TWI575353B - 半導體裝置及其控制方法 - Google Patents

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TWI575353B
TWI575353B TW102141667A TW102141667A TWI575353B TW I575353 B TWI575353 B TW I575353B TW 102141667 A TW102141667 A TW 102141667A TW 102141667 A TW102141667 A TW 102141667A TW I575353 B TWI575353 B TW I575353B
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五味賢彥
鈴木哲也
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瑞薩電子股份有限公司
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Description

半導體裝置及其控制方法
本發明是有關半導體裝置及其控制方法。
近年來，隨著半導體裝置的微細化，高機能化、高性能化等進展，消費電力所佔的洩漏電力(洩漏電流所消費的電力)的比例有增加的傾向。此洩漏電力會因溫度而急劇地變化為人所知。
在專利文獻1~3中是揭示有按照CPU(Central Processing Unit)或處理器的溫度來控制動作頻率(動作時脈的頻率)的技術。
〔先行技術文獻〕 〔專利文獻〕
[專利文獻1]日本特開2000-187523號公報
[專利文獻2]日本特開2009-230670號公報
[專利文獻3]日本特開平7-160367號公報
本發明者們是在使用於通訊終端機等的半導體裝置的開發時，發現各種的課題。在本案所揭示的各實施形態是提供一種例如合適於通訊終端機等的半導體裝置。
其他的課題及新穎的特徵是可由本說明書的記述及附圖明確得知。
在一實施形態的半導體裝置中，當測定溫度 比預定的基準溫度更高時，可將動作頻率由第1頻率切換 成比該第1頻率更高的第2頻率。
根據一實施形態，可提供一種例如合適於無線通訊終端機等的電子裝置，良質的半導體裝置。
90‧‧‧矽基板
91‧‧‧閘極
92‧‧‧源極
92‧‧‧汲極
93‧‧‧汲極
94‧‧‧閘極絕緣膜
95‧‧‧側壁
96‧‧‧閘極接點
97‧‧‧源極接點
98‧‧‧汲極接點
100‧‧‧電力削減模式控制部
500‧‧‧無線通訊終端機
501‧‧‧框體
502‧‧‧顯示器裝置
503‧‧‧觸控面板
504‧‧‧操作按鈕
505、506‧‧‧照相機裝置
600‧‧‧無線通訊裝置
601‧‧‧應用處理器(主IC)
602‧‧‧基帶處理器
603‧‧‧RFIC
604‧‧‧主記憶體
605‧‧‧電池
606‧‧‧PMIC
607‧‧‧顯示部
608‧‧‧照相機部
609‧‧‧操作輸入部
610‧‧‧音頻IC
611‧‧‧麥克風
612‧‧‧喇叭
CM‧‧‧週期測定部
CMP‧‧‧比較部
CPG‧‧‧時脈生成部
CPU‧‧‧CPU
IPU‧‧‧畫像處理部
MD‧‧‧模式判定部
PSC‧‧‧電源控制部
RC‧‧‧基準溫度算出部
REG‧‧‧記憶部
SW1~SW3‧‧‧電源供給開關
Ta‧‧‧測定溫度
TM‧‧‧溫度監視部
Tref‧‧‧基準溫度
TS‧‧‧溫度感測器
VPU‧‧‧聲音處理部
圖1是用以說明洩漏電流的MOSFET的剖面圖。
圖2A是表示某一定的處理負荷的消費電力的動作頻率依存性的圖表。
圖2B是表示某一定的處理負荷的消費電力的溫度依 存性的圖表。
圖3是分別針對洩漏電力PL、閒置電力PI、主動電力PA來彙整對動作頻率及溫度的依存性的一覽表。
圖4A是模式性地表示比較例的半導體裝置的低溫時的消費電力的構成的圖表。
圖4B是模式性地表示比較例的半導體裝置的高溫時的消費電力的構成的圖表。
圖5A是表示無線通訊終端機的構成例的外觀圖。
圖5B是表示無線通訊終端機的構成例的外觀圖。
圖6是表示實施形態1的無線通訊裝置的構成例的方塊圖。
圖7是表示實施形態1的應用處理器601的構成例的方塊圖。
圖8是用以說明實施形態1的電力削減模式控制方法(主程序)的流程圖。
圖9是用以說明實施形態1的基準溫度算出方法(次程序1)的流程圖。
圖10是用以說明實施形態1的測定溫度取得方法(次程序2)的流程圖。
圖11A是模式性地表示實施形態1的實施例的半導體裝置的低溫時(測定溫度Ta<基準溫度Tref)亦即閒置電力削減模式的消費電力的構成的圖表。
