法で、すなわち曲線２２３で示される増加関数によって動作させるために、制御可能なクロック信号ジェネレータ１０２を調整するように構成される。図１において、制御可能なクロック信号ジェネレータ１０２の調整は、破線の矢印１１０で表される。調整は、例えば、ＶＤＤ＝Ｖ＿ｉｎｉのときにＦ_ｃｌｋ＝Ｆ＿ｉｎｉであるように、ＶＣＯの入力バイアス電圧をセットすることができる。

図３は、本発明の例示的かつ非限定的な実施形態による電子システムの機能ブロック図を示す。電気システムは、電子デバイスの動作に関連したタイミングイベント（例えばエラー）に応答するタイミングイベント検出器を備える電子デバイス３０３を含む。電子デバイス３０３は、電子デバイスの動作に関連したタイミングイベントに対応するパルスから成るタイミングイベント信号３０７を発生する。タイミングイベント検出器に加えて、電子デバイス３０３は、電子デバイスの動作に関連したエラーを訂正するように、エラーに応答するエラー−訂正および／またはエラー防止ロジックをさらに備えてよい。電子システムは、電子デバイス３０３に供給される動作電圧ＶＤＤを制御するための制御システム３００を含む。制御システム３００は、電圧レギュレータ３０８を制御するための電圧制御信号３０４を発生するように構成される。

制御システム３００は、電子デバイス３０３を動作させるようにクロック信号３０６を発生するための制御可能なクロック信号ジェネレータ３０２を備える。制御システム３００は、電子デバイス３０３の動作に関連したタイミングイベント・レート（例えばエラーレート）を決定するためのコントローラ３０１をさらに備える。タイミングイベント・レートが実質的に目標レベルにある動作電圧ＶＤＤの最小値である閾値電圧Ｖｔｈを捜すように、コントローラ３０１は、タイミングイベント・レートが目標レベルを下まわる限り、動作電圧ＶＤＤを減少させるように構成され、そしてタイミングイベント・レートが目標レベルを超えるときに、動作電圧ＶＤＤを増加させるように構成される。

コントローラ３０１は、クロック信号ジェネレータ３０２を制御するための周波数制御信号３０５を発生するように構成される。動作電圧が閾値電圧Ｖｔｈを上まわるときにタイミングイベント・レートが実質的に目標レベルにあり、そして動作電圧が閾値電圧を下まわるときにタイミングイベント・レートが目標レベルを超えるように、クロック信号ジェネレータ３０２は、クロック周波数Ｆ_ｃｌｋが動作電圧ＶＤＤの増加関数に一致するようにクロック信号３０６を発生するように制御される。

図４は、検出されるタイミングイベントが電子デバイス３０３の動作に関連したエラーである例示的ケースを示す。かくして、図４では、検出されたタイミングイベント・レートは、エラーレートである。図４において、動作電圧ＶＤＤの関数としてのエラーレートは、曲線４２１によって表され、そしてクロック周波数Ｆ_ｃｌｋは、曲線４２３によって表される。曲線４２３上で、動作電圧ＶＤＤが閾値電圧Ｖｔｈよりも十分に大きいときに、クロック周波数Ｆ_ｃｌｋは、上に提示された方程式（１）に実質的にしたがっていることができる。曲線４２３は、例えば、ＶＤＤの適切な多項式関数によって近似されることができる。

図４から分かるように、動作電圧ＶＤＤが閾値電圧Ｖｔｈより上にあり、そしてクロック周波数Ｆ_ｃｌｋが曲線４２３に一致しているときに、曲線４２１で表されるエラーレートは、実質的に目標レベルにある。動作電圧ＶＤＤが閾値電圧Ｖｔｈより下に減少し、そしてクロック周波数Ｆ_ｃｌｋが曲線４２３に一致しているときに、エラーレートは急増する。図４において、曲線４２４は、エラーレートを目標レベルに保つために、動作電圧ＶＤＤが閾値電圧Ｖｔｈより下に減少するときに、クロック周波数Ｆ_ｃｌｋがどのように減少しなければならないかについて示す。曲線４２４上で、動作電圧ＶＤＤが閾値電圧Ｖｔｈ以下であるときに、クロック周波数Ｆ_ｃｌｋは、上に提示された方程式（２）に実質的にしたがっていることができる。図４に示される曲線４２２は、電子デバイス３０３の動作当たりの平均エネルギー消費量を示す。図４に示したように、動作電圧ＶＤＤを閾値電圧Ｖｔｈにまたは閾値電圧Ｖｔｈよりわずかに上（例えば１〜１０％）に制御することによって、電子デバイス３０３のエネルギー消費量は、最適化されることができる。

