JP3972995B2 - 半導体集積回路 - Google Patents
半導体集積回路 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3972995B2 JP3972995B2 JP52828596A JP52828596A JP3972995B2 JP 3972995 B2 JP3972995 B2 JP 3972995B2 JP 52828596 A JP52828596 A JP 52828596A JP 52828596 A JP52828596 A JP 52828596A JP 3972995 B2 JP3972995 B2 JP 3972995B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- data
- circuit
- signal line
- mosfet
- potential
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C15/00—Digital stores in which information comprising one or more characteristic parts is written into the store and in which information is read-out by searching for one or more of these characteristic parts, i.e. associative or content-addressed stores
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
- G11C11/56—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using storage elements with more than two stable states represented by steps, e.g. of voltage, current, phase, frequency
- G11C11/5621—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using storage elements with more than two stable states represented by steps, e.g. of voltage, current, phase, frequency using charge storage in a floating gate
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C15/00—Digital stores in which information comprising one or more characteristic parts is written into the store and in which information is read-out by searching for one or more of these characteristic parts, i.e. associative or content-addressed stores
- G11C15/04—Digital stores in which information comprising one or more characteristic parts is written into the store and in which information is read-out by searching for one or more of these characteristic parts, i.e. associative or content-addressed stores using semiconductor elements
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Memory System Of A Hierarchy Structure (AREA)
- Static Random-Access Memory (AREA)
Description
本発明は半導体集積回路に関し、詳しくは、マイクロプロセッサLSIに搭載される連想メモリを用いたテーブル・ルック・アサイド・バッファ(Table Look aside Buffer)の高速化、低消費電力化回路に関する。
背景技術
計算機システムには、高速動作をおこなうために中央処理装置と主メモリとの間に主メモリ内のプログラムやデータの一部を格納して、高速バッファメモリとして機能するキャッシュメモリが設けられている。
また、最近の中央処理装置のアドレスは仮想アドレスが用いられるために、キャッシュメモリや主メモリの実アドレスとの間でアドレスの変換が必要となる。このための変換テーブルはアドレス空間が大きくなるとともに大きくなるので、通常、テーブルは階層化されている。階層化されたテーブルを参照して実アドレスを引き出すには時間がかかるために、テーブル・ルック・アサイド・バッファTLB(Table Look aside Buffer)と呼ばれる連想機能をもったテーブルが階層化されたテーブルと並列に設けられて高速に実アドレスを引き出している。
このように、TLBには高速にアドレス変換をおこなうこととともに、小さい規模の回路によって高い確率でアドレス変換を行うことが求められる。
TLBにはフルアソシアティブ方式、セットアソシアティブ方式と呼ばれる2方式の連想方式が用いられている。前者の方式は入力アドレスとTLB内の記憶データすべてとの一致/不一致を調べ、一致した記憶データが存在するとその存在をしめす信号および記憶しているデータを出力する方式である。
後者のセットアソシアティブ方式は一致の見込まれる候補を選び、それらの候補のアドレスについて一致/不一致を調べ、一致したデータが存在すればその存在を示す信号および一致したアドレスに対応する実アドレスを出力する方式である。
このように、フルアソシアティブ方式では全てのデータを比較するので比較回路数が多くなること、これに伴って回路の面積が増えること、回路面積の増加を抑制するために比較回路は簡単で、面積の増加の小さい回路が用いられる。このため、データの比較に要する時間は長くなり、また、比較回路数が多い分だけ消費電力も大きくなる欠点がある。しかし、記憶データすべてにわたって比較するのでデータの一致確率は高くなる。
セットアソシアティブ方式のTLBでは比較するデータの候補を選んだのちにそれらの候補について一致/不一致を調べるので比較回路は2−4組と少ない。このため、複雑ではあるが高速動作をする回路を比較回路に用いることができるので、一致検出が高速に行える特徴がある。しかし、候補を選ぶといった制限によってデータの一致の確率は低下するので、フルアソシアティブ方式のTLBにくらべてTLBの記憶回路の規模を4倍程度に増やさないと同等の一致の確率が得られず、この回路規模拡大によって動作回路数が増えて、消費電力も増加すること、回路面積も増加すること等の課題がある。
なお、フルアソシアティブ方式の一致検出回路は検索データと記憶データとの比較を行なうための、各メモリセルごとに個別的に一致検出回路を備えている例が特開昭59−231789に示されている。また、この方式の一致検出回路を高速化した例としてIEEE Jounal of Solid State Circuits Vol.28 No.11 pp.1078−1083がある。この報告では、高速検出のために、一致検出信号線のほかに、参照信号線を一致検出信号線に並行して設け、かつ、電流供給線をも並行して設けて、一致検出のMOSFETで差動型のNOR回路を構成している。この方式は高速動作をするが配線数が3本必要であることなど面積的な制約がある。
また、セットアソシアティブ方式のTLBには、メモリセルのデータを読みだすためのセンス回路を用いて検索データとの比較を行なう回路を備えたものが特開昭60−117495に記載されている。
発明の開示
本発明の目的は、高速で低消費電力のデータ一致検出技術を提供することにある。
上記従来技術における課題は、高速化、低消費電力化、回路面積の削減である。フルアソシアティブ方式のTLBの動作速度と消費電力とをセットアソシアティブ方式のTLBと同等以上にできれば、より小さい規模(集積度)のTLBでより高い一致確率のTLBを得ることができる。
まず第1の課題、連想メモリのデータ一致検出を高速に行なうため、一致信号線電位と比較される参照電位を発生させた。この参照電位を用いて差動増幅回路で一致を検出することで高速化が達成された。また、この参照電位を用いてスタティック動作の差動増幅回路で一致検出をすることで小さい電圧の変化を検出でき、かつ、タイミング調整のマージンが省かれて高速化が達成された。
第2の課題である一致検出回路の低消費電力化は一致信号線と参照信号線の電位をあらかじめMOSFETのしきい電圧以下に保持し、一致信号線の電位のみを高く引き上げることで検出器を動作させ、不一致の一致信号線および参照信号線の電位は同MOSFETに電流をほとんど流さない電位にとどめること、および、差動検出回路を信号の検出に必要な期間のみ動作させることで実現した。また、入力アドレスに対して1ないし4組の高速比較回路を別途設け、1〜4組までの過去のデータに一致したアドレスは対応するデータを記憶した記憶回路から出力させ、本体のTLBを動作させることなくアドレスを出力する構成として、高速化と低消費電力化とを実現している。また、入力アドレスの3〜5ビットについて前置比較器で一致をしらべ、一致したアドレスに対応する比較器のみに電力を供給する構成を採用した。これにより比較回路の動作数は1/8以下になり、消費電力は1/5以下に減少できた。
