JP2023149269A - 半導体集積回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】動作速度の異なる複数の制御部が特定の機能部を共用することができ、チップサイズを低減することができる、半導体集積回路を提供する。【解決手段】第1の動作速度が許容される第1の領域に含まれる第1の制御部と、省電力モードで電源の供給が遮断される第2の領域であって、第1の動作速度に比べて高速な動作が要求される第2の領域に含まれる第2の制御部と、特定の機能を有する機能部と、制御信号に応じて第1の制御部と機能部とを接続する第1の経路及び第2の制御部と機能部とを接続する第2の経路のいずれか一方を選択する選択部と、を備える半導体集積回路とする。【選択図】図1

Description

本発明は、半導体集積回路に関する。
汎用マイクロコンピュータにおいては、高速動作が求められる一方で、低消費電力であることが求められている。高速動作と低消費電力とを両立するための手法として、マルチVt手法や電源遮断技術が知られている。マルチVt手法では、高速動作が求められる回路ブロックを構成する素子の閾値電圧を、低速動作が許容される回路ブロックを構成する素子の閾値電圧よりも低くし、リーク電流を削減する。一方、電源遮断技術では、省電力モードに移行したときに、不要な回路ブロックへの電源供給を遮断する。
例えば、特許文献1には、待機時に電源の供給が遮断される第1の領域と、常に電源供給がなされる第2の領域とを備える半導体集積回路が開示されている。第1の領域には、高速処理動作が要求されるデジタル信号処理装置(DSP)等の第1の論理回路と、第1のSRAMとが配置されている。一方、第2の領域には、中央処理ユニット(CPU)等の第2の論理回路と、第2のSRAMとが配置されている。そして、待機時に電源の供給が遮断される第1の領域の回路ブロックの素子の閾値電圧を、他の回路ブロックの素子の閾値電圧より低くし、リーク電流を削減している。
特開2004-14663号公報
しかしながら、このような従来の回路構成では、低速用のSRAMと高速用のSRAMとが必要になり、チップサイズが増加し、ひいてはチップコストが増加するという問題があった。この問題は、SRAMにアクセスする場合に限らず、動作速度の異なる複数の制御ブロックから特定の機能部にアクセスする場合に発生する。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、動作速度の異なる複数の制御部が特定の機能部を共用することができ、チップサイズを低減することができる、半導体集積回路を提供することにある。
本開示の半導体集積回路は、第1の動作速度が許容される第1の領域に含まれる第1の制御部と、省電力モードで電源の供給が遮断される第2の領域であって、前記第1の動作速度に比べて高速な動作が要求される前記第2の領域に含まれる第2の制御部と、特定の機能を有する機能部と、制御信号に応じて前記第1の制御部と前記機能部とを接続する第1の経路及び前記第2の制御部と前記機能部とを接続する第2の経路のいずれか一方を選択する選択部と、を備える。
本発明の半導体集積回路によれば、動作速度の異なる複数の制御部が特定の機能部を共用することができ、チップサイズを低減することができる。
本発明の基本構成の一例を示す模式図である。 図1に示す基本構成の第1の変形例を示す模式図である。 図1に示す基本構成の第2の変形例を示す模式図である。 本発明の第1の実施形態に係る半導体集積回路の構成の一例を示すブロック図である。 第1の実施形態に係る半導体集積回路の動作の一例を示すフローチャートである。 図4に示す半導体集積回路の構成の変形例を示すブロック図である。 図4に示す半導体集積回路の構成の変形例を示すブロック図である。 本発明の第2の実施形態に係る半導体集積回路の構成の一例を示すブロック図である。 第2の実施形態に係る半導体集積回路の動作の一例を示すフローチャートである。 マルチVt手法と電源遮断技術を併用する従来の半導体集積回路の構成を示すブロック図である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。
<基本構成>
まず、図1を参照して本発明の基本構成について説明する。