図３に示される例示的な制御システム３００において、コントローラ３０１は、閾値電圧Ｖｔｈのための探索に先立って、動作電圧ＶＤＤが閾値電圧Ｖｔｈよりも大きい各々の適合した（ｆｉｔｔｉｎｇ）電圧値Ｖ＿ｆｔ１、Ｖ＿ｆｔ２、Ｖ＿ｆｔ３を連続して有するために、動作電圧ＶＤＤをセットするように構成される。動作電圧ＶＤＤが各々の適合した電圧値を有するときに、コントローラ３０１は、図４に示したように各々の適合した電圧値Ｖ＿ｆｔ１、Ｖ＿ｆｔ２、Ｖ＿ｆｔ３に対応する適合した周波数値Ｆ＿ｆｔ１、Ｆ＿ｆｔ２、Ｆ＿ｆｔ３を捜すように、例えばエラーレートが目標レベルより下にあるときにクロック周波数を増加させ、そしてエラーレートが目標レベルを超えるときにクロック周波数を減少させるためにクロック信号ジェネレータ３０２を制御するように構成される。エラーレートが曲線４２１に一致しているように、クロック周波数を動作電圧ＶＤＤの増加関数に一致させて設定するように、コントローラ３０１は、適合した電圧値および適合した周波数値に基づいて、クロック周波数の制御に関連した１つ以上の設定パラメータを決定するように構成される。コントローラ３０１は、例えば、動作電圧ＶＤＤが変化するときにクロック周波数が所望の方法で変えられるように、上述の設定パラメータを用いて、クロック信号ジェネレータ３０２を制御するように構成されるデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）から成ってもよい。

図５は、電子デバイスの動作に関連したタイミングイベントに応答するタイミングイベント検出器を備えている電子デバイスに供給される動作電圧ＶＤＤを制御するための本発明の例示的かつ非限定的な実施形態による方法のフローチャートを示す。方法は、
−タイミングイベント・レートを決定するアクション５０１、および、
−タイミングイベント・レートが実質的に目標レベルにある動作電圧の最小値である閾値電圧Ｖｔｈを捜すように、タイミングイベント・レートが目標レベルを下まわる限り動作電圧ＶＤＤを減少させるアクション５０２、そしてタイミングイベント・レートが目標レベルを超えるときに動作電圧を増加させるアクション５０３、
を含む。

図５に示される方法において、動作電圧が閾値電圧を上まわるときにタイミングイベント・レートが実質的に目標レベルにあり、そして動作電圧が閾値電圧を下まわるときにタイミングイベント・レートが目標レベルを超えるように、電子デバイスを動作させるクロック信号のパルスレートを表すクロック周波数Ｆ_ｃｌｋは、動作電圧の増加関数Ｆ（ＶＤＤ）に一致している。

本発明の例示的かつ非限定的な実施形態による方法において、クロック信号は、動作電圧の増加関数にしたがって動作電圧に応答する電圧制御発振器を備える制御可能なクロック信号ジェネレータによって発生される。

本発明の例示的かつ非限定的な実施形態による方法は、動作電圧を発生するために電圧レギュレータを制御するための電圧制御信号、および動作電圧の増加関数にしたがってクロック周波数を発生するために制御可能なクロック信号ジェネレータを制御するための周波数制御信号、を発生する。

本発明の例示的かつ非限定的な実施形態による方法は、
−閾値電圧のための探索に先立って、動作電圧が閾値電圧よりも大きい初期値を有するために動作電圧をセットするステップ、
−動作電圧の初期値に対応するクロック周波数の初期値を捜すように、タイミングイベント・レートが目標レベルを下まわるときにクロック周波数を増加させるステップ、そしてタイミングイベント・レートが目標レベルを超えるときにクロック周波数を減少させるステップ、および、
−動作電圧の初期値およびクロック周波数の初期値に基づいて、動作電圧の増加関数にしたがって動作させるために制御可能なクロック信号ジェネレータを調整するステップ、
を含む。

