JP3520922B2 - マイクロエレクトロニック装置 - Google Patents
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Description
る、同時係属中の出願特許である。 * 「スーパースカラRISC命令スケジューリング」、
出願番号07/860,719号(代理人整理番号SP
035) * 「ハードウェア・エミュレーション・アクセレレータ
及び方法」、出願番号07/831, 272号(代理人
整理番号SP046) 上記出願特許の開示は参考文献として本出願に組み込ま
れているものとする。
レクトロニック装置による発熱及び電力消費を削減させ
るシステム及び方法に関するものであり、特に、斯かる
マイクロエレクトロニック装置による電力消費の動的な
制御及び、その結果として斯かるマイクロエレクトロニ
ック装置に必要とされる発熱処理に関するものである。
バイス、半導体チップ、または集積回路とも呼ばれる)
の発熱処理はその設計、製造、及び使用上重要な問題で
ある。これは典型的には百万個以上のトランジスタ(ア
クティブとパッシブ)が一つの半導体ダイに集積された
超集積回路(VLSI)および超超集積回路(ULS
I)デバイスに於いて殊に重要な問題である。アクティ
ブなデバイスは必要なシステムの機能性と実行速度を可
能とするために通常非常な高速で作動する(クロックで
駆動され)(25MHzと33MHzは今や普通で、例
えば250MHz以上の非常な高速も考えられている)
ものである。どのような製造技術が利用されたかという
点とは無関係に、周知の如く、高クロックレートおよび
多数のアクティブ・デバイスにより、マイクロエレクト
ロニック装置のダイの実際の寸法に比し、大きな発熱の
問題が生じるのである。
含む代表的なダイは15mm角のダイで作成され、13
2以上のピンアウトを必要とする。斯かるマイクロエレ
クトロニック装置は1マイクロン(aem)CMOS技
術では30MHzのシステムクロック速度で作動し得る
ものである。ダイは適切なハウジングまたはパッケージ
に恒久的に収められてなくてはならないが、斯かるハウ
ジングまたはパッケージは、ピンアウト、環境保護、物
理的な保護の他に、デバイスの故障の防止のために十分
な発熱処理能力を持つものでなければならない。
トロニック装置一個当たり、5乃至10ワットの処理を
要する発熱が生じることは希でない。その結果、熱のシ
ンクの措置なしには、斯かるマイクロエレクトロニック
装置のダイの接合温度はセラミックパッケージで、そし
て商業用環境温度許容範囲の上限近くである摂氏70度
では、摂氏100度に達することがある。更に、紀元2
000年までに出現が予想される、一個のダイ当たり1
億個のアクティブデバイスを含む、更に強力な、新しい
世代のマイクロエレクトロニック装置の発熱処理要求に
比べれば5乃至10ワットの発熱量はものの数にもなら
ないのである。将来のダイの寸法は25mm角になるで
あろうと予想される。
成の方策が開発されてきた。全ての方策に於いて、マイ
クロエレクトロニック装置を物理的な故障及び性能の劣
化から保護するために、不要な熱を迅速に引き出すため
のヒートシンクまたは熱グリース措置が取られている。
通常のヒートシンク以外に、空気などのガス、あるいは
水、フレオン、または更に効率の良い冷却剤などの液体
が使用されるが、ヒートシンク手法は物理的なサイズの
増大、コストの増加、機械的複雑さの増加、及びパッケ
ージとしてのマイクロエレクトロニック装置の重量の増
加をうながす。更に、発熱処理(すなわち熱応力)の必
要上、パッケージ当たりのダイの寸法に自ずから上限が
生ずるのである。
のクロック速度で動作する通常のマイクロプロセッサ
で、それは通常の動作で5ワットの発熱を生じる。この
発熱処理のために特別なヒートシンクが設置されてい
る。エレクトロニックス上の絶えざる動向は、より小さ
く、より軽量なコンピュータ製品の製造を目指してのマ
イクロエレクトロニック装置のサイズ削減である。この
微小化の傾向は更に進み、毎年劇的なサイズの削減が起
こるのである。
し乍らエレクトロニック及びコンピュータ装置の微小化
の過程に於いて障害となる。換言すれば、マイクロエレ
クトロニック装置からの発熱を取り除かなければならな
い物理学上の要請により、達成し得るエレクトロニック
及びコンピュータ装置のサイズ及び重量をどこ迄削減し
得るか、について自ずから限度が生ずるのである。そし
て、これはマイクロエレクトロニック装置の寿命にも関
連する問題である。例えば、ソリドステート・レーザー
の寿命がLEDの寿命より短いのは、小面積に於ける熱
の密度が原因である。
は、エレクトロニック及びコンピュータ装置に於ける機
能及び特性の増加と、それに伴う応答時間の短縮であ
る。これは更に複雑で強力なマイクロエレクトロニック
装置の使用により達成されるもので、ダイ一個当たりの
アクティブ・デバイスの集積度の向上の結果である。併
し、ダイ上に更に多数のアクティブ・デバイスを形成す
るには、発熱処理の必要の増加が伴ない、従って、達成
し得るマイクロエレクトロニック装置パッケージのサイ
ズ削減に自ずから限度が生じる。例えば、DECのアル
ファCMOSチップでは、電源電圧を低下させても20
0MHzで30ワットもの発熱があるという。
マイクロエレクトロニック装置の物理的サイズの劇的な
削減は、ラップトップ、ノートブック、パームトップ等
と呼ばれる非常に小型のパソコンを生むに至った。これ