基本構成に係る半導体集積回路は、通常速度での動作が許容される第1の領域100に含まれる第1の制御部102と、通常速度に比べて高速な動作が要求される第2の領域104に含まれる第2の制御部106と、特定の機能を有する機能部108と、制御信号に応じて第1の制御部102と機能部108とを接続する第1の経路と第2の制御部106と機能部108とを接続する第2の経路のいずれか一方を選択する選択部110と、を備えている。
なお、通常速度とは、汎用の処理速度である。以下では、通常速度に比べて高速な動作を「高速動作」と言い、通常速度での動作を「低速動作」又は「省電力動作」という。
第1の制御部102は、DMAC(DMAコントローラ:DMA Controller)等のデータ転送装置である。第2の制御部106は、CPU(中央処理ユニット:Central Processing Unit)、DSP(デジタル信号処理装置:Digital Signal Processing)等のプロセッサである。選択部110は、セレクタとして機能する調停回路やマルチプレクサ等により構成することができる。
機能部108は、主にメモリを想定しているが、各種演算部、通信インタフェース等であってもよい。メモリとしては、SRAM(Static Random Access Memory)、MRAM(磁気抵抗メモリ:Magnetoresistive Random Access Memory)、FLASH(フラッシュメモリ)、FeRAM(強誘電体メモリ:Ferroelectric Random Access Memory)等が挙げられる。演算部としては、乱数発生器、低電圧検出回路等のセンシング回路等が挙げられる。通信インタフェースとしては、SPI(Serial Peripheral Interface)やUART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)、I2C等が挙げられる。
また、マルチVt手法に従って、第2の領域104に含まれる素子の閾値電圧は、第1の領域100含まれる素子の閾値電圧よりも低くされている。閾値電流が低いほど、動作速度は速くなるが、リーク電流も多くなる。なお、以下では、より高い方の閾値電圧を「高閾値電圧」と言い、より低い方の閾値電圧を「低閾値電圧」と言う。
機能部108及び選択部110は、高閾値電圧の素子及び低閾値電圧の素子いずれで構成されてもよい。一般には、SRAM等の機能部108は高速動作することが期待されるので低閾値電圧の素子で構成され、マルチプレクサ等の選択部110は低速動作が許容されるので高閾値電圧の素子で構成される。しかしながら、所望の動作速度に対応できればよく、機能部108及び選択部110を構成する素子の種類は、所望の省電力効果、所望の動作速度に応じて適宜変更することができる。
次に、図1に示す半導体集積回路の動作を説明する。
この半導体集積回路は、回路全体に電源が供給される通常モード、又は回路の一部への電源の供給が遮断される省電力モードで動作する。基本構成では、第2の領域104だけを電源遮断の対象とする。
通常モードでは、第2の領域104及び第1の領域100の両方を含む回路全体に電源が供給される。このとき、選択部110は、第2の経路を選択して、第2の制御部106から機能部108へのアクセスを可能にする。また、省電力モードでは、第1の領域100には電源が供給されるが、リーク電流の多い第2の領域104への電源の供給は遮断される。このとき、選択部110は、第1の経路を選択して、第1の制御部102から機能部108へのアクセスを可能にする。
なお、通常モードにおいて、選択部110は、第1の経路及び第2の経路の選択を適宜切り替えて、第1の制御部102から機能部108へのアクセスを可能にしてもよい。
また、図1に示す基本構成では、機能部108及び選択部110を第1の領域100の外側に配置してもよいものとしているが、機能部108及び選択部110をどのような領域に配置するか、どのような素子で構成するかにより、以下の変形例が考えられる。
(基本構成の第1の変形例)
第1の変形例では、図2に示すように、機能部108及び選択部110を第1の領域100内に配置する。また、図1に示す基本構成と同様に、第2の領域104だけを電源遮断の対象とする。したがって、機能部108及び選択部110には、常時電源が供給される。
(基本構成の第1の変形例)