本発明の例示的かつ非限定的な実施形態による方法は、
−閾値電圧のための探索に先立って、動作電圧が各々閾値電圧よりも大きい適合した電圧値の各々を連続して有するために動作電圧をセットするステップ、
−動作電圧が適合した電圧値の各々を有するときに、適合した電圧値に対応する適合した周波数値を捜すように、タイミングイベント・レートが目標レベルを下まわるときにクロック周波数を増加させるステップ、そしてタイミングイベント・レートが目標レベルを超えるときにクロック周波数を減少させるステップ、および、
−クロック周波数を動作電圧の増加関数に一致させて設定するように、適合した電圧値および適合した周波数値に基づいて、クロック周波数の制御に関連した１つ以上の設定パラメータを決定するステップ、
を含む。

本発明の例示的かつ非限定的な実施形態による方法において、動作電圧の増加関数は、動作電圧の下に凸の増加関数である。例えば、動作電圧ＶＤＤが閾値電圧Ｖｔｈより十分に大きいときに、動作電圧の増加関数は、実質的に以下の方程式に一致することができる。
ここで、Ｆ_ｃｌｋはクロック周波数、Ｋは遅延−適合パラメータ、Ｃｇは電子デバイスのトランジスタ技術に関連した特性インバータの出力容量、Ｖｔｈは閾値電圧、そしてαｖは１と２の間である速度飽和インデックスである。

本発明の例示的かつ非限定的な実施形態による方法において、タイミングイベント・レートの決定は、
−電子デバイスの動作に関連したタイミングイベントに対応するパルスから成るタイミングイベント信号を受信するステップ、
−クロック信号を受信するステップ、および、
−サンプル期間の間に発生するタイミングイベント信号のパルスの量、および同じサンプル期間の間に発生するクロック信号のパルスの量に基づいて、タイミングイベント・レートを計算するステップ、
を含む。

本発明の例示的かつ非限定的な実施形態によるコンピュータ・プログラムは、本発明の上記の例示的実施形態のいずれかによる方法に関連したアクションを実行するためにプログラム可能な処理システムを制御するためのコンピュータ実行可能命令を含む。

本発明の例示的かつ非限定的な実施形態によるコンピュータ・プログラムは、電子デバイスの動作に関連したタイミングイベントに応答するタイミングイベント検出器を備えている電子デバイスに供給される動作電圧を制御するためのソフトウェア・モジュールを含む。ソフトウェア・モジュールは、
−タイミングイベント・レートを決定し、
−タイミングイベント・レートが実質的に目標レベルにある動作電圧の最小値である閾値電圧を捜すように、タイミングイベント・レートが目標レベルを下まわる限り動作電圧を減少させ、そしてタイミングイベント・レートが目標レベルを超えるときに動作電圧を増加させ、そして、
−電子デバイスを動作させるためのクロック信号を発生するために制御可能なクロック信号ジェネレータを制御する、ためにプログラム可能な処理システムを制御するためのコンピュータ実行可能命令を含み、その結果、動作電圧が閾値電圧を上まわるときに、タイミングイベント・レートは実質的に目標レベルにあり、そして、動作電圧が閾値電圧を下まわるときに、タイミングイベント・レートは目標レベルを超えるように、クロック信号のパルスレートを表すクロック周波数は動作電圧の増加関数に一致している。

上述のソフトウェア・モジュールは、例えば、適切なプログラミング言語によって、そしてプログラミング言語に適したコンパイラおよび考慮されるプログラム可能な処理システムによって実施されるサブルーチンまたは機能であることができる。ソースコードが上記の提示されたアクションを実行するためにプログラム可能な処理システムを制御するための必要な情報を含むので、そしてコンパイルが情報のフォーマットだけを変えるので、適切なプログラミング言語に対応するソースコードは、コンピュータ実行可能ソフトウェア・モジュールを表す点も注意するに値する。さらに、適切なプログラミング言語によって実施されるソースコードが実行に先立ってコンパイルされる必要がないように、プログラム可能な処理システムがインタプリタを備えていることも可能である。

本発明の例示的かつ非限定的な実施形態によるコンピュータ・プログラム製品は、本発明の一実施形態によるコンピュータ・プログラムによってコード化されるコンピュータ可読媒体（例えばコンパクトディスク「ＣＤ」）を含む。

