JP3498641B2 - Low power consumption type semiconductor integrated circuit device - Google Patents

Low power consumption type semiconductor integrated circuit device

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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、フリップフロップ
とフリップフロップの間に組み合わせ回路を有する構造
の単一クロックで動作する低消費電力型半導体集積回路
装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a low power consumption type semiconductor integrated circuit device which operates with a single clock and has a structure having a combination circuit between flip-flops.

【0002】[0002]

【従来の技術】以下の従来例は、日経BP社発行の文献
「低電力LSIの技術白書」(1994年)のPar
t.2を参考にしている。
2. Description of the Related Art The following conventional example is Par of a document "Technical White Paper of Low Power LSI" (1994) published by Nikkei BP.
t. Refer to 2.

【0003】半導体集積回路の動作時の消費電力は、 P=CL(VDD−Vt)2f (1) と表せる。ここでCLは負荷容量、VDDは電源電圧、V
tは半導体デバイスの閾値電圧、fは動作周波数を表
す。式(1)から半導体集積回路を低消費電力化するた
めには、半導体集積回路の回路に供給する電源電圧を低
く設定することが効果的である。
The power consumption during operation of the semiconductor integrated circuit can be expressed as P = C L (V DD −Vt) 2 f (1). Here, C L is the load capacitance, V DD is the power supply voltage, and V
t represents the threshold voltage of the semiconductor device, and f represents the operating frequency. From the formula (1), in order to reduce the power consumption of the semiconductor integrated circuit, it is effective to set the power supply voltage supplied to the circuit of the semiconductor integrated circuit low.

【0004】一方、MOSインバータの動作速度につい
ていえば、ゲート遅延は、 τ∝CLDD/(VDD−Vt)2 (2) と表わせ、MOSインバータがスイッチング・オンする
に要する時間は、負荷容量が小さいほど、また、(電源
電圧−半導体デバイスの閾値電圧)が大きいほど短くな
る。
On the other hand, regarding the operating speed of the MOS inverter, the gate delay is τ∝C L V DD / (V DD −Vt) 2 As shown in (2), the time required for the MOS inverter to switch on becomes shorter as the load capacitance is smaller and (power supply voltage-threshold voltage of semiconductor device) is larger.

【0005】半導体集積回路の電源電圧を下げることに
よる低消費電力化と同時に、低電源電圧化による動作速
度の劣化を改善する従来方法について、積和回路を例に
示す。この積和回路は半導体集積回路装置の1/20の
回路規模を占め、この半導体集積回路装置のクリティカ
ルパスはこの積和回路で決まっていると仮定して今後の
説明をする。
As a conventional method for reducing the power consumption by lowering the power supply voltage of a semiconductor integrated circuit and improving the deterioration of the operating speed due to the lower power supply voltage, a product-sum circuit will be described as an example. This product-sum circuit occupies 1/20 of the circuit scale of the semiconductor integrated circuit device, and the following description will be made assuming that the critical path of this semiconductor integrated circuit device is determined by this product-sum circuit.

【0006】まず図3に基本的な積和回路を示す。図3
において、21はA入力端子、22はB入力端子、23
はC入力端子、24はシステムクロック入力端子、25
a,25b,25c,25dはフリップフロップ、26
は乗算器、27は加算器、28は出力端子を表す。
First, FIG. 3 shows a basic sum-of-products circuit. Figure 3
, 21 is an A input terminal, 22 is a B input terminal, 23
Is a C input terminal, 24 is a system clock input terminal, 25
a, 25b, 25c, 25d are flip-flops, 26
Is a multiplier, 27 is an adder, and 28 is an output terminal.

【0007】この積和回路により、A入力端子21の入
力信号aとB入力端子22の入力信号b、そしてC入力
端子23の入力信号cがシステムクロック入力端子24
のシステムクロック信号によりそれぞれフリップフロッ
プ25a,25b,25cに取り入られ、フリップフロ
ップ25a,25bの出力信号は乗算器26によって乗
算され、乗算器26の出力は加算器27によってフリッ
プフロップ25cの出力と加算され、クロック端子24
の次の立ち上がりでフリップフロップ25dに取り入ら
れる。この結果a×b+cはフリップフロップ25dか
ら出力端子28に出力される。
With this sum-of-products circuit, the input signal a of the A input terminal 21, the input signal b of the B input terminal 22, and the input signal c of the C input terminal 23 are input to the system clock input terminal 24.
Of the flip-flops 25a, 25b and 25c, respectively, and the output signals of the flip-flops 25a and 25b are multiplied by the multiplier 26. The output of the multiplier 26 is added to the output of the flip-flop 25c by the adder 27. Clock terminal 24
Is taken into the flip-flop 25d at the next rising edge. As a result, a × b + c is output from the flip-flop 25d to the output terminal 28.

【0008】次に図4に半導体集積回路の電源電圧を下
げることによる低消費電力化と同時に、低電源電圧化に
よる動作速度の劣化を改善する方法としてパイプライン
化を用いた従来例の構成図を示す。
Next, FIG. 4 is a block diagram of a conventional example using a pipeline as a method for reducing the power consumption by lowering the power supply voltage of the semiconductor integrated circuit and simultaneously improving the deterioration of the operating speed due to the lower power supply voltage. Indicates.

【0009】図4において、21はA入力端子、22は
B入力端子、23はC入力端子、24はシステムクロッ
ク入力端子、25a,25b,25c,25dはフリッ
プフロップ、25e,25fは新たに追加されたフリッ
プフロップ、26は乗算器、27は加算器、28は出力
端子を表す。
In FIG. 4, 21 is an A input terminal, 22 is a B input terminal, 23 is a C input terminal, 24 is a system clock input terminal, 25a, 25b, 25c and 25d are flip-flops, and 25e and 25f are newly added. Flip-flop, 26 is a multiplier, 27 is an adder, and 28 is an output terminal.

【0010】この積和回路により、A入力端子21の入
力信号aとB入力端子22の入力信号b、そしてC入力
端子23の入力信号cがクロック入力端子24のシステ
ムクロック信号によりそれぞれフリップフロップ25
a,25b,25cに取り入られ、フリップフロップ2
5a,25bの出力信号は乗算器26によって乗算さ
れ、乗算器26の出力はまず、いったんフリップフロッ
プ25eに取り入れられる。同様にフリップフロップ2
5cの出力もいったんフリップフロップ25fに取り入
れられる。フリップフロップ25eとフリップフロップ
25fの出力は、加算器27によって加算され、クロッ
ク端子24の次の立ち上がりでフリップフロップ25d
に取り入られる。この結果a×b+cはフリップフロッ
プ25dから出力端子28に出力される。
By the sum-of-products circuit, the input signal a of the A input terminal 21, the input signal b of the B input terminal 22, and the input signal c of the C input terminal 23 are respectively flip-flops 25 by the system clock signal of the clock input terminal 24.
a, 25b, 25c, and flip-flop 2
The output signals of 5a and 25b are multiplied by the multiplier 26, and the output of the multiplier 26 is first taken into the flip-flop 25e. Similarly flip-flop 2
The output of 5c is also temporarily taken into the flip-flop 25f. The outputs of the flip-flops 25e and 25f are added by the adder 27, and the flip-flop 25d is added at the next rising edge of the clock terminal 24.
Be incorporated into. As a result, a × b + c is output from the flip-flop 25d to the output terminal 28.

【0011】このようにパイプライン化することによ
り、a×b+cの演算はa×bの乗算とその結果に対す
るcの加算という演算に分けられる。例えば、a×b+
cの演算を16ビット×16ビット+32ビットと仮定
すると、16ビット×16ビットの演算に全演算時間の
70%程度の演算時間を費やしていると仮定するとシス
テムクロック入力24の周波数を同じにしたまま、電源
電圧は30%程度下げることが可能である。従って、こ
の積和部分の消費電力はほぼ50%程度まで低減でき
る。しかも、この積和部分がこの半導体集積回路装置の
クリティカルパスで残りの部分も同時に低電圧化できる
のでこの効果はもっと大きい。
By pipelining in this way, the calculation of a × b + c can be divided into the multiplication of a × b and the addition of c to the result. For example, axb +
Assuming that the calculation of c is 16 bits × 16 bits + 32 bits, assuming that the calculation time of 16 bits × 16 bits consumes about 70% of the total calculation time, the system clock input 24 has the same frequency. As it is, the power supply voltage can be reduced by about 30%. Therefore, the power consumption of the sum of products portion can be reduced to about 50%. Moreover, the sum of products portion is a critical path of the semiconductor integrated circuit device, and the remaining portions can be lowered in voltage at the same time.

【0012】しかし、パイプライン化のみでは、乗算器
26がクリティカルパスとなりこれ以上に電源電圧を下
げられない。上の例では乗算器を16ビット×16ビッ
トと仮定したが、今後ますます乗算器のビット数が多く
なり、乗算器の演算にかかる時間は延び、パイプライン
化の効果は少なくなる傾向にある。
However, only by pipelining, the multiplier 26 becomes a critical path and the power supply voltage cannot be further reduced. In the above example, the multiplier was assumed to be 16 bits x 16 bits, but the number of bits in the multiplier will increase in the future, the time required for the multiplier operation will increase, and the effect of pipelining tends to decrease. .

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】以上のような構成の低
消費電力型半導体集積回路装置においては、パイプライ
ン化だけでは、今後携帯機器の動作寿命の長時間化に対
する市場の要望を満足させることができない。
In the low power consumption type semiconductor integrated circuit device having the above-mentioned structure, the pipeline demand alone will satisfy the market demand for a longer operating life of portable devices in the future. I can't.

【0014】本発明は、上記従来の問題点を解決するも
ので、第1のフリップフロップと第2のフリップフロッ
プの間に組み合わせ回路を有する構造の単一クロックで
動作する半導体集積回路装置において、パイプライン化
だけでなく新たな低消費電力化の方法を提供することに
より、携帯機器の動作寿命の長時間化する更なる手段を
提供することを目的とする。
The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and provides a semiconductor integrated circuit device operating with a single clock, which has a combinational circuit between a first flip-flop and a second flip-flop. It is an object of the present invention to provide a further method of extending the operating life of a portable device by providing a new method of reducing power consumption as well as making it pipeline.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
本発明では、第1のフリップフロップと第2のフリップ
フロップの間にクリティカルパスを形成する組み合わせ
回路を有する半導体集積回路装置において、前記第1の
フリップフロップは第1の電源電圧で動作し、前記第2
のフリップフロップと前記組み合わせ回路は第2の電源
電圧で動作することを特徴としている。
[Means for Solving the Problems] To achieve this object
According to the present invention, in a semiconductor integrated circuit device having a combinational circuit that forms a critical path between a first flip-flop and a second flip-flop, the first flip-flop operates at a first power supply voltage, and Second
Is characterized in that the flip-flop and the combinational circuit operate at the second power supply voltage.