圖11B是模式性地表示實施形態1的實施例的半導體裝置的高溫時(基準溫度Tref<測定溫度Ta)亦即洩漏電 力削減模式的消費電力的構成的圖表。
圖12是表示實施形態1的實施例的半導體裝置的消費電力的溫度依存性的圖表。
圖13是表示實施形態2的應用處理器601的構成例的方塊圖。
圖14A是用以說明根據實際的用例(音樂再生及動畫再生)的電力削減模式控制方法的詳細的順序圖。
圖14B是用以說明根據實際的用例(音樂再生及動畫再生)的電力削減模式控制方法的詳細的順序圖。
圖14C是用以說明根據實際的用例(音樂再生及動畫再生)的電力削減模式控制方法的詳細的順序圖。
圖14D是用以說明根據實際的用例(音樂再生及動畫再生)的電力削減模式控制方法的詳細的順序圖。
圖14E是用以說明根據實際的用例(音樂再生及動畫再生)的電力削減模式控制方法的詳細的順序圖。
圖15是用以說明實施形態3的電力削減模式控制方法(主程序)的流程圖。
圖16A是用以說明實施形態3的實施例的半導體裝置的溫度上昇時的消費電力的溫度依存性的圖表。
圖16B是用以說明實施形態3的實施例的半導體裝置的溫度降下時的消費電力的溫度依存性的圖表。
以下，一邊參照圖面一邊詳細說明有關具體 的實施形態。但，並非限於以下的實施形態。並且，為了明確說明，以下的記載及圖面是被適當地簡略化。
<事前檢討事項> <洩漏電力的原因>
首先，說明有關發明者們的事前檢討事項。
如上述般，因半導體裝置的微細化，在消費電力之洩漏電力的增加會成為問題。在此，參照圖1來說明有關成為洩漏電力的原因之洩漏電流。圖1是用以說明洩漏電流的MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)的剖面圖。
圖1所示的MOSFET是具備：矽基板90，閘極91，源極92，汲極93，閘極絕緣膜94。而且，此MOSFET是具備：被形成於閘極91的側面的側壁95，被形成於閘極91上的閘極接點96，被形成於源極92上的源極接點97，及被形成於汲極93上的汲極接點98。
如圖1所示般，主要的洩漏電流是有次臨界．洩漏電流ISUB，閘極洩漏電流(閘極穿隧電流)IGATE，及GIDL(Gate-Induced Drain Leakage)電流IGIDL的3個。
次臨界．洩漏電流ISUB是在MOSFET關閉時流動於汲極93與源極92之間的電流。次臨界．洩漏電流ISUB會隨近年的MOSFET的臨界值電壓的降低而有增加的傾向。次臨界．洩漏電流ISUB是溫度依存性大，隨MOSFET的接面溫度(通道溫度)的上昇而急劇地增加。
閘極洩漏電流(閘極穿隧電流)IGATE是為了電子藉由穿隧效應來通過薄的閘極絕緣膜94，而流動於閘極91與矽基板90之間(或閘極91與源極92之間，或閘極91與汲極93之間)的電流。
GIDL(Gate-Induced Drain Leakage)電流IGIDL是為了閘極91與汲極92之間的電場引起穿隧現象，而流動於汲極93與矽基板90的電流。
閘極洩漏電流IGATE及GIDL電流IGIDL會因為隨MOSFET的微細化之閘極絕緣膜94的薄膜化而增加。另一方面，閘極洩漏電流IGATE及GIDL電流IGIDL的溫度依存性皆小。
<消費電力的構成及該等的動作頻率依存性及溫度依存性>
其次，參照圖2A，圖2B來說明有關消費電力的動作頻率依存性及溫度依存性。圖2A是表示某一定的處理負荷的消費電力的動作頻率依存性的圖表。圖2B是表示某一定的處理負荷的消費電力的溫度依存性的圖表。
如圖2A，圖2B所示般，消費電力是由主動(active)電力PA，閒置(idle)電力PI，洩漏電力PL所構成。所謂主動電力PA是半導體裝置實際實行處理所消費的電力。因此，只要處理負荷一定，主動電力PA也會成為一定。所謂閒置電力是半導體裝置的狀態(status)(動作狀態)在閒置狀態中被消費的電力，只要供給電源及時脈，便經常被消費。所謂洩漏電力是因洩漏電流而被 消費的電力，只要供給電源，便經常被消費。
在此，說明有關半導體裝置的狀態。半導體裝置的狀態是有主動狀態、閒置狀態及關機狀態的3個。
所謂主動狀態是電源及時脈會被供給，且實際進行處理的狀態。例如，半導體裝置為偏向無線通訊終端機的應用處理器時，實際進行無線資料通訊、音樂再生、動畫再生等的處理的狀態。在主動狀態中，主動電力PA、閒置電力PI、洩漏電力PL全部會發生。
所謂閒置狀態(亦稱為停頓狀態)是電源及時脈被供給，但實際未實行處理的狀態(亦即，等待來自靶的應答之狀態)。在閒置狀態中，閒置電力PI及洩漏電力PL會發生，主動電力PA不發生。
所謂關機狀態是電源及時脈未被供給的狀態。在關機(shut down)狀態中，主動電力PA、閒置電力PI、洩漏電力PL皆不發生。
