JP6126419B2

JP6126419B2 - 半導体装置、電子機器

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Publication number: JP6126419B2
Application number: JP2013053383A
Authority: JP
Inventors: 三宅　博之; 博之三宅
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Filing date: 2013-03-15
Publication date: 2017-05-10
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Description

本発明は半導体装置およびその動作方法、並びに電子機器に関する。

複数の構成要素を備える半導体装置（例えばコンピュータなど）において、動作させるべき構成要素以外の構成要素の電源を遮断状態（オフ状態とも表現できる）としておくことで消費電力を低減する（パワーゲーティングともいわれる）半導体装置が注目を集めている。

このような半導体装置としては、例えば特許文献１のように、半導体装置の動作に必要な複数の機能ブロックの各々にパワーゲーティング制御部を設け、パワーゲーティング制御情報生成部から出力される信号に基づいて、動作不要な機能ブロックへの電源電圧供給を遮断する構成がある。

特開２０１１−４４０２５号公報

パワーゲーティング可能な機能ブロックを複数備える半導体装置について、簡単なブロック図を図９に示す。図９では構造の理解を容易にするため、半導体装置がパワーゲーティング可能な機能ブロックを４つ備えているものと仮定して記載する。

なお、本明細書において「機能ブロック」とは、半導体装置を動作させる各種構成要素を機能毎に分類した回路ブロックのことである。例えば、データを保持する機能を備えた回路であれば「メモリ回路ブロック」、演算処理を行う機能を備えた回路であれば「演算回路ブロック」などと表現できる。もちろん、「機能ブロック」はこれらに限定されるものではない。

図９に示す半導体装置１０００は、パワーゲーティング可能な機能ブロック１００１ａ乃至１００１ｄと、機能ブロック１００１ａ乃至１００１ｄと電気的に接続され、機能ブロックの各々への電力供給状態を決定するスイッチ素子１００２ａ乃至１００２ｄと、スイッチ素子の各々の導通状態（導通または非導通）を決定する制御回路１００５と、を備えており、機能ブロック１００１ａ乃至１００１ｄおよび制御回路１００５には、電源１００６から電力が供給されている。なお、スイッチ素子と機能ブロックを接続する線は、各々の機能ブロックにおける高電位電源線と捉えることができる。例えば、図９の配線１０１０は機能ブロック１００１ａの高電位電源線と捉えることができる。また、各機能ブロックは定電位（例えば、接地状態やボディーアースなど。低電位電源線とも表現できる。図中ではＶＳＳと記載する）に接続されている。

そして、半導体装置１０００の動作状況に応じて、いずれの機能ブロックに電力を供給するか、あるいは電源を遮断するかを、制御回路１００５を用いて逐次決定し、当該結果に基づいてスイッチ素子１００２ａ乃至１００２ｄがオン状態またはオフ状態となる。

ここで、半導体装置１０００の動作フロー概要について、図１０を用いて説明する。なお、実際に電気信号が流れている部分は太実線で記載する。

半導体装置１０００は、まず、制御回路１００５にて動作・非動作機能ブロックが判断され（ここでは、機能ブロック１００１ａおよび１００１ｃが動作機能ブロック、機能ブロック１００１ｂおよび１００１ｄが非動作機能ブロックと判断されたものとする）、動作機能ブロックに接続されたスイッチ素子（つまり、スイッチ素子１００２ａおよび１００２ｃ）が導通状態に、非動作機能ブロックと電源１００６間に設けられたスイッチ素子（つまり、スイッチ素子１００２ｂおよび１００２ｄ）が非導通状態になることで、機能ブロック１００１ａおよび１００１ｃに電力が供給される（図１０（Ａ）参照）。そして、各機能ブロックの動作に必要な電力（電荷ともいえる）が充電された時点で、機能ブロック１００１ａおよび１００１ｃは動作を開始する。なお、図面では斜線を記入している機能ブロックが動作機能ブロックを示している。

次に、制御回路１００５にて、再び動作・非動作機能ブロックが判断され（ここでは、機能ブロック１００１ａおよび１００１ｃが非動作機能ブロック、機能ブロック１００１ｂおよび１００１ｄが動作機能ブロックと判断されたものとする）、スイッチ素子１００２ａおよび１００２ｃが非導通状態に、スイッチ素子１００２ｂおよび１００２ｄが導通状態になり、機能ブロック１００１ｂおよび１００１ｄに電力が供給される（図１０（Ｂ）参照）。そして、機能ブロック１００１ｂおよび１００１ｄの動作に必要な電力が充電された時点で、機能ブロック１００１ｂおよび１００１ｄは動作を開始する。

この時、機能ブロック１００１ａおよび１００１ｃに着目すると、当該機能ブロックには配線の重なりなどによって寄生容量が形成されているため、動作時に各機能ブロックには一定の電荷が蓄えられる。しかし、この機能ブロックに蓄えられた電荷は、非動作時、時間の経過と共に、図１０（Ｃ）のようにＶＳＳ側に放電されてしまう。当該電荷は、半導体装置の動作に何ら寄与しない。

上記問題に鑑み、本発明の一態様では、非動作機能ブロックから放電される電荷を有効に利用することで消費電力の低減された半導体装置を提供することを課題の一つとする。

また、当該消費電力の低減された半導体装置の動作方法を提供することを課題の一つとする。

本明細書では、上述課題のうち少なくとも一つを解決することを課題とする。

パワーゲーティング可能な複数の機能ブロックが備えられた半導体装置において、複数の機能ブロックと電気的に接続された容量素子を設けることで、非動作状態となった機能ブロックから放電される電荷を当該容量素子に蓄えることが可能な構造とする。そして、動作判断が下された機能ブロックに対して、電源から電力供給を行う前に、まず容量素子に蓄えられた電荷を動作判断が下された機能ブロックに供給し、その後、電源から電力供給を行う。

すなわち、本発明の一態様は、パワーゲーティング可能な複数の機能ブロックと、機能ブロックへの電力供給状態を決定する第１のスイッチ素子と、一方の電極が少なくとも２つの機能ブロックに接続され、他方の電極が固定電位を供給する配線に接続された容量素子と、機能ブロックと容量素子間に配置され、機能ブロックと容量素子間の導通状態を決定する第２のスイッチ素子と、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子と電気的に接続され、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子の導通状態を制御する制御回路と、を備え、機能ブロックの少なくとも１つにおいて、電力供給が停止した後に第２のスイッチ素子が導通状態となることで容量素子に対して電荷供給が行われ、機能ブロックの少なくとも１つにおいて、容量素子から電荷供給が行われた後に電力供給が行われることで動作状態となることを特徴とする半導体装置である。

半導体装置を上述の構造とすることにより、動作停止状態となった機能ブロックに蓄えられた電荷を、これから動作状態とする機能ブロックの電圧を高めるために用いることができる。これにより、これから動作状態とする機能ブロックは、少ない電力供給で動作状態となる。したがって、半導体装置の消費電力を低減できる。

また、本発明の一態様は、パワーゲーティング可能な複数の機能ブロックと、機能ブロックへの電力供給状態を決定する第１のスイッチ素子と、一方の電極が少なくとも２つの機能ブロックに接続され、他方の電極が固定電位を供給する配線に接続された容量素子と、機能ブロックと容量素子間に配置され、機能ブロックと容量素子間の導通状態を決定する第２のスイッチ素子と、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子と電気的に接続され、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子の導通状態を制御する制御回路と、機能ブロックの各々の高電位電源線に加わる電位と容量素子の一方の電極に加わる電位を比較し、比較結果に基づいて制御回路に対して動作指示を出力する電位比較部と、を備え、電位比較部において、容量素子の一方の電極に加わる電位より機能ブロックの高電位電源線に加わる電位が高いという比較結果が得られた機能ブロックにおいては、電力供給が停止した後に第２のスイッチ素子が導通状態となることで容量素子に対して電荷供給が行われ、電位比較部において、容量素子の一方の電極に加わる電位より機能ブロックの高電位電源線に加わる電位が低いという比較結果が得られた機能ブロックにおいては、容量素子から電荷供給が行われた後に電力供給が行われることで動作状態となることを特徴とする半導体装置である。

