KR100633826B1

KR100633826B1 - 온-다이 전압 미분기 설계를 위한 동적인 전압 스케일링스킴

Info

Publication number: KR100633826B1
Application number: KR1020047014300A
Authority: KR
Inventors: 케빈 장; 리큉 웨이
Original assignee: 인텔 코오퍼레이션
Priority date: 2002-03-11
Filing date: 2003-02-14
Publication date: 2006-10-13
Also published as: EP1483788B1; WO2003079433A3; KR20040093132A; AU2003222222A8; TWI283095B; EP1483788A2; CN1647272B; US6992405B2; US20030168915A1; AU2003222222A1; WO2003079433A2; TW200404396A; CN1647272A

Abstract

일실시예에 따르면, 집적 회로가 개시된다. 이 집적 회로는 복수의 회로 블럭을 포함한다. 각 회로 블럭은 회로 블럭에 대한 국부 전원을 생성하는 전압 미분기를 포함한다.

직접 회로, IC, 전압 미분기, 국부 전원, 전압 스케일링, 대기 모드

Description

온-다이 전압 미분기 설계를 위한 동적인 전압 스케일링 스킴{A DYNAMIC VOLTAGE SCALING SCHEME FOR AN ON-DIE VOLTAGE DIFFERENTIATOR DESIGN}

<저작권 표시>

본 발명은 집적 회로에 관한 것이며, 보다 구체적으로는, 집적 회로 상에서 다수의 전원 전압을 생성하는 것에 관련된 것이다.

최근, 전력 소모가 고성능 컴퓨터 시스템에서 중요한 관심사가 되고 있다. 결과적으로, 현재의 VLSI(very large scale integration) 시스템에서 저전력 설계가 중요해졌다. 집적 회로(IC)에서 전력 낭비를 줄이기 위한 가장 효과적인 방법은 IC에서 전원 전압(Vcc)를 줄이는 것이다.

고성능과 저전력을 동시에 얻기 위하여, 다중 Vcc 설계와 다양한 기술들이 개발되었다. 그러나, 패키징과 라우팅의 고비용때문에, 종래의 오프칩(off-chip) 전압 조절기를 사용하여 다중 Vcc 설계를 하는 것은 일반적으로 어렵다.

본 발명은 이하의 상세한 설명과 본 발명의 다양한 실시예들의 첨부 도면들로부터 보다 완전히 이해될 수 있을 것이다. 그러나, 이 도면들은 발명을 그러한 특정 실시예로 한정하는 것으로 생각되어서는 안되며, 설명과 이해를 위한 것으로만 취급되어야 한다.

도 1은 집적 회로의 일실시예의 블럭도이다.

도 2는 회로 블럭의 일실시예의 블럭도이다.

도 3은 전압 미분기(voltage differentiator)의 일실시예를 도시한다.

도 4는 기준 전압 선택기(reference voltage selector)의 일실시예를 도시한다.

도 5는 선형 전압 조절기(linear voltage regulator)의 일실시예를 도시한다.

온-다이 전압 미분기를 사용하여 집적 회로(IC) 상의 하나 이상의 회로 블럭들에서 전압을 동적으로 스케일링하는 메카니즘이 기술된다. 이하의 설명에서, 많은 세부사항들이 제시된다. 그러나, 본 기술분야에서 숙련된 자에게는 본 발명이 그러한 특정 세부사항 없이도 실시될 수 있다는 것이 명백할 것이다. 다른 실시예에서, 본 발명을 모호하게 하는 것을 피하기 위하여, 공지의 구조들과 장치들은 상세히 도시하기 보다는 블럭도로 도시하였다.

명세서에서 "일실시예" 또는 "실시예"란 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되는 실시예와 관련하여 기술된 특정 기능, 구조, 또는 특징을 의미한다. 본 명세서의 여러 위치에서 "일실시예에서"라는 어구가 출현하는데, 이는 반드시 모두 동일한 실시예를 가르키는 것은 아니다.

도 1은 IC(100)의 일실시예의 블럭도이다. 일실시예에 따르면, IC(100)는 25개의 회로 블럭들(110)로 구획된다. 다른 실시예에서, 각 회로 블럭(110)은 전압 미분기(120)를 포함한다. 각 전압 미분기(120)는 외부 전원(Vcc_global)으로부터 국부 전원(Vcc_local)을 생성한다.