如圖2A所示般，主動電力PA及洩漏電力PL是未顯現動作頻率(動作時脈的頻率)依存性。在此，只要動作頻率上昇，每單位時間的主動電力也上昇，但由於處理負荷為一定，所以處理時間變短。因此，處理所要的主動電力PA(=每單位時間的主動電力×處理時間)不依動作頻率而成為一定。另一方面，閒置電力PI是與動作頻率成比例上昇。因此，消費電力全體也與動作頻率的上昇一起上昇。
如圖2B所示般，主動電力PA及閒置電力PI是未顯 現溫度依存性。另一方面，洩漏電力PL是與溫度的上昇一起急劇地上昇。因此，消費電力全體也與溫度的上昇一起急劇地上昇。
圖3是分別針對洩漏電力PL、閒置電力PI、主動電力PA來彙整對動作頻率及溫度的依存性的一覽表。如圖3所示般，洩漏電力PL是不依存於動作頻率，但依存於溫度。具體而言，如圖2B所示般，與溫度的上昇一起上昇。閒置電力PI是依存於動作頻率，但不依存於溫度。具體而言，如圖2A所示般，與動作頻率的上昇一起上昇。主動電力PA是動作頻率及溫度皆不依存。
<比較例及其問題點>
圖4A、圖4B是本發明者們檢討後的比較例。在此是檢討低溫時提高動作頻率，高溫時降低動作頻率設定後的半導體裝置的消費電力。圖4A是模式性地表示比較例的半導體裝置的低溫時的消費電力的構成的圖表。圖4B是模式性地表示比較例的半導體裝置的高溫時的消費電力的構成的圖表。圖4A，圖4B皆是表示某一定的處理負荷的消費電力的構成。
在圖4A，圖4B的圖表中，橫軸是時間[s]，縱軸是每單位時間的消費電力[W/s]。配合橫軸的時間，顯示動作時脈(CLOCK)及狀態(STATUS)。如圖4A所示般，每單位時間的洩漏電力PL及閒置電力PI是不依閒置狀態或主動狀態，為一定。主動電力PA是只在主動 狀態發生。並且，在關機狀態，消費電力是不發生。在圖4B中也同樣。圖4A及圖4B所示之每單位時間的消費電力的時間積分值(亦即圖4A及圖4B所示的圖表的面積亦即塊(mass)數)是成為消費電力。
圖4B相較於圖4A，動作頻率是形成1/2，因此每單位時間的閒置電力PI也形成1/2。另一方面，圖4B相較於圖4A，藉由溫度的上昇，每單位時間的洩漏電力PL是形成8倍。在此，由於圖4A及圖4B的處理負荷為一定，因此處理所要的主動電力PA的合計是在圖4A及圖4B中為相同。但，圖4B相較於圖4A，動作頻率形成1/2，因此處理所要的時間成為2倍。結果，比較例在高溫時關機狀態的時間變短，會有洩漏電力PL增加的問題。
發明者們是針對半導體裝置的消費電力減低來進行檢討。以下說明有關其詳細。
(實施形態1) <無線通訊終端機的概要>
首先，參照圖5A，圖5B來說明有關合適的無線通訊終端機的概要，作為適用本實施形態的半導體裝置的電子裝置。圖5A及圖5B是表示無線通訊終端機500的構成例的外觀圖。
另外，在圖5A，圖5B中，顯示有關無線通訊終端機500為智慧型手機時。然而，無線通訊終端機 500亦可為功能型手機(feature phone)(例如折疊式的行動電話終端機)，攜帶型遊戲終端機，平板電腦PC(Personal Computer)，筆記型PC等其他的無線通訊終端機。又，當然本實施形態的半導體裝置亦可適用在無線通訊終端機以外。
圖5A是表示形成無線通訊終端機500的框體501的一方的主面(前面)。在框體501的前面是配置有顯示器裝置502，觸控面板503，幾個的操作按鈕504，及照相機裝置505。另一方面，圖5B是表示框體501的另一方的主面(背面)。在框體501的背面是配置有照相機裝置506。
顯示器裝置502是液晶顯示器(LCD：Liquid Crystal Display)或有機EL顯示器(OLED：Organic Light-Emitting Diode)等的顯示裝置。顯示器裝置502是配置成顯示面會位於框體501的前面。
觸控面板503是配置成覆蓋顯示器裝置502的顯示面，或配置於顯示器裝置502的背面側，檢測使用者對顯示面的接觸位置。亦即，使用者以手指或專用的筆(一般稱為尖筆(stylus))等來接觸於顯示器裝置502的顯示面，藉此可直覺地操作無線通訊終端機500。
操作按鈕504是使用在對無線通訊終端機500的輔助性操作。另外，依無線通訊終端機，也有不設如此的操作按鈕的情形。
照相機裝置505是其透鏡單元被配置成位於 框體501的前面之次照相機。另外，依無線通訊終端機，也有不設如此的次照相機的情形。
照相機裝置506是其透鏡單元被配置成位於框體501的背面之主照相機。
<無線通訊裝置的構成>
參照圖6來說明有關搭載本實施形態的半導體裝置之無線通訊裝置600的構成。圖6是表示實施形態1的無線通訊裝置600的構成例的方塊圖。無線通訊裝置600是例如圖5A，圖5B所示的無線通訊終端機500的內部構成。