半導体装置を上述の構造とすることにより、機能ブロックから容量素子に電荷供給を行いたいのに、逆に容量素子から機能ブロックに電荷供給が行われてしまう、また、容量素子から機能ブロックに電荷供給を行いたいのに、逆に機能ブロックから容量素子に電荷供給が行われてしまう、といった、予期せぬ電荷供給を抑制できる。

なお、上述の半導体装置において、複数の機能ブロックの少なくとも１つが、電力供給が停止してもデータを保持できるデータ保持機構を備えた構造であることが好ましい。このようなデータ保持機構を備えた機能ブロックでは、非動作状態となる前に、非動作状態となる直前の状態（例えば、動作状態や保持データなど）を該データ保持機構に蓄え、そして、動作再開時において当該データを用いて非動作状態となる直前の状態に素早く復帰できるため、半導体装置の動作速度を高めることができる。

また、上述の半導体装置を有する電子機器も、本発明の一態様である。

また、本発明の一態様は、パワーゲーティング可能な複数の機能ブロックと、機能ブロックへの電力供給状態を決定する第１のスイッチ素子と、一方の電極が少なくとも２つの機能ブロックに接続され、他方の電極が固定電位を供給する配線に接続された容量素子と、機能ブロックと容量素子間に配置され、機能ブロックと容量素子間の導通状態を決定する第２のスイッチ素子と、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子と電気的に接続され、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子の導通状態を制御する制御回路と、を備える半導体装置の動作方法であり、第１のスイッチ素子を非導通状態とすることで、機能ブロックへの電力供給を停止して機能ブロックの動作を停止させる、機能ブロック停止工程と、機能ブロック停止工程後に、第２のスイッチ素子を導通状態とすることで、機能ブロックから容量素子に電荷供給を行う、容量素子充電工程と、第１のスイッチ素子を導通状態とすることで、機能ブロックに対して電力供給を行い、機能ブロックを動作させる、機能ブロック動作工程と、機能ブロック動作工程前に、第２のスイッチ素子を導通状態とすることで、容量素子から機能ブロックに電荷供給を行う、機能ブロック充電工程と、を有する半導体装置の動作方法である。

上記の動作方法を用いることにより、動作停止状態となった機能ブロックに蓄えられた電荷を容量素子に供給し、当該電荷をこれから動作状態とする機能ブロックに供給することで、当該機能ブロックの電圧を高めることができるため、これから動作状態とする機能ブロックを少ない電力供給で動作状態とできる。したがって、半導体装置の消費電力を低減できる。

また、本発明の一態様は、パワーゲーティング可能な複数の機能ブロックと、機能ブロックの各々への電力供給状態を決定する第１のスイッチ素子と、一方の電極が少なくとも２つの機能ブロックに接続され、他方の電極が固定電位を供給する配線に接続された容量素子と、容量素子と機能ブロック間に配置され、機能ブロックと容量素子間の導通状態を決定する第２のスイッチ素子と、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子と電気的に接続され、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子の導通状態を制御する制御回路と、機能ブロックの各々の高電位電源線に加わる電位と容量素子の一方の電極に加わる電位を比較し、比較結果に基づいて制御回路に対して動作指示を出力する電位比較部を備える半導体装置の動作方法であり、機能ブロックと電気的に接続された第１のスイッチ素子を非導通状態とすることで、機能ブロックへの電力供給を停止して機能ブロックの動作を停止させる、機能ブロック停止工程と、機能ブロック停止工程後に、容量素子の一方の電極に加わる電位より機能ブロックの高電位電源線に加わる電位が低いという比較結果が得られた機能ブロックについて、機能ブロックと電気的に接続された第２のスイッチ素子を導通状態として機能ブロックから容量素子に電荷供給を行う、容量素子充電工程と、機能ブロックと電気的に接続された第１のスイッチ素子を導通状態とすることで、機能ブロックに対して電力供給を行い機能ブロックを動作させる、機能ブロック動作工程と、機能ブロック動作工程前に、容量素子の一方の電極に加わる電位より機能ブロックの高電位電源線に加わる電位が高いという比較結果が得られた機能ブロックについて、機能ブロックと電気的に接続された第２のスイッチ素子を導通状態として容量素子から機能ブロックに電荷供給を行う、機能ブロック充電工程を有する半導体装置の動作方法である。

上記の動作方法を用いることにより、容量素子充電工程において容量素子から機能ブロックに電荷供給が行われてしまう、また、機能ブロック充電工程において機能ブロックから容量素子に電荷供給が行われてしまうことを抑制できる。

なお、上述の半導体装置において、複数の機能ブロックの少なくとも１つが、電力供給が停止してもデータを保持できるデータ保持機構を備え、機能ブロック停止工程の終了までに機能ブロックの状態をデータ保持機構に書き込み、機能ブロック動作工程の開始直後にデータ保持機構に書き込まれた内容を機能ブロックに読み出すことにより、機能ブロックが非動作状態となる直前の状態に素早く復帰できるため、半導体装置の動作速度を高めることができる。

なお、上述半導体装置の動作方法において、各々の機能ブロックと電気的に接続された第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子が同時に導通状態になると、機能ブロックに供給されるべき電力が容量素子に流れてしまうため、機能ブロックを動作させるためにより多くの電力が使用される等の問題が生じる。このため、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子は同時に導通状態にならないことが好ましい。

また、上述半導体装置の動作方法において、容量素子充電工程において電荷の供給を受けた機能ブロックとは異なる機能ブロックに対し、機能ブロック充電工程にて電荷の供給を行うことで、複数の機能ブロックにおいて電力削減効果が望めるため好ましい。

なお、半導体装置内には複数の（２つ以上の）機能ブロックが存在するため、容量素子が２つ以上の機能ブロックから同時に電荷供給を受ける、また、容量素子が２つ以上の機能ブロックに対して同時に電荷供給を行うことが好ましい。これにより、複数の機能ブロックにおいて電力削減効果が望める。

半導体装置を本明細書等に記載の構造とすることにより、通常であれば放電されてしまっていた、機能ブロックに溜まった電荷（例えば、機能ブロック中の配線交差部などに溜まった電荷など）を、機能ブロックの動作に再利用することができるため、半導体装置の消費電力を低減できる。

半導体装置の構成の一例を説明するブロック図。半導体装置の動作状態を説明するブロック図。半導体装置の動作状態を説明するブロック図。半導体装置の動作状態を説明するブロック図。半導体装置の構成の一例を説明するブロック図。半導体装置の動作状態を説明するブロック図。半導体装置の動作状態を説明するブロック図。半導体装置を用いた電子機器の一例を説明する図。パワーゲーティング可能な半導体装置の構成の一例を説明するブロック図。パワーゲーティング可能な半導体装置の動作状況を説明する図。不揮発性データ保持機構の構成の一例を説明する回路図。機能ブロックの具体的な一例を説明する図。実施の形態２の変形例を説明する図。実施の形態２の変形例を説明する図。

以下では、本明細書に開示する発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

なお、以下に説明する実施の形態において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

また、図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、理解の簡単のため、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。

なお、本明細書等においてノードとは、回路を構成する素子の電気的な接続を可能とする素子（例えば、配線など）のことをいう。したがって、”Ａが接続されたノード”とは、Ａと電気的に接続され、且つＡと同電位と見なせる配線のことをいう。なお、配線の途中に電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオードなど）が１個以上配置されていても、Ａと同電位であれば、その配線はＡが接続されたノードと見なせる。