第2の変形例では、図3に示すように、機能部108及び選択部110を、第1の領域100及び第2の領域104のいずれとも異なる第3の領域112内に配置する。この例では、第3の領域112、即ち、機能部108及び選択部110は、常時電源が供給される。一方、第1の領域100及び第2の領域104の両方を電源遮断の対象とする。例えば、第2の制御部106が機能部108にアクセスしている間は、第1の領域100への電源の供給を遮断する。
以下では、第1の制御部102として「DMAC」を含み、第2の制御部106として「CPU」を含み、機能部108として「ADC(アナログ-デジタル変換回路:Analog-to-Digital Converter)」及び「ADCコントローラ」を含む、半導体集積回路の具体的な実施形態について説明する。
<第1の実施形態>
図4を参照して、第1の実施形態に係る半導体集積回路の構成について説明する。
半導体集積回路は、低速動作が許容される第1の領域12と、高速動作が要求される第2の領域14と、第2の領域14への電源(VDD)の供給をオンオフする電源スイッチ16とを備えている。なお、第1の領域12には、常時、電源が供給されている。
第1の領域12には、DMAC32、SRAM/AHBブリッジ34、ADCコントローラ36、ADC38、AHB(Advanced High-Performance Bus)バス40、SRAM50、マルチプレクサ52、PMU(フェーザ計測装置:Phasor Measurement Unit)54が配置されている。ADC38、SRAM50、及びマルチプレクサ52を除くブロックの各々は、高閾値電圧の素子で構成され省電力動作が可能である。したがって、AHBバス40は、低速バスとして機能する。
第2の領域14には、CPU20、FLASH/AHBブリッジ22、SRAM/AHBブリッジ24、ペリフェラル26、FLASH28、及びAHBバス30が配置されている。FLASH28を除くブロックの各々は、低閾値電圧の素子で構成され高速動作が可能である。したがって、AHBバス30は、高速バスとして機能する。
CPU20及びペリフェラル26は、AHBバス30に接続されている。FLASH28は、FLASH/AHBブリッジ22を介してAHBバス30に接続されている。低速バスであるAHBバス40も、高速バスであるAHBバス30に接続されている。また、DMAC32は、AHBバス40に接続されている。ADC38は、ADCコントローラ36を介してAHBバス40に接続されている。
SRAM50は、マルチプレクサ52及びSRAM/AHBブリッジ24を介してAHBバス30に接続されると共に、マルチプレクサ52及びSRAM/AHBブリッジ34を介してAHBバス40に接続されている。PMU54は、電源スイッチ16及びマルチプレクサ52の各々に接続されており、電源スイッチ16及びマルチプレクサ52の各々を制御する。なお、図示はしていないが、PMU54は、CPU20とも通信可能に接続されている。
FLASH28、ADC38、SRAM50、及びマルチプレクサ52の各々は、所望の動作速度に対応できればよく、これらを構成する素子の種類は、所望の省電力効果、所望の動作速度に応じて適宜変更することができる。但し、マルチプレクサ52は、高閾値電圧の素子で構成され省電力動作が可能であることが好ましい。
第1の実施形態では、半導体集積回路は、回路全体に電源が供給される「通常モード」と、高速動作領域である第2の領域14への電源の供給が遮断される「省電力モード」の、2つのモードで動作する。PMU54は、動作モードに応じた制御信号をマルチプレクサ52に入力する。マルチプレクサ52は、制御信号に応じて、通常モードではCPU20とSRAM50とを接続する第2の経路を選択し、省電力モードではDMAC32とSRAM50とを接続する第1の経路を選択する。
(高速領域の電源遮断と起動の流れ)
次に、半導体集積回路の動作について説明する。
基本動作としては、この半導体集積回路では、ADC38が定期的にサンプリングを行い、一定量のデータがADC38に蓄積されると、DMAC32を使用してSRAM50にデータを転送する。また、SRAM50に一定量のデータが蓄積されると、CPU20が起動してSRAM50のデータを処理する。
ここで図5を参照して、以上の手順を電源遮断と関連付けてより詳細に説明する。
まず、ステップS10で、CPU20は、DMAC32に、ADC38からデータ転送要求を受信したらADC38からデータを読み出し、SRAM50にデータを書き込む処理を指定回数だけ繰り返すよう指示する。