如圖6所示般，無線通訊裝置600是包含：應用處理器(主IC)601，基帶(baseband)處理器602，RFIC(Radio Frequency Integrated Circuit)603，主記憶體604，電池605，電力管理IC(PMIC：Power Management Integrated Circuit)606，顯示部607，照相機部608，操作輸入部609，音頻IC610，麥克風611，喇叭612。
應用處理器(主IC)601是讀出被儲存於主記憶體604的程式，而進行用以實現無線通訊裝置600的各種機能的處理之半導體積體電路。例如，應用處理器601是自主記憶體604讀出OS(Operating System)程式而實行，且實行以此OS程式作為動作基盤的應用程式。
基帶處理器602是對於攜帶型通訊終端機所接受傳送的資料進行包含編碼(例如卷積碼或渦輪碼等的 錯誤訂正編碼)處理或解碼處理等的基帶(baseband)處理。例如聲音資料時，基帶處理器602是由音頻IC610接受發送聲音資料，對於接受的發送聲音資料實施編碼處理，而發送至RFIC603。另一方面，基帶處理器602是自RFIC603接受接收聲音資料，對於接受的接收聲音資料實施解碼處理，而發送至音頻IC610。
RFIC603是進行類比RF訊號處理。類比RF訊號處理是包含頻率向上變換，頻率向下變換，放大等。例如聲音資料時，RFIC603是從藉由基帶處理器602所調變的發送聲音資料來生成發送RF訊號，經由天線來將此發送RF訊號無線發送。另一方面，RFIC603是經由天線來將接收RF訊號無線接收，由接收RF訊號生成接收聲音資料，將此接收聲音資料發送至基帶處理器602。
主記憶體(外部記憶體)604是儲存藉由應用處理器601來利用的程式及資料。主記憶體604大多的情況是使用在電源遮斷時記憶資料會被消去的揮發性記憶體之DRAM(Dynamic Random Access Memory)。當然，主記憶體604亦可使用在電源遮斷時記憶資料會被保持的不揮發性記憶體。
電池605為電池，被利用在無線通訊裝置600不藉外部電源來動作的情況時。另外，無線通訊裝置600是在連接外部電源時也可利用電池605的電源。並且，電池605是利用二次電池為理想。
電力管理IC606是自電池605或外部電源來 生成內部電源。此內部電源是賦予無線通訊裝置600的各區塊。此時，電力管理IC606是按每個接受內部電源的供給之區塊控制內部電源的電壓。電力管理IC606是根據來自應用處理器601的指示來進行內部電源的電壓控制。而且，電力管理IC606是亦可按每個區塊控制內部電源的供給及遮斷。並且，有外部電源的供給時，電力管理IC606亦可進行對電池605的充電控制。
顯示部607是相當於圖5A，圖5B的顯示器裝置502者，液晶顯示器(LCD：Liquid Crystal Display)或有機EL顯示器(OLED：Organic Light-Emitting Diode)等的顯示裝置。顯示部607是按照應用處理器601的處理來顯示各種的畫像。在顯示部607中所被顯示的畫像是包含使用者賦予無線通訊裝置600動作指示的使用者介面畫像，照相機畫像，動畫等。
照相機部608是按照來自應用處理器601的指示，取得畫像。照相機部608是相當於圖5A，圖5B的照相機裝置505、506。
操作輸入部609是使用者操作來賦予無線通訊裝置600操作指示的使用者介面。操作輸入部609是相當於圖5A，圖5B的觸控面板503，操作按鈕504。
音頻IC610是將自基帶處理器602接受的數位訊號之接收聲音資料變換成類比訊號，驅動喇叭612。藉此，從喇叭612輸出聲音。另一方面，音頻IC610是將在麥克風611所檢測出的類比訊號之聲音予以類比/數位 (A/D)變換，而輸出至基帶處理器602。
<實施形態1的半導體裝置的構成>
參照圖7來說明有關實施形態1的半導體裝置的應用處理器601的構成。圖7是表示實施形態1的應用處理器601的構成例的方塊圖。如圖7所示般，實施形態1的應用處理器601是具備：CPU(運算部)，溫度感測器TS，電力削減模式控制部(控制部)100，時脈生成部CPG，電源控制部PSC。在此，電力削減模式控制部100是具備：溫度監視部TM，基準溫度算出部RC，週期測定部CM，記憶部REG，比較部CMP，模式判定部MD。在圖7中，粗的箭號是表示資料，細的箭號是表示各種控制訊號或時脈。
實施形態1的應用處理器601是設在1個的半導體晶片上。在應用處理器601中，按照藉由溫度感測器TS所測定的晶片溫度(半導體晶片的溫度)，電力削減模式控制部100控制電力削減模式。具體而言，若晶片溫度超過預定的基準溫度，則電力削減模式控制部100選擇洩漏電力削減模式(第1模式)，將藉由時脈生成部CPG所生成的CPU的動作時脈的頻率設定高。