（実施の形態１）
本実施の形態では、半導体装置の構成を、図１に示すブロック図を用いて説明すると共に、当該半導体装置の動作方法の一例を、図２乃至図４を用いて説明する。

＜半導体装置の構成例＞
図１は、本明細書等に記載の効果を有する半導体装置１００の一例を示すブロック図である。半導体装置１００は、パワーゲーティング可能な機能ブロック１０１ａ乃至１０１ｄと、機能ブロック１０１ａ乃至１０１ｄと電気的に接続され、機能ブロックの各々への電力供給状態を決定する第１のスイッチ素子１０２ａ乃至１０２ｄと、一方の電極が機能ブロックと第１のスイッチ素子間に接続され、他方の電極が固定電位を供給する配線に接続された容量素子１０３と、機能ブロックと容量素子１０３間に配置され、機能ブロックと容量素子間の導通状態（導通または非導通）を決定する第２のスイッチ素子１０４ａ乃至１０４ｄと、第１のスイッチ素子１０２ａ乃至１０２ｄおよび第２のスイッチ素子１０４ａ乃至１０４ｄの各々の導通状態を決定する制御回路１０５を備えている。なお、半導体装置１００の備える機能ブロック１０１ａ乃至１０１ｄおよび制御回路１０５には、電源１０６から電力が供給されている。

なお、第１のスイッチ素子と機能ブロックを接続する線は、各々の機能ブロックにおける高電位電源線と捉えることができる。例えば、図１の配線１１０は機能ブロック１０１ａの高電位電源線と捉えることができる。

また、本明細書の図面において、図面の理解を容易にするためスイッチ素子としてトランジスタを記載しているが、スイッチ素子がトランジスタに限定されるものではない。スイッチ素子としては、半導体層（少なくともチャネル領域）に酸化物半導体材料を用いたトランジスタ（以下、ＯＳトランジスタとも記載する）を用いることが好ましい。ＯＳトランジスタは、後述するように、オフ電流が極めて低い。したがって、スイッチ素子をオフ状態にした際に、容量素子１０３で電荷を長期間保持することができる。

機能ブロック１０１ａ乃至１０１ｄは、半導体装置を動作させる各種構成要素を機能毎に分類した回路ブロックのことである。なお、機能ブロック１０１ａ乃至１０１ｄの一つ以上は、電力供給が停止されてもデータを保持できるデータ保持機構（不揮発性データ保持機構とも記す）を備えることが好ましい。これにより、機能ブロックが非動作状態となる前に、非動作状態となる直前の状態（例えば、動作状態や保持データなど）を不揮発性データ保持機構に蓄え、そして、動作再開時において当該データを用いて非動作状態となる直前の状態に素早く復帰できるため、半導体装置の動作速度を高めることができる。

なお、不揮発性データ保持機構としては、例えば、磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ：ＭａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ：ＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリなどの不揮発性メモリなどがある。また、不揮発性データ保持機構としては、ＯＳトランジスタを含むメモリを用いることもできる。

酸化物半導体材料を用いた半導体層は、バンドギャップが３．０電子ボルト以上であり、シリコンのバンドギャップ（１．１電子ボルト）と比較して非常に大きい。

トランジスタのオフ抵抗（トランジスタがオフ状態の時における、ソースとドレイン間の抵抗をいう）は、チャネルが形成される半導体層における熱的に励起するキャリアの濃度に反比例する。ドナーやアクセプタによるキャリアが全く存在しない状態（真性半導体）であっても、シリコンの場合にはバンドギャップが１．１電子ボルトであるため、室温（３００Ｋ）での熱励起キャリアの濃度は１×１０^１１ｃｍ^−３程度である。

一方、例えばバンドギャップが３．２電子ボルトの半導体（酸化物半導体を想定）の場合では熱励起キャリアの濃度は１×１０^−７ｃｍ^−３程度となる。電子移動度が同じ場合、抵抗率はキャリア濃度に反比例するので、バンドギャップ３．２電子ボルトの半導体の抵抗率は、シリコンより１８桁も大きい。

このようなバンドギャップの広い酸化物半導体材料を半導体層に適用したトランジスタ（ＯＳトランジスタ）は、極めて低いオフ電流を実現できるため、当該トランジスタを含むメモリは電力供給が停止されてもデータを長期間保持できる。なお、ＯＳトランジスタは、シリコンなどの薄膜トランジスタと同様の装置や方法を用いて作製することが可能であり、新たな設備投資や作製方法検討の負担が少ないため、ＯＳトランジスタを含むメモリは、不揮発性メモリの好ましい一形態といえる。

ここで、ＯＳトランジスタを含むメモリの構造の一例を、図１１を用いて説明する。

図１１（Ａ）（Ｂ）は、ＯＳトランジスタを複数含む、不揮発性メモリの構成の一部を表す回路図である。なお、図中において「ＯＳ」という文字が記載されているトランジスタがＯＳトランジスタである。また、図中の「ＷＬ」はワード線を、「ＢＬ」はビット線を、「ＳＬ」はソース線を、「Ｓ１」は第１信号線を、「Ｓ２」は第２信号線を表している。

図１１（Ａ）はメモリセル１１００（１）乃至１１００（ｍ）が直列に接続された、いわゆるＮＡＮＤ型の半導体装置の回路図であり、トランジスタ１１０１（１）乃至１１０１（ｍ）にＯＳトランジスタが用いられている。なお、トランジスタ１１０２（１）乃至１１０２（ｍ）については半導体層として使用する材料に特段の限定はないが、ここではシリコン材料を用いたトランジスタとする。

ＯＳトランジスタはオフ電流が極めて小さく、トランジスタ１１０１（１）乃至１１０１（ｍ）をオフ状態とすることにより、２つのトランジスタおよび容量素子と電気的に接続したフローティングノードＦＮにおいて電荷（データともいえる）を保持できる。よって、図１１（Ａ）の構成を備えるメモリは、長期間にわたってデータを保持できる不揮発性メモリとして機能する。

図１１（Ｂ）は、メモリセル１１１０（１，１）乃至１１１０（ｍ，ｎ）が並列に接続された、いわゆるＮＯＲ型の半導体装置の回路図である。

当該構造においても、トランジスタ１１１１（１，１）乃至１１１１（ｍ，ｎ）としてＯＳトランジスタを用いることにより、フローティングノードＦＮにおいて電荷を保持できる。よって、図１１（Ｂ）の構成を備えるメモリは、長期間にわたってデータを保持できる不揮発性メモリとして機能する。なお、トランジスタ１１１２（１，１）乃至１１１２（ｍ，ｎ）については半導体層として使用する材料に特段の限定はないが、ここではシリコン材料を用いたトランジスタとする。

なお、上述にて、演算処理を行う機能を備えた回路を「演算回路ブロック」などと表現できる、と記載したが、例えば演算回路ブロックとして中央演算処理装置（ＣＰＵ：ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）を想定した場合、ＣＰＵは図１２に示すように、基板１１９０上に、演算回路（ＡＬＵ：Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃｌｏｇｉｃｕｎｉｔ）１１９１、ＡＬＵコントローラ１１９２、インストラクションデコーダ１１９３、インタラプトコントローラ１１９４、タイミングコントローラ１１９５、レジスタ１１９６、レジスタコントローラ１１９７、バスインターフェース（ＢｕｓＩ／Ｆ）１１９８、書き換え可能な記憶装置１１９９、およびＲＯＭインターフェース（ＲＯＭＩ／Ｆ）１１８９など、様々な構成要素を有しており、これらの構成要素が内部に不揮発性データ保持機構を有しているようであれば、当該構成要素の各々を機能ブロックと捉えることもできる。なお、図１２に示すＣＰＵは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のＣＰＵはその用途によって多種多様な構成を有している。

