JP5270173B2 - 半導体装置及びノイズ計測方法 - Google Patents

Description

本発明は半導体装置及びノイズ計測方法に関し、特に半導体装置内で発生するノイズを計測する半導体装置及びノイズ計測方法に関する。

近年、ＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit）の動作時に発生する電源ノイズや、信号ノイズなどによって、ＬＳＩが誤動作する場合が散見されている。
この誤動作対策のため、装置内のノイズを直接計測してノイズ情報として外部出力するＬＳＩが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。

図１２は、ノイズ情報を取得して出力する従来の半導体装置の構成図である。
ここで、実線の矢印は観測データの流れを示し、点線の矢印は制御信号の流れを示している。

従来の半導体装置８００は、被観測ノード８０１からアナログ値のノイズ情報を入力するサンプリングオシロスコープ８１０、半導体装置８００の外部との通信を行う通信部８２０、半導体装置８００の各部を制御する制御部８３０を有している。

サンプリングオシロスコープ８１０は、ＡＤＣ（Analog Digital Converter）８１１、遅延回路８１２、カウンタ８１３、メモリ８１４を有している。
被観測ノード８０１からアナログ値のノイズ情報を入力すると、ＡＤＣ８１１は、それをＡＤ変換してメモリ８１４に記録する。また、カウンタ８１３は、クロック信号をカウントして時間情報としてメモリ８１４に記録する。遅延回路８１２は、ノイズ波形の周期性を仮定して、サンプリングするデータ数を削減する機能を有している。

従来の半導体装置８００では、外部からノイズ情報の読み出し要求があると、その旨が通信部８２０を介して制御部８３０に入力される。制御部８３０は、メモリ８１４に記録されたノイズ情報（デジタル値）及び時間情報をノイズ情報として読み出し、通信部８２０を介して外部に出力する。

このように、従来の半導体装置８００では、ノイズ波形が周期的であると仮定することで、扱うデータ量を少なくでき、安価なＡＤＣ８１１でノイズ情報を取得することができた。
"A Sampling Oscilloscope Macro Toward Feedback Physical Design Methodology", M. Takamiya, et al, Dig. Of Symp on VLSI Cirsuits, pp240-243

しかし、従来の半導体装置では、ノイズ波形の周期性を仮定することで、データ量の削減を実現していたが、実際のノイズは周期的に現われることはまれである。現実の半導体装置は、処理するデータや命令に起因して非周期的にノイズを発生する。そのため、ノイズの周期性を仮定する従来の半導体装置は実用的なものではなかった。

また、非周期的なノイズ情報を全て扱うとデータ量が膨大なものになってしまうという問題があった。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、非周期的なノイズ情報から、必要な情報のみを外部に出力する半導体装置を提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、非周期的なノイズ情報から、必要な情報のみを半導体装置の外部に出力するノイズ計測方法を提供することである。

発明の一観点によれば、半導体装置内で発生するノイズを計測する以下のような半導体装置が提供される。この半導体装置は、観測されるノイズ情報から誤動作の原因となるノイズを解析するための解析対象情報を指定し、指定した前記解析対象情報のみを前記ノイズ情報から抽出する解析対象情報抽出部と、抽出した前記解析対象情報を外部出力する通信部と、を含み、前記解析対象情報抽出部は、入力された前記ノイズ情報の値と所定の閾値とを比較し、前記閾値以下または前記閾値以上の大きさの前記ノイズ情報を前記解析対象情報として抽出し、クロック信号をもとに前記ノイズ情報の発生タイミングを示す計数値を前記ノイズ情報とともに前記解析対象情報として出力し、前記解析対象情報抽出部は、更に、前記クロック信号をもとに前記ノイズ情報の発生タイミングを計数するカウンタと、前記ノイズ情報を抽出する開始タイミングを記録する開始値記録部と、前記ノイズ情報の抽出の終了タイミングを記録する終了値記録部と、前記カウンタの計数値と前記開始タイミングを比較して、前記計数値と前記開始タイミングが一致した場合に、前記ノイズ情報の記録開始信号を出力する第１の比較部と、前記計数値と前記終了タイミングを比較して、前記計数値と前記終了タイミングが一致した場合に、前記ノイズ情報の記録終了信号を出力する第２の比較部と、前記記録開始信号が入力されると前記ノイズ情報の記録を開始し、前記記録終了信号が入力されると前記ノイズ情報の記録を終了し、記録した前記ノイズ情報を前記解析対象情報として出力する記録部と、を備える。

また、発明の一観点によれば、半導体装置内で発生するノイズを計測する以下のような半導体装置が提供される。この半導体装置は、観測されるノイズ情報から誤動作の原因となるノイズを解析するための解析対象情報を指定し、指定した前記解析対象情報のみを前記ノイズ情報から抽出する解析対象情報抽出部と、抽出した前記解析対象情報を外部出力する通信部と、を含み、前記解析対象情報抽出部は、入力された前記ノイズ情報の値と所定の閾値とを比較し、前記閾値以下または前記閾値以上の大きさの前記ノイズ情報を前記解析対象情報として抽出し、クロック信号をもとに前記ノイズ情報の発生タイミングを示す計数値を前記ノイズ情報とともに前記解析対象情報として出力し、前記解析対象情報抽出部は、前記ノイズ情報の大きさごとの発生頻度を示す統計情報を、前記解析対象情報として抽出する。