另一方面，若應用處理器601的晶片溫度低於預定的基準溫度，則電力削減模式控制部100會選擇閒置電力削減模式(第2模式)，將藉由時脈生成部CPG所生成的CPU的動作時脈的頻率設定低。亦即，電力削 減模式控制部100是控制藉由時脈生成部CPG所生成的動作時脈的頻率。
CPU是按照時脈生成部CPG所輸出的動作時脈ck1來動作。亦即，CPU的動作頻率是動作時脈ck1的頻率。CPU是在系統啟動時對記憶部REG輸出初期化訊號rst，使儲存於記憶部REG的各種資料初期化。然後，CPU對於基準溫度算出部RC，輸出要求開始用以算出基準溫度Tref的次程序1之開始要求req1。有關次程序1的詳細後述。而且，CPU對於溫度監視部TM，輸出要求開始用以取得測定溫度Ta的次程序2之開始要求req2。有關次程序2的詳細後述。
溫度感測器TS是所謂晶片(On-chip)溫度感測器，計測應用處理器601的晶片溫度(亦可稱接面溫度或通道溫度)。
溫度監視部TM是按照自CPU輸出的次程序2的開始要求req2，開始監視藉由溫度感測器TS所測定的測定溫度Ta。溫度監視部TM是在內部具備計時器。計時器是例如計數器。計時器是重複例如從0到最大值的結算。溫度監視部TM是例如以計時器形成最大值的時序來對溫度感測器TS輸出測定要求req5，從溫度感測器TS取得測定溫度Ta。亦即，溫度監視部TM是從溫度感測器TS取得重複測定溫度Ta。然後，溫度監視部TM會將自溫度感測器TS取得的測定溫度Ta輸出至模式判定部MD。計時器的最大值(界限值)是例如被儲存於記憶部 REG。當然，計時器的構成並非限於上述。
基準溫度算出部RC是按照自CPU輸出的次程序1的開始要求req1，開始基準溫度Tref的算出。基準溫度算出部RC是在內部具備計時器。此計時器是具有與溫度監視部TM的計時器同樣的構成。溫度監視部TM是例如以計時器成為最大值的時序來對週期測定部CM輸出主動週期ac1等的測定要求req3。亦即，基準溫度算出部RC是對於週期測定部CM輸出重複測定要求req3。計時器的最大值(界限值)是例如儲存於記憶部REG。在此，所謂主動週期ac1[Hz]是狀態為主動狀態之每單位時間的動作時脈的週期數的總和。
並且，一旦基準溫度算出部RC接受比較部CMP所輸出的基準變更要求req4，則會從記憶部REG取得計算用基礎資料d1，且從週期測定部CM取得計算用測定資料d2。然後，基準溫度算出部RC是使用取得的計算用基礎資料d1及計算用測定資料d2來算出基準溫度Tref，輸出至模式判定部MD。
計算用基礎資料d1是包含基準溫度計算式及要素閒置電力。所謂基準溫度計算式是用以算出基準溫度Tref的計算式。所謂要素閒置電力[W/Hz]是每動作頻率的閒置電力PI(圖2A的閒置電力PI的傾斜)。
計算用測定資料d2是包含閒置週期CI，關機比率r。所謂閒置週期CI[Hz]是狀態為閒置狀態之每單位時間的動作時脈的週期數的總和。所謂關機比率r是狀態 成為關機狀態之每單位時間的比率。關機比率r是0~1的數值，例如若關機比率r=0.2，則關機比率為20%。
週期測定部CM是按照從基準溫度算出部RC輸出的測定要求req3來測定主動週期ac1，閒置週期CI，關機比率r。然後，週期測定部CM是將取得的主動週期ac1輸出至比較部CMP。而且，週期測定部CM是按照從比較部CMP輸出的基準變更要求req4來將取得的主動週期ac1作為新的基準主動週期ac2儲存於記憶部REG。另一方面，週期測定部CM是將測定的閒置週期CI及關機比率r作為計算用測定資料d2輸出至基準溫度算出部RC。
記憶部REG是保持各種資料的暫存器。本實施形態的記憶部REG是保持溫度監視部TM及基準溫度算出部RC所具備的計時器的界限值，計算用基礎資料d1，基準主動週期ac2。記憶部REG所保持的各種資料是在系統啟動時按照自CPU輸出的初期化訊號rst來初期化。
比較部CMP是比較自週期測定部CM取得的主動週期ac1及被保持於記憶部REG的基準主動週期ac2。比較部CMP是若主動週期ac1相對於基準主動週期ac2的變化大，則對於基準溫度算出部RC輸出用以變更基準溫度Tref的基準變更要求req4。另一方面，比較部CMP是若主動週期ac1相對於基準主動週期ac2的變化小，則對於基準溫度算出部RC不輸出基準變更要求 req4。
具體而言，例如若符合ac2×0.9<ac1<ac2×1.1，則不輸出基準變更要求req4，若不符合ac2×0.9<ac1<ac2×1.1，則輸出基準變更要求req4。 另外，如上述般，從比較部CMP輸出的基準變更要求req4也被輸入至週期測定部CM。然後，週期測定部CM會將取得的主動週期ac1作為新的基準主動週期ac2儲存於記憶部REG。然而，亦可為比較部CMP輸出基準變更要求req4時，將比較部CMP比較後的主動週期ac1作為新的基準主動週期ac2儲存於記憶部REG之類的構成。