上記発明の回路は、連想メモリの一致検出に差動増幅回路を用いることで高速化し、一致検出回路をパルス的に動作させること、1〜4組の前置比較回路を設け、その比較結果に基づき一致したアドレスに対応する一致検出器のみに電力を供給することで時間的に、また、空間的に電力を集中的に供給することで高速動作を損なうことなく低消費電力化を達成した。
本発明の回路は、連想メモリの一致信号検出信号線に所定の電流を供給して、同信号線の電位の変化を調べてデータの一致/不一致を検出することで検出回路の動作を高速化し、また、回路を簡単化した。また、一致検出信号線の電位変化をより高速に調べるために、参照信号線を設け、両信号線間の電位差を差動増幅回路によっておこない、一層の高速化を達成した。また、一致検出回路をパルス的に動作させること、1〜4組の前置比較回路を設け、その比較結果に基づき一致したアドレスに対応する一致検出回路にのみ電力を供給することで時間的に、また、空間的に電力を集中的に供給し高速動作を損なうことなく低消費電力化を達成した。
【図面の簡単な説明】
図1は、本発明のTLB回路構成をしめすブロック図。
図2は、本発明による前置比較回路の構成を示す回路図。
図3は、本発明による出力データ記憶回路の構成を示す回路図。
図4は、本発明によるCAM部の回路構成を示す回路図。
図5は、本発明による出力データ記憶回路及びセレクタの構成を示す回路図。
図6A、図6Bは、本発明の半導体装置を製造するに最適なMOSFETの構造を示す図。
図7A〜図7Eは、本発明の半導体装置の製造工程を示す図。
図8は、本発明によるバイポーラトランジスタを組み込んだメモリセルの構成を示す図。
図9は、本発明によるMOSFETを組み込んだメモリセルの構成を示す図。
図10は、本発明による信号発生回路とセンスアンプ回路を示す図。
図11は、本発明の実施例をしめす回路図である。
図12は、本発明の実施例をしめす回路図である。
図13は、本発明の実施例をしめす回路図である。
図14は、他の発明から引用した回路図である。
図15は、本発明の他のTLB回路構成をしめすブロック図である。
図16は、本発明のキャッシュメモリの回路構成をしめすブロック図である。
図17は、本発明のキャッシュメモリのデータ読み出し、書き込み処理の流れをしめす図である。
図18は、本発明のキャッシュメモリのデータRAM部の回路図である。
図19は、本発明の実施例であるMPUのブロック図である。
図20は、本発明の一致検出回路の1例を示す図である。
図21は、本発明の一致検出回路の電圧波形の一例を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
本発明の実施例を、図面にもとずいて説明する。
図1は本発明の一致検出回路を用いたTLBの構成例を示す。アドレス入力は仮想アドレス(以下VAと書く)であって、前置比較回路とCAM部1、CAM部2に導かれる。前置比較回路で一致が検出されるとHit信号を発生し、出力データを記憶している出力データ記憶回路から出力される。図には示していないがHit信号が発生されると比較回路への電力供給はおこなわれない回路が設けられる。
前置比較回路で不一致が確認されると比較回路への電力供給が行われ、CAM部1、CAM部2で一致が確認されるとデータRAM部のデータがセンス回路、出力回路を経て出力される。詳細は図4を用いて後述するが、ここで、CAM部2の働きを説明する。CAM部2はアドレス入力の内の3ビット程度の信号が比較回路に導かれ高速に一致/不一致が調べられる。その結果にもとづき比較回路に電力を供給する。このようにすると、全くランダムなアドレス入力に対しては比較回路の1/8に電力を供給するのみでよい。すなわち、比較回路の消費電力は1/8に削減される。大幅に削減された電力の一部は比較回路に分配して高速化を図ることが可能となる。また、前置比較回路で一致が検出されるとあらかじめ保存されたデータを読みだす処理のみでよいので高速にデータが出力される特徴もある。
図2に上記の前置比較回路の回路図の1例を示す。
21はVAの内の1ビットを示している。22はインバータで21の相補信号を発生している。23は比較回路を内蔵したメモリセルである。24はワード線で21に送られたデータをメモリセル23に記憶させる作用をする。ここで、ワード線を選択したり、駆動する回路は省略しているが、これらの回路は広く用いられている回路構成であるので説明は不要と考える。
以上説明した回路はVAの1ビット分で、比較するVAのビット数に応じて並列して設けられる。25は一致検出信号線で、N型MOSFET26は入力VAとメモリセルのデータが一致したときにOFFとなるように設計される。信号線25は入力VAのすべてに並列に接続されており、VA全ての入力データと記憶データとが一致したときのみ信号線25は接地端子から遮断される。27、28は比較回路に電力を供給するための信号線で、27は正の電源電位に、28は接地電位に保持される。信号の比較を必要としない期間は電力供給を停止することもできる。
P型MOSFET31,32からは、データが不一致のときにMOSFET26に流れる電流と略等しい電流が供給され、ダイオード接続されたN型MOSFET37を経て一致検出信号線25に電流が供給される。N型MOSFET33は遮断しているので信号線25の電位は上昇する。P型MOSFET32より供給された電流はダイオード接続されたMOSFET38を経てN型MOSFET35に供給される。MOSFET35には比較回路のMOSFET(たとえば、MOSFET26)と同じ或いは略同じ形状のMOSFETが用いられ、ゲート39にはデータが不一致のときにMOSFET26のゲートに加わる電位と等しい或いは略等しい電位が与えられる。このような電位を発生するには比較回路と同じ回路を別途設けてデータを不一致の状態に設計しておく、いわゆる、ダミー回路を用いる方式が簡便で、かつ、正確な電位の設定に適している。
この状態で端子37,38の電位の変化を説明する。信号線25のデータは不一致であると不一致の個数だけ比較回路のMOSFETが導通するので、最も高い電位に信号線25がなるのは1個の比較回路のMOSFETのみが不一致のときである。このときには端子37と38はほぼ同電位となる。このため差動回路の左右の回路に流れる電流はほぼ等しい。ここで、差動回路の負荷であるP型MOSFET41,42の寸法に差を与えて等しい電流が流れたときには差動回路の出力が高電位となるように設計する。すなわち、不一致の時にはインバータ43のドライバを経て出力される信号44は接地電位となる。
この状態で入力のVA21が変化しメモリセル23の記憶データと一致したとすると信号線25のデータはさらに上昇をはじめ端子38の電位より端子37の電位が高くなってP型MOSFETの寸法の差を打ち消すと出力端子44の電位は上昇をはじめ、これによってデータの一致が検出される。この後、再度入力データが不一致となったときも、動作は容易に理解できるので説明を省略する。
以上は配線27,28の電位を一定のときに説明したが、以下には、初期状態として27の電位が接地電位、28の電位が正電源の電位であり、その後、27の電位が正電源の電位に、28の電位が接地電位に変化するときの動作を説明する。
この初期条件ではMOSFET33,34は導通し、MOSFET31,32は非導通であるので端子37,38の電位はダイオード接続したMOSFET37,38のしきい電圧だけ接地電位より高い電位にある。27,28の電位が切り替わり27が高電位、28が接地電位となると端子37,38の電位は上昇をはじめるが、比較回路すべてが一致したときには、端子37の上昇が端子38の上昇より急速であり、差動回路の出力はその直後から比較結果が検出される。すなわち、初期状態を設定できれば、端子37,38の電位があらじめ等しくなっているので、その分だけ一致/不一致の検出が高速化される。このように、初期状態を設定して高速動作を行う回路では、回路ノード30にも信号線25に付いている静電容量と略等しい静電容量を付加しておき直流的にも、また、交流的にも一致検出信号線25と参照信号線30とは略等しい特性を有するように設計しておくことが必要である。すなわち、端子30に検出信号線のもつ寄生容量に等しい容量36を付けておく。
以上は破線で囲んだ45の回路について説明したが、TLBでは45の回路が64ないし128組並列に設けられ、入力のVAと比較され、一致した組のデータRAM部の記憶データ(図1参照)が出力される。
以上のように、本実施例によれば、複数ある一致検出線の中で、ビットした一致検出線の電位の変化が最も大きくなるよう構成しているため、電位もしくはその変化がある値を越えると一致したという判定が可能となり、これによりスタティック回路を用いることが可能となり、また、分割ビット検出が容易に可能となる。また、リファレンス信号を発生させて差動増幅器で一致検出を行うことにより、より高速な一致/不一致の検出が可能となる。
図3は図1の出力データ記憶回路の一実施例を示す回路図である。まず、データの1ビット分の回路(破線で囲んだ部分の回路50)について説明する。
記憶する出力データは信号線51,52から書き込み制御および負荷回路57を経てメモリセル55もしくは58に書き込まれる。図1に示した前置比較器で一致が検出されるとその結果にもとづきワード線56,59のいづれかが高電位に持ち上げられてメモリセルの記憶データがセンス回路(ここでは簡単なインバータ60で表示している)を経て端子61に出力される。破線で囲んだ回路50は出力データのビット数だけ並列に設けられる。ここでは、出力データが2組の構成について説明したが、拡張はこれらのメモリセルを並列に配置することで容易におこなえる。現実には4組程度が適当である。
図4には図1にしめしたCAM部1およびCAM部2の一実施例の回路図をしめす。右端の破線で囲んだ回路70は図2にしめした回路20とよく似た動作をする回路である。すなわち、入力VAが端子81に供給されるとインバータ82によって相補信号が発生され、メモリセル83に記憶されているデータと比較される。このとき、比較回路からはデータが一致したときには端子84の電位が高電位となるように設定される。70と同等の回路が3組並列に設けられて端子85,86に同様の信号を送出する。この3組の信号を3入力NAND87に導くと、3組の比較回路の結果がすべて一致したときのみNAND回路の出力は接地電位となる。