【0016】 また、この目的を達成するため本発明で
は、第1のフリップフロップと第2のフリップフロップ
の間にクリティカルパスを形成する組み合わせ回路を有
する半導体集積回路装置において、前記組み合わせ回路
内の半導体素子の閾値電圧は、前記第1のフリップフロ
ップの半導体素子と前記第2のフリップフロップの半導
体素子の閾値電圧よりも低いことを特徴としている。
In order to achieve this object, the present invention
In a semiconductor integrated circuit device having a combinational circuit that forms a critical path between a first flip-flop and a second flip-flop, the threshold voltage of a semiconductor element in the combinational circuit is It is characterized in that it is lower than the threshold voltage of the semiconductor element and the semiconductor element of the second flip-flop.

【0017】 さらに、この目的を達成するため本発明
では、第1のフリップフロップと第2のフリップフロッ
プの間にクリティカルパスを形成する組み合わせ回路を
有する半導体集積回路装置であって、前記第1のフリッ
プフロップは第1の電源電圧で動作し、前記第2のフリ
ップフロップと前記組み合わせ回路は第2の電源電圧で
動作し、前記組み合わせ回路内の半導体素子の閾値電圧
は、前記第1のフリップフロップの半導体素子と前記第
2のフリップフロップの半導体素子の閾値電圧よりも低
いことを特徴としている。
Furthermore, in order to achieve this object, the present invention
In a semiconductor integrated circuit device having a combination circuit for forming a critical path between the first flip-flop and the second flip-flop, said first flip-flop is operating in the first power supply voltage, wherein The second flip-flop and the combination circuit operate at a second power supply voltage, and the threshold voltage of the semiconductor element in the combination circuit is the semiconductor element of the first flip-flop and the semiconductor element of the second flip-flop. It is characterized by being lower than the threshold voltage of.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】本発明の構成により、半導体集積
回路装置のクリティカルパスを構成する回路部分の電源
電圧を選択的に高くすることができる。また、半導体集
積回路装置のクリティカルパスを構成する回路部分の電
源電圧は前のままで、半導体集積回路装置のクリティカ
ルパスを構成する回路部分以外の電源電圧を選択的に低
くすることもできる。従来例の積部分に他の部分と異な
る電源を用意することにより、半導体集積回路装置の残
りの約95%を占める回路部分の電源電圧を低減でき、
半導体集積回路装置全体の消費電力を減少させることが
可能になっている。以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら詳細に説明する。
According to the structure of the present invention, the power supply voltage of the circuit portion forming the critical path of the semiconductor integrated circuit device can be selectively increased. Further, it is possible to selectively lower the power supply voltage of circuits other than the circuit part constituting the critical path of the semiconductor integrated circuit device while keeping the power supply voltage of the circuit part constituting the critical path of the semiconductor integrated circuit device as it is. By preparing a power supply different from the other parts in the product part of the conventional example, the power supply voltage of the circuit part occupying the remaining about 95% of the semiconductor integrated circuit device can be reduced,
It is possible to reduce the power consumption of the entire semiconductor integrated circuit device. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

【0019】(実施の形態1)図1は本発明の実施の形
態1で、半導体集積回路装置のクリティカルパスを形成
していた組み合わせ回路に本発明の対策を施した構成図
である。
(Embodiment 1) FIG. 1 is a configuration diagram in which a countermeasure of the present invention is applied to a combinational circuit forming a critical path of a semiconductor integrated circuit device in the first embodiment of the present invention.

【0020】図1において、1は第1の電源電圧を供給
する端子、11は第2の電源電圧を供給する端子、2は
信号入力端子、3はシステムクロック入力端子、4は第
1のフリップフロップ、4a,4b,4c,4dはそれ
ぞれ第1のフリップフロップ4の第1の電源電圧用端
子、信号入力端子、システムクロック入力端子、信号出
力端子であり、5は信号電圧レベルを上げる第1のレベ
ルシフター、5a,5b,5c,5dはそれぞれ信号電
圧レベルを上げる第1のレベルシフター5の第1の電源
電圧用端子、第2の電源電圧用端子、信号入力端子、信
号出力端子、6は半導体集積回路装置のクリティカルパ
スを従来形成していた組み合わせ回路、6a、6b,6
cはそれぞれ半導体集積回路装置のクリティカルパスを
従来形成していた組み合わせ回路の第1の電源電圧用端
子、信号入力端子、信号出力端子、7は第2のフリップ
フロップ、7a,7b,7c,7dはそれぞれ第2のフ
リップフロップ7の第2の電源電圧用端子、信号入力端
子、システムクロック入力端子、信号出力端子であり、
8は信号電圧レベルを下げる第2のレベルシフター、8
a,8b,8c,8dはそれぞれ信号電圧レベルを下げ
る第2のレベルシフター8の第2の電源電圧用端子、第
1の電源電圧用端子、信号入力端子、信号出力端子であ
る。
In FIG. 1, 1 is a terminal for supplying a first power supply voltage, 11 is a terminal for supplying a second power supply voltage, 2 is a signal input terminal, 3 is a system clock input terminal, and 4 is a first flip-flop. 4a, 4b, 4c, and 4d are the first power supply voltage terminal, the signal input terminal, the system clock input terminal, and the signal output terminal of the first flip-flop 4, and 5 is the first to increase the signal voltage level. Of the level shifters 5a, 5b, 5c, and 5d of the first level shifter 5 for increasing the signal voltage level are the first power supply voltage terminal, the second power supply voltage terminal, the signal input terminal, and the signal output terminal, respectively. Is a combinational circuit which has conventionally formed a critical path of a semiconductor integrated circuit device, 6a, 6b, 6
c is a first power supply voltage terminal, a signal input terminal, a signal output terminal of a combinational circuit that has conventionally formed a critical path of a semiconductor integrated circuit device, 7 is a second flip-flop, 7a, 7b, 7c, 7d. Are a second power supply voltage terminal, a signal input terminal, a system clock input terminal, and a signal output terminal of the second flip-flop 7,
8 is a second level shifter for lowering the signal voltage level, 8
Reference numerals a, 8b, 8c, and 8d respectively denote a second power supply voltage terminal, a first power supply voltage terminal, a signal input terminal, and a signal output terminal of the second level shifter 8 that lowers the signal voltage level.