模式判定部MD是比較自基準溫度算出部RC取得的基準溫度Tref及自溫度監視部TM取得的測定溫度Ta，判定電力削減的模式。具體而言，例如若符合Ta<Tref，則選擇閒置電力削減模式，若未符合Ta<Tref，則選擇洩漏電力削減模式。模式判定部MD是對於時脈生成部CPG輸出對應於判定結果的模式訊號(控制訊號)mod。
時脈生成部CPG是按照自模式判定部MD輸出的模式訊號mod來生成CPU的動作時脈ck1。具體而言，閒置電力削減模式時，時脈生成部CPG是將輸出的動作時脈ck1的頻率(動作頻率)設定低，洩漏電力削減模式時，將輸出的動作時脈ck1的頻率設定高。
電源控制部PSC是輸出電源致能(enable)訊號psen1，其係控制被連接至CPU的電源供給開關SW1 的開啟關閉。在此，電源供給開關SW1的開啟關閉是按照CPU的狀態來控制。具體而言，當CPU的狀態為主動狀態或閒置狀態時，電源供給開關SW1是成為開啟，電源電壓會被供給至CPU。另一方面，當CPU的狀態為關機狀態時，電源供給開關SW1是成為關閉，往CPU之電源電壓的供給會被停止。電源供給開關SW1是例如由MOSFET所構成，電源致能訊號psen1會被輸入至其閘極端子(控制端子)。
<電力削減模式控制方法(主程序)>
其次，參照圖8來說明有關實施形態1的半導體裝置的電力削減模式控制方法(主程序)。圖8是用以說明實施形態1的電力削減模式控制方法(主程序)的流程圖。
一旦系統啟動，則CPU開始主程序。如圖8所示般，首先，CPU會對記憶部REG輸出初期化訊號rst，使被儲存於記憶部REG的各種資料(溫度監視部TM及基準溫度算出部RC所具備的計時器的界限值，計算用基礎資料d1，基準主動週期ac2)初期化(步驟S1)。
其次，CPU是對於基準溫度算出部RC，輸出用以算出基準溫度Tref的次程序1的開始要求req1。按照開始要求req1，基準溫度算出部RC開始次程序1(步驟S2)。有關次程序1的詳細後述。
其次，CPU是對於溫度監視部TM，輸出用以取得測定溫度Ta的次程序2的開始要求req2。按照開始 要求req2，溫度監視部TM開始次程序2(步驟S3)。有關次程序2的詳細後述。另外，步驟S2及步驟S3的順序亦可相反。
其次，基準溫度算出部RC是將藉由次程序1所取得的基準溫度Tref設定於模式判定部MD(步驟S4)。而且，溫度監視部TM是將藉由次程序2所取得的測定溫度Ta設定於模式判定部MD(步驟S5)。另外，步驟S4及步驟S5的順序亦可相反。
其次，模式判定部MD是比較測定溫度Ta與基準溫度Tref，判定是否符合Ta<Tref(步驟S6)。當符合Ta<Tref時(步驟S6YES)，模式判定部MD是選擇閒置電力削減模式，時脈生成部CPG是將CPU的動作時脈ck1的頻率設定低(步驟S7)。例如，不對處理造成障礙地，CPU會設定於動作可能的最低的頻率。然後，回到步驟S4，重複模式判定。
另一方面，當未符合Ta<Tref時(步驟S6NO)，模式判定部MD是選擇洩漏電力削減模式，時脈生成部CPG是將CPU的動作時脈ck1的頻率設定高(步驟S8)。例如，CPU會設定於動作可能的最高頻率。然後，回到步驟S4，重複模式判定。
<基準溫度算出方法(次程序1)>
其次，參照圖9來說明有關實施形態1的半導體裝置的基準溫度Tref的算出方法(次程序1)。圖9是用以說 明實施形態1的基準溫度算出方法(次程序1)的流程圖。
按照來自CPU的次程序1的開始要求req1，基準溫度算出部RC開始次程序1。
首先，基準溫度算出部RC會重置內部所具備的計時器的值(步驟S11)。
其次，一旦計時器到達界限值(亦即計時器滿了時)，則基準溫度算出部RC會對週期測定部CM輸出主動週期ac1的測定要求req3(步驟S12)。
其次，按照來自基準溫度算出部RC的測定要求req3，週期測定部CM測定主動週期ac1，輸出至比較部CMP(步驟S13)。在此，週期測定部CM是連閒置週期CI[Hz]，關機比率r也一併測定。
其次，比較部CMP比較自週期測定部CM取得的主動週期ac1及被儲存於記憶部REG的基準主動週期ac2。具體而言，例如判定是否符合ac2×0.9<ac1<ac2×1.1(步驟S14)。亦即，判定主動週期ac1對於基準主動週期ac2的變化是否未滿10%。在此，10%的數值只不過是一例，可按照目的、用途等來適當設定。
若符合ac2×0.9<ac1<ac2×1.1(步驟S14YES)，則比較部CMP是不將基準變更要求req4輸出至基準溫度算出部RC，回到步驟S11。亦即，當主動週期ac1對基準主動週期ac2的變化小時，比較部CMP是 不對基準溫度算出部RC輸出基準變更要求req4。