この信号を定電流を供給するP型MOSFET31,32に供給し、また、この信号をインバータと反転させてMOSFET89に供給すると、CAM部2のデータが一致したときのみ、P型MOSFET31,32から定電流が流れて電力が供給され、CAM部2が不一致の時には電力が消費されない回路となる。すなわち、比較回路を分割して比較結果を高速に発生させ、この結果にもとづいて比較回路を動作させることで高速で、かつ、消費電力の小さいTLB回路を構成することができる。
図5には図1にしめした出力データ記憶回路及びセレクタの他の実施例をしめす。この実施例では図1にしめすセンス回路、出力回路およびセレクタ回路を含んでいる。回路90と101とは同じ回路で、これによって2組の出力データを記憶できる。91,92は図1のデータRAM部においてメモリセルのデータを取り出すデータ線をしめしている。CAM部1,2の結果にもとづき記憶データが読みだされるとデータ線対91,92間に数100mVの電位差をもつ信号を発生する。この信号を端子96,99の電位を高電位とすることで差動増幅器93を動作させ、さらにインバータ94によって増幅し、ラッチ回路95にデータを格納するとともに差動回路97によって差動電流信号として出力される。このとき、回路101内の端子98,100の電位が接地電位であれば回路101のデータは回路90の出力に影響しない。この構成にすると、出力回路にラッチ回路95と差動回路97を付加するのみで出力データ記憶回路、センス回路、出力回路、セレクタ回路を構成できる。端子99,100は前置比較回路の結果を受けて高電位となる端子で、端子96,98は前置比較回路の結果が不一致のときに新たに出力データ記憶回路にデータRAM部の記憶データを書き込むための制御端子である。
データRAM部は広く用いられているメモリ回路であるので説明を省略する。
以上はTLB回路について説明したが、本発明の一致検出回路はキャッシュメモリや広く一般の連想メモリ(CAM)の回路として用いることができる。
以上、CAM回路の構成と回路図を説明したが、次のような構成や回路の適用も可能である。
比較回路を内蔵するメモリセルにはJ.of Solid State Circuits Vol.20 pp.951−957(1985)に記載されている10個のMOSFETを用いるメモリセル、特開昭63−308796に記載されているPMOSとNMOSとで構成する回路を用いたメモリセル、J.of Solid State Circuits Vol.5 pp.208−215(1990)に記載されているダイオード接続したMOSFETを用いる9個のMOSFETを用いるメモリセル、等を用いてもよい。また、ダイオード接続したMOSFETの代わりにpn接合型やショットキー障壁型のダイオードを用いること、また、基板をコレクタに用いたバイポーラトランジスタを用いることもできる。
メモリセル面積を低減する回路としては図8(バイポーラトランジスタを組み込んだメモリセルの例)に示す検出信号線81にエミッタを接続し、コレクタをPMOSの基板と、また、ベースをPMOSのドレインと共用した回路が最も面積が小さくなった。これは複合化によって電極孔が削減できたことによっている。また、図9(MOSFETを組み込んだメモリセルの例)に示すゲートとドレインを一致信号線91に接続してダイオードを構成する回路もメモリセル面積を小さくできた。この回路形式ではゲートとドレインとを短絡する構造となるので実効的に電極孔が共通化できることによる。この回路の特徴はすべてMOSFETで構成でき、新たなデバイスを追加する必要のなく面積を削減できることにある。
また、低消費電力であって、かつ、デバイス数が少なく回路の占有面積の小さい信号発生回路とセンスアンプを図10に示す。回路動作を説明する。端子101は比較結果を示す信号の入力端子で、例えば、図4の25で示す信号線に接続される。信号線104は一致検出の信号線の入力端子101と参照端子112とを等電位に、また、接地電位にする為のイコライズ信号線で検出の開始時に高レベルから接地電位に変化する。また、信号線102はMOSFET107,108を電流源として働かせるための電位を供給する信号線で端子101,112の電位が接地電位のとき所定の電流を供給するように設定される。あとで述べるように電力を削減するために動作に関係しない期間はこの電位を接地電位として消費電力を削減することが可能である。
また、図4に示した回路88の出力を用いて102の電位を制御するとさらに低消費電力化ができる。また、103はラッチ型センスアンプへの電力供給制御端子で、この信号線の電位を高レベルとすることでセンスアンプの動作が開始する。端子105には所定の電位が供給されて常時ONとすることで端子115,116の電位はイコライズ信号線の電位が高レベルの期間はほぼ正電源電位に保持される。まず、一致信号の検出開始時から説明する。検出を開始すると、まず、イコライズ信号線104の電位が接地電位となり、MOSFET109,111はOFFとなり、MOSFET107,108から供給される電流で端子101,112の電位は上昇を始める。端子101に接続された検出信号線のMOSFETがすべてOFFのときには供給された電流は一致検出信号線の寄生容量の充電に当てられ、電位は上昇する。この電位の上昇によってMOSFETにながれる電流は減少する。一方、一致検出の参照電位発生端子112は検出信号線と等しい容量106と一個のみの検出MOSFETが導通した時にながれる電流を供給するMOSFET35と電位供給端子39が図4と同様に設けられている。このMOSFET35によって端子112の電位の上昇は端子101の電位上昇より小さくなり、MOSFET108にながれる電流の減少はMOSFET107にながれる電流の減少より小さい。すなわち、端子116の電位は115の電位より低くなる。このように両端子間に電位差が発生した状態で信号線103の電位を高レベルに切替るとセンスアンプは動作を開始して、端子115の電位を正の電源電位まで引き上げ、端子116の電位を接地電位まで引き下げる。この信号は出力回路43を経てワード線に供給される。比較結果が不一致のときの動作は説明を省略する。この回路の特徴はセンスアンプがラッチ型であるので、定常状態、すなわち、出力が高、低レベルに固定されると電力の消費がなく、低消費電力であり、また、MOSFET107,108を信号線102によってOFFとすることで端子101、端子108に接続された配線の容量やダミー容量を電源電圧まで上昇させることがなくこれによって充電電流が減少して消費電力を削減できる特徴も備えている。ここでは、信号線102によって直接MOSFET107,108をON,OFFさせたが、直列にMOSFETを接続してそのMOSFETをON,OFFさせて同様の動作をさせてもよい。
図6A,6Bは本発明の一致検出回路の高速化に最適なN型MOSFETの構造をしめす図で、図6Aには平面図を、図6Bには平面図上のA−A′線上に沿った断面をしめしている。図中の1はシリコンの基板で2は基板1とシリコン層3とを電気的に分離するシリコン酸化膜である。7はMOSFETのゲート電極で、酸化膜5に囲まれたシリコン膜3には基板1と同じ導電型のP型領域4がソース領域を囲んで設けられている。領域4がドレイン領域に延びているのは、半導体装置の製作においてゲートまで領域4が到達するように余裕を設けたためで、この余裕の範囲内でドレイン領域への侵入を抑えることが寄生容量や漏れ電流を増加させないためには望ましい。また、8は電極をシリコン膜に取り付けるためのコンタクト孔で電極金属9,19が設けられている。このようにゲート7の直下から電極8までドレイン、ソース領域と反対導電型のP型シリコン領域4で接続されていると、ゲート直下のシリコン膜12の電位が電極19の電位に固定されるので、MOSFET特性を規定する主要なパラメータであるしきい電圧をゲート電極直下のシリコン膜の不純物濃度によって制御できるようになる。図6の構造の特徴は領域4の側壁および表面にゲート酸化膜より厚い酸化膜5を備えていることにある。この厚い酸化膜によってゲート7に正の電圧が印加されてドレインとソースとが導通するチャネル(反転層ともいう)が形成されたときにも領域4の表面にはチャネルが形成されにくく、領域4の導通が維持されるので、しきい電圧を正確に制御できる効果がある。
以下に、図7A〜7Eを用いて領域4および酸化膜5を形成する方法を記す。
図7Aはシリコン基板200上にシリコン酸化膜201を介してシリコン膜203が設けられたSOIウェーハとよばれるものの上に酸化膜204と窒化膜205をそれぞれ5nm,20nmの厚さに形成し、MOSFET領域のみの両膜を残したときの断面構造をしめしている。次に、図6A、6Bの領域4に相当する領域207,208をそれぞれPMOSFET,NMOSFETのソース領域の近傍にマスクを用いたイオン注入法で形成し、窒化膜205の側壁に酸化膜210を形成すると図7Bの構造が得られる。ひきつづいてシリコン膜3を異方性のドライエッチによって除去して、さらに酸化膜211を形成する。この酸化膜211は酸化性雰囲気中で熱処理して形成しても、また、異方性ドライエッチによって側壁のみに酸化膜を残す方法で形成してもよい。このときの断面構造を図7Cにしめしている。
ひきつづき、窒化膜205、酸化膜204を除去したのち、再度酸化膜212を5nmの厚さに形成し、ゲート電極7を設ける。この状態での構造を図7Dにしめしている。次に、P型MOSFETのドレイン216、ソース215、N型MOSFETのドレイン217、ドース218を用いたイオン注入法で形成して図7Eの構造が得られる。このあとの工程は従来のCMOS LSIの製作工程にほぼ等しいので説明を省略する。以上の方法によって、図6A、6Bにしめした領域4をシリコン膜203の周辺の極めて狭い領域に形成できる。
更に、本発明の実施例を図面にもとづいて説明する。