また、発明の一観点によれば、半導体装置内で発生するノイズを前記半導体装置内で計測する以下のようなノイズ計測方法が提供される。このノイズ計測方法は、観測されるノイズ情報から誤動作の原因となるノイズを解析するための解析対象情報を指定し、入力された前記ノイズ情報の値と所定の閾値とを比較し、前記閾値以下または前記閾値以上の大きさの前記ノイズ情報を前記解析対象情報として抽出し、クロック信号をもとに前記ノイズ情報の発生タイミングを計数し、抽出する前記ノイズ情報の前記発生タイミングを示す計数値を前記ノイズ情報とともに前記解析対象情報として前記半導体装置の外部に出力し、出力される前記ノイズ情報は、ノイズが許容範囲に収まっているか否かを確認するための前記ノイズ情報に対応する、前記ノイズ情報の大きさごとの発生頻度である。

本発明は、情報量の多い非周期的なノイズ情報から、誤動作の原因となるノイズを解析するための解析対象情報のみを抽出して半導体装置の外部に出力するので、情報量を削減でき、シリアル通信などの安価な通信部でノイズ情報を出力することができる。また、半導体装置内で発生する非周期的なノイズ情報を短時間で解析できる。

本発明の上記および他の目的、特徴および利点は本発明の例として好ましい実施の形態を表す添付の図面と関連した以下の説明により明らかになるであろう。

本実施の形態の半導体装置の概略構成図である。 第１の実施の形態の半導体装置の構成図である。 ノイズ波形と閾値の例を示す図である。 第２の実施の形態の半導体装置の構成図である。 ノイズ波形とノイズ情報の抽出期間の例を示す図である。 第３の実施の形態の半導体装置の構成図である。 第４の実施の形態の半導体装置の構成図である。 ノイズ情報の大きさごとの発生頻度を示す分布図である。 ＡＤＣの詳細を示す構成図であり、（Ａ）はデータ処理を行う回路ブロックを示し、（Ｂ）は（Ａ）の各回路ブロックの動作を制御する制御レジスタを示す図である。 あるノイズ情報に対してＡＤ変換を行う様子を示す図である。 第５の実施の形態の半導体装置の構成図である。 ノイズ情報を取得して出力する従来の半導体装置の構成図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施の形態の半導体装置の概略構成図である。
ここで、実線の矢印は観測データの流れを示し、点線の矢印は制御の流れを示している。

半導体装置１は、例えば１チップのＬＳＩであり、被観測ノードｎ１に接続されたＡＤＣ２と、制御部３、解析対象情報抽出部４、通信部５とを有する。
半導体装置１内で発生するノイズ（電源ノイズや信号ノイズ）は、処理するデータや命令に起因して非周期的に発生する。

ＡＤＣ２は、被観測ノードｎ１から入力されたアナログ値のノイズ情報を、デジタル値にＡＤ変換する。
制御部３は、外部装置６からの命令に応じて、半導体装置１の各部が動作するための制御情報を送出する。

解析対象情報抽出部４は、ＡＤＣ２から出力されるノイズ情報を入力し、観測されるノイズ情報から誤動作の原因となるノイズを解析するための解析対象情報を指定する。詳細は後述するが、例えば、一定の閾値を指定してそれ以上またはそれ以下のノイズ情報を、解析対象情報として指定する。また、半導体装置１において誤動作が生じる発生時刻がある程度特定されている場合には、その時刻を含む所定期間内のノイズ情報を解析対象情報として指定する。そして指定した解析対象情報のみをノイズ情報から抽出する。

通信部５は、外部装置６と半導体装置１の間で通信を行う。そして、解析対象情報抽出部４で抽出した解析対象情報を外部装置６に出力したり、外部装置６からの命令を、半導体装置１内の制御部３に転送したりする。

外部装置６は、例えば、システムコントローラや、電源装置などである。
以下、半導体装置１の動作の概略を説明する。
外部装置６から、解析対象情報を要求する旨の命令が半導体装置１の通信部５に入力されると、通信部５はその命令を制御部３に転送する。ＡＤＣ２は、制御部３の制御のもと、被観測ノードｎ１から入力されたアナログ値のノイズ情報を、デジタル値にＡＤ変換する。解析対象情報抽出部４は、デジタル値に変換されたノイズ情報を入力して、解析対象情報を指定し、指定した解析対象情報のみをノイズ情報から抽出する。そして、通信部５は制御部３の制御のもと、解析対象情報抽出部４で抽出した解析対象情報を外部装置６に出力する。

上記のような半導体装置１によれば、情報量の多い非周期的なノイズ情報から、有用な解析対象情報のみを抽出して半導体装置１の外部に出力するので、情報量を削減でき、シリアル通信などの安価な通信部５でノイズ情報を出力することができる。また、解析時間の長期化を防止できる。これにより、半導体装置１内で発生する非周期的なノイズ情報を短時間で解析できる。

以下、本実施の形態の半導体装置の詳細、特に、図１で示した解析対象情報抽出部４の詳細を説明する。
まず、閾値を設定してノイズ情報から解析対象情報を抽出する機能を備えた半導体装置を、第１の実施の形態として説明する。

図２は、第１の実施の形態の半導体装置の構成図である。
ここで、実線の矢印は観測データの流れを示し、点線の矢印は制御の流れを示している。

第１の実施の形態の半導体装置１０ａは、被観測ノードｎ１０に接続されたＡＤＣ１１と、制御部１２と、解析対象情報抽出部１３ａと、通信部１４と、クロック信号発生部１５を有する。