は、現行の、強力な機能と特性を持つコンピュータのサ
イズ縮小の典型的な例である。
表的携帯用コンピュータの寸法は30センチ×40セン
チで、その重量は6.7キロであり、そのうち450グ
ラムは充電可能な電池の重量である。今日の代表的な、
386SXL型マイクロプロセッサ内蔵ラップトップ・
コンピュータの寸法は20×27×5センチで、その重
量は2乃至3キロである。このうち約200グラムが充
電可能な電池の重量である。
ップトップあるいはパームトップコンピュータ)の重要
な制約事項の一つはその機械の駆動に必要な電池であ
る。電池は使用者の要求を満たすためにコンピュータを
長時間に渡って駆動するのに十分な電力を供給するもの
でなければならない。現在のノートブックコンピュータ
の代表的な駆動範囲は一回の充電ごとに3乃至4時間で
ある。重量とサイズの点で、電池はコンピュータ・シス
テムの最大の部品の一つである。使用者にとって、必要
なコンピュータ操作が十分な時間行なえるように電池の
電力容量が十分に大きいものであることは極めて重要で
ある。併し、この操作性の必要から、コンピュータ・シ
ステム全体のサイズが増加するのである。
電池の物理的サイズを拡大させる必要があるからであ
る。故に、所定のサイズと重量当たり更に効率の良い電
池を開発するために多大な研究開発の努力が為されてい
る。その目的は、所定のサイズとスペース当たりより多
くの電力とより長時間の操作を可能ならしめるために、
充電容量の面に於いて電池技術の向上を図ることであ
る。その結果、電池を使用するコンピュータ・システム
のサイズの削減につながるものである。
コンピュータ・システムの性能を向上させる努力が多々
為されている。インテル社によって使用された従来の手
法の一つは、使用されていない周辺チップの電源を止め
ることである。これはインテル80386チップセット
で行なわれている手法である。周辺チップは非常に電力
を消耗するものである故に、使用されていない周辺チッ
プの電源を止めることによって電池の寿命が著しく向上
するのである。AMDのAM386DXLマイクロプロ
セッサで実施されている更なる手法では、省電のために
クロック速度を下げることである(例えば40−0MH
zより)。
ロニック装置の発熱及び電力消費量の格段なる向上が必
要とされている。そしてこれはマイクロエレクトロニッ
ク装置がコンピュータ・システムで使用される時に、パ
ッケージのサイズ及び複雑性を削減し、マイクロエレク
トロニック装置を電子的に駆動させる目的で電池が使用
される場合、システムの操作時間を増加するために特に
切実な問題である。
ースコード・コンピュータプログラムをマシンコード命
令に翻訳するコンパイラと、該翻訳されたマシンコード
命令を実行するために必要な複数の機能ユニットと、該
複数の機能ユニットに供給されるシステムクロックとを
備え、前記コンパイラは、前記マシンコード命令を特定
の機能ユニットに送出後、数サイクル分使用されていな
い機能ユニットを判別して、該判別に基づいて前記使用
されていない機能ユニットをオフにすることを特徴とす
る。
機能ユニットに対し無効化あるいはパワーダウン信号を
送り、前記使用されていない機能ユニットに対するクロ
ックを止め、前記使用されていない機能ユニットに対す
る入力をブロックし、前記使用されていない機能ユニッ
トの電源を止めることにより前記機能ユニットをオフに
し、前記ソースコードを前記マシンコードに翻訳後に、
省電効果を最大化するように前記マシンコード命令を順
序つける最適化機能を有することを特徴とする。
ユニットにおいて、最初に命令解読ユニットに供給さ
れ、該命令解読ユニットからのデコードされた命令が命
令実行ユニットに供給され、前記複数の機能ユニットの
1つは、浮動小数点ユニットであり、前記浮動小数点ユ
ニットに対し、前記システムクロックの供給は、浮動小
数点オペレーションの実行の開始より1/2クロックサ
イクル前から完了後1/2クロックサイクルの期間継続
することを特徴とし、前記機能ユニットは、CMOS集
積回路やメモリユニットを含むことを特徴とする。
ク装置は二個以上の機能ユニットで構成され、それらの
機能ユニットは全て一個のチップ、すなわちダイ上に形
成されている。本発明はマイクロエレクトロニック装置
を制御するコンピュータ・プログラムの実行に於いて、
全ての機能ユニットが同時に動作することはなく、また
それらが同時に動作する必要もない、という着想に基づ
いているものである。
要請に従って、非常に高速に(通常クロックサイクルの
半分で)各機能ユニットをつけたり消したりさせるもの
である。本発明の作用により、従来の全ての機能ユニッ
トを常時オンにして置く手法に比較し、マイクロエレク
トロニック装置の電力消費量が著しく改善され、それに
応じて発熱量も低下するのである。
機能ユニットを常時オンにして置く従来の標準的手法に
比較し、本発明の、本明細書で説明される代表的実施例
では電力消費量と発熱量が30%削減されるのである。
マイクロエレクトロニック装置のアーキテクチャ及び実
行されるコンピュータ・プログラムの種類によって、0
%乃至50%の削減が達成し得るのである。スーパース
カラCPUに比して、より多くのブロックがより頻繁に
遊休状態にあるため、単一スカラCPUに於ける削減度
は低い。
されるならば、そしてスイッチングを行なうために必要
な制御論理によるオーバーヘッドの増加が甚大なもので
はないと仮定するならば、更に多くのパーセントのユニ
ットまたはブロックをオフとすることが可能である。