図1に記載される本発明の一致検出回路を用いたTLBの構造例について更に説明する。前置比較回路、出力データ記憶回路、CAM部(1)、CAM部(2)の内部はマトリックス状にメモリセルやCAMセルが配置されてアレー構造をしており、各行には比較するデータや出力するデータが格納されている。また、メモリセルで形成される列にはアドレス入力線が設けられている。そのアドレス入力は仮想アドレス(以下VAと書く)であって、前置比較回路とCAM部(1)、CAM部(2)に導かれる。前置比較回路で一致が検出されるとHit信号を発生し、データを記憶している出力データ記憶回路から出力される。図には示していないがこのHit信号が発生されるとCAM部(1)、(2)の間の一致信号発生回路への電力供給をおこなわない回路、もしくは、電力供給を停止する回路が設けられる。前置比較回路で不一致のときには一致信号発生回路への電力供給が行われてCAM部(1)、CAM部(2)でVAとCAM内データとが一致するとデータRAM部のデータがセンス回路、出力回路を経て出力される。ここで、まずCAM部(2)の働きを説明する。CAM部(2)はアドレス入力の内の3ビット程度の信号が比較回路に導かれ高速に一致/不一致が調べられる。その結果にもとづき一致信号発生回路に電力を供給して、CAM部(1)のデータとの一致/不一致が調べられる。このようにCAM部(2)で一致した行のみに電力を供給すると、全くランダムなアドレス入力に対しては電力を供給する一致信号発生回路は全体の1/8(3ビットの比較を行っているため1/2の3乗)になる。すなわち、一致信号発生回路の消費電力は1/8に削減される。大幅に削減された電力の一部は同信号発生回路に分配して高速化を図ることも可能となる。また、前置比較回路で一致が検出されるとあらかじめ保存されたデータを読みだす処理のみでよいのでデータ出力が高速化される特徴もある。
図11は上記の前置比較回路(図1)の回路図の1例である。21はVAの内の1ビットを示している。破線で囲んだ回路22はインバータで21の相補信号を発生している。破線で囲んだ回路23は比較回路を内蔵したメモリセル(CAMセル)である。24はワード線でこの電位を高レベルとすることで21のデータをCAMセル23に記憶させる作用をする。ここで、ワード線を選択する回路とその駆動回路は省略しているが、これらの回路は広く用いられている回路構成であるので説明は不要と考える。以上説明した回路(破線で囲んだ回路20)はVAの1ビット分で、比較するVAのビット数に応じて並列して設けられてCAM部(1)のアレーの列を形成する。25は一致検出信号線で、MOSFET26は入力VAとメモリセルのデータが一致したときにOFFとなるように設計される。一致検出信号線25は入力VAの各列に設けたMOSFET(MOSFET26にに対応するもの)が並列接続されており、VA全ての入力データと記憶データとが一致したときにのみ信号線25は接地端子から遮断される。27は一致検出信号線25に供給する電流を制御するための信号線で電流を供給するときには27は接地電位に保持されて、P型MOSFET131,132からデータが不一致のときにMOSFET26に流れる電流と略等しい電流が供給され、一致検出信号線25、参照信号線128の電位を引き上げる。ここで、一致検出線電流を供給するまでは信号線25,28の電位はMOSFET133,134によって接地電位に保持されており、両信号線の電位はMOSFET133の遮断とMOSFET131,132の導通によって上昇する。これらの信号線の電位は、次に述べるような理由で、データ全てが一致した一致検出信号線25の電位が最も高くなり、次に参照信号線の電位、その次には1個のみデータが不一致の一致検出信号線で、不一致のデータが増すとともに信号線25の電位上昇は小さくなる。信号線電位の上昇を説明する。各信号線はほぼ等しい静電容量を持っている(参照信号線には静電容量が等しくなるようにダミー容量129が設置される)ので、等しい電流IoがMOSFET131,132から供給されたときには、各信号線の単位時間あたりの電圧上昇dV/dtは信号線のMOSFET26が不一致のときに流れる電流値をIlとすると(Io−Il)/Cとなる。ここで、Cは信号線のもつ静電容量である。信号線の電位はあらかじめ設置電位に保持されているので、電流Io供給開始時にはMOSFET26や134のドレインにはほとんど電圧がかかっていないためにMOSFETに流れる電流は十分大きいドレイン電圧が印加されたときのIlより小さく、ドレイン電圧の上昇とともにIlは増加してほぼ一定値に達する。このため、IoとIlとをほぼ等しく設定した場合には信号線の電位は電源電圧の約1/2の電位まで上昇し一定となる。一方、参照電圧発生用のMOSFET134にはIlの約1/2の電流が流れるようにゲート電圧やゲート幅が設計される。図11の一致検出回路では信号線25や128の電位がN型MOSFET136,137のいづれかとMOSFET138のしきい電圧を超えると電流が流れるがデータが不一致のときには参照電圧端子128は一致検出線25より高電位となるために回路140の出力は高電位出力を維持する。ここで、MOSFET189は最大電流を制限するためのものでゲートには所定電流を流せるように電位が与えられる。このMOSFETは省くこともできる。破線で囲んだ回路140にながれる電流を説明する。電流値が最も大きいのは信号線の電位上昇が最も大きいデータが一致した信号線である。しかし、データが一致するのは全ての信号線の中の1本もしくは全くないかのいずれかであるので、この場合に流れる電流は消費電力の点では問題にならない。これに対して、データが不一致の信号線は残りの全ての信号線であり、また、参照信号線の電位と同等か、より低くなっている。このため、参照信号線の電位がMOSFET137のしきい電圧を超えるとほぼ全ての検出回路に電流が流れ、全体としての消費電力が大きくなる。消費電力を下げる観点からは、参照信号線128とデータが不一致の信号線25の電位は大幅にはしきい電圧を超えないことが好ましい。参照信号線、データが不一致の信号線25の電位はMOSFET131,132から供給される電流と不一致のときに導通しているMOSFET26や常時導通しているMOSFET134に流れる電流の関係から決まり、上述したように、両者の電流がほぼ等しいときには電源電圧の約1/2の電位に達して定常状態となる。この電位は供給電流Ioを減少させると急激に低下する。しかし、供給電流Ioの減少は検出時間の増加を引き起こすので、動作速度の点からは大きいことが求められる。動作速度と消費電力はトレードオフの関係になる。MOSFET138は、このトレードオフの関係を回避するために設けたもので次の特徴に着目して発案された。一致信号線25の電位は、上述したように比較したデータの不一致の数が増すと上昇電位が急激に小さくなる。このため、ほとんどのデータは2個以上の不一致データをもっていることに着目して、電流を制限するMOSFET189と直列にMOSFET138を設け、複数のデータが不一致のときには電流が流れない回路とした。この方法によって、回路140に電流が流れるのはデータが一致した行とデータ1個のみが不一致の行とに限定されこの回路の平均消費電力は大幅に軽減された。また、参照信号発生回路(破線で囲んだ回路139)と参照信号線128は複数のセンス回路140で共用される。この共用によって参照電圧発生回路の消費電力は削減され、その分一致信号発生回路への電力供給を増して、動作速度の向上を図ることができた。
以上は破線で囲んだ145の回路について説明したが、この回路は前置比較回路では4ないし8行、CAM部(1)では64ないし128行設けられ、入力のVAと比較され、一致した組のデータRAM部の記憶データ(図1参照)が出力される。
図12には図1にしめしたCAM部(1)およびCAM部(2)の一実施例の回路図をしめす。右端の破線で囲んだ回路170は図11にしめした回路20とよく似た動作をする回路である。すなわち、入力VAが端子181に供給されるとインバータ182によって相補信号が発生され、メモリセル193に記憶されているデータと比較される。このとき、比較回路からはデータが一致したときには端子184の電位が高電位となるように設定される。170と同等の回路が3組並列に設けられて端子185,186に同様の信号を送出する。この3組の信号を3入力NAND回路187に導くと、3組の比較回路の結果がすべて一致したときのみNAND回路の出力は接地電位となる。この信号を定電流を供給するP型MOSFET131に供給することで、CAM部(2)のデータが一致したときのみ、P型MOSFET131から定電流が流れて電力が供給され、CAM部(2)が不一致の時には電力が消費されない回路となる。すなわち、比較回路を分割して比較結果を高速に発生させ、この結果にもとづいて一致信号発生回路を動作させることで高速動作をし、かつ、消費電力の小さいTLB回路を構成できた。図12では参照信号線128と参照信号発生回路139を図11の回路を同様に複数の行で共用する回路としている。行数の多いCAM部(1)ではこの共用によって大幅に消費電力が削減された。
図13には図11に破線で囲んで示した回路10の他の実施回路の1例を示す。回路10で各行ごとに設けられていたMOSFET142,137等を各行共通の回路にMOSFET152,153等として移して、回路の簡素化を図ったものである。この共通化によって各行に設ける一致検出回路140のデバイス数は約1/2に減少した。
データが一致した一致信号線125の電位が上昇するとセンスアンプ140の出力は低下してバッファ回路149に入力される。同バッファ回路の出力はデータRAMアレーのワード線に接続されていて、このワード線の電位を引き上げてデータを読みだす。
データRAM部は広く用いられているメモリ回路であるので構成や動作の説明は省略する。
以上はTLB回路について説明したが、本発明の一致検出回路はキャッシュメモリや広く一般の連想メモリ(CAM)の回路として用いることができる。
また、図面にしたがってCAM回路の構成と回路を説明したが、このほかに、次のような構成や回路の適用も可能である。