ＡＤＣ１１は、クロック信号発生部１５からのシステムクロックを、サンプリングクロックとして入力する。そして、制御部１２の制御のもと被観測ノードｎ１０から入力されたアナログ値のノイズ情報をデジタル値に変換する。

制御部１２は、例えば、制御レジスタであり、外部装置２０からの命令を保持し、半導体装置１０ａの各部が動作するための制御信号を送出する。
解析対象情報抽出部１３ａは、閾値記録部１３０１、比較部１３０２、カウンタ１３０３、記録部１３０４を有している。

閾値記録部１３０１には、ノイズ情報から解析対象情報を指定するための閾値が格納される。この閾値は制御部１２からの制御信号によって変更可能である。また、通信部１４を介した外部装置２０からの制御によって直接変更するようにしてもよい。

比較部１３０２は、ＡＤＣ１１から出力されるノイズ情報の値と、閾値記録部１３０１に記録された閾値とを比較して、閾値以下または閾値以上となるノイズ情報を出力する。
カウンタ１３０３は、制御部１２の制御のもと、クロック信号発生部１５からのシステムクロックを計数する。これにより、ノイズ情報の発生タイミングを計数している。

記録部１３０４は、比較部１３０２から出力されるノイズ情報の値と、ノイズ情報の値が書き込まれたときのカウンタ１３０３の計数値を記録する。つまり、閾値以下または閾値以上のノイズが発生した時期を記録する。そして、記録したノイズ情報及び計数値を、解析対象情報として出力する。

通信部１４は、半導体装置１０ａと外部装置２０との間で通信を行う。具体的には、解析対象情報抽出部１３ａで抽出した解析対象情報を外部装置２０に出力したり、外部装置２０からの命令を受信し、半導体装置１０ａ内の制御部１２に転送する。

クロック信号発生部１５は、半導体装置１０ａの内部で用いるシステムクロックを発生する。
以下、第１の実施の形態の半導体装置１０ａの動作を説明する。

外部装置２０から、解析対象情報を要求する旨の命令が半導体装置１０ａの通信部１４に入力されると、通信部１４はその命令を制御部１２に転送する。ＡＤＣ１１は、制御部１２の制御のもと、被観測ノードｎ１０から入力されたアナログのノイズ情報をデジタル値に変換し、解析対象情報抽出部１３ａに入力する。

解析対象情報抽出部１３ａにおいて、比較部１３０２は、制御部１２の制御のもと、入力されたノイズ情報（デジタル値）の値と閾値記録部１３０１に記録された閾値とを比較して、その閾値以下または閾値以上のノイズ情報の値を出力する。

図３は、ノイズ波形と閾値の例を示す図である。
縦軸は電圧［Ｖ］、横軸は時間である。なお、横軸の時間はシステムクロックごとのサイクル（例えば１ｎｓ）の精度で刻まれている。この時間はカウンタ１３０３の計数値で表すことができる。

例えば、閾値記録部１３０１に、図３のような閾値１が記録されている場合、比較部１３０２は、閾値１以下の大きさとなるノイズ情報のみを出力する。また、閾値記録部１３０１に閾値２が記録されている場合、比較部１３０２は、閾値２以上の大きさとなるノイズ情報のみを出力して記録部１３０４に記録する。

また、カウンタ１３０３は、ノイズ情報の発生タイミングを計数し、比較部１３０２から出力されたノイズ情報の発生タイミングにおける計数値を、記録部１３０４に記録する。

記録部１３０４に記録されたノイズ情報と計数値は、解析対象情報として、制御部１２の制御のもと通信部１４に送られる。通信部１４は、抽出された解析対象情報を外部装置２０に出力する。

上記のような第１の実施の形態の半導体装置１０ａによれば、非周期的なノイズ情報の中からある閾値以下または閾値以上となるノイズ情報のみを抽出することで、例えば、半導体装置１０ａの誤動作の原因となる、所定の動作電源電圧よりも高い電圧となるような電源ノイズや、低い電圧となるような電源ノイズの情報のみを扱うことができる。また、抽出したノイズ情報の発生タイミングを示す計数値を出力するため、どのタイミングでノイズ情報の大きさが閾値以上または閾値以下になったかを特定することができる。これにより、閾値以上または閾値以下になったタイミングで電源電圧を調整するなどして、半導体装置１０ａの誤動作を防止することができるようになる。

なお、上記の第１の実施の形態の半導体装置１０ａでは、１つの閾値（閾値１または閾値２）を閾値記録部１３０１に設定する場合について説明したが、閾値記録部１３０１及び比較部１３０２を複数設けて、複数の閾値とノイズ情報の値とを比較するようにしてもよい。これにより、例えば、図３で示したように、閾値１以下のノイズ情報と、閾値２以上のノイズ情報を両方、解析対象情報として抽出することができる。

また、比較部１３０２は、アナログコンパレータを用いてもよい。その場合、アナログのノイズ情報を直接入力し、閾値と比較する。その後、デジタル値に変換して記録部１３０４に記録するようにする。なお、この場合、アナログコンパレータの電力消費を抑えるために、解析対象情報抽出部１３ａの非動作時には、アナログコンパレータをオフにするような制御信号を、例えば制御部１２から与えることが望ましい。