ットを何時つけたり消したりするか、を判別するために
本発明では幾つかの手法が採用されている。一つの手法
では、ソースコードをマイクロエレクトロニック装置の
オペレーションを制御するマシンコードに翻訳するコン
パイラが使用されている。実行中、論理ユニットがマシ
ンコードを評価し(即ち、解読または監視し)、コンパ
イラから得られた利用度情報に基づき、コンピュータ・
プログラムの実行の各ステップに於いて、どの機能ユニ
ットがプログラムの実行のために必要であるか、そして
従ってどの機能ユニットがオンあるいはオフされるべき
か、を判別するのである。例えば、非グラフィック・オ
ペレーションの実行中はグラフィック・ユニットの駆動
は必要でないかも知れないのである。同じく、通常のワ
ークステーションでは浮動小数点ユニット(FPU)は
実行時間の20%乃至30%のみ動作するもので、その
遊休期間中はオンである必要はない。キャッシュメモリ
ユニットも本発明に基づく制御でコントロールし得るも
のである。
か、を判別する目的で本発明で、採用されているもう一
つの手法は、機能ユニットの実行とオペレーションを評
価(監視)するダイ上の論理ユニットを使用して行なわ
れる手法である。この監視機能は次のオペレーション
(送出された命令の実行及び遅延を含む)の指示を生成
するもので、そのような指示を使用して本発明のオン/
オフオペレーションの制御が可能である。例えば、コン
パクトな低コスト、オンチップFPUでは、衝突の可能
性の故に、全てのユニットを同時に使用することは不可
能である。FALUオペレーションの実行中、乗算器や
除算器の動作は許可されない。従って、それらのユニッ
トへ供給される電力を止めても構わないのである。
に応じて、本発明では機能ユニットのオン/オフのため
にどのような適切な、事前に選択された時間量でも使用
できる。必要ならば最大の発熱量及び電力消費量削減を
得るためにオン/オフは1/2クロックサイクルの速度
でも構わないが、オン/オフの目的で他のクロックサイ
クルを使用することも可能である。更に他の方法とし
て、選択された一個のブロックまたは複数のブロックに
対して動力線をオン/オフする方法もある。
ための如何なる電子的手法をも意図するものである。相
補型金属酸化膜半導体(CMOS)回路では、好ましい
手法は(1)オフにされている機能ユニットヘのクロッ
ク信号を停止させるか、(2)オフにされている機能ユ
ニットヘの入力を変化させない、かのどちらかである。
どちらの手法でも、機能ユニットをオフにするという、
所望の結果が得られる。後に、機能ユニットはそれをオ
フにした手法の逆の手法を用いることによってオンにで
きるのである。
によって消費される電力は常に無であるというCMOS
の特性を十分に利用しているが故に、CMOS回路に特
に適用性のあるものである。コンピュータ・プログラム
の実行中のある時点で使用されていない機能ユニットの
状態変化を抑制することにより、本発明は目的とする発
熱の減少及び電力消費量の削減を達成し得るものであ
る。パワーベースをオン/オフする必要はなく、制御用
に占めるチップ面積も最小限で済むものである。
を参照しつつ説明する。本発明はマイクロエレクトロニ
ック装置を制御するコンピュータ・プログラムの実行の
必要に応じて機能ユニットをオン/オフできるように、
マイクロエレクトロニック装置の各機能ユニットに供給
される電力を選択的に制御するシステム及び方法であ
る。実行中のプログラム・ステップの要請に従った、機
能ユニットのダイナミックなオン/オフ化により、機能
ユニットの消費電力量が大幅に削減(10%〜30%)
され、その結果マイクロエレクトロニック装置の発熱量
及び電力消費量の大幅な削減が達成される。本発明で
は、マイクロエレクトロニック装置の発熱及び電力消費
量の大幅な削減をもたらす。従って、非常に望ましい結
果として、ヒートシンクの必要性が削減され電池放電サ
イクルが長くなるのである。更に、パワーバス線の幅も
縮小でき、その結果、VLSIチップでは面積が大幅に
節約される。
ロエレクトロニック装置のフロアープランである。図示
される如く、参照番号100で一般的に示されるマイク
ロエレクトロニック装置には、例えばシリコンで作成さ
れたダイ102が含まれ、それにはダイ102上に製造
された電子回路のアーキテクチャを構成する種々の機能
ユニットが形成されている。図示される如く、代表的実
施例中のこれらの機能ユニットには次のものが含まれ
る:システムクロック104、中央処理装置(CPU)
106、キャッシュ制御ユニット(CCU)108、浮
動小数点ユニット(FPU)110、整数ユニット(I
NT)112、及びメモリ制御ユニット(MCU)11
4である。図1に示される機能ユニットはあくまでも説
明のためのものである。本発明はマイクロエレクトロニ
ック装置100のダイ102上の機能ユニットの如何な
る配置をも考慮の対象とする。例えば、マイクロエレク
トロニック装置100には論理機能ユニットの他にメモ
リを含むこともできる。本発明は単一の半導体ダイまた
は基板で実現される現在のコンピュータ・アーキテクチ
ャも将来のコンピュータ・アーキテクチャをも考慮の対
象とする。
イクロエレクトロニック装置100の一部である。下記
の詳細の説明にあるように、論理ユニット116はシス
テムクロック104と共に動作し、本発明の一実施例に
従った機能ユニットへのクロック信号の供給を何時オン
/オフするかを判別し、そして実際にオン/オフを行な
う。