本発明の例示的かつ非限定的な実施形態による信号は、本発明の一実施形態によるコンピュータ・プログラムを定義する情報をもたらすためにコード化される。

動作電圧を制御する上記の方法は、図１に示される電子システムと類似するテストシステムによって確認された。テストシステムにおいて、電子デバイス１０３は、ＣＭＯＳ技術に基づく３２ビット・マイクロプロセッサであり、タイミングイベント検出器を備える。テストシステムのコントローラ１０１の実施は図６に示され、ここで「ｃｌｋ ｓｇｎ」はクロック信号１０６であり、「ｅｒｒ ｓｇｎ」はタイミングイベント信号１０７である。例えばエラーレートのようなタイミングイベント・レートの増加が観察されるまで、クロック周波数が動作電圧の関数として実質的に二次曲線的に減らされるように、動作電圧ＶＤＤおよび対応してクロック周波数Ｆ_ｃｌｋは減らされた。タイミングイベント・レートが増加する点は、その僅かに上でエネルギー消費量が最適化するほぼ閾値電圧Ｖｔｈである。

２つのテストが実行された。これらのテストにおいて、検出されるタイミングイベントは、電子デバイスの動作に関連したエラーである。第１のテストにおいて、ボディバイアス「ＢＢ」電圧は、第２のテストよりも低かった。第１のテストの測定結果は、下記の表１に示される。

第１のテストにおいて、閾値電圧Ｖｔｈは、ほぼ０．３５Ｖである。

第２のテストの測定結果は、下記の表２に示される。

第２のテストにおいて、閾値電圧Ｖｔｈは、ほぼ０．３８Ｖである。

上で与えられる説明に示される具体例は、添付のクレームの範囲および／または適用可能性を制限するものとして解釈されてはならない。上で与えられる説明に示される実施例のリストおよびグループは、明示的に述べられない限り徹底的ではない。

Claims (20)