次に、ステップS12で、CPU20は、ADC38に、定期的にデータを取り込むように指示する。
次に、ステップS14で、CPU20は、PMU54に動作モードを通常モードから省電力モードに移行するように指示をすると、第2の領域14への電源の供給が遮断される。
次に、ステップS16で、PMU54は、電源スイッチ16に指示して電源遮断を実行すると共に、マルチプレクサ52に省電力モードに応じた制御信号を入力してSRAM50とDMAC32とを接続する第1の経路を選択させる。
次に、ステップS18で、ADC38はデータを取り込み、DMAC32がそのデータをSRAM50に転送する処理を、指定された転送回数だけ繰り返す。
次に、ステップS20で、DMAC32は、指定された転送回数のデータ転送を完了すると、転送完了通知をPMU54へ発行する。これにより、動作モードが省電力モードから通常モードに移行する。
次に、ステップS22で、PMU54は、電源スイッチ16に指示して第2の領域14の電源遮断を解除すると共に、マルチプレクサ52に通常モードに応じた制御信号を入力してSRAM50とCPU20とを接続する第2の経路を選択させる。
次に、ステップS24で、CPU20は、SRAM50のデータを処理し、ステップS10に戻って、ステップS10~S24の動作を繰り返す。
(効果)
第1の実施形態に係る回路では、CPU20がSRAM50のデータを処理している間は、回路全体に電源が供給されると共に、DMAC32からSRAM50へのデータ転送中は、高速動作領域である第2の領域14への電源の供給が遮断されるので、高速動作と低消費電力とを両立することができる。また、高速動作領域である第2の領域14を低閾値電圧の素子で構成することで、高速動作を可能にしつつ、低速動作領域である第1の領域12を高閾値電圧の素子で構成することで、リーク電流を削減して電力消費量を低減することができる。
次に、従来の構成と比較しながら第1の実施形態の効果について説明する。
図10にマルチVt手法と電源遮断技術を併用する従来の半導体集積回路の構成を示す。図4に示す半導体集積回路と同じ構成部分には同じ符号を付している。従来の半導体集積回路では、第2の領域14にCPU20が使用する高速動作用のSRAM25が設けられると共に、第1の領域12にも低速動作用のSRAM53が設けられている。
この従来の回路構成と比較すると、第1の実施形態に係る半導体集積回路では、高速動作及び低速動作でSRAM50が共用されるので、従来の回路構成に比べてチップサイズが小さくなり、ひいてはチップコストが低減される。
また、図10に示すように、従来の回路構成では、低速動作用のSRAM53のデータをCPU20が処理する場合は、破線で示すように、低速バスであるAHBバス40を経由する必要があり低速でしか処理できない。このためCPU20による処理時間が長くなり、電力消費量が増加する。これに対し、第1の実施形態に係る半導体集積回路では、CPU20は、低速バスを介さずにSRAM50のデータを直接処理することができるので、高速動作が可能で処理時間が短くて済み、電力消費量を低減することも可能である。
ここで、図4に示す半導体集積回路の構成の変形例を示す。
(ブリッジ回路の省略)
図4に示す回路構成では、第2の領域14にSRAM/AHBブリッジ24が設けられると共に、第1の領域12にもSRAM/AHBブリッジ34が設けられている。これに対して、図6に示す例では、SRAM50とマルチプレクサ52との間に共用のSRAM/AHBブリッジ56が配置され、マルチプレクサ52がAHBバス30及びAHBバス40の各々に接続されている。共用のSRAM/AHBブリッジ56を配置することで、SRAM/AHBブリッジを1つ省略することができる。
(調停回路の利用)
図4に示す回路構成では、選択部(図1の選択部110参照)としてマルチプレクサ52を使用している。マルチプレクサ52は、論理段数が少なく、処理速度が比較的早いという利点を有する。しかしながら、マルチプレクサ52は、動作モードに応じて経路を切り替えるので、通常モードでは第2の経路が選択され、第1の領域12にも電源が供給されているにも拘わらず、第1の経路からSRAM50にアクセスできない。