일실시예에서, 미분기(120)는 미분기(120)가 포함되는 특정 회로 블럭(110)의 동작 상태에 기초하여 Vcc_local을 동적으로 변경시킨다. 본 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자는 회로 블럭(110)의 다른 양들이 IC(100) 내에서 구현될 수 있다는 것을 알 것이다.

도 2는 회로 블럭(110)의 일실시예의 블럭도이다. 회로 블럭(110)은 전압 미분기(120), 기능적 유닛 블럭(FUB: functional unit block)(230) 및 제어 모듈(250)을 포함한다. FUB(230)은 전압 미분기(120)에 결합되어 있다. 일실시예에서, FUB(230)은 IC(100) 내의 다양한 콤포넌트들을 포괄하는 논리 회로이다(예컨대, 마이크로프로세서 로직, 마이크로콘트롤러 로직, 메모리 로직 등). FUB(230)은 전압 미분기(120)로부터 수신된 Vcc_local에 의해 전력을 공급받는다.

제어 모듈(250)은 전압 미분기(120)와 FUB(230)에 결합되어 있다. 일실시예에 따르면, 제어 모듈(250)은 이진 인코딩된 신호를 전압 미분기(120)에서 생성된 국부 동작 전압을 스케일링하는데 사용되는 전압 미분기(120)로 송신한다. 다른 실시예에서, 제어 모듈(250)은 국부 제어 신호나 전역 제어 신호를 송신한다. 또 다른 실시예에서, 전역 제어 신호는 국부 제어 신호를 무효로 한다(override).

도 3은 제어 모듈(250)에 결합된 전압 미분기(120)의 일실시예를 도시한다. 전압 미분기(120)는 밴드갭 기준 회로(310), 기준 전압 선택기(320) 및 선형 전압 조절기(330)를 포함한다. 밴드갭 기준 회로(310)는 밴드갭 기준 전압 V_BG를 생성한다. 일실시예에서, V_BG는 온도와 공정 변수에 민감하지 않은 안정된 전압원이다.

기준 전압 선택기(320)는 밴드갭 기준 회로(310)와 제어 모듈(250)에 결합된다. 기준 전압 선택기(320)는 선형 전압 조절기(330)에 대한 기준 전압(V_REF)을 생성한다. 도 4는 기준 전압 선택기(320)의 일실시예를 도시한다. 기준 전압 선택기(320)는 PMOS 전압 분배기 트랜지스터 P1-Pn, PMOS 패스 트랜지스터 P11-Pn-1 및 NMOS 트랜지스터 N을 포함한다. 일실시예에 따르면, n-1 전압 레벨까지 선택될 수 있다. 예를 들어, 4개의 전압 레벨이 필요하면, 4개의 PMOS 패스 트랜지스터 P11-P14가 이용된다.

일실시예에서, 전압 분배기 트랜지스터 P1-Pn는 V_REF를 생성하기 위하여 밴드갭 기준 회로(310)로부터 받은 V_BG에 가변 저항을 제공하는 직렬 접속된 트랜지스터들이다. 예를 들어, 전압 미분기 내의 트랜지스터의 수가 n이면, V_REF의 그래뉼래리티(granularity)는 V_BG/n이 된다.

일실시예에서, V_REF는 제어 모듈(250)로부터 트랜지스터 P11-P14에서 수신되 는 인코딩된 제어 신호에 의해 결정된다. 수신된 신호는 FUB(230)의 동작 상태에 의해 결정된다. 예를 들어, 상대적으로 높은 V_REF가 필요하면, 이진 제어 신호 01110이 트랜지스터 P11-P14 및 트랜지스터 N에서 각각 수신된다. 그 결과, 트랜지스터 P11만이 활성화되고 V_REF는 V_BG* (1-1/n)이 되는데, 여기서 n은 전압 미분기의 트랜지스터의 수이다. 유사하게, 제어 신호가 10110, 11010, 11100이면, V_REF는 각각 V_BG* (1-2/n), V_BG * (1-3/n), V_BG * (1-4/n)이다.

일실시예에 따르면, Vcc_local의 값은 대응하는 FUB(230)의 활성도에 따라 동적으로 변화한다. 예를 들어, FUB(230)가 상대적으로 높은 전압을 요구하면, 기준 전압 선택기(320)에 의해 보다 높은 V_REF가 생성된다. 그 결과, 선형 전압 조절기(330)에 의해 보다 높은 Vcc_local이 생성된다. 반대로, FUB(230)가 상대적으로 낮은 전압을 요구하면, 보다 낮은 V_REF와 Vcc_local 전압이 생성된다.