ルオペレーションを示す高レベルフローチャートであ
る。図2を参照するならば、本発明は4つの基本的オペ
レーション・ステップを用いる。
ック装置100で実行されている(制御している)コン
ピュータ・プログラムのマシンコード命令(ソースコー
ドから翻訳されたもの)が解読される(さもなくば評価
される)。この最初のステップに於いて、本発明では、
マシンコード命令が監視され、実行のために送出された
次のマシンコード命令を実行するためにはどの特定の機
能ユニットが必要であるかを判別する。送出される次の
マシンコード命令を実行するために機能ユニットが必要
とされる前の、事前に選択されたクロックサイクル量
(便宜上CCAと呼ぶ)が、次のマシンコード命令が送
出されるか実行される前に、次のマシンコード命令を調
べるために本発明で使用するタイムフレームとして使用
される。このCCAによって、本発明では、適切な論理
的ステップが取られ、機能ユニットを適時にオンするこ
とが可能となり、その結果、送出されたマシンコード命
令を順序通りに実行することができる。この第一ステッ
プまたはブロックは参照番号202で示されている。
本発明では、送出されたマシンコード命令を実行するた
めに機能ユニットが準備完了の状態になる、事前に選択
されたクロックサイクル期間(便宜上クロックパワーア
ップ、CKPWRUPと呼ぶ)の長さだけ前に、機能ユ
ニットからスイッチ抑制制御信号が取り除かれる。CK
PWRUPタイムフレーム中、スイッチング能力が供給
され、その結果、該当するマシンコード命令が機能ユニ
ットに送出された時にこの機能ユニットが完全に機能で
きる。従って、この第二ステップに於いては、本発明
で、該当する機能ユニットはマシンコード命令を実行す
るのに必要とされる充分前に起動され、その結果実行が
行なわれるべき時に機能ユニットが完全に動作可能であ
る。
ル量でも選択できる。本発明の好ましい実施例では、一
個の1/2クロックサイクルが使用される。換言するな
らば、送出されたマシンコード命令の実行のために機能
ユニットが必要とされる前、一個の1/2クロックサイ
クル内で、機能ユニットが起動される。従って、マシン
コード命令の実行のために必要とされる寸前まで機能ユ
ニットはオフ状態すなわち「待機」モードの状態(すな
わち、電力消費量ゼロの、「無」入力状態をいう)にあ
る。
いて、本発明では、事前に選択されたクロックサイクル
期間(便宜上クロックパワーオン CKPWRONと呼
ぶ)中、機能ユニットにスイッチング能力が継続的に供
給される。CKPWRONは送出されたマシンコード命
令の実行のために機能ユニットが要する時間(クロック
サイクル数)である。斯かるものとして、CKPWRO
Nには送出されたマシンコード命令を受け取るのに要す
るクロックサイクル、及び、このマシンコード命令の実
行を完了させるための機能ユニットの遅延時間に等しい
クロックサイクルが含まれている。
ブロックは参照番号208で示される。この第四ステッ
プに於いては、コンピュータ・プログラムのマシンコー
ド命令の実行である、要求されたタスクを機能ユニット
が完了した後、事前に選択されたクロックサイクル期間
(クロックパワーダウン、CKPWRDNと呼ぶ)の
後、スイッチング能力は機能ユニットに供給されない。
すなわち、機能ユニットは必要なタスクを実行した後、
オフにされる(停止される)のである。斯くして、機能
ユニットはその必要がなくなった後もオンすなわちアク
ティブであることはない。CKPWRDNの代表的な値
は一個の1/2クロックサイクルである。斯かる起動/
停止実施例は、メモリ、状態の保存、等を必要とする機
能ユニットに適切なものであるが、他の手法も充分に本
発明の範囲内である。
なる。VDDと各機能ユニットの間に接続される電源スイ
ッチを追加することによって、上記のCKPWRON制
御信号その他を使用して電源スイッチ(例えばFET)
を制御することにより、機能ユニットへの電源をオン/
オフにすることができる。この電源停止のケースに於い
てはある量のDC電力は電源スイッチを通して消費され
るが、機能ユニットが切り離されているので全体的な電
力節約が生じる。
として、マイクロエレクトロニック装置100が消費す
る電力の大幅な削減が達成される。この削減は、不要の
時には機能ユニットはオンでない、という事実に基づ
く。下記で詳細に説明される如く、CMOS技術が使用
される故、機能ユニットが状態を変化させる(すなわ
ち、スイッチの作動中)場合にのみ電力の消費が起こ
る。機能ユニットの状態変化が抑制されると該当する機
能ユニットは「オフ」であるので、その機能ユニットが
消費する電力は僅少である。斯くして、オフの機能ユニ
ットは電力を消費せず、従って電力消費の削減が達成さ
れる。
2およびそれに付随するマイクロエレクトロニック装置
100のパッケージング(図示せず)の発熱量も削減さ
れる。更に、電池が使用される場合、動作時間当たりに
必要とされる電池の大きさも縮小される。そして更に、
電力消費量の削減によって、電源バスの線幅も縮小でき
る。
本発明の代表的な動作例を図3を参照して説明する。図
3に、各トレースが横軸において同じタイムフレームを
持つ4個のトレースを示す。各トレースの縦軸は信号の
振幅、あるいは機能ユニットの状態、あるいは下記に説
明する、本発明に基づくオペレーションの状態、を示
す。最上トレース301は波形302を示し、この波形
はマイクロエレクトロニック装置100を構成する全て
の機能ユニット用のクロックであるシステムクロック1