比較回路を内蔵するメモリセルにはJ.of Solid State Circuits Vol.20 pp.951−957(1985)に記載されている10個のMOSFETを用いるメモリセル、特開昭63−308796に記載されているPMOSとNMOSとで構成する回路を用いたメモリセル、J.of Solid State Circuits Vol.5 pp.208−215(1970)に記載されているダイオード接続したMOSFETを用いる9個のMOSFETを用いるメモリセル、等を用いてもよい。また、ダイオード接続したMOSFETの代わりにpn接合型やショットキー障壁型のダイオードを用いること、また、基板をコレクタに用いたバイポーラトランジスタを用いることもできる。
図14には可変長データに対応するTLBの構成例を特許公報に掲載された特開平1−220293の図を引用して示している。この構成のCAMセルは本発明でも実施できることは言うまでもないが、検討の結果、図14において示されているMOSFET260の設計および設置個所について新たな知見がえられた。その1はCAMセルに流れる一致検出電流の減少とそれにともなう一致検出時間の増加である。MOSFET260の導通/遮断の動作を可変長指定ビットによって制御しているが、導通して電流を流すときにはMOSFET250と直列に接続されているために従来のCAMセルにくらべて電流が減少する。このため、遅延時間を増加させないためには構成するMOSFETの駆動能力の向上が求められる。例えば、全てのMOSFETのゲート幅をその分増せばよいが、このときには入力のVAデータ線の負荷が大きくなり駆動時間の増加や消費電力の増加を招く。そこで、MOSFET260のゲート幅のみを増加させることを検討した。その結果MOSFET250のゲート幅の1.5倍以上にMOSFET260のゲート幅を設計すると電流の減少が大幅に軽減できることを見出した。MOSFET260のゲート幅を増加させるとその分CAMセルの面積を増加させるが、その増加は軽微であり、また、VA入力データ線の負荷の増加もほとんどない結果がえられた。その2は、この検討を通して、MOSFET260を複数のCAMセルに1個設けることが面積の点からも、また、電気的特性の点からも有利であることが明らかになったことである。すなわち、入力のVAデータとCAMセル内のデータとを比較して不一致があるときに“不一致”であることを示す信号の最小の信号レベルは、CAMセル内のMOSFET例えば図5のMOSFET250 1個が導通状態にあることである。すなわち、複数個のCAMセルに共通して1個のMOSFET(例えばMOSFET260)を設置すれば十分といえる。特に、本発明で述べた、一致信号を一定の電流を供給して発生させる方法では供給電流が限定されるのでその効果がさらによく引き出される。この共用化によって同回路の占有面積は軽減された。
図15には本発明による新規なTLBの構成の1例を示す。
従来のTLBでは仮想アドレスVAから実アドレスPAへの変換を行う機能を備えているが、複数のVAが1個のPAを共用している可能性(エイリアス、Alias)が生じると、新しくVA、PAデータの入れ替えをおこなう時には共用されているPAに付けくわえられている制御用データの更新機構、もしくは、共用されることを禁止する等の機構が必要になる。図15に示すTLBの構成はこの機構をより簡単に、かつ、効率良くデータを活用するためになされたものである。すなわち、従来のTLBがVAからPAへの変換に重点を置いて構成されているのを、図15ではPAからもVAを見つけだしてそのPAを使っているすべてのVAのデータを読みだしたり書換えたりできるように構成した点に特徴がある。この構成のTLBではデータが重複して利用されても機構を複雑にすることなく、また、データを捨てることなく利用できる点で、効果がある。
図15を用いて更に詳細に説明する。
CAM(A)とデータRAM両アレーは従来のTLBと同じ構成である。本発明の構成の特徴はCAM(B)にあり、CAM(B)のCAMセルにはCAM(A)のVAデータに対応するPAデータが記憶されており、RAMアレーのデータを書換えるときにはCAM(B)の比較データとして書換えるPAデータを入力して比較する。一致した行についてはRAMアレーの対応するワード線の電位を持ち上げてRAM書き込み回路を通してデータを書き込む。このとき、CAM(B)のCAMセルのデータもワード線の電位を持ち上げて書き込む。このような構成にするとPAが共用されていても共用しているVAについてPAが書き替えられるので、特別な保護機構が不要となり、また、従来破棄していたデータをそのまま利用できるなどで書き込み時間が軽減できる等の効果がある。
以上の説明は従来のTLBについて説明したが、本発明のTLBに適用すれば高速化と低消費電力化を達成できることは言うまでもない。また、VAアドレスを用いるキャッシュメモリ等にもこの機構、構成が適用できることは明らかである。
図16には本発明をキャッシュメモリに適用した新規な回路構成を示す。図に従って詳細に説明する。
図16のキャッシュメモリは読み出されるデータを記憶しているデータRAM部(Data RAM)、読み出しデータRAMの行を指定する仮想アドレスCAM(V−CAM),指定されたデータRAMの行が正しいことを検証する実アドレスCAM(R−CAM)、CAMにデータを書き込むためのCAMデコーダ(CAM Dec)、実アドレスA,B(Real Address A,B)、仮想アドレスA,B(Virtual Address A,B)を選択するセレクタ(セレクタは各バンクに設けられる)、および、入出力回路より構成されている。このメモリのデータの読み出しとデータの書き込み処理を図17の処理フローに従って説明する。
本発明のキャッシュメモリでは図17に示すように仮想アドレスの一部で下位ビット(28ビット程度)のアドレスV(Address V)が与えられると、V−CAMに導かれてヒット判定が行なわれる。ミスのケースへの対応はあとで述べるとして、ヒットするとデータRAMのワード線の電位をもちあげ、書き込み指定信号WEAが“H”レベルのときにはヒットしたデータRAMの行にデータを書き込み、WEAが“L”、すなわち、読み出し指定のときにはヒットしたデータRAMの行のデータを読みだす。V−CAMがヒットした時点でヒットしたR−CAMのデータを読み出し、TLB(Table Lookaside Buffer)から送られてきた実アドレスと比較し、一致すれば以上の処理は正しいことが確認されて処理は継続される。TLBからの実アドレスとの比較で不一致のときには以上の処理が正しくないのでWEAが“H”のときには書き込みデータを無効にする。WEAが“L”のときには読みだしたデータを無効にする処理を開始する。
一方、V−CAMでの比較においてミスと判定されると、R−CAMを用いてTLBから送られてきた実アドレスとR−CAMを用いて比較する。この比較において一致する実アドレスがあれば、一致した実アドレス行のデータRAMの記憶内容は正しいので、WEAが“H”なら一致した行のV−CAMのデータを送られてきた新データに書き換え、WEAが“L”ならデータRAMの一致した行のデータを読み出す。
R−CAMでの比較でミスとなると送られてきたアドレスに対応するデータはキャッシュに存在しないので、WEAが“L”のときはデータのないことを示す信号を発信して処理を終了する。WEAが“H”のときにはCAMデコーダを用いて行を選択し、送られてき実アドレス、仮想アドレスの下位ビット、データRAMのデータをすべて書き込み、処理を終了する。この処理方式によると、図17から理解できるように、データRAMへの書き込みとデータRAMからのデータの読みだしがほぼ同時刻に行なわれる。この特徴を用いると、書き込み処理のときにはデータをメモリに送り込み、また、読み出し処理のときにはデータを取り出す処理を分けて行なえば、このほかのメモリ回路の動作は同じでよく、読み出し、書き込み動作を高速に行なうことが可能となる。この点が本発明のキャッシュメモリの特徴の一つであり、この効果はあとで詳しく説明する。
以上、入力信号Aについて説明した。図16の回路では第2の入力信号Bが示されている。信号Bはバンク指定信号(図16のBank Select bit 3)によって指定されたバンクへのみ、かつ、信号Aの指定するバンクと競合しないときにのみ供給される。この信号Bは信号Aと同様に処理され、Aとは別に設けられた入出力信号線、2nd Din−B Line,2nd Do−B Lineを経て処理される。これらの信号線の役割や配置については図18を用いて後で詳しく説明するが、このように信号線がA,B並列に設けられることでバンクA,Bの信号で競合しないときにはおおよそ同時刻にA,Bそれぞれの入力信号の処理を行なうことができる。また、上述したように書き込み処理と読み出し処理を区別するのは入出力信号のみであるので、両信号を別々に2nd Din−B Line,2nd Do−B Lineで区別して送ることで、これ以外はまったく区別する必要がなくなり、たとえば、Aが書込みで、Bが読み出しのように両者が混在するときにも回路動作のタイミング等の調整をすることなく処理できる。また、処理がすべて同じであるのでデータを時系列で重複して処理する、いわゆる、ウェーブパイプライン動作にも適する。本発明では2−Bank,2−Wave Pipeline動作が可能で、擬似4ポートメモリが実現される。
以下、図16の回路を詳細に説明する。
キャッシュメモリでは大容量のメモリが要求されるので、R−CAM,V−CAMの行数(エントリー数)は大きくなる。ここでは、エントリー数1024として説明する。エントリー数が1024ではCAMの一致検出用の電流に0.1mA供給しても全体で100mAに達する。この電流を削減するために図12に示した本発明の回路、CAM部(1)、CAM部(2)の構成を用いる。CAM部(2)に3ビットを割り当てると電流は平均で約1/8になり同電流は13mAにまで削減される。