また、上記ではクロック信号としてシステムクロック信号を用いたが、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）などで逓倍したものを用いるようにしてもよい。
次に、第２の実施の形態の半導体装置を説明する。

図４は、第２の実施の形態の半導体装置の構成図である。
図２で示した第１の実施の形態の半導体装置１０ａと同一の構成要素については同一符号とし、説明を省略する。

第２の実施の形態の半導体装置１０ｂにおいて、解析対象情報抽出部１３ｂは、ある期間内のノイズ情報を解析対象情報として指定して抽出する。例えば、半導体装置１０ｂがあるタイミングで誤動作するような場合、その原因を解析するために、そのタイミングを含む期間のノイズ情報を抽出する。

解析対象情報抽出部１３ｂは、カウンタ１３０５、開始値記録部１３０６、終了値記録部１３０７、比較部１３０８、１３０９、記録部１３１０を有する。
カウンタ１３０５は、制御部１２の制御のもと、クロック信号発生部１５からのシステムクロックを計数する。これにより、ノイズ情報の発生タイミングを計数している。

開始値記録部１３０６は、ノイズ情報を抽出する開始タイミングを記録する。
終了値記録部１３０７は、ノイズ情報の抽出の終了タイミングを記録する。
なお、開始タイミングや終了タイミングは、具体的にはカウンタ１３０５のある計数値として記録され、例えば制御部１２により変更可能である。

比較部１３０８は、カウンタ１３０５の計数値と開始値記録部１３０６に記録された開始タイミングとを比較する。そして、計数値と開始タイミングが一致した場合に、ノイズ情報の記録開始信号を出力する。

比較部１３０９は、カウンタ１３０５の計数値と終了値記録部１３０７に記録された終了タイミングとを比較する。そして、計数値と終了タイミングが一致した場合に、ノイズ情報の記録終了信号を出力する。

記録部１３１０は、比較部１３０８から記録開始信号が入力されるとＡＤＣ１１から入力されたノイズ情報の記録を開始する。また、比較部１３０９から記録終了信号が入力されるとノイズ情報の記録を終了する。そして、制御部１２の制御のもと、記録したノイズ情報を、解析対象情報として出力する。

以下、第２の実施の形態の半導体装置１０ｂの動作を説明する。
外部装置２０から、解析対象情報を要求する旨の命令が半導体装置１０ｂの通信部１４に入力されると、通信部１４はその命令を制御部１２に転送する。ＡＤＣ１１は、制御部１２の制御のもと、被観測ノードｎ１０から入力されたアナログのノイズを、デジタルのノイズ情報に変換し、解析対象情報抽出部１３ｂに入力する。

図５は、ノイズ波形とノイズ情報の抽出期間の例を示す図である。
縦軸は電圧［Ｖ］、横軸は時間である。なお、横軸の時間はシステムクロックごとのサイクル（例えば１ｎｓ）の精度で刻まれている。この時間はカウンタ１３０５の計数値で表すことができる。

解析対象情報抽出部１３ｂにおいて、比較部１３０８はカウンタ１３０５の計数値と、開始タイミングを比較する。そして、計数値と開始タイミングが一致した場合、ノイズ情報の記録開始信号を出力する。記録部１３１０は、記録開始信号を入力すると、ＡＤＣ１１から出力されたノイズ情報の記録を開始する。そしてシステムクロックに同期してノイズ情報（デジタル値）を記録していく。

一方、比較部１３０９は制御部１２の制御のもと、カウンタ１３０５の計数値と、終了タイミングを比較する。そして、計数値と終了タイミングが一致した場合、ノイズ情報の記録終了信号を制御部１２及び記録部１３１０に出力する。記録部１３１０は、記録終了信号を入力すると、制御部１２の制御のもと、ノイズ情報の記録を終了する。これにより、例えば、図５のような期間Ｔ１におけるノイズ情報が、記録部１３１０に記録される。

記録部１３１０に記録されたノイズ情報は、制御部１２の制御のもと解析対象情報として通信部１４に送られる。通信部１４は、解析対象情報を外部装置２０に出力する。
上記のような第２の実施の形態の半導体装置１０ｂによれば、非周期的なノイズ情報から、所望の期間のノイズ情報を解析対象情報として抽出することができる。これにより、例えば、半導体装置１０ｂが誤動作する期間がある程度特定されている場合、その期間におけるノイズ情報を抽出して解析することができる。また、このとき、通信部１４は、必要な期間のノイズ情報のみ解析対象情報として出力するので、シリアル通信装置などの安価なものを用いることができる。

なお、上記ではクロック信号としてシステムクロック信号を用いたが、ＰＬＬなどで逓倍したものを用いるようにしてもよい。
次に、第３の実施の形態の半導体装置を説明する。

図６は、第３の実施の形態の半導体装置の構成図である。
図２で示した第１の実施の形態の半導体装置１０ａと同一の構成要素については同一符号とし、説明を省略する。

第３の実施の形態の半導体装置１０ｃにおいて、解析対象情報抽出部１３ｃは、ある周波数成分のノイズ情報を解析対象情報として指定し、抽出する。例えば、信号ノイズの解析に用いられる。

解析対象情報抽出部１３ｃは、周波数成分演算部１３１１と、周波数記録部１３１２を有する。
周波数成分演算部１３１１は、例えば、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）を行い、ＡＤＣ１１から出力されたデジタル値のノイズ情報から、周波数記録部１３１２に記録された特定の周波数のノイズ情報を、解析対象情報として抽出する。

周波数記録部１３１２は、ある周波数の値を記録する。
以下、第３の実施の形態の半導体装置１０ｃの動作を説明する。
外部装置２０から、解析対象情報を要求する旨の命令が半導体装置１０ｃの通信部１４に入力されると、通信部１４はその命令を制御部１２に転送する。ＡＤＣ１１は、制御部１２の制御のもと、被観測ノードｎ１０から入力されたアナログのノイズを、デジタルのノイズ情報に変換し、解析対象情報抽出部１３ｃに入力する。

解析対象情報抽出部１３ｃにおいて、周波数成分演算部１３１１は、システムクロック信号に応じて、入力されたノイズ情報から、周波数記録部１３１２に記録された特定の周波数成分のみを解析対象情報として抽出し、通信部１４に出力する。通信部１４は、解析対象情報を外部装置２０に出力する。

上記のような第３の実施の形態の半導体装置１０ｃによれば、非周期的なノイズ情報から、所望の周波数成分のノイズ情報を抽出することができる。これにより、例えば、半導体装置１０ｃにおける信号ノイズなどから、誤動作の原因となる周波数成分を抽出して解析することができる。また、このとき、通信部１４は、必要な周波数成分のノイズ情報のみ出力するのでシリアル通信装置などの安価なものを用いることができる。

次に、第４の実施の形態の半導体装置を説明する。
図７は、第４の実施の形態の半導体装置の構成図である。
図２で示した第１の実施の形態の半導体装置１０ａと同一の構成要素については同一符号とし、説明を省略する。

第４の実施の形態の半導体装置１０ｄにおいて、解析対象情報抽出部１３ｄは、入力されたノイズ情報から、ノイズ情報の大きさごとの発生頻度を示す統計情報を、解析対象情報として指定して抽出する。

解析対象情報抽出部１３ｄは、選択部１３１３と、複数のカウンタ１３１４＿１、１３１４＿２、…、１３１４＿ｎを有する。
カウンタ１３１４＿１〜１３１４＿ｎは、入力されるノイズ情報の大きさごとに設けられている。

選択部１３１３は、入力されるノイズ情報の大きさによって、いずれのカウンタ１３１４＿１〜１３１４＿ｎで計数を行うか選択することで、解析対象情報を指定している。
以下、第４の実施の形態の半導体装置１０ｄの動作を説明する。

外部装置２０から、解析対象情報を要求する旨の命令が半導体装置１０ｄの通信部１４に入力されると、通信部１４はその命令を制御部１２に転送する。ＡＤＣ１１は、制御部１２の制御のもと、被観測ノードｎ１０から入力されたアナログのノイズを、デジタルのノイズ情報に変換し、解析対象情報抽出部１３ｄに入力する。

解析対象情報抽出部１３ｄにおいて、選択部１３１３は、入力されたノイズ情報の大きさによって、いずれのカウンタ１３１４＿１〜１３１４＿ｎで計数を行うか選択する。そして選択されたカウンタ１３１４＿１〜１３１４＿ｎは、対応する大きさのノイズ情報が入力されるたびにカウントアップされていく。そして、制御部１２の制御のもと、カウンタ１３１４＿１〜１３１４＿ｎの計数値が、ノイズ情報の大きさごとの発生頻度を示す統計情報として出力される。

図８は、ノイズ情報の大きさごとの発生頻度を示す分布図である。
横軸がノイズ情報の大きさ（基準となる電圧値からの差分ΔＶ）であり、縦軸がノイズ発生頻度（カウンタ１３１４＿１〜１３１４＿ｎの計数値）である。

通信部１４は、このような統計情報を解析対象情報として外部装置２０に出力する。
これにより、例えば、設計時において、ノイズが許容範囲内に収まっているか確認することなどができる。また、統計情報のみを解析対象情報として扱うため、通信部１４は、シリアル通信装置などの安価なものを用いることができる。

次に、上記の第１乃至第４の実施の形態で用いるＡＤＣ１１の具体例を示す。
図９は、ＡＤＣの詳細を示す構成図であり、（Ａ）はデータ処理を行う回路ブロックを示し、（Ｂ）は（Ａ）の各回路ブロックの動作を制御する制御レジスタを示す図である。

ＡＤＣ１１において、端子１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃは、例えば３種類の電源電圧ＶＳＳ（０．０Ｖ）、ＶＤＤ（１．２Ｖ）、ＶＤＥ（３．３Ｖ）に係るノイズ情報を入力する。図９では、端子１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃは、それぞれ、半導体装置内の異なる３箇所に配置されていることを示している。端子１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃは、レベルシフタ１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃと接続している。

レベルシフタ１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃは、アナログ値のノイズ情報をＡＤ変換時に閾値電圧（例えば１．２±１Ｖ）と比較するために、ノイズ情報の電圧値を例えば、１．２±１Ｖ程度に収まるようにレベルシフトする。

レベルシフタ１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃから出力された複数のノイズ情報は、アナログのマルチプレクサ（ＭＵＸ）１１３に入力され、いずれかが選択される。選択されたノイズ情報は２つのサンプルホールド／ピークホールド回路１１４ａ、１１４ｂに入力され、ＡＤ変換のために保持される。保持されたデータはスイッチＳＷをオンすることによってｎ個のアナログコンパレータ１１５＿１、１１５＿２、…、１１５＿ｎの＋端子に入力される。このときスイッチＳＷがオフになったサンプルホールド／ピークホールド回路１１４ａ、１１４ｂには、次のサンプルのノイズ情報が保持される。

アナログコンパレータ１１５＿１〜１１５＿ｎの−端子には、ｎチャンネルのＤＡＣ１１６により生成されたｎ個の異なる閾値電圧が入力される。ＤＡＣ１１６は、アナログ電圧ＡＶＤにより閾値電圧の上限値を規定し、アナログ電圧ＡＶＳにより閾値電圧の下限値を規定している。そしてこれらの電圧値をもとに、例えば、１．２±１Ｖの範囲でｎ個の異なる閾値電圧を生成している。

アナログコンパレータ１１５＿１〜１１５＿ｎでは、入力されたノイズ情報と閾値電圧とを比較して、例えば、ノイズ情報の電圧値が閾値電圧の値よりも大きい場合には“１”を、ノイズ情報の電圧値が閾値電圧の値よりも小さい場合には“０”を出力する。この比較結果はフリップフロップ（ＦＦ）１１７に保持された後、ｎビットのデジタル値のノイズ情報として出力される。

図９（Ｂ）の制御レジスタ１１８は、図２、４、６、７で示した制御部１２からの制御情報をスキャンクロックに応じて入力し、図９（Ａ）の回路ブロックの各部を制御するための制御信号を出力する。制御信号の例を以下に示す。
・ＤＡＣ１１６の閾値電圧を設定する信号
・アナログコンパレータ１１５＿１〜１１５＿ｎの電源をオンまたはオフさせるｎビットの信号
・ＭＵＸ１１３が、どのノイズ情報を選択するか制御する信号（例えば４ビット）
・サンプルホールド／ピークホールド回路１１４ａ、１１４ｂにおいてサンプルホールドを用いるかピークホールドを用いるかを選択する１ビットの信号
・回路ブロック（マクロ）全体の電源をオンまたはオフさせる１ビットの信号
なお、これらの制御信号の他、図９（Ａ）のサンプルホールド／ピークホールド回路１１４ａ、１１４ｂ、アナログコンパレータ１１５＿１〜１１５＿ｎ、ＦＦ１１７には、システムクロック（サンプリングクロック）が、前述したクロック信号発生部１５から入力される。また、制御情報は、制御レジスタ１１８からスキャンクロックに応じて出力するようにしてもよい。

このようなＡＤＣ１１を、特に前述した第１の実施の形態の半導体装置１０ａに適用した場合、以下のような利点がある。
図１０は、あるノイズ情報に対してＡＤ変換を行う様子を示す図である。

閾値ｔｈ１、ｔｈ２、ｔｈ３、ｔｈ４、ｔｈ５、ｔｈ６は所定の電圧値を示している。
例えば、閾値ｔｈ３以下、閾値ｔｈ４以上のノイズ情報を解析対象情報として抽出する場合、ＤＡＣ１１６は閾値ｔｈ３以下と、閾値ｔｈ４以上の電圧レベルの範囲で複数の閾値を生成すればよい。この場合、アナログコンパレータ１１５＿１〜１１５＿ｎの数を削減できる。図１０のように、抽出する電圧レベルの範囲で、６つの閾値ｔｈ１、ｔｈ２、ｔｈ３、ｔｈ４、ｔｈ５、ｔｈ６を設定した場合には、６つのアナログコンパレータ１１５＿１〜１１５＿６ですむ。図１０のように、閾値ｔｈ１、ｔｈ２、ｔｈ３、ｔｈ４、ｔｈ５、ｔｈ６を設定した場合、ＦＦ１１７から出力される６ビットのデータは、例えば以下のようになる。

ノイズ情報が閾値ｔｈ１以下の場合（領域Ａ）→（００００００）
ノイズ情報が閾値ｔｈ１より大きく閾値ｔｈ２以下の場合（領域Ｂ）→（０００００１）
ノイズ情報が閾値ｔｈ２より大きく閾値ｔｈ３以下の場合（領域Ｃ）→（００００１１）
ノイズ情報が閾値ｔｈ３より大きく閾値ｔｈ４以下の場合（領域Ｄ）→（０００１１１）
ノイズ情報が閾値ｔｈ４より大きく閾値ｔｈ５以下の場合（領域Ｅ）→（００１１１１）
ノイズ情報が閾値ｔｈ５より大きく閾値ｔｈ６以下の場合（領域Ｆ）→（０１１１１１）
ノイズ情報が閾値ｔｈ６より大きい場合（領域Ｇ）→（１１１１１１）
なお、解析対象情報として、例えば、閾値ｔｈ４以上のノイズ情報のみ抽出する場合には、閾値ｔｈ１、ｔｈ２、ｔｈ３は必要ないため、制御レジスタ１１８の制御のもと、例えば、閾値ｔｈ１、ｔｈ２、ｔｈ３とノイズ情報を比較していたコンパレータ１１５＿１、１１５＿２、１１５＿３の電源をオフすればよい。同様に、閾値ｔｈ３以下のノイズ情報のみ抽出する場合には、コンパレータ１１５＿４、１１５＿５、１１５＿６の電源をオフすればよい。

次に、第５の実施の形態の半導体装置を説明する。
図１１は、第５の実施の形態の半導体装置の構成図である。
第５の実施の形態の半導体装置２００は、第１、第２及び第４の実施の形態の半導体装置の機能を集約したものである。