機能ブロックがどのような不揮発性データ保持機構を有している、また、どのような素子や回路構成が組み込まれているかといった詳細については特段の限定はなく、公知技術を参酌すればよい。

図１に示す半導体装置１００において、機能ブロック１０１ａ乃至１０１ｄはそれぞれ、第１のスイッチ素子１０２ａ乃至１０２ｄを介して電源１０６に接続されており、第１のスイッチ素子１０２ａ乃至１０２ｄは制御回路１０５から出力される信号を受けて、導通状態が決定する。

第１のスイッチ素子をオフ状態として当該スイッチ素子と接続された機能ブロックへの電力供給を停止する場合、当該機能ブロックにおいては、再度電力供給を再開した際に電力供給停止直前の状態（例えば、動作状態やデータ保存状態など）を回復できるように、電力供給停止直前の状態を不揮発性データ保持機構に保存する必要がある。電力供給停止直前の状態を不揮発性データ保持機構に保存する方法については特段の限定はなく、公知技術を用いて行えばよい。

なお、図１では半導体装置１００の外部に電源１０６が設置された構造となっているが、電源１０６が半導体装置内部に設置された構造であってもよく、また、電源１０６を自由に取り外せる構造としてもよい。

容量素子１０３は、第２のスイッチ素子１０４ａ乃至１０４ｄを介して機能ブロック１０１ａ乃至１０１ｄに接続されており、第２のスイッチ素子１０４ａ乃至１０４ｄは制御回路１０５から出力される信号を受けて、導通状態が決定する。なお、容量素子１０３は、少なくとも２箇所の機能ブロックに接続されていることが望ましい。これにより、例えば機能ブロック１０１ａの動作が停止した後、機能ブロック１０１ａに蓄えられた不要な電荷（機能ブロック１０１ａの動作に影響を及ぼさない電荷、とも表現できる）を、他の機能ブロックの動作に用いるといったように、各々の機能ブロックの動作状況に応じて、機能ブロック間で電荷を融通し合えるため、半導体装置の消費電力低減効果が高まる。

本明細書に記載の半導体装置は、一方の電極が機能ブロックと第１のスイッチ素子間に接続され、他方の電極が固定電位を供給する配線に接続された容量素子、および容量素子と機能ブロック間に配置された、制御回路により制御可能な第２のスイッチ素子を有する点が、通常の構造とは異なる部分である。

半導体装置が上述の容量素子および第２のスイッチ素子を備えない構造である場合、電源からの電力供給が停止した後において、機能ブロックの内部に蓄えられた電荷（機能ブロックの構成要素である容量素子や、配線交差部分などの容量部（寄生容量）などに蓄えられた電荷）や、第１のスイッチ素子と機能ブロック間の配線に蓄えられた電荷（配線交差部分などの容量部（寄生容量）などに蓄えられた電荷）はＶＳＳを介して放電されるのみであり、半導体装置の動作に何ら寄与しない。

しかし、半導体装置が上述の容量素子および第２のスイッチ素子を備えた構造である場合、第１のスイッチ素子がオフ状態となった後、第２のスイッチ素子をオン状態とすることで、上述の機能ブロックの内部や配線に蓄えられた電荷の少なくとも一部を容量素子１０３に供給し、その後、第２のスイッチ素子をオフ状態とすることにより、容量素子１０３にて当該電荷を保持できる。

そして、非動作状態にある機能ブロックを動作状態とするために第１のスイッチ素子をオン状態として電源１０６から電力を供給する前に、第２のスイッチ素子をオン状態とし、容量素子１０３に蓄えられた電荷を、これから動作状態とする機能ブロックに供給して機能ブロックの電圧を予め高めておく。これにより、第１のスイッチ素子をオン状態とした後、少ない電力供給量で機能ブロックを動作電圧にまで高めることができるため、半導体装置の消費電力を削減できる。

また、本明細書等に記載の半導体装置は、容量素子１０３を複数の機能ブロックで共有しており、例えば動作不要となった機能ブロック１０１ａの電荷を、これから動作状態とする機能ブロック１０１ｄに供給するといったように、複数の機能ブロック間で電荷のやりとりを行えるため、半導体装置の消費電力を効果的に削減できる。

なお、図１では容量素子１０３は１つのみであるが、容量素子１０３の個数に特段の限定はない。

制御回路１０５は、半導体装置１００の動作状況を鑑み、第１のスイッチ素子１０２ａ乃至１０２ｄおよび第２のスイッチ素子１０４ａ乃至１０４ｄに対して、各々の動作状態を決定する信号を出力する。

なお、制御回路を複数設け、例えば第１のスイッチ素子１０２ａ乃至１０２ｄのみに信号を出力する制御回路、第２のスイッチ素子１０４ａ乃至１０４ｄのみに信号を出力する制御回路といったように、機能を分割してもよい。

＜半導体装置の動作方法＞
次に、図２乃至図４を用いて、図１に示す半導体装置の動作方法（動作フローともいえる）を説明する。

なお、以下の説明では、半導体装置１００が「必要な部分（機能ブロック）だけを動作させる」という処理を繰り返し行う半導体装置であることを分かり易く説明するため、まず（１）機能ブロック１０１ａおよび１０１ｃのみを動作（および停止）させ、次に（２）機能ブロック１０１ｂおよび１０１ｄのみを動作させるという処理を行う場合についての説明を行い、当該動作により半導体装置１００にはどのような消費電力低減効果があるかについて説明を行う。

≪機能ブロック動作工程１≫
電源１０６を起動することで制御回路１０５に対して電力供給が行われ、制御回路１０５から第１のスイッチ素子１０２ａおよび１０２ｃに対して、それぞれスイッチ素子をオン状態とする信号が出力される。また、制御回路１０５から第１のスイッチ素子１０２ｂおよび１０２ｄならびに、第２のスイッチ素子１０４ａ乃至１０４ｃに対して、それぞれスイッチ素子をオフ状態とする信号が出力される。

上述信号により第１のスイッチ素子１０２ａおよび１０２ｃがオン状態となり機能ブロックに電力供給が行われる。そして、機能ブロック１０１ａおよび１０１ｃは、動作電圧に達した時点で動作を開始する（図２（Ａ）参照）。なお、図中では、動作している機能ブロックには斜線を記入している。また、本明細書の図面において、矢印が記載されているスイッチ素子は、制御回路１０５から出力された「スイッチ素子をオン状態とする信号」が入力されていることを表すものである。

機能ブロック１０１ａおよび１０１ｃの内部には、構成要素の一部として複数の容量素子が備えられており、また、配線交差部が容量（寄生容量）として機能するなど多くの容量部（容量素子）が存在しているため、機能ブロック動作時には当該容量部（容量素子）に電荷が蓄えられた状態となっているといえる。また、機能ブロック１０１ａと第１のスイッチ素子１０２ａ間の配線や、機能ブロック１０１ｃと第１のスイッチ素子１０２ｃ間の配線においても、配線交差部などに電荷が蓄えられた状態となっている。

≪機能ブロック停止工程≫
次に、制御回路１０５から第１のスイッチ素子１０２ａおよび１０２ｃをオフ状態とする信号を出力して、第１のスイッチ素子１０２ａおよび１０２ｃをオフ状態とし、機能ブロック１０１ａおよび１０１ｃの動作を停止する（図２（Ｂ）参照）。

この際、機能ブロック１０１ａおよび１０１ｃに蓄えられた電荷、機能ブロック１０１ａと第１のスイッチ素子１０２ａ間の配線に蓄えられた電荷、機能ブロック１０１ｃと第１のスイッチ素子１０２ｃ間の配線に蓄えられた電荷は、第１のスイッチ素子１０２ａおよび１０２ｃをオフ状態とした瞬間に無くなるものではなく、経時的にＶＳＳから流れ出る（放電する、ともいえる）。

なお、機能ブロック１０１ａおよび１０１ｃのいずれか又は両方が、電力供給が停止してもデータを保持できる不揮発性のデータ保持機構を内部に備えた構造である場合、機能ブロックが非動作状態となる前（停止する前）に、非動作状態となる直前の状態（例えば、動作状態や保持データなど）を不揮発性データ保持機構に書き込む処理を行うことが好ましい。これにより、非動作状態とした機能ブロックの動作を再開させる際に、不揮発性データ保持機構に書き込んだデータを再度読み出すことにより、当該データを用いて非動作状態となる直前の状態に素早く復帰できるため、半導体装置の動作速度を高めることができる。

≪容量素子充電工程≫
上述の、動作機能ブロック停止後に経時的にＶＳＳから流れ出てしまう電荷は、半導体装置１００の動作に何ら寄与しない無駄な電荷であるといえる。そこで、当該電荷を利用するために、次に第２のスイッチ素子１０４ａおよび１０４ｃをオン状態とする信号を制御回路１０５から出力し、第２のスイッチ素子１０４ａおよび１０４ｃをオン状態とする。これにより、機能ブロック１０１ａおよび１０１ｃに蓄えられた電荷が容量素子１０３に供給される（図３（Ａ）参照）。

なお、第２のスイッチ素子１０４ａおよび１０４ｃは、第１のスイッチ素子１０２ａおよび１０２ｃがオフ状態となった後に（好ましくは、オフ状態となると同時に）オン状態とすることが好ましい。これは、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子が共に導通状態になっていると、機能ブロックに供給されるべき電力が容量素子１０３に流れてしまい、機能ブロックの動作を阻害する恐れがあるためである。

その後、制御回路１０５から第２のスイッチ素子１０４ａおよび１０４ｃをオフ状態とする信号を出力して、第２のスイッチ素子１０４ａおよび１０４ｃをオフ状態とすることにより、容量素子１０３にて電荷が保持される。

≪機能ブロック充電工程≫
機能ブロック１０１ａおよび１０１ｃの動作を停止した後、次に機能ブロック１０１ｂおよび１０１ｄを動作させるのだが、ここで、電源１０６から機能ブロック１０１ｂおよび１０１ｄに電力供給を行う前に、まず、制御回路１０５から第２のスイッチ素子１０４ｂおよび１０４ｄをオン状態とする信号を出力して第２のスイッチ素子１０４ｂおよび１０４ｄをオン状態とし、上述の工程にて容量素子１０３に蓄えられた電荷を機能ブロック１０１ｂおよび１０１ｄに供給する（図３（Ｂ）参照）。

これにより機能ブロック１０１ｂおよび１０１ｄの電圧が高められる。容量素子１０３からの電荷供給により機能ブロックの電圧がどの程度高められるかについては、容量素子１０３に蓄えられた電荷によって異なり、また、容量素子からの電荷供給は、機能ブロックの高電位電源線に加わる電位と容量素子の一方の電極に加わる電位が等しくなった時点で停止する。

なお、図３（Ｂ）の機能ブロック１０１ｂおよび１０１ｄに記載された幅広の斜め斜線は、容量素子１０３から電荷が供給された分だけ電圧が高まっている（動作電圧には至っていない）ことを表現しているものである。

また、本実施の形態では、容量素子１０３に蓄えられた電荷が２つの機能ブロック（機能ブロック１０１ｂおよび１０１ｄ）に供給される説明を記載したが、さらに多くの機能ブロックに対して同時に電荷供給を行ってもよい。

≪機能ブロック動作工程２≫
次に、制御回路１０５から第１のスイッチ素子１０２ｂおよび１０２ｄをオン状態とする信号を出力して、第１のスイッチ素子１０２ｂおよび１０２ｄをオン状態とし、電源１０６から機能ブロック１０１ｂおよび１０１ｄに対して電力供給を行う（図４参照）。

機能ブロック１０１ｂおよび１０１ｄは、上述の機能ブロック充電工程により電圧が高まっているため、より少ない電力供給（電源１０６からの電力供給）により機能ブロック１０１ｂおよび１０１ｄを動作状態とできる。したがって、半導体装置１００の消費電力を低減することができる。

なお、第１のスイッチ素子１０２ｂおよび１０２ｄをオン状態とする前に、第２のスイッチ素子１０４ｂおよび１０４ｄをオフ状態としておくことが好ましい。これは、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子が共に導通状態になると、機能ブロックに供給されるべき電力が容量素子１０３に流れてしまい、機能ブロックを動作させるためにより多くの電力が使われてしまう恐れがあるからである。

また、機能ブロック１０１ｂおよび１０１ｄのいずれか又は両方が、内部に電力供給が停止してもデータを保持できる不揮発性のデータ保持機構を備えた構造であり、不揮発性データ保持機構に非動作状態となる直前の状態（例えば、動作状態や保持データなど）が書き込まれている場合は、機能ブロック動作工程２において、当該データの読み出しを優先的に行うことが好ましい。当該データの読み出しにより、機能ブロックを非動作状態となる直前の状態に素早く復帰させることで、半導体装置の動作速度を高めることができる。

なお、上述では機能ブロック動作工程２において、不揮発性データ保持機構に書き込まれたデータの読み出しを行う旨の説明を記載したが、機能ブロック充電工程において既に不揮発性データ保持機構の動作が可能な状態である場合、機能ブロック充電工程中に不揮発性データ保持機構から機能ブロックにデータの読み出しを行ってもよい。

以上の工程が、（１）機能ブロック１０１ａおよび１０１ｃのみを動作（および停止）させ、次に（２）機能ブロック１０１ｂおよび１０１ｄのみを動作させる処理の説明である。以降の工程についても、上述の各工程（機能ブロック停止工程、容量素子充電工程、機能ブロック充電工程、および機能ブロック動作工程）を用いて、必要な機能ブロックのみを選択的に動作させることにより、半導体装置１００の消費電力を低減させることができる。

（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１とは異なる構造の半導体装置について、図５を用いて説明するとともに、当該半導体装置の動作方法について図６および図７を用いて説明する。

＜半導体装置の構成例＞
図５は、本明細書等に記載の効果を有する、実施の形態１とは異なる半導体装置の一例を示すブロック図である。半導体装置５００は、機能ブロック１０１ａ乃至１０１ｄと、機能ブロック１０１ａ乃至１０１ｄと電気的に接続され、機能ブロックの各々への電力供給状態を決定する第１のスイッチ素子１０２ａ乃至１０２ｄと、一方の電極が機能ブロックと第１のスイッチ素子間に接続され、他方の電極が固定電位を供給する配線に接続された容量素子１０３と、機能ブロックと容量素子１０３間に配置され、機能ブロックと容量素子間の導通状態を決定する第２のスイッチ素子１０４ａ乃至１０４ｄと、第１のスイッチ素子１０２ａ乃至１０２ｄおよび第２のスイッチ素子１０４ａ乃至１０４ｄの各々の導通状態を決定する制御回路１０５と、機能ブロックの高電位電源線に加わる電位と容量素子の一方の電極に加わる電位を比較し、比較結果（又は比較結果に基づいた動作指示）を制御回路１０５に出力する電位比較部５０２を備えている。なお、半導体装置５００の備える機能ブロック１０１ａ乃至１０１ｄおよび制御回路１０５には、電源１０６から電力が供給されている。

本実施の形態に記載の半導体装置は、各々の機能ブロック、容量素子１０３および制御回路１０５と電気的に接続された電位比較部５０２を備えていることが、実施の形態１に記載の半導体装置の構造とは異なっている。

電位比較部５０２を備えない実施の形態１に記載の半導体装置の場合、例えば、容量素子充電工程（実施の形態１参照）において、容量素子１０３の一方の電極の電位が機能ブロック１０１ａの高電位電源線の電位よりも高い場合、容量素子１０３から機能ブロック１０１ａに対して電荷が供給されてしまうといったように、意図しない電荷供給が生じる恐れがある。

これに対し本実施の形態の半導体装置５００では、容量素子充電工程において、電位比較部５０２で機能ブロック１０１ａの高電位電源線の電位より容量素子１０３の一方の電極の電位が低いと判断された場合のみ、第２のスイッチ素子１０４ａをオン状態とする信号を電位比較部５０２から制御回路１０５に出力して第２のスイッチ素子１０４ａをオン状態にする（つまり、電位比較部５０２で機能ブロック１０１ａの高電位電源線の電位より容量素子１０３の一方の電極の電位が高いと判断された場合、容量素子充電工程をキャンセルする）ことができる。これにより、上述のような意図しない電荷供給の発生を防止できる。

また、電位比較部５０２を備えない実施の形態１に記載の半導体装置の場合、例えば、機能ブロック充電工程（実施の形態１参照）において、機能ブロック１０１ａの高電位電源線の電位が容量素子１０３の一方の電極の電位よりも高い場合、機能ブロック１０１ａから容量素子１０３に対して電荷が供給されてしまうといったように、意図しない電荷供給が生じる恐れがある。

これに対し本実施の形態の半導体装置５００では、機能ブロック充電工程において、電位比較部５０２で容量素子１０３の一方の電極の電位より機能ブロック１０１ａの高電位電源線の電位が低いと判断された場合のみ、第２のスイッチ素子１０４ａをオン状態とする信号を電位比較部５０２から制御回路１０５に出力して第２のスイッチ素子１０４ａをオン状態にする（つまり、電位比較部５０２で容量素子１０３の一方の電極の電位より機能ブロック１０１ａの高電位電源線の電位が高いと判断された場合、機能ブロック充電工程をキャンセルする）ことができる。これにより、上述のような意図しない電荷供給の発生を防止できる。

なお、電位比較部５０２については、機能ブロックの高電位電源線の電位および容量素子１０３の一方の電極の電位、ならびに両者の電位差を測定できる構成であれば、その構成に特段の限定はなく、公知の技術を用いて構成すればよい。

＜半導体装置の動作方法＞
次に、図６および図７を用いて、図５に示す半導体装置の動作方法（動作フローともいえる）を説明する。

本実施の形態においても実施の形態１と同様に、まず（１）機能ブロック１０１ａおよび機能ブロック１０１ｃのみを動作（および停止）させ、次に（２）機能ブロック１０１ｂおよび１０１ｄのみを動作させるという処理を行った場合についての説明、および当該動作により半導体装置５００にはどのような消費電力低減効果があるかについての説明を行う。

≪機能ブロック動作工程および機能ブロック停止工程≫
まず、実施の形態１に記載の、機能ブロック動作工程１を行い、機能ブロック１０１ａおよび１０１ｃに電力供給を行った後、実施の形態１に記載の、機能ブロック停止工程を行い、機能ブロック１０１ａおよび１０１ｃの動作を停止する（図６（Ａ）参照）。

この際、機能ブロック１０１ａおよび１０１ｃ、機能ブロック１０１ａと第１のスイッチ素子１０２ａ間の配線、ならびに機能ブロック１０１ｃと第１のスイッチ素子１０２ｃ間の配線には電荷が蓄えられ、当該電荷は経時的にＶＳＳから流れ出る。

≪容量素子充電工程≫
次に、実施の形態１にて記載したように、動作を停止した機能ブロックに蓄えられた電荷を、容量素子１０３に供給する。

しかしながら、機能ブロックから容量素子への電荷供給（容量素子充電工程）を行うにあたり、容量素子１０３の一方の電極の電位が各機能ブロックの高電位電源線の電位より高い場合、容量素子１０３から各機能ブロックに電荷が流入してしまう。このため、容量素子の充電工程を行うことで容量素子１０３の一方の電極の電位を逆に下げてしまうことになる。

上記現象を防止するため、本実施の形態の容量素子充電工程では、まず電位比較部５０２により、停止処理が行われた機能ブロックである、機能ブロック１０１ａの高電位電源線に加わる電位（以下、本明細書等においてＶ１ａと記載する）および機能ブロック１０１ｃの高電位電源線に加わる電位（以下、本明細書等においてＶ１ｃと記載する）、ならびに容量素子１０３の一方の電極に加わる電位（以下、本明細書等においてＶ３と記載する）を測定する。

そして、高電位電源線に加わる電位の方が容量素子の一方の電極に加わる電位より大きい機能ブロックについては、当該機能ブロックに接続された第２のスイッチ素子をオン状態とする。これにより、当該機能ブロックから容量素子に対して電荷の供給が行われる。例えば、機能ブロック１０１ａ、機能ブロック１０１ｃおよび容量素子１０３において、「Ｖ１ａ＞Ｖ３」および「Ｖ１ｃ＜Ｖ３」という関係にある場合、図６（Ｂ）に示すように、第２のスイッチ素子１０４ａのみがオン状態となり、機能ブロック１０１ａのみから容量素子１０３に対して電荷供給が行われる。

このように、容量素子充電工程において、機能ブロックの高電位電源線に加わる電位と容量素子の一方の電極に加わる電位を比較して容量素子から機能ブロックへの電荷の逆流が生じないようにすることで、容量素子１０３への電荷の蓄積を効率的に行うことができる。したがって、半導体装置５００の消費電力低減につながる。

その後、制御回路１０５から、第２のスイッチ素子１０４ａをオフ状態とする信号を出力して第２のスイッチ素子１０４ａをオフ状態とすることにより、機能ブロック１０１ａから供給された電荷が容量素子１０３にて保持される。

≪機能ブロック充電工程≫
機能ブロック１０１ａおよび１０１ｃの動作を停止した後、実施の形態１にて記載したように、少ない電力供給（電源１０６からの電力供給）で機能ブロック１０１ｂおよび１０１ｄを動作させることができるように、容量素子１０３に蓄えられた電荷を予め機能ブロック１０１ｂおよび１０１ｄに供給する。

しかしながら、容量素子１０３から各機能ブロックへの電荷供給（機能ブロック充電工程）を行うにあたり、機能ブロックの高電位電源線の電位が容量素子１０３の一方の電極の電位より高い場合、機能ブロックから容量素子１０３に電荷が流入してしまう。このため、機能ブロック充電工程を行うことで機能ブロック１０１ｂの高電位電源線の電位を逆に下げてしまうことになる。

上記現象を防止するため、本実施の形態の機能ブロック充電工程では、まず電位比較部５０２により、動作を開始する機能ブロックである、機能ブロック１０１ｂおよび１０１ｄの高電位電源線に加わる電位（以下、それぞれ電位Ｖ１ｂおよびＶ１ｄと記載する）、および容量素子１０３の一方の電極に加わる電位（Ｖ３）を測定する。

そして、高電位電源線に加わる電位の方が容量素子の一方の電極に加わる電位より小さい機能ブロックについては、当該機能ブロックに接続された第２のスイッチ素子をオン状態とする。これにより、容量素子から当該機能ブロックに対して電荷の供給が行われる。例えば、機能ブロック１０１ｂ、機能ブロック１０１ｄおよび容量素子１０３において、「Ｖ１ｂ＜Ｖ３」および「Ｖ１ｄ＞Ｖ３」という関係にある場合、図７（Ａ）に示すように、第２のスイッチ素子１０４ｂのみがオン状態となり、容量素子１０３から機能ブロック１０１ｂに対して電荷供給が行われる。また、容量素子から供給される電荷は、機能ブロックの高電位電源線の電位と容量素子の一方の電極の電位が等しくなった時点で供給を停止する。