次に、図16にしめしたデータRAM部の2nd Din−A Line,2nd Din−B Line,2nd Do−A Line,2nd Do−B Lineに関連する回路を説明する。これらの信号線はBank0からBank7までのData RAM上に配置されていて各Bank内のデータ線(たとえば図18のデータ線911,912対)へ図18の回路901を介してData RAMの書き込み信号Dinを送ったり、データ線対911,912から読み出し信号を受け取り、検出回路921に送る信号線である。これらの信号線はデータ線と同様の働きをするもので階層化されているために第2の信号線をしめす“2nd”の名称が付けられている。図18にはこの部分の回路の回路図を示している。2nd Din Line 2本(DinA,DinB)、2nd Do Line 4本の計6本を1組としてメモリセル4列に1組設けている。ここで、2nd Din Line 2本も2nd Do Lineと同様にデータRAMの各Bank上を通って配置されているのでメモリセル上を通って上に延びているが、図面ではこの部分は省いてしめしている。このようにメモリセル4列に一組第2の信号線を設けることで面積の増加を少なく抑えながら、これらの信号線を設置することができる。ここで、Din信号線A,B各1本とし、Do信号線は各2本としたのは、Din信号は振幅を大きくしても遅延時間の増加が少ないが、Do信号の振幅を大きくすると遅延時間の増加が大きいことによっている。このため、Do信号線は相補信号を送るために2本とし、小振幅信号伝送を行なっている。また、Din信号が線間容量によってDoに影響を与えることを避けるためにDo信号線対にDin線が対称なるように配置している。また、Din信号から相補信号を発生させるところに2入力NAND回路を用い、書き込み信号WE−A,WE−Bが“L”のとき、および、書き込み動作終了時にはDinとDinの相補信号とを“H”をすることで書き込みを終了させる回路となっている。面積増加の制約が小さければDin信号線を各2本とすることは、より設計の自由度を向上させることはいうまでもない。しかし、図にはしめしていないが、書き込み信号線Dinとデータ読み出し信号線対Doおよび/Doとの線間容量を介して生じるクロストークノイズを削減するためにDoと相補信号の/Doとの線間容量を等しくするいわゆる撚り線配置をおこなっている。この撚り配置ではDin線が1本のときには撚りの回数が少なくなる利点がある。
この書き込み回路では書き込み前にはデータ線対が両方ともに“H”にあるので、書き込みにはデータ線を“L”に引き下げるのみでよく、カラムの選択にはNMOSのみのスイッチで十分である。
一方、読み出し動作ではNMOSの差動回路をDo−AとDo−Bそれぞれに設け、その差動増幅器の電流を供給するMOSFETを選択することでカラムおよびA,B信号の選択を行なっている。これによってカラム選択やA,B選択のためのスイッチMOSFETが省かれ、読み出し時間が短縮されている。図9の回路ではカラムスイッチ信号(C0−A〜C3−B)は書き込みと読み出しの動作に共通になっている。このように共用すると信号線数が少なくてよいが、このためにはカラムスイッチ信号線の高レベルを制限してデータ線(例えば911,912など)と2ndデータ線(2nd DoA,2nd DoBとがデータ読み出し時には導通しないように設定する。これによって読み出し時のデータ線の振幅が制限されず、かつ、このMOSFETを介してデータ線の負荷容量の増加も防止される。配線のスペースが許せば分離してもよく、また、書き込み信号で導通/非導通となるMOSFETをデータ線との間に追加してもよい。
図19は、上述した各実施例を適用した信号処理プロセッサMPUの実施例の1例を示す図である。図中破線で囲んだMPUはシリコンなどで構成された単一の半導体基板上に形成されており、その外部にメモリユニット1108、外部装置1109が接続されて構成されている。
図19において、仮想アドレスキャッシュ1102として示した部分が、上述した各実施例で示した記憶装置であり、MPUを構成するチップ上に形成されたいわゆるオンチップメモリとして構成されている。仮想アドレスキャッシュ1102は、CPUからバス1103を介してアドレス(仮想アドレス)と書込み読込みなどを指示する制御信号が供給される。仮想アドレスキャッシュ1102は例えば図1に示したように構成され、入力された仮想アドレスに対応した出力データをバス1104を介してCPU1101に供給する。なお、CPUへの出力データの供給はバス1104を介さずにバス1103を介して行うように構成することもできる。仮想アドレスキャッシュ1102に対応する出力データが存在しないいわゆるミスの場合には、仮想アドレスキャッシュ1102からミスを示す信号がバス1107を介してメモリ制御ユニット1106に伝達され、MPUの外部に配置されたメモリユニットから対応するデータを読み出し、再び仮想アドレスキャッシュ1102に書き込むような制御を行う。また、メモリ制御ユニット1106からバス1107を介して図16に示すように実アドレスを伝達できるように構成されている。なお、外部装置1109はMPUの外部に配置された入出力装置等であり、入出力制御ユニット1105により制御されている。
上述したように本発明記憶装置は高速動作を損なうことなく低消費電力化を達成できるものであるため、これを用いてMPUを構成すればMPU全体で消費電力を抑制することができる。
図20は本発明の他の実施例を示す回路図である。より詳しくは、図11、図12にしめしたCAMによるデータ一致検出をより高速におこなうための回路である。図を用いて詳細に説明する。
参照電圧発生回路2101は図11の回路の参照電圧発生回路139と同様に参照電圧を発生する回路である。MOSFET2102は図11のCAMセル23内のMOSFET26と同じ形状のMOSFETで、ゲートに与えられる電圧(Vcc−Vt)は同セル23の一致検出電圧の高レベル(データが不一致のときにMOSFET26のゲートに供給される電圧で、Vccは正の電源電圧、VtはMOSFETのしきい電圧である)の電位であって、この電位供給によって、CAMセルが不一致のときにながれる電流と等しい電流をPMOSFET2103に供給する。この電流は2103と同じ形状のPMOSFETを介して同電流と等しい電流がNMOSFET2105,2106に供給されてVR1を発生させる。この回路によってVR1はNMOSFETのしきい電圧Vtの約2倍の電位に設定される。VR1は厳密にこの電位である必要はなく、別途発生させた電圧を供給してもよいが、Vtの2倍の電位に設定すると後で述べる参照電圧VRの電位がVtに設定され差動増幅器2113の消費電力が少なく、かつ高速動作する電位となる。VR1はNMOSFET2107,2108のゲートに供給され一致検出信号線2025、参照電圧線VRの電位の引き上げ電圧の高レベル電位を定める。PMOSFET2109は2102と同じ形状をもつNMOSFETで、PMOSFET2110は一致検出信号線への電流供給をおこなうPMOSFET2112より約20%供給電流の大きいPMOSFETである。また、PMOSFET2112は所定の時間に一致検出信号線2025に電流を供給するPMOSFETでそのゲートは電流が供給される時間帯に接地レベルに保持される。破線で囲んだ回路2113はよく知られたカレントミラー回路を負荷とした差動増幅回路であり説明は省略するが、一致検出の出力は端子Voutに出力される。2113の回路はこのほかの差動増幅器に置き換えてもよいことは容易に理解でき説明の必要はないと考える。
図21は図20の回路の動作を説明するために主要ノードの電位の時間変化を示している。一致検出信号線2025への供給電流を制御する信号VaaがVccから接地レベルに変化すると一致信号線に接続されているCAMセルすべてが一致しているときには図21に“一致”としめした電圧波形のようにその電位は時間とともに上昇する。ここで、Vaaが接地レベルに引き下げられた時刻から参照電圧VRに引き上げられるまでの時間変化が急速であるのは参照電圧VRまではNMOSFET2107を介してPMOSFET2111から電流が供給されるためで、VRに達するとNMOSFET2107のゲートとソース間電圧がしきい電圧Vtとなるので2107を介する電流の供給は停止し、電位の上昇速度は低下する。一方、一致検出信号線2025に接続されたCAMセルの内1個のみが不一致の時の同信号線電位の時間変化を“不一致”の記号で時間変化を示している。このときにはNMOSFET2107を介してPMOSFET2112から電流は供給され続けるが、電流を供給するPMOSFET2112の電流が2110より少ないために参照電圧VRまでは上昇せずに電位上昇は停止する。一致検出信号線2025に接続されたCAMセルが2個以上不一致のときにはその電位上昇がさらに小さくなることは容易に理解できる。以上述べたように図1の回路では一致検出を一致検出信号線の電位と参照電圧線VRとの差によって検出でき、また、Vaaが接地レベルに引き下げられた直後はMOSFET2107,2111によって供給される電流によって一致検出信号線が参照電圧VRまで高速に引き上げられるために一致検出動作が高速化される。また、不一致の一致検出信号線の電位は参照電圧VRを越えることはないのでVaaを接地電位に保持する時間を厳密に限定する必要はなく、回路の制御が容易であることも本実施例の回路の特徴である。しかし、Vaaが接地レベルにある期間はMOSFET2107,2111によって不一致の一致検出信号線に電流が供給され続けるので消費電力削減には一致検出の信号が出力されれば速やかに高レベルにVaaを引き上げ電流の供給を停止することが望ましい。
Claims (5)
- 入力された複数ビットのデータ信号と記憶されたデータとの一致、不一致を検出可能な一致不一致回路を含み、
前記一致不一致回路は、前記データ信号と前記データの各ビットそれぞれについて一致のときに非導通、不一致のときに導通する第1MOSFETを有し、
前記第1MOSFETは前記データ信号のビット数と同じ数だけあり、前記第1MOSFETのドレイン端子は並列に一致検出信号線に接続され、ソース端子には所定の電位が与えられるように構成され、
前記データ信号と記憶されたデータとの一致、不一致を検出する期間に、前記一致検出信号線に第1電流が供給され、
前記一致検出信号線と同程度の静電容量を備えた参照信号線を更に備え、