1. 電子デバイスの動作に関連したタイミングイベントに応答するタイミングイベント検出器を備える前記電子デバイスに供給される動作電圧を制御するための制御システム（１００、３００）であって、前記制御システムは、
   −前記タイミングイベント・レートが実質的に目標レベルにある前記動作電圧の最小値である閾値電圧を捜すように、前記タイミングイベント・レートを決定するための、前記タイミングイベント・レートが前記目標レベルを下まわる限り前記動作電圧を減少させるための、そして前記タイミングイベント・レートが前記目標レベルを超えるときに前記動作電圧を増加させるためのコントローラ（１０１、３０１）、および、
   −前記電子デバイスを動作させるためのクロック信号を発生するための制御可能なクロック信号ジェネレータ（１０２、３０２）、
   を備え、
   前記クロック信号のパルスレートを表すクロック周波数が前記動作電圧の増加関数に一致していて、前記動作電圧が前記閾値電圧を上まわり、かつ前記クロック周波数が前記動作電圧の前記増加関数に一致しているときに、前記タイミングイベント・レートは実質的に前記目標レベルにあり、そして、前記動作電圧が前記閾値電圧を下まわり、かつ前記クロック周波数が前記動作電圧の前記増加関数に一致しているときに、前記タイミングイベント・レートは前記目標レベルを超えている、
   ことを特徴とする、制御システム（１００、３００）。
2. 前記制御可能なクロック信号ジェネレータ（１０２）は、前記動作電圧の前記増加関数にしたがって前記動作電圧に応答する電圧制御発振器を備える、請求項１に記載の制御システム。
3. 前記コントローラ（３０１）は、前記動作電圧を発生するために電圧レギュレータを制御するための電圧制御信号（３０４）、および前記動作電圧の前記増加関数にしたがって前記クロック周波数を発生するために前記制御可能なクロック信号ジェネレータ（３０２）を制御するための周波数制御信号（３０５）、を発生するように構成される、請求項１に記載の制御システム。
4. 前記コントローラは、
   −前記閾値電圧のための探索に先立って、前記動作電圧が前記閾値電圧よりも大きい初期値を有するために前記動作電圧をセットし、
   −前記動作電圧の前記初期値に対応する前記クロック周波数の初期値を捜すように、前記タイミングイベント・レートが前記目標レベルを下まわるときに前記クロック周波数を増加させ、そして前記タイミングイベント・レートが前記目標レベルを超えるときに前記クロック周波数を減少させる、ために前記制御可能なクロック信号ジェネレータを制御し、そして、
   −前記動作電圧の初期値および前記クロック周波数の初期値に基づいて、前記動作電圧の前記増加関数にしたがって動作させるために前記制御可能なクロック信号ジェネレータを調整する、
   ように構成される、請求項１または２に記載の制御システム。
5. 前記コントローラは、
   −前記閾値電圧のための探索に先立って、前記動作電圧が各々前記閾値電圧よりも大きい適合した電圧値の各々を連続して有するために前記動作電圧をセットし、
   −前記動作電圧が前記適合した電圧値の各々を有するときに、前記適合した電圧値に対応する適合した周波数値を捜すように、前記タイミングイベント・レートが前記目標レベルを下まわるときに前記クロック周波数を増加させ、そして前記タイミングイベント・レートが前記目標レベルを超えるときに前記クロック周波数を減少させる、ために前記制御可能なクロック信号ジェネレータを制御し、そして、
   −前記クロック周波数を前記動作電圧の前記増加関数に一致させて設定するように、前記適合した電圧値および前記適合した周波数値に基づいて、前記クロック周波数の制御に関連した１つ以上の設定パラメータを決定する、
   ように構成される、請求項１または３に記載の制御システム。
6. 前記動作電圧の前記増加関数は、前記動作電圧の下に凸の増加関数である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の制御システム。
7. 前記動作電圧の前記増加関数は、ＶＤＤ＞Ｖｔｈのとき、以下の方程式
   ここで、Ｆ_ｃｌｋはクロック周波数、Ｋは遅延−適合パラメータ、Ｃｇは電子デバイスのトランジスタ技術に関連した特性インバータの出力容量、Ｖｔｈは閾値電圧、そしてαｖは１と２の間である速度飽和インデックス、
   に実質的に一致している、請求項６に記載の制御システム。
8. 前記コントローラは、
   −前記電子デバイスの動作に関連した前記タイミングイベントに対応するパルスから成るタイミングイベント信号を受信し、−前記クロック信号を受信する、そして、
   −サンプル期間の間に発生する前記タイミングイベント信号の前記パルスの量、および同じサンプル期間の間に発生する前記クロック信号のパルスの量に基づいて、前記タイミングイベント・レートを計算する、
   ように構成される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の制御システム。
9. 電子システムであって、
   −電子デバイスの動作に関連したタイミングイベントに応答するタイミングイベント検出器を備える前記電子デバイス（１０３、３０３）、および、
   −前記電子デバイスに供給される動作電圧を制御するための請求項１〜８のいずれか１項に記載の制御システム（１００、３００）、
   を備える、電子システム。
10. 前記電子デバイスは、前記電子デバイスの動作に関連したエラーを訂正するように、エラーに応答するエラー−訂正および／またはエラー防止ロジックを備える、請求項９に記載の電子システム。
11. 電子デバイスの動作に関連したタイミングイベントに応答するタイミングイベント検出器を備える前記電子デバイスに供給される動作電圧を制御する方法であって、
    −前記タイミングイベント・レートを決定する（４０１）ステップ、および、