このように、機能ブロック充電工程において、機能ブロックの高電位電源線に加わる電位と容量素子の一方の電極に加わる電位を比較して機能ブロックから容量素子への電荷の逆流が生じないようにすることで、機能ブロックに蓄えられた電荷を減らしてしまうことがない。このため、半導体装置５００の消費電力低減につながる。

これにより機能ブロック１０１ｂおよび１０１ｄの電圧が高められる。容量素子１０３からの電荷供給により機能ブロックの電圧がどの程度高められるかについては、容量素子１０３に蓄えられた電荷によって異なり、また、容量素子から供給される電荷は、機能ブロックの高電位電源線の電位と容量素子の一方の電極の電位が等しくなった時点で停止する。

なお、図７（Ａ）の機能ブロック１０１ｂに記載された幅広の斜め斜線は、容量素子１０３から電荷が供給された分だけ機能ブロック１０１ｂの電圧が高まっている（動作電圧には至っていない）ことを表現しているものである。また、図７（Ａ）の機能ブロック１０１ｄに記載された、機能ブロック１０１ｂより幅の狭い斜線は、機能ブロック１０１ｄの高電位電源線の電位が容量素子の一方の電極の電位（Ｖ３）より高く、容量素子１０３からの電荷供給が行われなくとも、機能ブロックには多くの電荷が溜まっていることを表現しているものである。

また、本実施の形態では、容量素子１０３に蓄えられた電荷が１つの機能ブロック（機能ブロック１０１ｂ）のみに供給される説明を記載したが、さらに多くの機能ブロックに対して同時に電荷供給を行ってもよい。

≪機能ブロックの動作工程２≫
次に、実施の形態１に記載の機能ブロックの動作工程２と同様の方法で、電源１０６から機能ブロック１０１ｂおよび１０１ｄに対して電力供給を行う（図４参照）。

機能ブロック１０１ｂは、上述の機能ブロック充電工程により電圧が高まっているため、より少ない電力供給（電源１０６からの電力供給）により機能ブロック１０１ｂを動作状態とできる。また、機能ブロック１０１ｄについても、少なくとも容量素子の一方の電極の電位より高電位電源線の電位が高い状態となっているため、より少ない電力供給（電源１０６からの電力供給）により機能ブロック１０１ｄを動作状態とできる。したがって、半導体装置５００の消費電力を低減することができる。

以上の工程が、（１）機能ブロック１０１ａおよび１０１ｃのみを動作（および停止）させ、次に（２）機能ブロック１０１ｂおよび１０１ｄのみを動作させる処理の説明である。以降の工程についても、上述の各工程（機能ブロック停止工程、容量素子充電工程、機能ブロック充電工程、および機能ブロック動作工程）を用いて、必要な機能ブロックのみを選択的に動作させればよい。

上述のように、半導体装置を、各々の機能ブロック、容量素子１０３および制御回路１０５と電気的に接続された電位比較部５０２を備えた構造とすることにより、容量素子充電工程における容量素子１０３から各機能ブロックへの電荷の逆流、機能ブロックの充電工程における各機能ブロックから容量素子１０３への電荷の逆流を防止できるため、半導体装置の消費電力低減効果をより高めることができる。

なお、本実施の形態では、機能ブロック１０１ａ乃至１０１ｄが全て同一の電源に接続された構造（機能ブロック１０１ａ乃至１０１ｄの高電位電源線が全て同一の電源に接続されている、とも表現できる）の半導体装置についての記載を行ったが、勿論このような構造に限定されることはなく、例えば図１３（Ａ）のように、制御回路１０５が電源１０６ａに接続され、機能ブロック１０１ａおよび１０１ｂの高電位電源線は電源１０６ｂに接続され、機能ブロック１０１ｃおよび１０１ｄの高電位電源線は、電源１０６ｃと接続される、といったように、機能ブロックの高電位電源線や制御回路がそれぞれ異なる電位を有する電源に接続されていてもよい。

機能ブロックは、その種類や構成規模により、高電位電源線に印加される電位が大きく異なる。例えば、機能ブロック１０１ａおよび１０１ｂが中央演算処理装置であり、機能ブロック１０１ｃおよび１０１ｄがそれぞれ、機能ブロック１０１ａおよび１０１ｂのキャッシュメモリである場合、機能ブロック１０１ａおよび１０１ｂの動作に必要な電位と機能ブロック１０１ｃおよび１０１ｄの動作に必要な電位は大きく異なるため、それぞれ異なる電源を用いることが好ましい。

上述のように異なる電源を用いた場合（特に、両者の電位が大きく異なる場合）、図６（Ｂ）の機能ブロック１０１ｃのように、容量素子の充電工程において容量素子の一方の電極に加わる電位が機能ブロックの高電位電源線に加わる電位より高いため、容量素子に対して電荷供給ができない、または、図７（Ａ）の機能ブロック１０１ｄのように、機能ブロックの充電工程において機能ブロックの高電位電源線に加わる電位が容量素子の一方の電極に加わる電位より高いため、機能ブロックに対して電荷供給ができない、といった現象が発生しやすい。

したがって、当該実施の形態にて説明した構造および方法（電位比較部を用いて機能ブロックの高電位電源線に加わる電位と容量素子の一方の電極に加わる電位の比較を行い、比較結果に基づいて第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子の導通状態を決定する）を用いることが極めて有効である。

また、図１３（Ｂ）に示すように、各機能ブロックの高電位電源線が別々の電源（電源１０６ｂ乃至１０６ｅ）に接続された構造であっても、本実施の形態にて説明した構造および方法は、極めて有効であるといえる。

また、図１４のように、１つの機能ブロックに複数の高電位電源線が接続された構造であっても、本実施の形態にて説明した構造および方法は、極めて有効であるといえる。

（実施の形態３）
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器（遊技機も含む）に適用することができる。電子機器としては、テレビ、モニタ等の表示装置、照明装置、デスクトップ型或いはノート型のパーソナルコンピュータ、ワードプロセッサ、ＤＶＤ（ＤｉｇｉｔａｌＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｃ）などの記録媒体に記憶された静止画または動画を再生する画像再生装置、ポータブルＣＤプレーヤ、ラジオ、テープレコーダ、ヘッドホンステレオ、ステレオ、コードレス電話子機、トランシーバ、携帯無線機、携帯電話、自動車電話、携帯型ゲーム機、電卓、携帯情報端末、電子手帳、電子書籍、電子翻訳機、音声入力機器、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、電気シェーバ、電子レンジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器、電気洗濯機、電気掃除機、エアコンディショナーなどの空調設備、食器洗い器、食器乾燥機、衣類乾燥機、布団乾燥機、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、電気冷凍冷蔵庫、ＤＮＡ保存用冷凍庫、煙感知器、放射線測定器、透析装置等の医療機器、などが挙げられる。さらに、誘導灯、信号機、ベルトコンベア、エレベータ、エスカレータ、産業用ロボット、電力貯蔵システム等の産業機器も挙げられる。また、石油を用いたエンジンや、非水系二次電池からの電力を用いて電動機により推進する移動体なども、電子機器の範疇に含まれるものとする。上記移動体として、例えば、電気自動車（ＥＶ）、内燃機関と電動機を併せ持ったハイブリッド車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ）、これらのタイヤ車輪を無限軌道に変えた装軌車両、電動アシスト自転車を含む原動機付自転車、自動二輪車、電動車椅子、ゴルフ用カート、小型または大型船舶、潜水艦、ヘリコプター、航空機、ロケット、人工衛星、宇宙探査機や惑星探査機、宇宙船が挙げられる。これらの電子機器の具体例を図８に示す。