前記第1MOSFETに流れる前記第1電流に略等しい第2電流を流す第2MOSFETを備え、前記第2MOSFETのソース端子には前記所定の電位が与えられ、ドレイン端子は前記参照信号線に接続され、
前記検出する期間において、前記データ信号と前記データの全てのビットについて一致する場合に、前記一致検出信号線は前記所定の電位から遮断され、
前記検出する期間において、前記データ信号と前記データの何れかのビットについて不一致の場合には、前記一致検出信号線、及び、不一致のビットに対応する前記第1MOSFETのソース−ドレイン経路を介し、前記第1電流が前記所定の電位へ流れ続け、
前記参照信号線には、前記検出する期間には前記第2電流が供給され、前記第1電流によって変化する前記一致検出信号線の電位と前記参照信号線の電位との電位差を検出することで一致、不一致の検出を行うように構成されることを特徴とする半導体集積回路。 - 入力された複数ビットのデータ信号と予め記憶されたデータとの一致、不一致を比較する比較回路と、
前記比較回路の前段に配置され、前記データと前記データ信号の比較を行う前置比較回路と、
出力データを記憶する出カデータ記憶回路とを有し、
前記前置比較回路での比較において前記データと前記データ信号とが一致した場合には、前記出カデータ記憶回路からデータ出力が行われ、前記比較回路の動作が停止されるように構成され、
前記前置比較回路は、前記データ信号と前記データの各ビットそれぞれについて一致のときに非導通、不一致のときに導通する第1MOSFETを有し、
前記第1MOSFETは前記データ信号のビット数と同じ数だけあり、前記第1MOSFETのドレイン端子は並列に一致検出信号線に接続され、ソース端子には所定の電位が与えられるように構成され、
前記データ信号と記憶されたデータとの一致、不一致を検出する期間に、前記一致検出信号線に第1電流が供給され、
前記一致検出信号線と同程度の静電容量を備えた参照信号線を更に備え、
前記第1MOSFETに流れる前記第1電流に略等しい第2電流を流す第2MOSFETを備え、前記第2MOSFETのソース端子には前記所定の電位が与えられ、ドレイン端子は前記参照信号線に接続され、
前記検出する期間において、前記データ信号と前記データの全てのビットについて一致する場合に、前記一致検出信号線は前記所定の電位から遮断され、
前記検出する期間において、前記データ信号と前記データの何れかのビットについて不一致の場合には、前記一致検出信号線、及び、不一致のビットに対応する前記第1MOSFETのソース−ドレイン経路を介し、前記電流が前記所定の電位へ流れ続け、
前記参照信号線には、前記検出する期間には前記第2電流が供給され、前記第1電流によって変化する前記一致検出信号線の電位と前記参照信号線の電位との電位差を検出することで一致、不一致の検出を行うように構成されることを特徴とする半導体集積回路。 - 前記半導体集積回路は、前記前置比較回路の比較結果が不一致であった場合には、前記比較回路が動作し、前記入カデータと予め記憶された記憶データとの一致、不一致を比較するよう構成されていることを特徴とする請求項2記載の半導体集積回路。
- 前記比較回路の比較結果が一致した場合には、前記比較結果に対応した出カデータが前記出カデータ記憶回路と異なった記憶回路より出力されることを特徴とする請求項3記載の半導体集積回路。
- 入力された多ビットのデータ信号と記憶されたデータとを比較して一致、不一致を検出する機能を備えた回路であって、
前記回路は、前記データ信号と前記データの各ビットそれぞれについて一致のとき非導通、不一致のとき導通する第1MOSFETを備えており、
前記第1MOSFETは前記データ信号のビット数と同じ数だけあり、前記第1MOSFETのドレイン端子は並列に一致検出信号線に接続され、ソース端子には所定の電位が与えられ、
前記データ信号と前記データとの一致、不一致を検出する期間に、前記一致検出信号線に第1電流が供給され、前記第1電流によって変化する前記一致検出信号線の電位を検出して前記データ信号と前記データとの一致、不一致を検出し、
前記第1MOSFETに流れる第1電流に略等しい第2電流を流す第2MOSFETを備え、
前記第2MOSFETのソース端子には前記所定の電位が与えられており、ドレイン端子は参照信号線に接続されており、前記参照信号線には前記第2電流が前記検出する期間は供給されており、
前記検出する期間において、前記データ信号と前記データの全てのビットについて一致する場合に、前記一致検出信号線は前記所定の電位から遮断され、
前記検出する期間において、前記データ信号と前記データの何れかのビットについて不一致の場合には、前記一致検出信号線、及び、不一致のビットに対応する前記第1MOSFETのソース−ドレイン経路を介し、前記第2電流が前記所定の電位へ流れ続け、
前記第1電流によって変化する前記一致検出信号線の電位と前記参照信号線の電位との電位差を検出することで一致、不一致の検出を行う差動検出回路を内蔵しており、
前記差動検出回路はカレントミラー負荷回路であることを特徴とする半導体集積回路。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5849195 | 1995-03-17 | ||
JP23102495 | 1995-09-08 | ||
PCT/JP1996/000701 WO1996029705A1 (fr) | 1995-03-17 | 1996-03-18 | Circuit integre a semi-conducteurs |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP3972995B2 true JP3972995B2 (ja) | 2007-09-05 |
Family
ID=26399545
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP52828596A Expired - Fee Related JP3972995B2 (ja) | 1995-03-17 | 1996-03-18 | 半導体集積回路 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (2) | US6121646A (ja) |
JP (1) | JP3972995B2 (ja) |
KR (1) | KR100257059B1 (ja) |
WO (1) | WO1996029705A1 (ja) |
Families Citing this family (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100304711B1 (ko) * | 1999-10-06 | 2001-11-02 | 윤종용 | 집적 회로 장치의 래이아웃 검증 방법 |
CA2310295C (en) | 2000-05-31 | 2010-10-05 | Mosaid Technologies Incorporated | Multiple match detection circuit and method |
US6718432B1 (en) | 2001-03-22 | 2004-04-06 | Netlogic Microsystems, Inc. | Method and apparatus for transparent cascading of multiple content addressable memory devices |
US6521994B1 (en) | 2001-03-22 | 2003-02-18 | Netlogic Microsystems, Inc. | Multi-chip module having content addressable memory |
US6556466B2 (en) * | 2001-04-26 | 2003-04-29 | International Business Machines Corporation | Method and structure for a CAMRAM cache memory |
JP4749600B2 (ja) * | 2001-05-30 | 2011-08-17 | 富士通セミコンダクター株式会社 | エントリデータの入れ替えを高速化したコンテンツ・アドレッサブル・メモリ |
US6534806B1 (en) * | 2001-12-04 | 2003-03-18 | National Semiconductor Corporation | System for generating a reference voltage |
US6807611B2 (en) | 2002-04-05 | 2004-10-19 | International Business Machine Corporation | High speed selective mirroring of cached data |
JP4127523B2 (ja) * | 2003-05-21 | 2008-07-30 | シャープ株式会社 | 半導体集積回路およびその駆動方法 |
JP2006179109A (ja) * | 2004-12-22 | 2006-07-06 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | メモリ回路 |
Family Cites Families (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS59231789A (ja) * | 1983-06-14 | 1984-12-26 | Mitsubishi Electric Corp | デ−タ一致検出機構付きメモリ装置 |
JPS60117495A (ja) * | 1983-11-29 | 1985-06-24 | Nec Corp | 半導体メモリ |
JPS62293596A (ja) * | 1986-06-12 | 1987-12-21 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 連想記憶装置 |