04(図1)の出力である。二つのシステムクロックは
お互いに180度位相の差がある。
ットは浮動小数点ユニット(FPU)110である。下
記に実施例の部分で説明する如く、多くのコンピュータ
システムでFPU110は時間的に約10%だけしか使
用されないのである。従って、後により明らかになる如
く、FPU110に関しては、本発明は大幅な発熱及び
電力消費量の削減を達成するものである。
ペレーションの実行を示す。Aと印される第一の浮動小
数点オペレーションはボックス306で示される。ボッ
クス306は浮動小数点オペレーションAを実行するの
に必要なクロックサイクルの数を示すものである。同じ
く、ボックス318で示される浮動小数点オペレーショ
ンBも描かれその浮動小数点オペレーションを実行する
ために必要なクロックサイクルの数を示す。すなわち、
浮動小数点オペレーションAを実行するためには5と1
/2クロックサイクルが必要であり、浮動小数点オペレ
ーションBを実行するためには2クロックサイクルが必
要である。これらのタイムフレームは言うまでもなく単
に説明のためのものである。実際に於いては、浮動小数
点オペレーションの実行に何十のクロックサイクルを要
することもある。更に、各浮動小数点オペレーションの
間に数千のサイクルが経過することもある。しかしなが
ら、図3では紙面の都合上それを図形で表わすことはで
きない。従って、図示の目的上、浮動小数点オペレーシ
ョンA及びB間の間隔と、各オペレーションの長さは便
宜上縮小されている。
点オペレーションA及びBのそれぞれに対して行なわれ
る4つのステップを図示する。浮動小数点オペレーショ
ンAに対して、CCA期間は3個の1/2サイクルを要
するものとして表わされている。このCCA期間は参照
番号308で表わされている。浮動小数点オペレーショ
ンAのCKPWRUP期間は一個の1/2クロックサイ
クルで、時間ブロック310に示されている。浮動小数
点オペレーションAの実行に要する時間は時間ブロック
312で表わされるCKPWRON期間に相当する。最
後に、CKPWRDN期間は1/2クロックサイクルで
あり、これは時間ブロック314で表わされている。
PU110の実際のオペレーションは、本発明に基づい
て次のように制御される。すなわち、トレース303の
参照番号304で示されるクロックサイクルの期間に、
システムクロック302をFPU110のクロック入力
へ供給することにより制御される。トレース303で明
らかな如く、FPUクロック入力で供給されるシステム
クロックは、浮動小数点オペレーションAの実行の開始
より1/2クロックサイクル前に供給され、浮動小数点
オペレーションAの完了後1/2クロックサイクルの期
間オン状態を継続する。
じような例が示されている。ここでもトレース307を
参照して説明するならば、CCA期間は時間ブロック3
20で示され、説明の便宜上この期間は3個の1/2サ
イクルを要するものとする。CKPWRUP時間ブロッ
ク322は1/2クロックサイクルであり、CKPWR
ON時間ブロック324は2クロックサイクルである。
この2クロックサイクルは浮動小数点オペレーションB
を実行するためにFPU110が要する時間である。最
後に、CKPWRDN時間ブロック326は1/2クロ
ックサイクルである。
る省電効果を図3に示す。すなわち、トレース303を
参照して言うならば、FPUクロック入力に対して適用
されるクロック信号が存在する時のみ、FPU110の
状態は変化できる。換言すれば、この例のFPU110
は期間304及び期間316に於いてのみ動作するもの
で、それ以外の時間帯では動作しない。斯くして、本発
明に基づいて如何に省電効果が起こるかが明らかであ
る。
00の全ての機能ユニットは本発明によって同様に制御
されており、その結果最新のマシンコード命令の実行に
必要な機能ユニットだけがスイッチオンされる。他の全
ての不要な機能ユニットはオフにされ、斯くして、本発
明によれば大幅な省電効果が達成されるのである。
用牲を持つものである。その理由は、CMOS回路はそ
の状態が変化する時のみ電力を消貴するからである。す
なわち、スイッチングが行なわれる時のみ電力の消費が
起こる。過渡あるいは交流(AC)ドメインの観点から
は、一つのノードをスイッチするために消費される電力
はCV2 に比例する。ただし、Cはスイッチされるノー
ドの容量(farad)であり、VはレールVSSからレ
ールVDDの電圧である。定常あるいは直流(DC)の観
点からは、消費される電力は、製造プロセス変数および
入力回転率(slew rate)に左右されるが、5
−15%となる。
ば、後者に於いては、デバイスのベースを通しての
「低」入力抵抗と、使用される電流制御機構のために、
パイポーラ回路の電力消費はオフにし得ない。これと対
照的に、CMOS(そして一般的にMOSデバイス)は
ゲートオキサイドの電気的絶縁特性のため、ゲート電極
で高入力インピーダンスを持っ。
も同様に比較せねばならない。パイポーラトランジスタ
はスイッチングが行なわれているか否かに関わらず電力
を消費する。すなわち、スイッチングが全く行なわれて
いない状態でも回路中を電流が流れている。これが、C
MOSの低電力消費と電荷のスケールダウン(例えば携
帯用コンピュータの電池)が可能であるためにCMOS
技術が集積回路で優位性を認められる理由である。
るものであるが、BiCMOS、NMOS、MESFE
T、I2 L、GaAs回路にも同様に適用し得るもので