図８（Ａ）において、室内機３３００および室外機３３０４を有するエアコンディショナーは、上述実施の形態に記載した半導体装置を備える電子機器の一例である。具体的には、室内機３３００は、筐体３３０１、送風口３３０２、半導体装置３３０３等を有している。図８（Ａ）において、半導体装置３３０３が、室内機３３００に設けられている場合を例示しているが、半導体装置３３０３は室外機３３０４に設けられていてもよい。或いは、室内機３３００と室外機３３０４の両方に、半導体装置３３０３が設けられていてもよい。半導体装置３３０３は、上述実施の形態にて記載した、動作を停止した機能ブロックから容量素子に対して電荷を供給する機能、および動作を開始する前の機能ブロックに対して容量素子から電荷を供給する機能を備えた半導体装置であり、エアコンディショナーの動作状況に応じて機能ブロックの動作状況を調整する際に、動作に寄与しない電荷を再利用することができるため、半導体装置の消費電力を低減できる。したがって、エアコンディショナーの消費電力を低減できる。

図８（Ａ）において、電気冷凍冷蔵庫３３１０は、上述実施の形態に記載した半導体装置を備える電子機器の一例である。具体的には、電気冷凍冷蔵庫３３１０は、筐体３３１１、冷蔵室用扉３３１２、冷凍室用扉３３１３、野菜室用扉３３１４、筐体３３１１内部に設けられた半導体装置３３１５等を有している。半導体装置３３１５は、上述実施の形態にて記載した、動作を停止した機能ブロックから容量素子に対して電荷を供給する機能、および動作を開始する前の機能ブロックに対して容量素子から電荷を供給する機能を備えた半導体装置であり、電気冷凍冷蔵庫３３１０の動作状況に応じて機能ブロックの動作状況を調整する際に、動作に寄与しない電荷を再利用することができるため、半導体装置の消費電力を低減できる。したがって、電気冷凍冷蔵庫３３１０の消費電力を低減できる。

図８（Ａ）において、映像表示装置３３２０は、上述実施の形態に記載した半導体装置を備える電子機器の一例である。具体的には、映像表示装置３３２０は、筐体３３２１、表示部３３２２、筐体３３２１内部に設けられた半導体装置３３２３等を有している。半導体装置３３２３は、上述実施の形態にて記載した、動作を停止した機能ブロックから容量素子に対して電荷を供給する機能、および動作を開始する前の機能ブロックに対して容量素子から電荷を供給する機能を備えた半導体装置であり、映像表示装置３３２０の動作状況に応じて機能ブロックの動作状況を調整する際に、動作に寄与しない電荷を再利用することができるため、半導体装置の消費電力を低減できる。したがって、映像表示装置３３２０の消費電力を低減できる。

図８（Ｂ）において、電子機器の一例である電気自動車の例を示す。電気自動車３３３０には、二次電池３３３１が搭載されている。二次電池３３３１の電力は、制御装置３３３２により出力が調整されて、駆動装置３３３３に供給される。制御装置３３３２はＲＯＭ（図示しない）、ＲＡＭ（図示しない）、半導体装置（図示しない）等を有しており、当該半導体装置は、上述実施の形態にて記載した、動作を停止した機能ブロックから容量素子に対して電荷を供給する機能、および動作を開始する前の機能ブロックに対して容量素子から電荷を供給する機能を備えた半導体装置であり、電気自動車の走行状況や周囲の環境等に応じて機能ブロックの動作状況を調整する際に、動作に寄与しない電荷を再利用することができるため、半導体装置の消費電力を低減できる。したがって、制御装置３３３２の消費電力を低減でき、電気自動車３３３０の消費電力を低減できる。

本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。

１００半導体装置
１０１ａ機能ブロック
１０１ｂ機能ブロック
１０１ｃ機能ブロック
１０１ｄ機能ブロック
１０２ａ第１のスイッチ素子
１０２ｂ第１のスイッチ素子
１０２ｃ第１のスイッチ素子
１０２ｄ第１のスイッチ素子
１０３容量素子
１０４ａ第２のスイッチ素子
１０４ｂ第２のスイッチ素子
１０４ｃ第２のスイッチ素子
１０４ｄ第２のスイッチ素子
１０５制御回路
１０６電源
１０６ａ電源
１０６ｂ電源
１０６ｃ電源
１０６ｄ電源
１０６ｅ電源
１１０配線
５００半導体装置
５０２電位比較部
１０００半導体装置
１００１ａ機能ブロック
１００１ｂ機能ブロック
１００１ｃ機能ブロック
１００１ｄ機能ブロック
１００２ａスイッチ素子
１００２ｂスイッチ素子
１００２ｃスイッチ素子
１００２ｄスイッチ素子
１００５制御回路
１００６電源
１０１０配線
１１００メモリセル
１１０１トランジスタ
１１０２トランジスタ
１１１０メモリセル
１１１１トランジスタ
１１１２トランジスタ
１１８９ＲＯＭインターフェース
１１９０基板
１１９１演算回路
１１９２ＡＬＵコントローラ
１１９３インストラクションデコーダ
１１９４インタラプトコントローラ
１１９５タイミングコントローラ
１１９６レジスタ
１１９７レジスタコントローラ
１１９８バスインターフェース
１１９９記憶装置
３３００室内機
３３０１筐体
３３０２送風口
３３０３半導体装置
３３０４室外機
３３１０電気冷凍冷蔵庫
３３１１筐体
３３１２冷蔵室用扉
３３１３冷凍室用扉
３３１４野菜室用扉
３３１５半導体装置
３３２０映像表示装置
３３２１筐体
３３２２表示部
３３２３半導体装置
３３３０電気自動車
３３３１二次電池
３３３２制御装置
３３３３駆動装置

Claims

パワーゲーティング可能な第１及び第２の機能ブロックと、
前記第１の機能ブロックへの電力供給状態を制御する第１のスイッチ素子と、
前記第２の機能ブロックへの電力供給を制御する第２のスイッチ素子と、
第１の端子が前記第１のスイッチ素子と前記第１の機能ブロックとの間に電気的に接続され、第２の端子が容量素子の一方の電極に電気的に接続される第３のスイッチ素子と、
第１の端子が前記第２のスイッチ素子と前記第２の機能ブロックとの間に電気的に接続され、第２の端子が前記容量素子の前記一方の電極に電気的に接続される第４のスイッチ素子と、
前記第１乃至前記第４のスイッチ素子の導通状態を制御する制御回路と、
電位比較部と、を有し、
前記第１のスイッチ素子により前記第１の機能ブロックへの電力供給が停止した後に、前記第３のスイッチ素子が導通状態となることで、前記容量素子に対して第１の電荷供給が行われ、
前記第１の電荷供給の後、前記第４のスイッチ素子が導通状態となることで、前記容量素子から前記第２の機能ブロックに第２の電荷供給が行われ、
前記第２の電荷供給の後、前記第２のスイッチ素子により前記第２の機能ブロックに電力供給が行われ、
前記電位比較部は、前記第１の電荷供給の前に、前記第３のスイッチ素子の前記第１の端子の電位と、前記第３のスイッチ素子の前記第２の端子の電位とを比較する機能を有し、
前記電位比較部は、前記第２の電荷供給の前に、前記第４のスイッチ素子の前記第１の端子の電位と、前記第４のスイッチ素子の前記第２の端子の電位とを比較する機能を有することを特徴とする半導体装置。
請求項１において、
前記第１の機能ブロックはデータ保持機構を有することを特徴とする半導体装置。
請求項１または請求項２に記載の半導体装置を有することを特徴とする電子機器。