US4813002A (en) * | 1986-07-21 | 1989-03-14 | Honeywell Bull Inc. | High speed high density dynamic address translator |
JPS63308796A (ja) * | 1987-06-10 | 1988-12-16 | Hitachi Ltd | 内容呼び出しメモリ |
JPH01220293A (ja) * | 1988-02-29 | 1989-09-01 | Nec Corp | 連想記憶回路 |
JPH0421997A (ja) * | 1990-05-16 | 1992-01-24 | Nec Corp | 連想記憶回路 |
JPH04134792A (ja) * | 1990-09-26 | 1992-05-08 | Hitachi Ltd | 半導体メモリ |
JPH0520778A (ja) * | 1991-07-10 | 1993-01-29 | Olympus Optical Co Ltd | 情報記録再生装置 |
JPH06215583A (ja) * | 1993-01-19 | 1994-08-05 | Oki Electric Ind Co Ltd | 連想メモリ |
JPH07282586A (ja) * | 1994-04-13 | 1995-10-27 | Fujitsu Ltd | 連想メモリの比較回路 |
-
1996
- 1996-03-18 US US08/913,407 patent/US6121646A/en not_active Expired - Fee Related
- 1996-03-18 WO PCT/JP1996/000701 patent/WO1996029705A1/ja active IP Right Grant
- 1996-03-18 KR KR1019970706253A patent/KR100257059B1/ko not_active IP Right Cessation
- 1996-03-18 JP JP52828596A patent/JP3972995B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
2000
- 2000-03-09 US US09/521,957 patent/US6342710B1/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO1996029705A1 (fr) | 1996-09-26 |
KR19980702846A (ko) | 1998-08-05 |
US6342710B1 (en) | 2002-01-29 |
KR100257059B1 (ko) | 2000-05-15 |
US6121646A (en) | 2000-09-19 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5034636A (en) | Sense amplifier with an integral logic function | |
US6538954B2 (en) | Multi-port static random access memory equipped with a write control line | |
US4779226A (en) | Complementary high performance cam cell | |
US20030086315A1 (en) | Semiconductor memory device | |
JP3972995B2 (ja) | 半導体集積回路 | |
US6452822B1 (en) | Segmented match line arrangement for content addressable memory | |
KR960001860B1 (ko) | 반도체집적회로의 데이타 입출력선 센싱회로 | |
JP2003007860A (ja) | 半導体集積回路装置 | |
US4398267A (en) | Semiconductor memory device | |
US20040100844A1 (en) | Differential charge transfer sense amplifier | |
US7391633B2 (en) | Accelerated searching for content-addressable memory | |
Liu et al. | A novel low-voltage content-addressable-memory (CAM) cell with a fast tag-compare capability using partially depleted (PD) SOI CMOS dynamic-threshold (DTMOS) techniques | |
US20020003743A1 (en) | Memory device | |
US6493255B2 (en) | Semiconductor integrated circuit device and information processing device employing semiconductor integrated circuit device | |
US7480189B2 (en) | Cross-coupled write circuit | |
KR100188299B1 (ko) | 마이크로 프로세서 및 복합논리회로 | |
US5910762A (en) | Multiple-bit comparator with reliable output timing and reduced hazards | |
JP2000066951A (ja) | 多ビット一致検出回路 | |
JPH0896586A (ja) | キャッシュtag ram | |
US7257781B2 (en) | Method, circuit library and computer program product for implementing enhanced performance and reduced leakage current for ASIC designs | |
US6667912B1 (en) | Timing scheme for semiconductor memory devices | |
JP4356165B2 (ja) | 半導体集積回路 | |
Yabuuchi et al. | A 7nm Fin-FET 4.04-Mb/mm2 TCAM with Improved Electromigration Reliability Using Far-Side Driving Scheme and Self-Adjust Reference Match-Line Amplifier | |
JP3941281B2 (ja) | 半導体集積回路 | |
JP2615113B2 (ja) | キャッシュメモリ |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20040309 |
|
A072 | Dismissal of procedure [no reply to invitation to correct request for examination] |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A072 Effective date: 20050510 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20051122 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060123 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20060613 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060811 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070116 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070314 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20070515 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20070606 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100622 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110622 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110622 Year of fee payment: 4 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110622 Year of fee payment: 4 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120622 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120622 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130622 Year of fee payment: 6 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |