JP4356165B2 - Semiconductor integrated circuit - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路に関し、特にキャッシュ機能を搭載した半導体集積回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
マイクロプロセッサなどの計算機システムには、高速動作を行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。
【0003】
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ているために、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、変換テーブルは、アドレス空間が大きくなると共に大きくなり、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、トランスレーションルックアサイドバッファ(以下TLB)と呼ばれる連想機能を持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行うとともに、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。
【0004】
TLBには、フルアソシアティブ方式や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示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及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。
【0005】
従来、TLBのアドレス変換、キャッシュメモリの動作を1サイクル動作で実現するため、TLBとキャッシュのタグ部のコンパレータをできるだけ近く、配置することにより、配線遅延を少なくする方法がある。図6は、4ウェイセットアソシアティブのキャッシュとTLBを物理的に配置した従来例であり、1はキャッシュメモリのデータ部、2はキャッシュメモリのタグ部であり、3はTLBであり、TLBで変換された物理アドレスは、アドレス線4を通りキャッシュのタグ部のコンパレータ5に入力される。各ウェイのタグ部のコンパレータ5は、物理アドレスと各タグ部のデータと比較し、データのどれかと一致するとバッファ6を介してヒット信号を出力する。もし、4つのウェイの内どれかのウェイからヒット信号が出力されれば、そのウェイのキャッシュのデータ部のデータがトライステートバッファ7によってデータバスに出力され、最終的にバッファ8によってキャッシュ外部へ出力される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術で述べた構成では、半導体集積回路の微細化に伴い配線幅、配線間隔、配線長、配線膜厚は、共に小さくなったとしても、配線がもし同様の材質と仮定し、それぞれスケーリングの率をSとすると、配線抵抗RはS倍、配線容量は1/S倍となり、RCの遅延積は変わらず、キャッシュデータ部からの出力はこれ以上の高速化は望めないという課題があった。また、トライステートバッファ7での出力での配線遅延は、配線下層の容量をCb配線間の容量をCsとし、配線抵抗をRとするとR(Cb+2*Cs)となる。しかし、隣接している信号の出力と主出力とが互いに反対方向に変化すれば、サイドのキャパシタンスCsは、2倍に見えるので最大遅延は、R(Cb+2*2*Cs)となり、標準の状態より、遅くなるという課題があった。また、ドライバーを大きくすることによってトランジスタの瞬間電流を増やすことにより、遅延時間を減らした場合、データバスすべてが変化したとき、電源電圧降下がおき、かえって遅延値が増大してしまう課題があった。また、バスのホールド状態時にデータバスの下層、上層配線にある信号が遷移するとホールドの抵抗で押さえきれず、出力値が反転してしまう課題があった。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数のウェイで構成されたセットアソシアティブ方式のキャッシュにおいて、キャッシュのウェイのデータ部の出力と接続した出力信号線の下層に第1の電源線と第2の電源線を配置し、前記第1の電源線と前記第2の電源線は前記出力信号線と垂直に交わり、前記第1の電源線と前記第2の電源線は交互に繰り返し配置されていることにより、基板ノイズを受けにくい構成が可能となる。
【0008】
前記出力信号線の上層に前記第1の電源線と前記第2の電源線を配置し、前記第1の電源線と前記第2の電源線は前記出力信号線と垂直に交わり交互に繰り返し配置されていることにより、他の信号の影響を受けにくい構成が可能となる。
【0009】
前記第1の電源線に電源電位を供給し、前記第2の電源線に接地電位を供給し、前記第1の電源線下層にPチャネルMOSトランジスタを配置し、前記PチャネルMOSトランジスタのゲートは前記第2の電源線と接続され、前記PチャネルMOSトランジスタのドレインとソースは前記第1の電源線と接続され、前記第2の電源線下層にNチャネルMOSトランジスタを配置し、前記NチャネルMOSトランジスタのゲートは前記第1の電源線と接続され、前記NチャネルMOSトランジスタのドレインとソースは前記第2の電源線と接続されており、前記第1の電源線の直下に前記PチャネルMOSトランジスタが配置され、前記第2の電源線の直下に前記NチャネルMOSトランジスタが配置されていることにより、基板ノイズを受けにくい構成が可能となる。
【0010】
前記第1の電源線と前記第2の電源線は、キャッシュ外部からキャッシュへの電源供給源から分岐し接続されていることにより、電源電位の変動の影響を受けにくい構成が可能となる。
【0011】
前記出力信号線の下層、上層および隣接して他の信号線を前記出力信号線の全部または一部と並行して配置しないことにより、他の信号の影響を受けにくい構成が可能となる。
【0012】
前記出力信号線と他の信号線との間に前記第1の電源線又は前記第2の電源線を前記出力信号線の全部又は一部と並行して配置することにより、他の信号の影響を受けにくい構成が可能となる。
【0013】
前記ウェイのデータ部の出力として正反の対の信号を組とした出力を複数持つ構成において、前記正反の対の出力と接続された出力信号線を組ごとに前記第1の電源線と前記第2の電源線とで挟んで配置することにより、他の信号の影響を受けにくい構成が可能となる。
【0014】
前記出力信号線から第1のセンスアンプによってキャッシュ外部へ出力することにより、キャッシュ外部への出力を高速にすることが可能となる。
【0015】
前記ウェイのデータ部の出力を第2のセンスアンプによって前記出力信号線に出力することにより、キャッシュ外部への出力を高速にすることが可能となる。
【0016】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の半導体集積回路の一例であり、4ウェイのセットアソシアティブ方式のキャッシュとTLBの物理的配置を示している。
【0017】
1はキャッシュメモリのデータ部、2はキャッシュメモリのタグ部であり、各ウェイに1セットずつ配置されており、4組ある。3はTLBであり、TLB3を中央に配置し、各キャッシュメモリのデータ部1、タグ部2の信号の入出力部を隣接あるいは向かい合うように配置しており、データバス20は各ウェイの回路間に配置し外部の信号と隔離し、また各ウェイ間のデータバスの配線長を短縮している。
【0018】
TLB3で変換された物理アドレスはアドレス線4を通り、各ウェイのタグ部のコンパレータ5に入力される。コンパレータ5は、各ウェイごとに物理アドレスと各TLB内のデータと比較し、いずれかのデータと一致するとヒット信号を出力する。例えば、way0で一致した場合、バッファ6を介してヒット信号を出力する。一方、一致したキャッシュのデータ部1のメモリセル11の信号はセンスアンプ10によって増幅される。メモリセル11の信号Bit、/Bitは正反の対信号になっており、バッファ6から出力されたヒット信号により導通するNチャネルMOSトランジスタ12,13を介すことによってデータバス20に出力され、way0あるいはway1のヒット信号の論理和信号wayhit01により導通するNチャネルMOSトランジスタ14,15を介し、way0あるいは、way1,way2,way3のヒット信号の論理和信号wayhit0123によって活性化されるセンスアンプ21で増幅され、最終的にバッファ8によってキャッシュ外部へ出力される。
【0019】
図5に示すようにバッファ8の代わりにセンスアンプで出力することも可能であり、またデータ部1のセンスアンプを削減し、センスアンプ21のみで出力することも可能である。また、センスアンプ21の出力の正信号をRSフリップフロップのセット入力に入力しセンスアンプ21の出力の反信号をRSフリップフロップのリセット入力に入力することでセンスアンプの誤動作による誤ったデータを外部に出力することを防ぐことも可能である。
【0020】
図2は、TLB3から出力された物理アドレスとタグ部2のデータが一致した後、コンパレータ5の比較結果信号が活性化された場合のタイミングチャートである。横軸は過渡時間であり、縦軸は、電圧であり、各々の信号線の遷移を示す。ウェイのいずれかのデータと一致するとway0の出力信号Bitと逆相の信号/Bitは変化する。タグ部2のコンパレータ5のヒット信号がHighになるとコンパレータ5の出力と接続されたNチャネルMOSトランジスタ12,13が導通し、センスアンプ10の出力信号はデータバス20に伝わる。データバスはVDDにプルアップされているため、センスアンプの出力信号がHighならVDD、LowならVSS側に100mV程度振幅が下がる。way0とway1のヒット信号の論理和信号wayhit01によってNチャネルMOSトランジスタ14,15が導通し、センスアンプ21に伝わる。way0あるいは、way1,way2,way3のヒット信号の論理和信号wayhit0123でデータバスのセンスアンプ21が動作し、バッファ8を駆動するに十分な振幅となり、バッファ8によってデータが出力される。
【0021】
以上のような構成をとることにより、データバス20の信号は低振幅でよく、また、トライステートバッファも不要となり、高速に伝達される。また、隣接するバスは、信号伝達時にVDD固定か、もしくは、VSS側へ遷移する信号だけであるので、互いに逆に振れる振幅はない為、配線間容量は増加せず、遅延時間は減少する。
【0022】
図1のデータバスを詳細に示した図を図3に示す。キャッシュメモリのデータ出力の配線103,104は、配線下層の電源線100、接地線101とコンタクト110,111を介し接続された信号線102,105で正反の対信号のデータ出力の配線103,104を挟むことで他の信号からデータ出力の配線へのノイズを低減しており、データ出力の配線下層は、データ出力の配線103,104と垂直に交わるように電源線100、接地線101を交互に配線することで下層からデータ出力の配線へのノイズの影響を低減できる。さらにシールドを強化する方法としてその配線の下を詳細に示した図を図4に示す。PチャネルMOSトランジスタのドレイン112とソース113がそれぞれ、電源線100にコンタクト110を介し接続されており、ゲート111はコンタクト120を介し接地線101と接続された構成を持つ。NチャネルMOSトランジスタはドレインとソースがそれぞれ接地線にコンタクトを介し接続されており、ゲートはコンタクトを介し電源線と接続された構成をもち、MOSトランジスタのゲート容量により電源線および接地線の電位安定の強化を行っている。上記の構成により、メッシュ状の電源配線と接地配線を構成し、下層配線からのノイズの影響を最小限に減らすことができる。また、電源と接地線を交互に置くことにより、電圧降下を削減している。
【0023】
【発明の効果】
以上のように本発明は、上記の構成により複数のウェイのセットアソシアティブのキャッシュにおいて、データバスへの基板ノイズおよび他の信号線からのノイズを最小限に減らすことができ、電源線と接地線を交互に置くことにより、電圧降下を削減する構成が可能となる。また、キャッシュの出力をセンスアンプで行いバッファを使用しないことで、データ出力の高速化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る半導体集積回路の構成図
【図2】本発明の第1の実施形態に係る半導体集積回路のタイミングチャート
【図3】本発明の第1の実施形態に係る半導体集積回路のデータバスの物理的配置図
【図4】本発明の第1の実施形態に係る半導体集積回路のデータバスの物理的配置の下層配線図
【図5】本発明の他の実施形態に係る半導体集積回路の構成図
【図6】 従来の半導体集積回路の構成図
【符号の説明】
1 キャッシュメモリのデータ部
2 キャッシュメモリのタグ部
3 TLB
5 コンパレータ
6 バッファ
7 トライステートバッファ
8 バッファ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor integrated circuit, and more particularly to a semiconductor integrated circuit equipped with a cache function.
[0002]
[Prior art]
A computer system such as a microprocessor is provided with a cache memory that functions as a high-speed buffer memory by storing a part of the program and data in the main memory between the central processing unit and the main memory for high-speed operation. It has been.
[0003]
Further, since a virtual address is used as the address of the recent central processing unit, it is necessary to convert the address between the real address of the cache memory and the main memory. For this reason, the conversion table becomes larger as the address space becomes larger, and the table is usually hierarchized. Since it takes time to extract a real address by referring to a hierarchical table, a table having an associative function called a translation lookaside buffer (hereinafter referred to as TLB) is provided in parallel with the hierarchical table. And pulling out real addresses at high speed. As described above, the TLB is required to perform address translation at high speed and to perform address translation with a high probability using a small-scale circuit.
[0004]
In TLB, two associative methods called a full associative method and a set associative method are used. The former method is a method in which the input address and all the stored data in the TLB are checked for coincidence, and if there is matching stored data, a signal indicating the presence and the stored data are output. In the latter set associative method, candidates that are expected to match are selected, a match / mismatch is checked for the addresses of those candidates, and if there is matching data, a signal indicating the presence and a real address corresponding to the matching address are output. It is a method.
[0005]
Conventionally, in order to realize TLB address conversion and cache memory operation in one cycle operation, there is a method of reducing wiring delay by arranging the TLB and the cache tag comparator as close as possible. FIG. 6 is a conventional example in which a 4-way set associative cache and a TLB are physically arranged. 1 is a data portion of the cache memory, 2 is a tag portion of the cache memory, 3 is a TLB, and is converted by the TLB. The physical address thus entered is input to the
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the configuration described in the prior art, even if the wiring width, wiring interval, wiring length, and wiring film thickness all decrease with the miniaturization of the semiconductor integrated circuit, the wiring is assumed to be of the same material and scaled. If the ratio of S is S, the wiring resistance R will be S times, the wiring capacity will be 1 / S times, the delay product of the RC will not change, and the output from the cache data part will not be able to be further increased. It was. The wiring delay at the output of the tri-state buffer 7 is R (Cb + 2 * Cs), where Cs is the capacitance between the lower layers of the wiring and Cs is the capacitance between the Cb wirings and R is the wiring resistance. However, if the output of the adjacent signal and the main output change in opposite directions, the side capacitance Cs appears to be double, so the maximum delay is R (Cb + 2 * 2 * Cs), which is the standard There was a problem of being slower than the state of. In addition, when the delay time is reduced by increasing the instantaneous current of the transistor by increasing the driver, there is a problem that when all the data buses change, a power supply voltage drop occurs and the delay value increases. . Further, when the signal in the lower layer and upper layer wiring of the data bus transitions in the bus hold state, there is a problem that the output value is inverted because the hold resistance cannot be suppressed.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In the set associative cache constituted by a plurality of ways, the present invention arranges a first power supply line and a second power supply line below the output signal line connected to the output of the data portion of the cache way, The first power supply line and the second power supply line intersect perpendicularly with the output signal line, and the first power supply line and the second power supply line are alternately and repeatedly arranged to reduce substrate noise. A configuration that is difficult to receive is possible.
[0008]
The first power supply line and the second power supply line are disposed above the output signal line, and the first power supply line and the second power supply line intersect each other perpendicularly and alternately with the output signal line. Thus, a configuration that is not easily affected by other signals is possible.
[0009]
A power supply potential is supplied to the first power supply line, a ground potential is supplied to the second power supply line, a P-channel MOS transistor is disposed below the first power supply line, and a gate of the P-channel MOS transistor is The P channel MOS transistor is connected to the second power supply line, the drain and source of the P channel MOS transistor are connected to the first power supply line, an N channel MOS transistor is disposed below the second power supply line, and the N channel MOS transistor The gate of the transistor is connected to the first power supply line, the drain and source of the N channel MOS transistor are connected to the second power supply line, and the P channel MOS transistor is directly below the first power supply line. There is arranged, by the N-channel MOS transistor directly under the second power supply line is arranged to receive the substrate noise Pile configuration is possible.
[0010]
Since the first power supply line and the second power supply line are branched and connected from a power supply source to the cache from the outside of the cache, a configuration that is not easily affected by fluctuations in the power supply potential is possible.
[0011]
By not arranging other signal lines in parallel with all or part of the output signal lines in the lower layer, upper layer, and adjacent to the output signal lines, a configuration that is not easily affected by other signals can be realized.
[0012]
By arranging the first power supply line or the second power supply line in parallel with all or part of the output signal line between the output signal line and another signal line, the influence of other signals The structure which is hard to receive becomes possible.
[0013]
In the configuration having a plurality of pairs of positive and negative pairs as outputs of the data portion of the way, the output signal lines connected to the pairs of positive and negative pairs are connected to the first power supply line for each pair. By disposing the second power supply line between the second power supply line and the second power supply line, a configuration that is hardly affected by other signals is possible.
[0014]
By outputting from the output signal line to the outside of the cache by the first sense amplifier, the output to the outside of the cache can be speeded up.
[0015]
By outputting the output of the data portion of the way to the output signal line by the second sense amplifier, the output to the outside of the cache can be made faster.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows an example of a semiconductor integrated circuit according to the present invention, and shows a physical arrangement of a 4-way set associative cache and a TLB.
[0017]
1 is a data part of the cache memory, 2 is a tag part of the cache memory, one set is arranged in each way, and there are four sets.
[0018]
The physical address converted by the
[0019]
As shown in FIG. 5, it is possible to output with a sense amplifier instead of the
[0020]
FIG. 2 is a timing chart when the comparison result signal of the
[0021]
By adopting the configuration as described above, the signal on the
[0022]
A detailed view of the data bus of FIG. 1 is shown in FIG. The
[0023]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in the set associative cache of a plurality of ways, the board noise to the data bus and the noise from other signal lines can be reduced to the minimum. By alternately placing the, it is possible to reduce the voltage drop. Further, since the output of the cache is performed by the sense amplifier and the buffer is not used, the data output can be speeded up.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a semiconductor integrated circuit according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a timing chart of the semiconductor integrated circuit according to the first embodiment of the present invention. 4 is a physical layout diagram of a data bus of a semiconductor integrated circuit according to the embodiment. FIG. 4 is a lower layer wiring diagram of a physical layout of the data bus of the semiconductor integrated circuit according to the first embodiment of the present invention. FIG. 6 is a block diagram of a semiconductor integrated circuit according to another embodiment. FIG. 6 is a block diagram of a conventional semiconductor integrated circuit.
1 Data part of
5
Claims (5)
前記第1の電源線に電源電位を供給し、前記第2の電源線に接地電位を供給し、前記第1の電源線下層にPチャネルMOSトランジスタを配置し、前記PチャネルMOSトランジスタのゲートは前記第2の電源線と接続され、前記PチャネルMOSトランジスタのドレインとソースは前記第1の電源線と接続され、前記第2の電源線下層にNチャネルMOSトランジスタを配置し、前記NチャネルMOSトランジスタのゲートは前記第1の電源線と接続され、前記NチャネルMOSトランジスタのドレインとソースは前記第2の電源線と接続されており、
前記第1の電源線の直下に前記PチャネルMOSトランジスタが配置され、前記第2の電源線の直下に前記NチャネルMOSトランジスタが配置されていることを特徴とする半導体集積回路。In a set associative cache composed of a plurality of ways, a first power supply line and a second power supply line are arranged below an output signal line connected to the output of the data portion of the cache way, The power supply line and the second power supply line intersect perpendicularly with the output signal line, and the first power supply line and the second power supply line are alternately and repeatedly arranged ,
A power supply potential is supplied to the first power supply line, a ground potential is supplied to the second power supply line, a P-channel MOS transistor is disposed below the first power supply line, and a gate of the P-channel MOS transistor is The P channel MOS transistor is connected to the second power supply line, the drain and source of the P channel MOS transistor are connected to the first power supply line, an N channel MOS transistor is disposed below the second power supply line, and the N channel MOS transistor A gate of the transistor is connected to the first power supply line, and a drain and a source of the N-channel MOS transistor are connected to the second power supply line;
A semiconductor integrated circuit , wherein the P-channel MOS transistor is disposed immediately below the first power supply line, and the N-channel MOS transistor is disposed immediately below the second power supply line .
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