【0021】図1において、第1の電源電圧端子1に接
続された第1のフリップフロップ4の入力端子4bから
入力された信号入力端子2の信号は、システムクロック
入力端子3の信号の立ち上がりで取り入れられる。第1
のフリップフロップ4の信号出力端子4dからの出力信
号は信号電圧レベルを上げる第1のレベルシフター5の
信号入力端子5cに入力される。信号電圧レベルを上げ
る第1のレベルシフター5は第1の電源電圧用端子5a
を通して第1の電源電圧端子1に接続され、第2の電源
電圧用端子5bを通して第2の電源電圧端子11に接続
されている。第1のフリップフロップ4の出力信号端子
4dからの出力信号は信号電圧レベルを上げる第1のレ
ベルシフター5によって信号電圧レベルを変換され、前
記信号電圧レベルを上げる第1のレベルシフター5の信
号出力端子5dからの出力信号は半導体集積回路装置の
クリティカルパスを従来形成していた組み合わせ回路6
の信号入力端子6bに入力される。
In FIG. 1, the signal at the signal input terminal 2 input from the input terminal 4b of the first flip-flop 4 connected to the first power supply voltage terminal 1 rises at the rising edge of the signal at the system clock input terminal 3. Can be incorporated. First
The output signal from the signal output terminal 4d of the flip-flop 4 is input to the signal input terminal 5c of the first level shifter 5 that raises the signal voltage level. The first level shifter 5 that raises the signal voltage level is the first power supply voltage terminal 5a.
Is connected to the first power supply voltage terminal 1 through, and is connected to the second power supply voltage terminal 11 through the second power supply voltage terminal 5b. The output signal from the output signal terminal 4d of the first flip-flop 4 is converted in signal voltage level by the first level shifter 5 for raising the signal voltage level, and the signal output of the first level shifter 5 for raising the signal voltage level. The output signal from the terminal 5d is a combinational circuit 6 that has conventionally formed a critical path of a semiconductor integrated circuit device.
Signal input terminal 6b.

【0022】半導体集積回路装置のクリティカルパスを
従来形成していた組み合わせ回路6の電源端子6aは第
2の電源電圧用端子11に接続されている。半導体集積
回路装置のクリティカルパスを従来形成していた組み合
わせ回路6で遅延を受けた信号は、半導体集積回路装置
のクリティカルパスを従来形成していた組み合わせ回路
6の信号出力端子6cから出力される。半導体集積回路
装置のクリティカルパスを従来形成していた組み合わせ
回路6の信号出力端子6cからの出力信号は、第2のフ
リップフロップ7の信号入力端子7bに入力される。第
2のフリップフロップ7は第2のフリップフロップ7の
電源端子7aを通して第2の電源電圧端子11に接続さ
れている。第2のフリップフロップ7の信号出力端子7
dからの出力信号は信号電圧レベルを下げる第2のレベ
ルシフター8の信号入力端子8cに入力される。信号電
圧レベルを下げる第2のレベルシフター8は第1の電源
電圧用端子8bを通して第1の電源電圧端子1に接続さ
れ、第2の電源電圧用端子8aを通して第2の電源電圧
端子11に接続されている。信号電圧レベルを下げる第
2のレベルシフター8の信号入力端子8cに入力された
信号は、信号レベルが変換された後、信号電圧レベルを
下げる第2のレベルシフター8の信号出力端子8dから
出力される。
The power supply terminal 6a of the combinational circuit 6 that has conventionally formed the critical path of the semiconductor integrated circuit device is connected to the second power supply voltage terminal 11. The signal delayed by the combinational circuit 6 that has conventionally formed the critical path of the semiconductor integrated circuit device is output from the signal output terminal 6c of the combinational circuit 6 that has conventionally formed the critical path of the semiconductor integrated circuit device. The output signal from the signal output terminal 6c of the combinational circuit 6 that has conventionally formed the critical path of the semiconductor integrated circuit device is input to the signal input terminal 7b of the second flip-flop 7. The second flip-flop 7 is connected to the second power supply voltage terminal 11 through the power supply terminal 7a of the second flip-flop 7. Signal output terminal 7 of the second flip-flop 7
The output signal from d is input to the signal input terminal 8c of the second level shifter 8 which lowers the signal voltage level. The second level shifter 8 for lowering the signal voltage level is connected to the first power supply voltage terminal 1 through the first power supply voltage terminal 8b and connected to the second power supply voltage terminal 11 through the second power supply voltage terminal 8a. Has been done. The signal input to the signal input terminal 8c of the second level shifter 8 for lowering the signal voltage level is output from the signal output terminal 8d of the second level shifter 8 for lowering the signal voltage level after the signal level is converted. It