다른 실시예에서, 주요 경로에 있는 회로 블럭들(110)에 대한 성능 요건을 만족시키는데 보다 높은 V_REF가 필요할 수 있다. 그러나, 주요 경로에 있지 않은 다른 회로 블럭들(110)에 있어서는, 전력 낭비를 줄이기 위하여 보다 낮은 V_REF가 선택될 수 있다. 다른 실시예에서, 제어 모듈(250)은 제어 신호로서 11111을 송신함으로써 회로 블럭(110)이 대기 모드로 들어가게 할 수 있다. 이러한 경우, 트랜지스터 N만이 활성화되어, 0V의 V_REF가 선형 전압 조절기(330)에 송신된다.

도 3을 다시 참조하면, 선형 전압 조절기(330)는 회로 블럭(110)에 대한 Vcc_local을 생성한다. 도 5는 선형 전압 조절기(330)의 일실시예를 도시한다. 선형 전압 조절기(330)는 비교기(530), PMOS 트랜지스터(P), 저항(R1 및 R2) 및 캐패시터를 포함한다. 비교기는 기준 전압 선택기(320)로부터 수신된 V_REF와 저항(R1 및 R2)를 통해 트랜지스터 P로부터 받은 피드백 전압(V_FB)을 비교한다.

V_FB가 V_REF아래로 떨어지면, 비교기(530)의 출력은 낮은 논리 레벨(예컨대, 논리 0)에서 활성화된다. 그렇지 않으면, 비교기(530)의 출력은 높은 논리 레벨(예컨대, 논리 1)로 남아 있는다. 일실시예에 따르면, 비교기(530)는 연산 증폭기이다. 그러나, 본 기술분야의 숙련자라면 비교기(530)를 구현하는데 다른 비교 논리 회로가 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다.

비교기(530)의 출력은 트랜지스터 P의 게이트에 결합된다. 트랜지스터 P의 소스는 Vcc_global에 결합되고, 드레인은 저항 R1, 캐패시터 및 FUB(230)에 Vcc_local을 통해 결합된다. 트랜지스터 P는 비교기(530)가 논리 0으로 활성화될 때마다 활성화된다.

저항 R1은 저항 R2 및 비교기(530)에 결합된다. 저항(R1 및 R2)은 비교기(530)에 대한 V_FB를 생성하는데 사용된다. 저항(R1 및 R2)와, V_FB의 생성은 보다 큰 전압 범위를 제공함으로써 선형 전압 조절기(330)의 출력을 제어하는 것을 돕는다. 그러나, 본 기술분야에서 숙련된 자라면 선형 전압 조절기(330)를 구현하는데 저항(R1 및 R2)가 반드시 필요한 것은 아니라는 것을 알 것이다.

이상 기술한 바와 같이, Vcc_local 값은 대응하는 FUB(230)의 활성도에 기초하여 동적으로 변한다. 활성 모드 동안, V_FB가 V_REF 아래로 떨어질 때마다 트랜지스터 P가 활성화된다. 특히, 비교기(530)는 이러한 조건을 감지하고 논리 0으로 활성화된다. 결과적으로, 트랜지스터 P의 게이트는 논리 0으로 활성화된다. 트랜지스터 P는 디커플 캐패시터(decouple capacitor)를 충전하여, Vcc_local을 증가시킨다. 활성 모드에서, 선형 전압 조절기(330)는 Vcc_local = V_REF *(1 +R1/R2)을 생성한다.

대기 모드에서, V_REF는 0이다. 따라서, V_FB는 항상 V_REF이상이고, 비교기의 출력은 논리 1이고 트랜지스터 P는 턴오프된다. 그 결과, Vcc_local은 회로 블럭(110)에서 누설 전력을 줄이기 위해 플로팅된다.

온-다이 전압 미분기를 사용하는 것은 IC 내의 각 회로 블럭에 국부 전원 전압의 생성을 가능하게 한다. 국부 전원 전압은 대응하는 회로 블럭의 활성도에 기초하여 동적으로 변화한다. 이는 성능을 유지하면서 전력 낭비를 줄인다. 또한, 온-다이 전압 미분기를 사용한 동적인 전압 스케일링 메카니즘은 대기 제어 능력을 갖는데, 이는 유휴 시간(idle time)일 동안, 회로 블럭에 대한 누설 전력을 상당히 줄일 수 있다.