另一方面，若不符合ac2×0.9<ac1<ac2×1.1(步驟S14NO)，則對基準溫度算出部RC輸出基準變更要求req4(步驟S15)。亦即，主動週期ac1對基準主動週期ac2的變化大時，比較部CMP是對基準溫度算出部RC輸出基準變更要求req4。另外，基準變更要求req4是也輸入至週期測定部CM。
其次，週期測定部CM是按照基準變更要求req4，以主動週期ac1作為新的基準主動週期ac2來儲存於記憶部REG(步驟S16)。亦即，當基準溫度Tref被更新時，基準主動週期ac2也被更新。
其次，基準溫度算出部RC是按照基準變更要求req4，使用儲存於記憶部REG的要素閒置電力EI[W/Hz]及從週期測定部CM取得的閒置週期CI[Hz]來算出閒置電力PI[W](步驟S17)。具體而言，由PI[W]=EI[W/Hz]×CI[Hz]的式來算出閒置電力PI[W]。
接著，基準溫度算出部RC是使用儲存於記憶部REG的基準溫度計算式及關機比率來算出基準溫度Tref(步驟S18)。然後，回到步驟S11，重複步驟S11~S18的流程。
以下，顯示為了算出基準溫度Tref而使用的基準溫度計算式的一例。
首先，電晶體每1個的洩漏電流iL[A]是可使用係數α[A/nm]，閘極幅W[nm]，臨界值電壓VT[V]，次臨界係 數n，溫度電壓Ut[V]來以次式1表示。在此，係數α及次臨界係數n是可由實驗等來求取。
iL=α×W×exp{-VT/(n×Ut)}．．．(式1)
在此，溫度電壓Ut[V]是可使用波茲曼常數k=1.38×10-23[J/K]，絕對溫度T[K]、基本電荷q=1.6×10-19[C]來以次式2表示。
Ut=kT/q．．．(式2)
在此，半導體裝置的洩漏電流IL[A]是可使用構成半導體裝置的電晶體數N[個]及關機比率r來從式1，式2藉由次式3表示。
IL=α×W×exp{-VT×q/(n×kT)}×N×(1-r)．．．(式3)
絕對溫度T[K]是可從式3藉由次式4來表示。
T=(-VT×q)/(n×k)/ln[IL/{α×W×N×(1-r)}]．．．(式4)
而且，式4的絕對溫度T[K]是可藉由次式5來作為攝氏溫度TC[℃](=T-T0)表示。在此，0℃的絕對溫度T0=273.15[K]。
TC=(-VT×q)/(n×k)/ln[IL/{α×W×N×(1-r)}]-T0．．．(式5)
閒置電力PI[W](=閒置電流II[A]×動作電壓V[V])與洩漏電力PL[W](=洩漏電流IL[A]×動作電壓V[V])的比為1：m亦即將IL=m×II=m×PI/V時的溫度設為基準溫度Tref[℃]。此基準溫度Tref[℃]是可從式5藉由次式6來表示。m的值是只要適當決定即可，例如設為10程度。
Tref=(-VT×q)/(n×k)/ln[(m×PI/V)/{α×W×N×(1-r)}]-T0．．．(式6)
此式6是成為基準溫度計算式。藉由在此式6中代入步驟S17中所算出的閒置電力PI[W]及從週期測定部CM取得的關機比率r，可取得基準溫度Tref[℃]。
<測定溫度取得方法(次程序2)>
其次，參照圖10來說明有關實施形態1的半導體裝置的測定溫度Ta的取得方法(次程序2)。圖10是用以說明實施形態1的測定溫度取得方法(次程序2)的流程圖。
按照來自CPU之次程序2的開始要求req2，溫度監視部TM開始次程序2。
首先，溫度監視部TM是重置內部所具備的計時器的值(步驟S21)。
其次，一旦計時器到達界限值(亦即計時器滿了時)，溫度監視部TM會將溫度的測定要求req5輸出至溫度感測器TS(步驟S22)。
其次，溫度監視部TM會按照測定要求req5來取得從溫度感測器TS輸出的測定溫度Ta(步驟S23)。然後，回到步驟S21，重複步驟S21~S23的流程。
<消費電力削減效果的說明>
其次，參照圖11A，圖11B來說明有關本實施形態的 半導體裝置的消費電力削減效果。圖11A是模式性地表示實施形態1的實施例之半導體裝置的低溫時(測定溫度Ta<基準溫度Tref)亦即閒置電力削減模式的消費電力的構成的圖表。圖11B是模式性地表示實施形態1的實施例的半導體裝置的高溫時(基準溫度Tref<測定溫度Ta)亦即洩漏電力削減模式的消費電力的構成的圖表。在此，圖11A，圖11B是與比較例的圖4A，圖4B同種的圖表。
在圖11A，圖11B的圖表中，橫軸是時間[s]，縱軸是每單位時間的消費電力[W/s]。配合橫軸的時間，顯示動作時脈(CLOCK)及狀態(STATUS)。如圖11A所示般，每單位時間的洩漏電力PL及閒置電力PI是不依閒置狀態及主動狀態，為一定。主動電力PA是只在主動狀態發生。並且，在關機狀態，消費電力是不發生。在圖11B中也同樣。圖11A及圖11B所示之每單位時間的消費電力的時間積分值(亦即圖11A及圖11B所示之圖表的面積亦即塊數)會成為消費電力。