    −前記タイミングイベント・レートが実質的に目標レベルにある前記動作電圧の最小値である閾値電圧を捜すように、前記タイミングイベント・レートが前記目標レベルを下まわる限り前記動作電圧を減少させ（４０２）、そして前記タイミングイベント・レートが前記目標レベルを超えるときに前記動作電圧を増加させる（４０３）ステップ、
    を含み、
    前記電子デバイスを動作させるクロック信号のパルスレートを表すクロック周波数が前記動作電圧の増加関数に一致していて、前記動作電圧が前記閾値電圧を上まわり、かつ前記クロック周波数が前記動作電圧の前記増加関数に一致しているときに、前記タイミングイベント・レートは実質的に前記目標レベルにあり、そして、前記動作電圧が前記閾値電圧を下まわり、かつ前記クロック周波数が前記動作電圧の前記増加関数に一致しているときに、前記タイミングイベント・レートは前記目標レベルを超えている、
    ことを特徴とする、方法。
12. 前記クロック信号は、前記動作電圧の前記増加関数にしたがって前記動作電圧に応答する電圧制御発振器を備える制御可能なクロック信号ジェネレータによって発生される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記方法は、前記動作電圧を発生するために電圧レギュレータを制御するための電圧制御信号、および前記動作電圧の前記増加関数にしたがって前記クロック周波数を発生するために制御可能なクロック信号ジェネレータを制御するための周波数制御信号、を発生する、請求項１１に記載の方法。
14. 前記方法は、
    −前記閾値電圧のための探索に先立って、前記動作電圧が前記閾値電圧よりも大きい初期値を有するために前記動作電圧をセットするステップ、
    −前記動作電圧の前記初期値に対応する前記クロック周波数の初期値を捜すように、前記タイミングイベント・レートが前記目標レベルを下まわるときに前記クロック周波数を増加させ、そして前記タイミングイベント・レートが前記目標レベルを超えるときに前記クロック周波数を減少させるステップ、および、
    −前記動作電圧の初期値および前記クロック周波数の初期値に基づいて、前記動作電圧の前記増加関数にしたがって動作させるために制御可能なクロック信号ジェネレータを調整するステップ、
    を含む、請求項１１または１２に記載の方法。
15. 前記方法は、
    −前記閾値電圧のための探索に先立って、前記動作電圧が各々前記閾値電圧よりも大きい適合した電圧値の各々を連続して有するために前記動作電圧をセットするステップ、
    −前記動作電圧が前記適合した電圧値の各々を有するときに、前記適合した電圧値に対応する適合した周波数値を捜すように、前記タイミングイベント・レートが前記目標レベルを下まわるときに前記クロック周波数を増加させ、そして前記タイミングイベント・レートが前記目標レベルを超えるときに前記クロック周波数を減少させるステップ、および、
    −前記クロック周波数を前記動作電圧の前記増加関数に一致させて設定するように、前記適合した電圧値および前記適合した周波数値に基づいて、前記クロック周波数の制御に関連した１つ以上の設定パラメータを決定するステップ、
    を含む、請求項１３に記載の方法。
16. 前記動作電圧の前記増加関数は、前記動作電圧の下に凸の増加関数である、請求項１１〜１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 前記動作電圧の前記増加関数は、ＶＤＤ＞Ｖｔｈのとき、以下の方程式
    ここで、Ｆ_ｃｌｋはクロック周波数、Ｋは遅延−適合パラメータ、Ｃｇは電子デバイスのトランジスタ技術に関連した特性インバータの出力容量、Ｖｔｈは閾値電圧、そしてαｖは１と２の間である速度飽和インデックス、
    に実質的に一致している、請求項１６に記載の方法。
18. 前記タイミングイベント・レートを決定するステップは、
    −前記電子デバイスの動作に関連した前記タイミングイベントに対応するパルスから成るタイミングイベント信号を受信するステップ、
    −前記クロック信号を受信するステップ、および、
    −サンプル期間の間に発生する前記タイミングイベント信号の前記パルスの量、および同じサンプル期間の間に発生する前記クロック信号のパルスの量に基づいて、前記タイミングイベント・レートを計算するステップ、
    を含む、請求項１１〜１５のいずれか１項に記載の方法。
19. 電子デバイスの動作に関連したタイミングイベントに応答するタイミングイベント検出器を備える前記電子デバイスに供給される動作電圧を制御するためのコンピュータ・プログラムであって、前記コンピュータ・プログラムは、
    −前記タイミングイベント・レートを決定し、
    −前記タイミングイベント・レートが実質的に目標レベルにある前記動作電圧の最小値である閾値電圧を捜すように、前記タイミングイベント・レートが前記目標レベルを下まわる限り前記動作電圧を減少させ、そして前記タイミングイベント・レートが前記目標レベルを超えるときに前記動作電圧を増加させ、そして、
    −前記電子デバイスを動作させるためのクロック信号を発生するために制御可能なクロック信号ジェネレータを制御する、ためにプログラム可能な処理システムを制御するためのコンピュータ実行可能命令を含み、
    前記電子デバイスを動作させるクロック信号のパルスレートを表すクロック周波数が前記動作電圧の増加関数に一致していて、前記動作電圧が前記閾値電圧を上まわり、かつ前記クロック周波数が前記動作電圧の前記増加関数に一致しているときに、前記タイミングイベント・レートは実質的に前記目標レベルにあり、そして、前記動作電圧が前記閾値電圧を下まわり、かつ前記クロック周波数が前記動作電圧の前記増加関数に一致しているときに、前記タイミングイベント・レートは前記目標レベルを超えている、
    ことを特徴とする、コンピュータ・プログラム。
20. 請求項１９に記載のコンピュータ・プログラムによってコード化される非一時的コンピュータ可読媒体から成るコンピュータ・プログラム製品。