【0023】従来例で積和回路が半導体集積回路装置の
1/20の回路規模を占め、この半導体集積回路装置の
クリティカルパスはこの積和回路の積の部分(つまり、
乗算器)で決まっていると仮定して説明した。本発明を
パイプライン化の方法を行った従来の積和回路に適応し
た場合について説明する。
In the conventional example, the product-sum circuit occupies 1/20 of the circuit scale of the semiconductor integrated circuit device, and the critical path of this semiconductor integrated circuit device is the product part of this product-sum circuit (that is,
It was assumed that it was decided by the multiplier). A case where the present invention is applied to a conventional sum-of-products circuit that implements a pipeline method will be described.

【0024】請求項1で第1のフリップフロップと第2
のフリップフロップの間に組み合わせ回路を有する構造
の単一クロックで動作する半導体集積回路装置におい
て、第1のフリップフロップと第2のフリップフロップ
の間の遅延時間が前記単一クロックの動作周波数の逆数
で規定される時間より大きいもの、また、本発明の実施
の形態1の説明で、半導体集積回路装置のクリティカル
パスを従来形成していた組み合わせ回路6に相当するの
がこの場合は乗算器である。第2の電源電圧端子11の
電源電圧を第1の電源電圧端子1の電源電圧より高く設
定することにより、第2の電源電圧端子11に接続され
ている半導体集積回路装置のクリティカルパスを従来形
成していた組み合わせ回路6、つまり、今の場合は乗算
器の電源電圧を第1の電源電圧端子1に接続されている
第1のフリップフロップと第2のフリップフロップの間
に組み合わせ回路を有する単一クロックで動作する半導
体集積回路装置において、第1のフリップフロップと第
2のフリップフロップの間の遅延時間が前記単一クロッ
クの動作周波数の逆数で規定される時間より小さい部分
に接続されている乗算器以外の回路の電源電圧より高く
設定することにより、システムクロック入力の周波数を
同じにしたまま、乗算器以外の回路の電源電圧を従来例
以上に下げることが可能になる。
In claim 1, the first flip-flop and the second flip-flop
In a semiconductor integrated circuit device having a structure having a combinational circuit between the flip-flops and operating with a single clock, the delay time between the first flip-flop and the second flip-flop is the reciprocal of the operating frequency of the single clock. In the description of the first embodiment of the present invention, the multiplier in this case corresponds to the combinational circuit 6 that has conventionally formed the critical path of the semiconductor integrated circuit device. . By setting the power supply voltage of the second power supply voltage terminal 11 higher than the power supply voltage of the first power supply voltage terminal 1, a critical path of the semiconductor integrated circuit device connected to the second power supply voltage terminal 11 is conventionally formed. The combinational circuit 6 that has been used, that is, in the present case, has a combinational circuit between the first and second flip-flops connected to the first power supply voltage terminal 1 for the power supply voltage of the multiplier. In a semiconductor integrated circuit device operating with one clock, a delay time between a first flip-flop and a second flip-flop is connected to a portion smaller than a time defined by an inverse number of an operating frequency of the single clock. By setting it higher than the power supply voltage of the circuits other than the multiplier, the power supply voltage of the circuits other than the multiplier can be kept while keeping the system clock input frequency the same. It is possible to reduce the above conventional example.

【0025】つまり、従来の第1のフリップフロップと
第2のフリップフロップの間に組み合わせ回路を有する
単一クロックで動作する半導体集積回路装置において、
クリティカルパスは乗算器であり、この部分の乗算時間
によりシステムクロックの動作周波数が決まっていた。
請求項1の本発明では、乗算器の部分だけ別電源にし電
源電圧は元のままにする。乗算器以外の部分は、クリテ
ィカルパスでないため前記電源電圧では本来もっと高い
動作周波数で動作する。このことは、元のシステムクロ
ックの動作周波数で動かすのであれば、もっと低い電源
電圧に出来ると言う事である。本半導体集積回路装置の
95%を占める乗算器以外の電源電圧を下げる事によ
り、低消費電力化が可能である。
That is, in the conventional semiconductor integrated circuit device operating with a single clock, which has a combinational circuit between the first flip-flop and the second flip-flop,
The critical path is a multiplier, and the operating time of the system clock is determined by the multiplication time of this part.
According to the first aspect of the present invention, only the multiplier section is provided with a separate power supply, and the power supply voltage remains unchanged. Since the parts other than the multiplier are not the critical path, they are originally operated at a higher operating frequency at the power supply voltage. This means that a lower power supply voltage can be obtained if it is operated at the operating frequency of the original system clock. Low power consumption can be achieved by reducing the power supply voltage other than the multiplier, which accounts for 95% of the present semiconductor integrated circuit device.

【0026】本発明に伴う回路の増加による消費電力の
増加、つまり別電源を用意するために必要なDC−DC
コンバータ等による消費電力の増加より乗算器以外の電
源電圧を下げることによる消費電力の減少の方が大きく
なるような値に第1の電源電圧端子1と第2の電源電圧
端子11の電源電圧をそれぞれ選ぶ必要がある。
An increase in power consumption due to an increase in circuits according to the present invention, that is, DC-DC necessary for preparing another power supply.
The power supply voltages of the first power supply voltage terminal 1 and the second power supply voltage terminal 11 are set to values such that the power consumption decreases by lowering the power supply voltage other than the multiplier than the power consumption increase by the converter. You have to choose each.

【0027】本発明において、半導体集積回路装置のク
リティカルパスを従来形成していた組み合わせ回路6と
して積和回路の乗算器を例にして述べたが、もちろんク
リティカルパスを従来形成していた組み合わせ回路6は
積和回路の乗算器に限定されるものではない。
In the present invention, the multiplier of the product-sum circuit is described as an example of the combinational circuit 6 that has conventionally formed the critical path of the semiconductor integrated circuit device, but of course the combinational circuit 6 that has conventionally formed the critical path. Is not limited to the multiplier of the sum of products circuit.

【0028】(実施の形態2)図2は本発明の実施の形
態2で、半導体集積回路装置のクリティカルパスを形成
していた組み合わせ回路に本発明の対策を施した構成図
である。図2において、1は電源電圧を供給する端子、
2は信号入力端子、3はシステムクロック入力端子、4
は第1のフリップフロップ、4a,4b,4c,4dは
それぞれ第1のフリップフロップ4の電源入力端子、信
号入力端子、システムククロック入力端子、信号出力端
子であり、60は半導体集積回路装置のクリティカルパ
スを従来形成していた組み合わせ回路、60a、60
b,60cはそれぞれ半導体集積回路装置のクリティカ
ルパスを従来形成していた組み合わせ回路の電源電圧用
端子、信号入力端子、信号出力端子、7は第2のフリッ
プフロップ、7a,7b,7c,7dはそれぞれ第2の
フリップフロップ7の電源電圧用端子、信号入力端子、
システムククロック入力端子、信号出力端子である。
(Embodiment 2) FIG. 2 is a configuration diagram in which a countermeasure of the present invention is applied to a combinational circuit forming a critical path of a semiconductor integrated circuit device in the second embodiment of the present invention. In FIG. 2, 1 is a terminal for supplying a power supply voltage,
2 is a signal input terminal, 3 is a system clock input terminal, 4
Is a first flip-flop, 4a, 4b, 4c and 4d are a power input terminal, a signal input terminal, a system clock input terminal and a signal output terminal of the first flip-flop 4, respectively, and 60 is a semiconductor integrated circuit device. Combinational circuits that have conventionally formed a critical path, 60a, 60
b and 60c are power supply voltage terminals, signal input terminals, and signal output terminals of a combinational circuit that has conventionally formed a critical path of a semiconductor integrated circuit device, 7 is a second flip-flop, and 7a, 7b, 7c and 7d are Power supply voltage terminal, signal input terminal, and second flip-flop 7,
System clock input terminal and signal output terminal.

【0029】第1のフリップフロップと第2のフリップ
フロップの間に組み合わせ回路を有する単一クロックで
動作する半導体集積回路装置において、前記第1のフリ
ップフロップと前記第2のフリップフロップの間の遅延
時間が前記単一クロックの動作周波数の逆数で規定され
る時間より大きいものは、前記組み合わせ回路を構成す
る半導体デバイスの閾値電圧を、前記第1のフリップフ
ロップと前記第2のフリップフロップの間の遅延時間が
前記単一クロックの動作周波数の逆数で規定される時間
より小さい回路を構成する半導体デバイスの閾値電圧よ
りも低く設定している。
In a semiconductor integrated circuit device operating with a single clock, having a combinational circuit between a first flip-flop and a second flip-flop, a delay between the first flip-flop and the second flip-flop is provided. When the time is longer than the time defined by the reciprocal of the operating frequency of the single clock, the threshold voltage of the semiconductor device forming the combinational circuit is set between the first flip-flop and the second flip-flop. The delay time is set to be lower than the threshold voltage of a semiconductor device forming a circuit that is smaller than the time defined by the reciprocal of the operating frequency of the single clock.

【0030】半導体集積回路装置のクリティカルパスを
従来形成していた組み合わせ回路60を構成している半
導体デバイスの閾値電圧を他の回路より低く設定する方
法の一例としては、前記半導体集積回路装置のクリティ
カルパスを従来形成していた組み合わせ回路60を構成
する部分の回路セルのみを半導体集積回路製造時に、更
なるイオン注入により閾値電圧を変更する手法がある。
As an example of the method of setting the threshold voltage of the semiconductor device constituting the combinational circuit 60 which has conventionally formed the critical path of the semiconductor integrated circuit device lower than that of other circuits, the critical voltage of the semiconductor integrated circuit device is set. There is a method in which the threshold voltage is changed by further ion implantation at the time of manufacturing a semiconductor integrated circuit only in the circuit cells of the portion forming the combinational circuit 60 in which the path is conventionally formed.

【0031】半導体集積回路の動作時の消費電力は、式
(1)と表せるためこの部分の消費電力は増加するが、
一方、MOSインバータの動作速度についていえば、ゲ
ート遅延は、式(2)という関係にあるため、半導体集
積回路装置のクリティカルパスを従来形成していた組み
合わせ回路60の動作速度は速くなる。しかも、半導体
集積回路装置のクリティカルパスを従来形成していた組
み合わせ回路60を構成している半導体デバイスのみの
閾値電圧を他の回路より低く設定するのみであるため、
通常半導体デバイスの閾値電圧を下げるとサブスレッシ
ョルド電流が増加し待機時の消費電流が増加するという
欠点を最小限に抑えることが出来る。また、待機時の消
費電流が増加に対しては、半導体デバイスの閾値電圧を
下げている部分の電源を切るような方法も存在する。
Since the power consumption of the semiconductor integrated circuit during operation can be expressed by the equation (1), the power consumption of this portion increases,
On the other hand, regarding the operating speed of the MOS inverter, since the gate delay has the relationship of the expression (2), the operating speed of the combinational circuit 60 that has conventionally formed the critical path of the semiconductor integrated circuit device becomes faster. Moreover, since the threshold voltage of only the semiconductor device that constitutes the combinational circuit 60 that has conventionally formed the critical path of the semiconductor integrated circuit device is set lower than the other circuits,
Usually, when the threshold voltage of the semiconductor device is lowered, the sub-threshold current increases, and the drawback that the standby current consumption increases can be minimized. Further, there is also a method of turning off the power supply of the portion of the semiconductor device where the threshold voltage is lowered in order to increase the standby current consumption.

【0032】本発明をパイプライン化の方法を行った従
来の積和回路に適応した場合の対応も図1の場合と同様
である。請求項2で第1のフリップフロップと第2のフ
リップフロップの間に組み合わせ回路を有する単一クロ
ックで動作する半導体集積回路装置において、第1のフ
リップフロップと第2のフリップフロップの間の遅延時
間が前記単一クロックの動作周波数の逆数で規定される
時間より大きいもの、また、本発明の実施の形態2の説
明で、半導体集積回路装置のクリティカルパスを従来形
成していた組み合わせ回路60に相当するのがこの場合
は乗算器である。半導体集積回路装置のクリティカルパ
スを従来形成していた組み合わせ回路60を構成してい
る半導体デバイスの閾値電圧を下げることにより、シス
テムクロック入力の周波数を同じにしたまま、半導体集
積回路装置全体の電源電圧を下げることが可能になる。
The case where the present invention is applied to the conventional product-sum circuit in which the pipeline method is applied is also the same as in the case of FIG. The semiconductor integrated circuit device according to claim 2, which operates with a single clock and has a combination circuit between the first flip-flop and the second flip-flop, wherein the delay time between the first flip-flop and the second flip-flop is high. Is greater than the time defined by the reciprocal of the operating frequency of the single clock, and in the description of the second embodiment of the present invention, corresponds to the combinational circuit 60 that has conventionally formed the critical path of the semiconductor integrated circuit device. In this case, it is the multiplier. By lowering the threshold voltage of the semiconductor device forming the combinational circuit 60 that has conventionally formed the critical path of the semiconductor integrated circuit device, the power supply voltage of the entire semiconductor integrated circuit device can be kept the same as the frequency of the system clock input. Can be lowered.

【0033】つまり、従来の第1のフリップフロップと
第2のフリップフロップの間に組み合わせ回路を有する
単一クロックで動作する半導体集積回路装置において、
クリティカルパスは乗算器であり、この部分の乗算時間
によりシステムクロックの動作周波数が決まっていた。
請求項2の本発明では、乗算器を構成している半導体デ
バイスの閾値電圧を下げることにより乗算器がより高速
に動作するようになり、システムクロック入力の周波数
を同じにしたまま、乗算器も含めた全体の回路の電源電
圧を従来例以上に下げることが可能になる。乗算器を構
成している半導体デバイスの閾値電圧を下げることによ
り乗算器の動作時の消費電力は増加する。しかし、乗算
器も含めた全体の回路の電源電圧を下げる事により、半
導体集積回路装置全体として低消費電力化が可能であ
る。
That is, in the conventional semiconductor integrated circuit device operating with a single clock, which has a combinational circuit between the first flip-flop and the second flip-flop,
The critical path is a multiplier, and the operating time of the system clock is determined by the multiplication time of this part.
According to the present invention of claim 2, by lowering the threshold voltage of the semiconductor device forming the multiplier, the multiplier operates at a higher speed, and the multiplier also operates at the same frequency of the system clock input. It is possible to reduce the power supply voltage of the entire circuit including the power supply voltage to a level lower than the conventional example. By lowering the threshold voltage of the semiconductor device that constitutes the multiplier, the power consumption during operation of the multiplier increases. However, by lowering the power supply voltage of the entire circuit including the multiplier, it is possible to reduce the power consumption of the semiconductor integrated circuit device as a whole.

【0034】半導体集積回路装置のクリティカルパスを
従来形成していた組み合わせ回路60を構成している半
導体デバイスの閾値電圧を下げることによる消費電力の
増加より乗算器も含めた全体の電源電圧を下げることに
よる消費電力の減少の方が大きくなるような値に半導体
集積回路装置のクリティカルパスを従来形成していた組
み合わせ回路60を構成している半導体デバイスの閾値
電圧を選ぶ必要がある。半導体デバイスの閾値電圧をど
のくらいにすれば良いかは、設計している半導体集積回
路装置に依存する。EDAツールを活用して、ここの半
導体集積回路装置ごとに最適な半導体デバイスの閾値電
圧を決定することがこの技術を有効に活用する上で重要
である。
Lowering the overall power supply voltage including the multiplier due to the increase in power consumption by lowering the threshold voltage of the semiconductor device forming the combinational circuit 60 that has conventionally formed the critical path of the semiconductor integrated circuit device. It is necessary to select the threshold voltage of the semiconductor device forming the combinational circuit 60 that has conventionally formed the critical path of the semiconductor integrated circuit device to a value such that the reduction in power consumption due to is larger. How much the threshold voltage of the semiconductor device should be set depends on the designed semiconductor integrated circuit device. Using the EDA tool to determine the optimum threshold voltage of the semiconductor device for each semiconductor integrated circuit device is important for effectively utilizing this technique.

【0035】本発明において、半導体集積回路装置のク
リティカルパスを従来形成していた組み合わせ回路60
として積和回路の乗算器を例にして述べたが、もちろん
クリティカルパスを従来形成していた組み合わせ回路6
は積和回路の乗算器に限定されるものではない。
In the present invention, the combinational circuit 60 which has conventionally formed the critical path of the semiconductor integrated circuit device.
Although the multiplier of the product-sum circuit has been described as an example, of course, the combinational circuit 6 that has conventionally formed a critical path 6
Is not limited to the multiplier of the sum of products circuit.

【0036】(実施の形態3)これは実施の形態1と実
施の形態2の構成の特徴を組み合わせたもので、今まで
の説明により容易に推測できるので、説明は省略する。
(Third Embodiment) This is a combination of the features of the configurations of the first and second embodiments and can be easily guessed from the above description, and therefore the description thereof is omitted.

【0037】[0037]

【発明の効果】以上のように、本発明は第1のフリップ
フロップと第2のフリップフロップの間に組み合わせ回
路を有する単一クロックで動作する半導体集積回路装置
において、低消費電力化のためのパイプライン化の従来
方法に本発明の方法を加味することにより、半導体集積
回路装置の低消費電力化の効果をもたらす。
As described above, according to the present invention, a semiconductor integrated circuit device operating with a single clock having a combinational circuit between a first flip-flop and a second flip-flop is provided for reducing power consumption. By adding the method of the present invention to the conventional pipeline method, the effect of reducing the power consumption of the semiconductor integrated circuit device is brought about.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施の形態1で、半導体集積回路装置
のクリティカルパスに関する構成図
FIG. 1 is a configuration diagram of a critical path of a semiconductor integrated circuit device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施の形態2で、半導体集積回路装置
のクリティカルパスに関する構成図
FIG. 2 is a configuration diagram regarding a critical path of a semiconductor integrated circuit device according to a second embodiment of the present invention.

【図3】本発明における基本的な積和回路の構成図FIG. 3 is a block diagram of a basic sum-of-products circuit according to the present invention.

【図4】半導体集積回路の電源電圧を下げるためにパイ
プライン化を用いた従来の構成図
FIG. 4 is a conventional configuration diagram in which pipeline is used to reduce the power supply voltage of a semiconductor integrated circuit.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 第1の電源電圧を供給する端子 4 第一のフリップフロップ 5 第一のレベルシフター 6、60 組み合わせ回路 7 第2のフリップフロップ 8 第2のレベルシフター 11 第2の電源電圧を供給する端子 1 Terminal for supplying the first power supply voltage 4 First flip-flop 5 First level shifter 6,60 Combination circuit 7 Second flip-flop 8 Second level shifter 11 Terminal for supplying the second power supply voltage

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 第1のフリップフロップと第2のフリッ
プフロップの間にクリティカルパスを形成する組み合わ
せ回路を有する半導体集積回路装置において、前記組み
合わせ回路内の半導体素子の閾値電圧は、前記第1のフ
リップフロップの半導体素子と前記第2のフリップフロ
ップの半導体素子の閾値電圧よりも低いことを特徴とす
る低消費電力型半導体集積回路装置。
1. A semiconductor integrated circuit device having a combinational circuit that forms a critical path between a first flip-flop and a second flip-flop, wherein a threshold voltage of a semiconductor element in the combinational circuit is the first voltage. A low power consumption type semiconductor integrated circuit device, which is lower than a threshold voltage of a semiconductor element of a flip-flop and a semiconductor element of the second flip-flop.
【請求項2】 第1のフリップフロップと第2のフリッ
プフロップの間にクリティカルパスを形成する組み合わ
せ回路を有する半導体集積回路装置であって、前記第1
のフリップフロップは第1の電源電圧で動作し、 前記第2のフリップフロップと前記組み合わせ回路は第
2の電源電圧で動作し、前記組み合わせ回路内の半導体
素子の閾値電圧は、前記第1のフリップフロップの半導
体素子と前記第2のフリップフロップの半導体素子の閾
値電圧よりも低いことを特徴とする低消費電力型半導体
集積回路装置。
2. A semiconductor integrated circuit device having a combinational circuit that forms a critical path between a first flip-flop and a second flip-flop, said first integrated circuit device comprising:
Flip-flops operate at a first power supply voltage, the second flip-flop and the combination circuit operate at a second power supply voltage, and the threshold voltage of a semiconductor element in the combination circuit is the first flip-flop. Low power consumption type semiconductor integrated circuit device characterized by being lower than the threshold voltage of the semiconductor element of the second flip-flop and the semiconductor element of the second flip-flop.
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