半導体装置２００は、ＡＤＣ２０１ａ、２０１ｂ、制御レジスタ２０２、ＩＦ（インターフェース）２０３と、解析情報抽出部２１０を有している。
ＡＤＣ２０１ａ、２０１ｂはそれぞれ、例えば、図９で示したように構成されており、スキャンクロックに応じて制御情報を入力し、システムクロック（サンプリングクロック）と制御情報に応じて、ノイズ情報をＡＤ変換する。なお、第５の実施の形態の半導体装置２００で、ＡＤＣ２０１ａ、２０１ｂを２つ設けているのは、異なる場所でのノイズ情報を測定するためである。前段のＡＤＣ２０１ｂに入力された制御情報は、スキャンクロックに応じて後段のＡＤＣ２０１ｂにもスキャン入力される。また、ＡＤＣ２０１ｂからは制御情報がスキャン出力される。なお、ＡＤＣ２０１ａ、２０１ｂは、２以上あってもよい。

制御レジスタ２０２は、ＩＦ２０３を介して外部から送られてくる制御情報を保持して、ＡＤＣ２０１ａに入力する。また、後段のＡＤＣ２０１ｂからは制御情報がフィードバックされて入力される。

ＩＦ２０３は、前述した通信部１４の機能を有する。なおここでは、外部から入力された制御情報を各部に直接転送しており、制御レジスタ２０２とともに、前述した制御部１２の機能も有している。

解析情報抽出部２１０は、以下の構成要素を有している。
カウンタ２１１は、図示しないクロック信号発生部で発生したシステムクロックを計数する。図２のカウンタ１３０３、図４のカウンタ１３０５に相当する。カウンタ２１１の計数値は、外部からの制御によりリセット可能である。

閾値記録レジスタ２１２は、図２の閾値記録部１３０１に相当し、ノイズ情報から解析対象情報を指定するための閾値が記録されている。閾値記録レジスタ２１２は、異なる閾値を記録するために複数あってもよい。

開始値記録レジスタ２１３及び終了値記録レジスタ２１４は、図４の開始値記録部１３０６、終了値記録部１３０７に相当し、ノイズ情報から解析対象情報を指定する開始タイミングと終了タイミングとを記録する。

ステータス記録レジスタ２１５は、メモリ２１６ａ、２１６ｂの記録状態（メモリ容量の残量など）をメモリコントローラ２１７より入力して記録する。
２つのＡＤＣ２０１ａ、２０１ｂに対応して設けられたメモリ２１６ａ、２１６ｂは、図２、図４の記録部１３０４、１３１０に相当する。メモリコントローラ２１７の制御に応じて、カウンタ２１１の計数値や、ＡＤＣ２０１ａ、２０１ｂからのノイズ情報を記録する。

メモリコントローラ２１７は、図２の比較部１３０２、図４の比較部１３０８、１３０９の機能を有する。例えば、ノイズ情報ＡＤＣ２０１ａ、２０１ｂからのノイズ情報と閾値記録レジスタ２１２に記録されている閾値とを比較して、閾値以下または閾値以上の場合に、メモリ２１６ａ、２１６ｂに記録開始信号を送出して、そのときのノイズ情報やカウンタ２１１の計数値を記録させる。また、カウンタ２１１の計数値と、開始値記録レジスタ２１３に記録された開始タイミングを比較して、計数値が開始タイミングと一致すると、メモリ２１６ａ、２１６ｂに記録開始信号を送出して、ノイズ情報の記録を開始させる。そして、カウンタ２１１の計数値と、終了値記録レジスタ２１４に記録された終了タイミングを比較して、計数値が終了タイミングと一致すると、メモリ２１６ａ、２１６ｂに記録終了信号を送出して、ノイズ情報の記録を終了させる。

これらの各機能は、外部からの制御信号に応じて切り替えることができる。
２つのＡＤＣ２０１ａ、２０１ｂに対応して設けられたセレクタ２１８ａ、２１８ｂは、図７の選択部１３１３に相当し、ＡＤＣ２０１ａ、２０１ｂから入力されるノイズ情報の大きさに応じて、いずれの統計情報用カウンタ２１９ａ＿１〜２１９ａ＿ｎ、２１９ｂ＿１〜２１９ｂ＿ｎで計数を行うか選択する。

図７のカウンタ１３１４＿１〜１３１４＿ｎに相当する統計情報用カウンタ２１９ａ＿１〜２１９ａ＿ｎ、２１９ｂ＿１〜２１９ｂ＿ｎは、２つのＡＤＣ２０１ａ、２０１ｂに対応して２組設けられている。そして、各組の統計情報用カウンタ２１９ａ＿１〜２１９ａ＿ｎ、２１９ｂ＿１〜２１９ｂ＿ｎは、それぞれ、入力されるノイズ情報の大きさごとに独立に計数する。

解析対象情報レジスタ２２０ａ、２２０ｂは、２つのメモリ２１６ａ、２１６ｂに対応して設けられ、メモリ２１６ａ、２１６ｂに記録された解析対象情報を、ＩＦ２０３を介して外部に出力するためのバッファとして機能する。