ある。本発明は、機能ユニットの状態を変化させるべき
か否かを制御するための如何なる適切な手法も考慮の対
象とするものである。状態変化の制御によって機能ユニ
ットがオン/オフされ、本発明に従って所望の省電効果
が達成されるのである。
能ユニットの状態を制御するための代表的な手法が示さ
れている。この手法では、該当する機能ユニットへのシ
ステムクロック信号302の供給が制御される。機能ユ
ニットは本発明がシステムクロック信号302を供給す
る時のみ電力を消費する。図4を参照するならば、本発
明の論理ユニット116は、下記で説明する適切な手法
のどれかに従って、パス402を通してのマシンコード
命令の送出を(例えば、解読により)評価する。パス4
02によって供給される情報によって論理ユニット11
6は、本発明に従って種々の機能ユニットを何時オンに
し、何時オフにするべきかを知ることができる。
ク信号302を論理ユニット116に供給する。説明の
便宜上、#1、#2、#3、#4と印された4個の機能
ユニットが図示されている。参照番号406は機能ユニ
ット1に対応し、参照番号410は機能ユニット2に対
応し、参照番号414は機能ユニット3に対応し、参照
番号418は機能ユニット4に対応する。各機能ユニッ
ト406、410、414、及び418にはそれぞれ対
応するクロック入力線404、408、412、及び4
16が存在する。
16はオンにされる機能ユニットの適切なクロック入力
線上のシステムクロック信号302を供給する。その機
能ユニットがオフにされる可き時、論理ユニット116
はシステムクロック302の供給を停止する。クロック
信号なしには機能ユニットは状態を変化し得ないので、
クロック信号302を受けない機能ユニットは電力を消
費しない。斯くして、クロック信号302をオン/オフ
することによって機能ユニットをオン/オフすることが
できるのである。
オフにさせる手法を示す。図5を参照するならば、この
実施例では機能ユニット406、410、414、及び
418はこれらの機能ユニットの入力の状態変化を制御
することによってオン/オフされる。オフである機能ユ
ニットの入力の状態を変化させないことにより、この手
法は斯かる機能ユニットを効果的にオフにさせるのであ
る。オンである機能ユニットの入力のみがその状態を変
化し得る。
す。入力がスイッチしないようにする手法の一つは、公
知のゲートラッチデバイス(例えば、ラッチ504、5
10、516、及び522)を使用して、先行する入力
(502で示す)をラッチして保持することである。ラ
ッチ504、510、516、及び522は制御ライン
508、514、520、及び526を通してラッチさ
れた入力をパスするように制御されている。当業者に明
らかな如く、制御ライン508、514、520、及び
526は信号402に基づいて論理ユニット116によ
って生成できるものである。その他の方法として、入力
を制御信号と論理的にANDすることによって、入力を
高インピーダンス値に強制することができる。他にも、
様々な機能的に同等な手法が当業者に明らかであろう。
ト410、機能ユニット414、及び機能ユニット41
8に適用可能である。従って、それらの説明は不要の
故、省略する。本発明では、論理ユニット116によっ
て機能ユニットをオン/オフにする他の手法も考慮の対
象となる。図4及び5の実施例はあくまでも説明のため
のものである。本発明では、論理ユニット116によっ
て使用される線402上の監視情報を得るための幾つか
の手法を利用して、マシンコード命令の実行中各機能ユ
ニットをいつオン/オフにするのかを判別することがで
きる。
2で示される、ソースコードの形のコンピュータプログ
ラムがコンパイラ604に供給され、ソースコード60
2がマシンコード命令に翻訳される。コンパイラ604
はソースコードの翻訳後、マシンコード命令を生成す
る。説明の目的で、6個のマシンコード命令606、6
10、614、618、622、及び626が示されて
いる。各マシンコード命令606、610、614、6
18、622、及び626には、対応する機能ユニット
データブロック(FUD)608、612、616、6
20、624、及び628があり、この機能ユニットデ
ータブロック608、612、616、620、62
4、及び628にはパス402を通して論理ユニット1
16に供給される監視情報が含まれている。一つのマシ
ンコード命令に対応する機能ユニットデータブロックは
斯くして、本発明に従って論理ユニット116がマイク
ロエレクトロニック装置100を作動し得るようにさし
めるのである。
実施例を示す。ここでは、本発明の典型的な応用である
限定命令セット計算機(RISC)スーパースカラマイ
クロプロセッサの実際のオペレーションは次のように監
視情報を線402で供給する。ソースコード・コンピュ
ータプログラム602がコンパイラ702に供給され、
コンパイラ702はマシンコード命令704を生成す
る。マシンコード命令は最初に命令解読ユニット(ID
U)706に供給される。IDU706からのデコード
された命令は命令実行ユニット(IEU)708に供給
される。
6及びIEU708は解読された情報402を図示のよ
うに供給する。この解読された情報はデータ依存性情
報、命令送出情報、等の形をとることができる。この情
報は命令スケジューリング論理から取得可能である。命
令スケジューリング論理の一例は「スーパースカラRI
SC命令スケジューリング」、出願番号07/860.