これに対して、図7に示す例では、選択部として調停回路60を使用する。調停回路60は、AHBバス30及びAHBバス40の各々からアクセス通知を受信可能であり、アクセス通知を受信した方のAHBバスとの接続を選択する。CPU20からのアクセスの場合は、AHBバス30からアクセスが通知され、DMAC32からのアクセスの場合は、AHBバス40からアクセスが通知される。したがって、調停回路60を設けた場合には、通常モードでも第1の経路を選択することが可能となる。この場合、AHBバスからのアクセス通知に基づいて選択を行うため、PMU54からの制御信号の入力は不要である。
<第2の実施形態>
図8に示すように、第2の実施形態では、SRAM50、マルチプレクサ52、PMU54を、第1の領域12から取り除いて、第1の領域12及び第2の領域14のいずれとも異なる第3の領域18に配置し、第3の領域18に常時電源を供給すると共に、第1の領域12への電源の供給をオンオフする電源スイッチ17を追加した以外は、第1の実施形態に係る半導体集積回路と同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。
第3の領域18は、常時電源が供給されるので、第3の領域18含まれるPMU54は、高閾値電圧の素子で構成される。SRAM50及びマルチプレクサ52の各々は、所望の動作速度に対応できればよく、これらを構成する素子の種類は、所望の省電力効果、所望の動作速度に応じて適宜変更することができる。但し、マルチプレクサ52は、高閾値電圧の素子で構成され省電力動作が可能であることが好ましい。
第2の実施形態では、半導体集積回路は、回路全体に電源が供給される「通常モード」、高速動作領域である第2の領域14への電源の供給が遮断される「第1省電力モード」、低速動作領域である第1の領域12への電源の供給が遮断される「第2省電力モード」の、3つのモードで動作する。マルチプレクサ52は、通常モード及び第2省電力モードでは、SRAM50とCPU20とを接続する第2の経路を選択し、第1省電力モードでは、SRAM50とDMAC32とを接続する第1の経路を選択する。
図9を参照して第2の実施形態に係る半導体集積回路の動作を以下に説明する。図5示す動作とは、動作モードと電源遮断の対象が相違する。
まず、ステップS30で、CPU20は、DMAC32に、ADC38からデータ転送要求を受信したらADC38からデータを読み出し、SRAM50にデータを書き込む処理を指定回数だけ繰り返すよう指示する。
次に、ステップS32で、CPU20は、ADC38に、定期的にデータを取り込むように指示する。
次に、ステップS34で、CPU20がPMU54に動作モードを通常モードから第1省電力モードに移行するように指示をすると、第2の領域14への電源の供給が遮断される。
次に、ステップS36で、PMU54は、電源スイッチ16に指示して電源遮断を実行すると共に、マルチプレクサ52に第1省電力モードに応じた制御信号を入力してSRAM50とDMAC32とを接続する第1の経路を選択させる。
次に、ステップS38で、ADC38はデータを取り込み、DMAC32がそのデータをSRAM50に転送する処理を、指定された転送回数だけ繰り返す。
次に、ステップS40で、DMAC32は、指定された転送回数のデータ転送を完了すると、転送完了通知をPMU54へ発行する。これにより、動作モードが第1省電力モードから第2省電力モードに移行する。
次に、ステップS42で、PMU54は、電源スイッチ16に指示して第2の領域14の電源遮断を解除すると共に、電源スイッチ17に指示して第1の領域12の電源遮断を実行して、マルチプレクサ52に第2省電力モードに応じた制御信号を入力してSRAM50とCPU20とを接続する第2の経路を選択させる。
次に、ステップS44で、CPU20は、SRAM50のデータを処理し、ステップS30に戻って、ステップS30~S44の動作を繰り返す。
第2の実施形態では、第1の実施形態と同様の効果が得られる外、第2省電力モードで、第1の領域12への電源の供給も遮断することができるので、全体的な電力消費量をさらに低減することができる。
なお、第2の実施形態においても、1つのブリッジ回路を省略でき、マルチプレクサに代えて調停回路を使用できる点は、第1の実施形態と同様である。
<変形例>
なお、上記実施の形態で説明した半導体集積回路の構成は一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内においてその構成を変更してもよいことは言うまでもない。
12 第1の領域