앞선 상세한 설명을 읽은 후 본 기술분야에서 숙련된 자에게는 의심할 여지 없이 본 발명의 많은 변경과 변형이 명백하겠지만, 예로서 도시되고 기술된 모든 특정 실시예는 한정적인 것으로 의도된 것이 아니라는 것을 이해해야 한다. 따라 서, 다양한 실시예들의 상세한 설명을 참조하는 것이, 그 자체가 본 발명으로 간주되는 특징들을 기술하는 청구항들의 범위를 제한하여서는 안된다.

Claims

집적 회로로서,

제1 회로 블럭 - 상기 제1 회로 블럭은 상기 제1 회로 블럭에 전력을 제공하는 제1 전원(power supply)을 발생시키기 위한 제1 전압 미분기(voltage differentiator)를 가짐 - 과,

제2 회로 블럭 - 상기 제2 회로 블럭은 상기 제2 회로 블럭에 전력을 제공하는 제2 전원을 발생시키기 위한 제2 전압 미분기를 가짐 - 를 포함하는

집적 회로.
제1항에 있어서,

상기 제1 및 제2 전압 미분기는 각기 대응하는 회로 블럭의 동작 상태에 기초하여 상기 제1 전원 및 제2 전원을 동적으로 변경시키는 집적 회로.
제2항에 있어서,

상기 제1 및 제2 회로 블럭 각각은 상기 제1 및 제2 전압 미분기가 상기 제1 및 제2 전원을 스위치 오프할 때마다 대기 모드(standby mode)로 동작하는 집적 회로.
제1항에 있어서,

상기 제1 회로 블럭은

상기 제1 전압 미분기에 결합된 제1 기능 유닛 블럭(FUB: functional unit block)과,

상기 제1 전압 미분기 및 상기 제1 FUB에 결합되고, 상기 제1 회로 블럭에 대한 동작 모드를 결정하는 제1 제어 모듈을 더 포함하는 집적 회로.
제4항에 있어서,

상기 제1 제어 모듈은 상기 제1 전원의 전압 크기를 표시하도록 상기 제1 전압 미분기로 송신되는 이진 인코딩된 신호를 생성하는 집적 회로.
제5항에 있어서,

상기 제1 전압 미분기는

밴드갭 전압을 생성하는 밴드갭 기준 회로(bandgap reference circuit)와,

상기 밴드갭 기준 회로와 상기 제1 제어 모듈에 결합되고, 수신된 밴드갭 전압에 기초하여 기준 전압을 생성하는 기준 전압 선택기(reference voltage selector)와,

상기 기준 전압 선택기에 결합되고, 상기 수신된 기준 전압에 기초하여 상기 제1 전원을 생성하는 선형 전압 조절기(reference voltage regulator)를 포함하는 집적 회로.
제6항에 있어서,

상기 기준 전압 선택기는

상기 밴드갭 전압을 분배하여 상기 기준 전압을 생성하는 복수의 전압 분배기 트랜지스터(voltage divider transistor)와,

상기 제1 제어 모듈에 결합되고, 상기 제1 제어 모듈로부터 수신된 신호에 기초하여 기준 전압을 선택하는 복수의 패스 트랜지스터(pass transistor)를 포함하는 집적 회로.
제6항에 있어서,

상기 선형 전압 조절기는

상기 기준 전압 선택기에 결합되고, 상기 기준 전압을 상기 제1 전원의 전압과 비교하는 비교기와,

상기 비교기의 출력에 결합된 게이트와 상기 제1 FUB에 결합된 드레인을 갖는 PMOS 트랜지스터와,

상기 PMOS 트랜지스터의 상기 드레인에 결합된 캐패시터를 포함하는 집적 회로.
제8항에 있어서,

상기 선형 전압 조절기는

상기 PMOS 트랜지스터의 상기 드레인에 결합된 제1 저항기와,

상기 제1 저항기, 상기 비교기 및 접지에 결합된 제2 저항기를 포함하는 집적 회로.
제8항에 있어서,

상기 비교기는 연산 증폭기를 포함하는 집적 회로.
제4항에 있어서,

상기 제2 회로 블럭은

상기 제2 전압 미분기에 결합된 제2 FUB와,

상기 제2 전압 미분기 및 상기 제2 FUB에 결합되고, 상기 제2 회로 블럭에 대한 동작 모드를 결정하는 제2 제어 모듈을 포함하는 집적 회로.
집적 회로 내의 회로 블럭에 있어서,