719号(代理人整理番号SPO35)という題名の同
一承継人の出願に係る同時係属中の特許出願に説明され
ている。
大化するようにマシンコード命令を順序付ける最適化コ
ンパイラ802を使用するところの本発明の一実施例を
示す。この省電効果はソースコードから得られたマシン
コード命令の順序を変えることによって達成される。こ
の順序変えは、コンピュータプログラム602を実行す
るに当たりマイクロエレクトロニック装置100による
電力消費の削減を最適化するようになされる。
図である。図示せる如く、最適化コンパイラ802は順
序が変更されたマシンコード命令の形で出力を生成す
る。説明の便宜上、順序変更の概念を示すために、図6
に於ける機能ユニットと対応するマシンコード命令と同
じマシンコード命令が使用されている。マシンコード命
令606、610、614、618、622、及び62
6と、対応するFUD608、612、616、62
0、624、及び628が並べ変えられることは明らか
である。この例の目的は、電力消費の削減という点で、
順序変更が最適化を達成することを示すことである。
能ユニットに対して送出される。機能ユニットは図8に
示されるオペレーションに従って論理ユニット116に
よって制御される。最適化コンパイラ802が、マシン
コード命令1の後、幾つかのサイクル分、一個または複
数の機能ブロックが使用されていないと判別すると、最
適化コンパイラ802は無効化あるいはパワーダウン信
号をそれらの機能ブロックに送り、一つあるいは複数の
ブロックが将来必要になるまでクロックを止めるか、入
力をブロックするか、電源を止めるか、を行なうことが
できる。
に、次に実施例のマイクロエレクトロニック装置100
を示す。これは単に説明の目的で示すものであるが、本
発明が如何にして大幅な省電効果をもたらすかを示すも
のである。本発明で達成可能な省電効果の代表的な値の
範囲を示すために、図9のフロアープランを有する機能
ユニットを持つマイクロエレクトロニック装置100が
使用される。この実施例では、7Wのチップに於いて代
表的な利用度と省電効果を表1に示す。全体的なパワー
ダウン省電効果は46%である(2.3/5)。
一承継人の出願に係る、同時係属中の特許出願である
「ハードウェア・エミュレーション・アクセレレータ及
び方法」、出願番号07/831,272号(代理人整
理番号SPO46)で公開された高度に構造化された機
能ユニット/モジュールにも容易に適用できる。この同
時係属中の特許出願の開示はここに参照することによっ
て含まれているものとする。
トップコンピュータの最適化手法〕上述の如く、本発明
は大幅な省電効果をもたらすものである。これはユーザ
にとっては重量が非常に重要な評価項目であるラップト
ップ及びパームトップコンピュータに大きな影響を及ぼ
すものである。重量が0.25kgでも軽いと、ユーザ
は重いコンピュータよりもこの軽いコンピュータを選ぶ
ことが珍しくない。大幅な重量の削減という点でバッテ
リ技術において進歩が見られるが、省電は一定の電池お
よび充電量に於いてより長い寿命を意味することから、
電力消費量の削減は如何なる削減でも非常に重要であ
る。
ブロック図である。図示せる如く、ラップトップまたは
パームトップコンピュータを操作するに当たり、ユーザ
は長い電池寿命の選択肢を選ぶことができる。これは1
001で示されている。この選択肢が選ばれると、本発
明では参照番号1004で示される最適化スキームが使
用される。このスキームはマイクロエレクトロニック装
置の電力消費量を最少にする役割を果す。これは、マシ
ンコード命令の順序を変える、特定の機能ユニットを他
の機能ユニットと別個のものとして作動させる、等、様
々な形をとることができる。
ップコンピュータが通常の電源から離れた所で長時間操
作されるような場合、すなわち、完全に電池で駆動され
る場合、特に有効である。ユーザはこの場合、ラップト
ップまたはパームトップコンピュータの操作時間を最大
限に伸ばしたいが、この最適化手法によってこれが達成
し得るのである。
れらはあくまで説明の目的であって、もとより本発明を
限定するものではない。従って、本発明の範囲は上記の
どの実施例によっても限定されるものではなく、下記の
特許の請求範囲及びそれと同等のもののみに基づいて定
義されるべきである。
されたマイクロエレクトロニック装置100の代表的な
機能ユニットを示すフロアープランの高レベルブロック
図である。
示す高レベルフローチャートである。
ーションを示す4つのトレースをグラフしたものであ
る。
を使用しての、機能ユニットをオン/オフにする本発明
の実施例を示すブロック図である。
によって機能ユニットをオン/オフにする本発明の実施
例を示すブロック図である。
情報402がコンパイラによって生成される、本発明の
実施例を示すブロック図である。
マシンコード命令によってオペレーションを行なう命令
実行ユニットによって生成される、本発明の実施例を示
すブロック図である。
めにマシンコード命令を並び替えるために使用される最
適化コンパイラの、本発明の実施例を示すブロック図で
ある。
エレクトロニック装置100を示すフロアープランの高
レベルブロック図である。
トップ・コンピュータへ適用された電力最適化スキーム
を示すブロック図である。
イ、104…システムクロック、106…中央処理装置
(CPU)、108…キャッシュ制御ユニット(CC
U)、110…浮動小数点ユニット(FPU)、112
…整数ユニット(INT)、114…メモリ制御ユニッ
ト(MCU)、116…論理ユニット
Claims (8)
- 【請求項1】 マイクロエレクトロニック装置内での電
力消費と発熱の少なくとも一方を低減させるための装置
であって、前記マイクロエレクトロニック装置が、クロ