14 第2の領域
16 電源スイッチ
17 電源スイッチ
18 第3の領域
20 CPU
22 FLASH/AHBブリッジ

24 SRAM/AHBブリッジ
26 ペリフェラル
28 FLASH
30 AHBバス
32 DMAC
34 SRAM/AHBブリッジ
36 ADCコントローラ
38 ADC
40 AHBバス
50 SRAM
52 マルチプレクサ
54 PMU
56 SRAM/AHBブリッジ
60 調停回路
100 第1の領域
102 第1の制御部
104 第2の領域
106 第2の制御部
108 機能部
110 選択部
112 第3の領域

Claims (11)

  1. 第1の動作速度が許容される第1の領域に含まれる第1の制御部と、
    省電力モードで電源の供給が遮断される第2の領域であって、前記第1の動作速度に比べて高速な動作が要求される前記第2の領域に含まれる第2の制御部と、
    特定の機能を有する機能部と、
    制御信号に応じて前記第1の制御部と前記機能部とを接続する第1の経路及び前記第2の制御部と前記機能部とを接続する第2の経路のいずれか一方を選択する選択部と、
    を備える半導体集積回路。
  2. 前記機能部がメモリである、請求項1に記載の半導体集積回路。
  3. 前記機能部及び前記選択部が、前記第1の領域内に配置されている、請求項1又は請求項2に記載の半導体集積回路。
  4. 前記機能部及び前記選択部以外の前記第1の領域を、第1の閾値電圧を有する素子で構成し、前記第2の領域を、前記第1の閾値電圧より低い第2の閾値電圧を有する素子で構成する、請求項3に記載の半導体集積回路。
  5. 回路全体に電源が供給される通常モード及び前記第2の領域への電源の供給が遮断される省電力モードの2つのモードで動作し、
    前記選択部がマルチプレクサで構成され、前記マルチプレクサは、前記通常モードでは前記第2の経路を選択し、前記省電力モードでは前記第1の経路を選択する、
    請求項3又は請求項4に記載の半導体集積回路。
  6. 回路全体に電源が供給される通常モード及び前記第2の領域への電源の供給が遮断される省電力モードの2つのモードで動作し、
    前記選択部が調停回路で構成され、前記調停回路は、前記通常モードでは、前記第1の制御部からのアクセスに応じて第1の経路を選択すると共に、前記第2の制御部からのアクセスに応じて第2の経路を選択し、前記省電力モードでは、前記第1の経路を選択する、
    請求項3又は請求項4に記載の半導体集積回路。
  7. 前記機能部及び前記選択部が、前記第1の領域及び前記第2の領域のいずれとも異なる第3の領域内に配置されている、請求項1又は請求項2に記載の半導体集積回路。
  8. 前記第1の領域を、第1の閾値電圧を有する素子で構成し、前記第2の領域を、前記第1の閾値電圧より低い第2の閾値電圧を有する素子で構成する、請求項7に記載の半導体集積回路。
  9. 前記機能部及び前記選択部以外の前記第3の領域を、前記第1の閾値電圧を有する素子で構成する、請求項8に記載の半導体集積回路。
  10. 回路全体に電源が供給される通常モード、前記第2の領域への電源の供給が遮断される第1省電力モード、及び前記第1の領域への電源の供給が遮断される第2省電力モードの3つのモードで動作し、
    前記選択部がマルチプレクサで構成され、前記マルチプレクサは、前記通常モードでは前記第2の経路を選択し、前記第1省電力モードでは前記第1の経路を選択し、前記第2省電力モードでは前記第2の経路を選択する、
    請求項7から請求項9までのいずれか1項に記載の半導体集積回路。
  11. 回路全体に電源が供給される通常モード、前記第2の領域への電源の供給が遮断される第1省電力モード、及び前記第1の領域への電源の供給が遮断される第2省電力モードの3つのモードで動作し、
    前記選択部が調停回路で構成され、前記調停回路は、前記通常モードでは、前記第1の制御部からのアクセスに応じて第1の経路を選択し、前記第2の制御部からのアクセスに応じて第2の経路を選択し、前記第1省電力モードでは、前記第1の経路を選択し、前記第2省電力モードでは、前記第2の経路を選択する、
    請求項7から請求項9までのいずれか1項に記載の半導体集積回路。
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