상기 회로 블럭은

상기 회로 블럭에 대한 동작 모드를 결정하기 위한 제어 모듈과,

상기 제어 모듈에 결합된 FUB와,

상기 제어 모듈 및 상기 FUB에 결합되고, 동작 모드에 기초하여 상기 회로 블럭에 대한 국부 전원을 동적으로 변화시키는 전압 미분기

를 포함하는 회로 블럭.
제12항에 있어서,

상기 회로 블럭은 상기 전압 미분기가 상기 국부 전원을 스위치 오프할 때마다 대기 모드로 동작하는 회로 블럭.
제12항에 있어서,

상기 제어 모듈은 상기 국부 전원의 전압 크기를 표시하도록 상기 전압 미분기로 송신되는 이진 인코딩된 신호를 생성하는 회로 블럭.
제14항에 있어서,

상기 전압 미분기는

밴드갭 전압을 생성하는 밴드갭 기준 회로와,

상기 밴드갭 기준 회로와 상기 제어 모듈에 결합되고, 수신된 밴드갭 전압에 기초하여 기준 전압을 생성하는 기준 전압 선택기와,

상기 기준 전압 선택기에 결합되고, 상기 수신된 기준 전압에 기초하여 상기 국부 전원을 생성하는 선형 전압 조절기를 포함하는 회로 블럭.
제15항에 있어서,

상기 기준 전압 선택기는

상기 밴드갭 전압을 분배하여 상기 기준 전압을 생성하는 복수의 전압 분배기 트랜지스터와,

상기 제어 모듈에 결합되고, 상기 제어 모듈로부터 수신된 신호에 기초하여 기준 전압을 선택하는 복수의 패스 트랜지스터를 포함하는 회로 블럭.
제15항에 있어서,

상기 선형 전압 조절기는

상기 기준 전압 선택기에 결합되고, 상기 기준 전압을 상기 국부 전원의 전압과 비교하는 비교기와,

상기 비교기의 출력에 결합된 게이트와 상기 FUB에 결합된 드레인을 갖는 PMOS 트랜지스터와,

상기 PMOS 트랜지스터의 상기 드레인에 결합된 캐패시터를 포함하는 회로 블럭.
제17항에 있어서,

상기 선형 전압 조절기는

상기 PMOS 트랜지스터의 상기 드레인에 결합된 제1 저항기와,

상기 제1 저항기, 상기 비교기 및 접지에 결합된 제2 저항기를 포함하는 회로 블럭.
제18항에 있어서,

상기 비교기는 연산 증폭기를 포함하는 회로 블럭.
전압 미분기로서,

밴드갭 전압을 생성하는 밴드갭 기준 회로와,

상기 밴드갭 기준 회로와 제어 모듈에 결합되고, 수신된 밴드갭 전압에 기초하여 기준 전압을 생성하는 기준 전압 선택기와,

상기 기준 전압 선택기에 결합되고, 상기 수신된 기준 전압에 기초하여 국부 전원을 생성하는 선형 전압 조절기

를 포함하는 전압 미분기.
제20항에 있어서,

상기 기준 전압 선택기는

상기 밴드갭 전압을 분배하여 상기 기준 전압을 생성하는 복수의 전압 분배기 트랜지스터와,

상기 제어 모듈에 결합되고, 상기 제어 모듈로부터 수신된 신호에 기초하여 기준 전압을 선택하는 복수의 패스 트랜지스터를 포함하는 전압 미분기.
제20항에 있어서,

상기 선형 전압 조절기는

상기 기준 전압 선택기에 결합되고, 상기 기준 전압을 상기 국부 전원의 전압과 비교하는 비교기와,

상기 비교기의 출력에 결합된 게이트와 상기 FUB에 결합된 드레인을 갖는 PMOS 트랜지스터와,

상기 PMOS 트랜지스터의 상기 드레인에 결합된 캐패시터를 포함하는 전압 미분기.
제22항에 있어서,

상기 선형 전압 조절기는

상기 PMOS 트랜지스터의 상기 드레인에 결합된 제1 저항기와,

상기 제1 저항기, 상기 비교기 및 접지에 결합된 제2 저항기를 포함하는 전압 미분기.