上記の半導体装置２００の動作は、第１、第２及び第４の実施の形態の半導体装置１０ａ、１０ｂ、１０ｄと同じであるので説明を省略するが、上記の構成によれば、前述した第１、第２及び第４の実施の形態の半導体装置の機能を集約できるとともに、各機能の組合せが可能になる。例えば、開始値記録レジスタ２１３に記録された開始タイミング及び終了値記録レジスタ２１４に記録された終了タイミングで規定された期間内で、閾値記録レジスタ２１２に記録された閾値以上（または閾値以下）のノイズ情報を解析対象情報として抽出することができる。

また、統計情報用カウンタ２１９ａ＿１〜２１９ａ＿ｎ、２１９ｂ＿１〜２１９ｂ＿ｎから出力された解析対象情報である統計情報を外部で参照し、その統計情報に応じた閾値を閾値記録レジスタ２１２に記録することも可能である。

上記については単に本発明の原理を示すものである。さらに、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、本発明は上記に示し、説明した正確な構成および応用例に限定されるものではなく、対応するすべての変形例および均等物は、添付の請求項およびその均等物による本発明の範囲とみなされる。

符号の説明

１ 半導体装置
２ ＡＤＣ
３ 制御部
４ 解析対象情報抽出部
５ 通信部
６ 外部装置
ｎ１ 被観測ノード

Claims (7)

1. 半導体装置内で発生するノイズを計測する半導体装置において、
   観測されるノイズ情報から誤動作の原因となるノイズを解析するための解析対象情報を指定し、指定した前記解析対象情報のみを前記ノイズ情報から抽出する解析対象情報抽出部と、
   抽出した前記解析対象情報を外部出力する通信部と、を含み、
   前記解析対象情報抽出部は、入力された前記ノイズ情報の値と所定の閾値とを比較し、前記閾値以下または前記閾値以上の大きさの前記ノイズ情報を前記解析対象情報として抽出し、クロック信号をもとに前記ノイズ情報の発生タイミングを示す計数値を前記ノイズ情報とともに前記解析対象情報として出力し、
   前記解析対象情報抽出部は、更に、
   前記クロック信号をもとに前記ノイズ情報の発生タイミングを計数するカウンタと、
   前記ノイズ情報を抽出する開始タイミングを記録する開始値記録部と、
   前記ノイズ情報の抽出の終了タイミングを記録する終了値記録部と、
   前記カウンタの計数値と前記開始タイミングを比較して、前記計数値と前記開始タイミングが一致した場合に、前記ノイズ情報の記録開始信号を出力する第１の比較部と、
   前記計数値と前記終了タイミングを比較して、前記計数値と前記終了タイミングが一致した場合に、前記ノイズ情報の記録終了信号を出力する第２の比較部と、
   前記記録開始信号が入力されると前記ノイズ情報の記録を開始し、前記記録終了信号が入力されると前記ノイズ情報の記録を終了し、記録した前記ノイズ情報を前記解析対象情報として出力する記録部と、
   を有することを特徴とする半導体装置。
2. 前記ノイズ情報をアナログ−デジタル変換してから前記解析対象情報抽出部に入力するアナログ−デジタル変換器を更に有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記アナログ−デジタル変換器は、前記ノイズ情報のうち、前記解析対象情報として抽出する前記ノイズ情報の電圧レベルの範囲で複数の閾値電圧を発生するデジタル−アナログ変換器と、
   入力した前記ノイズ情報のアナログ値と、前記閾値電圧とを比較する複数のアナログコンパレータと、
   を有することを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
4. 前記解析対象情報抽出部は、所定期間内の前記ノイズ情報を前記解析対象情報として抽出することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
5. 前記解析対象情報抽出部は、特定の周波数成分の前記ノイズ情報を前記解析対象情報として抽出することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
6. 半導体装置内で発生するノイズを計測する半導体装置において、
   観測されるノイズ情報から誤動作の原因となるノイズを解析するための解析対象情報を指定し、指定した前記解析対象情報のみを前記ノイズ情報から抽出する解析対象情報抽出部と、
   抽出した前記解析対象情報を外部出力する通信部と、を含み、
   前記解析対象情報抽出部は、入力された前記ノイズ情報の値と所定の閾値とを比較し、前記閾値以下または前記閾値以上の大きさの前記ノイズ情報を前記解析対象情報として抽出し、クロック信号をもとに前記ノイズ情報の発生タイミングを示す計数値を前記ノイズ情報とともに前記解析対象情報として出力し、
   前記解析対象情報抽出部は、前記ノイズ情報の大きさごとの発生頻度を示す統計情報を、前記解析対象情報として抽出すること、
   を特徴とする半導体装置。
7. 半導体装置内で発生するノイズを前記半導体装置内で計測するノイズ計測方法において、
   観測されるノイズ情報から誤動作の原因となるノイズを解析するための解析対象情報を指定し、
   入力された前記ノイズ情報の値と所定の閾値とを比較し、前記閾値以下または前記閾値以上の大きさの前記ノイズ情報を前記解析対象情報として抽出し、
   クロック信号をもとに前記ノイズ情報の発生タイミングを計数し、
   抽出する前記ノイズ情報の前記発生タイミングを示す計数値を前記ノイズ情報とともに前記解析対象情報として前記半導体装置の外部に出力し、
   出力される前記ノイズ情報は、ノイズが許容範囲に収まっているか否かを確認するための前記ノイズ情報に対応する、前記ノイズ情報の大きさごとの発生頻度であること、
   を特徴とするノイズ計測方法。

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