ック部によって供給されるクロック信号によって制御さ
れる少なくとも2つの機能ユニットを有し、前記装置
が、 (a) ソースコードをマシンコード命令にコンパイル
するためのコンパイラにより生成される前記マシンコー
ド命令を、電力消費を最少限に抑えるよう再配列するた
めの最適化手段と、 (b) 前記コンパイラによる翻訳結果に応じて、前記
マシンコード命令の実行に関連した演算を行うために、
機能ユニットのそれぞれを用いる必要性を、所定のサイ
クルにもとづいて決定するための検討手段と、 (c) 機能ユニットとクロック部に連結され、前記検
討手段に応じて、前記所定サイクルにもとづいたクロッ
ク信号が前記マシンコード命令の実行に関連ある演算を
行うために必要のあるそれぞれの機能ユニットに供給さ
れるようにクロック信号の供給を制御する論理手段とを
含み、 マイクロエレクトロニック装置の電力消費と発熱の少な
くとも一方についての条件が、そこに含まれた機能ユニ
ットへのクロック信号の供給を制御することによって低
減されることを特徴とする装置。 - 【請求項2】 前記各マシンコード命令が、前記少なく
とも2つの機能ユニットのうちのどれが実行のために必
要であるかを示すデータブロックを有することを特徴と
する請求項1に記載の装置。 - 【請求項3】 電力消費と発熱の条件を低減するため
の、マイクロエレクトロニック装置であって、前記装置
が、 (a) システムクロック信号を供給するためのクロッ
ク手段と、 (b) ソースコードをマシンコード命令にコンパイル
するためのコンパイラにより生成される前記マシンコー
ド命令を、電力消費を最少限に抑えるよう再配列するた
めの最適化手段と、 (c) 前記マシンコード命令の第1グループを実行す
るための第1機能ユニットと、 (d) 前記マシンコード命令の第2グループを実行す
るための第2機能ユニットとを含み、 前記第1機能ユニットが前記マシンコード命令の前記第
1グループを実行しているときと一致する時期に、前記
システムクロック信号を前記第1機能ユニットに供給
し、前記第2機能ユニットが前記マシンコード命令の前
記第2グループを実行しているときと一致する第2時期
に、前記システムクロック信号を前記第2機能ユニット
に供給するための論理手段を含むことを特徴とする装
置。 - 【請求項4】 各マシンコード命令が、前記第1機能ユ
ニットまたは前記第2機能ユニットのうちのどれが実行
のために必要であるかを示すデータブロックを有し、前
記論理手段が前記データブロックを評価するよう構成さ
れていることを特徴とする請求項3に記載の装置。 - 【請求項5】 マイクロエレクトロニック装置の少なく
とも2つの機能ユニットのそれぞれへの、システムクロ
ック信号の供給を制御するための装置であって、前記装
置がマシンコード命令のストリームに対応し、 (a) ソースコードのストリームをマシンコード命令
のストリームにコンパイルするためのコンパイラにより
生成されるマシンコード命令のストリームを、電力消費
を最少限に抑えるために再配列するための最適化手段
と、 (b) 機能ユニットのうちのどれが前記マシンコード
命令を実行するかを調べるために、所定数のシステムク
ロックサイクルだけ前記マシンコード命令の実行の前
に、前記マシンコード命令のストリームの中でマシンコ
ード命令を調べるための検討手段と、 (c) 前記検討手段に連結され、所定数のクロックサ
イクル前記実行の前に、前記マシンコード命令を実行す
る機能ユニットに前記システムクロックを供給するため
の第1論理手段と、 (d) 前記検討手段と前記論理手段に連結され、実行
に必要なだけの長さの期間に、前記マシンコード命令を
実行する機能ユニットに前記システムクロックを供給
し、前記マイクロエレクトロニック装置の電力消費を低
減するような第2論理手段とを含むことを特徴とする装
置。 - 【請求項6】 各マシンコード命令のストリームの中の
各マシンコード命令が、少なくとも2つの機能ユニット
のうちのどれが実行のために必要であるかを示すデータ
ブロックを有することを特徴とする請求項5に記載の装
置。 - 【請求項7】 ラップトップ型コンピュータ装置内で作
動する電池の寿命を延ばすための装置であって、前記ラ
ップトップ型コンピュータ装置がクロック部によって供
給されるクロック信号により制御される少なくとも2つ
の機能ユニットを含み、前記装置が、 (a) ユーザが電池の節電モードを選べるようなイン
タフェース手段と、 (b) 前記インタフェース手段に応じて、ラップトッ
プ型コンピュータの電力消費を低減するための電力節減
手段とを含み、 (1) ソースコードをマシンコード命令にコンパイル
するためのコンパイラにより生成されるマシンコード命
令を、電力消費を低減するために再配列するための最適
化手段と、 (2) 前記コンパイラによる翻訳結果に応じて、前記
マシンコード命令の実行に関連した演算を行うために各
機能ユニットを用いる必要性を、所定のサイクルにもと
づいて決定するための検討手段と、 (3) 機能ユニットおよびクロック部に連結され、前
記検討手段に応じて、前記マシンコード命令の実行に関
連した演算を行うために各機能ユニットにクロック信号
を供給するための論理手段とを含み、 前記少なくとも2つの機能ユニットのクロック信号の供
給を制御することによって前記ラップトップ型コンピュ
ータ装置の電力消費を低減することを特徴とする装置。 - 【請求項8】 前記各マシンコード命令が、少なくとも
2つの機能ユニットのうちのどれが実行のために必要で
あるかを示すデータブロックを有することを特徴とする
請求項7に記載の装置。
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