圖11B相較於圖11A，動作頻率會形成2倍，因此每單位時間的閒置電力PI也形成2倍。另一方面，圖11B相較於圖11A，藉由溫度的上昇，每單位時間的洩漏電力PL是形成8倍。在此，處理所要的主動電力PA的合計是在圖11A及圖11B中為相同。因此，圖11B相較於圖11A，主動狀態會短時間化(關機狀態會長時間化)。
藉由比較實施例的圖11A與比較例的圖4A來 說明有關閒置電力削減模式的消費電力削減效果。圖11A相較於圖4A，動作頻率是形成1/2，因此每單位時間的閒置電力PI是形成1/2。另一方面，由於處理所要的主動電力PA的合計是相同，因此處理所要的時間(主動狀態的時間)是成為2倍。另外，由於溫度相同，因此每單位時間的洩漏電力PL相同。
圖11A相較於圖4A，主動狀態的時間是形成2倍，洩漏電力PL增加。然而，在低溫每單位時間的洩漏電力PL小，所以每單位時間的閒置電力PI成為1/2的閒置電力削減效果較大。因此，全體可削減消費電力。更具體而言，圖11A相較於圖4A，洩漏電力PL雖增加2塊份，但閒置電力PI減4塊，全體可削減2塊份的消費電力。
其次，藉由比較實施例的圖11B與比較例的圖4B來說明有關洩漏電力削減模式的消費電力削減效果。圖11B相較於圖4B，動作頻率形成2倍，因此每單位時間的閒置電力PI是形成2倍。另一方面，處理所要的主動電力PA的合計是相同，因此處理所要的時間(主動狀態的時間)是成為1/2。另外，因為溫度相同，所以每單位時間的洩漏電力PL相同。
圖11B相較於圖4B，每單位時間的閒置電力PI是形成2倍。然而，在高溫每單位時間的洩漏電力PL大，所以主動狀態的短時間化(關機狀態的長時間化)所產生洩漏電力削減效果較大。因此，全體可削減消費電 力。更具體而言，圖11B相較於圖4B，閒置電力PI會增加4塊份，但洩漏電力PL會減16塊份，全體可削減12塊份的消費電力。
圖12是表示圖11A，圖11B所示的實施形態1的實施例的半導體裝置的消費電力的溫度依存性的圖表。橫軸為溫度[℃]，縱軸為消費電力[mW]，實施例的消費電力是以實線來表示。並且，在圖12中，圖4A，圖4B所示的比較例的半導體裝置的消費電力也以虛線來表示。
在實施例中，當比基準溫度Tref更低溫時，降低動作頻率，當比基準溫度Tref更高溫時，控制成提高動作頻率。相反的，在比較例中，當比基準溫度Tref更低溫時，提高動作頻率，當比基準溫度Tref更高溫時，控制成降低動作頻率。
如圖12所示般，在全溫度域中，消費電力是實施例小於比較例。在此，若溫度為基準溫度Tref附近，則實施例與比較例的消費電力的差小。然而，溫度比基準溫度Tref越高或低，其差越大。特別是在高溫域的洩漏電力削減效果大。
如以上說明般，在本實施形態的半導體裝置中，藉由比較基準溫度Tref及測定溫度Ta來判斷與動作頻率成比例增加的閒置電力PI及隨溫度上昇而急劇地增加的洩漏電力PL之中削減哪個有助於全體的消費電力削減。然後，根據此比較結果來適當地控制動作頻率，藉此 削減消費電力。
具體而言，當測定溫度Ta比基準溫度Tref更小，洩漏電力PL小時，電力削減模式控制部(控制部)100是控制成降低動作頻率。藉此，閒置電力PI會被削減，全體可削減消費電力。另一方面，當測定溫度Ta比基準溫度Tref大，洩漏電力PL大時，電力削減模式控制部(控制部)100是控制成提高動作頻率。亦即，藉由使主動狀態短時間化(使關機狀態長時間化)，洩漏電力PL會被削減，全體可削減消費電力。
而且，隨消費電力的削減，從半導體裝置產生的熱也可抑制。因此，可抑制晶片溫度的上昇所造成半導體裝置的熱暴走。亦即，半導體裝置的可靠度也提升。
(實施形態2) <實施形態2的半導體裝置的構成>
參照圖13來說明有關實施形態2的半導體裝置的應用處理器601的構成。圖13是表示實施形態2的應用處理器601的構成例的方塊圖。如圖13所示般，實施形態2的應用處理器601是除了圖7所示的實施形態1的應用處理器601的構成外，還具備畫像處理部IPU及聲音處理部VPU。在圖13中，粗的箭號是表示資料，細的箭號是表示各種控制訊號或時脈。
畫像處理部IPU是畫像處理專用的處理器，例如由DSP(Digital Signal Processor)所構成。在畫像 處理部IPU是被輸入自時脈生成部CPG輸出的動作時脈ck2。在本實施形態的半導體裝置中，畫像處理部IPU是例如在需要動畫再生等的畫像處理的用例時實行處理，在不需要畫像處理的用例是狀態成為常時關機狀態。
聲音處理部VPU是聲音處理專用的處理器，例如由DSP(Digital Signal Processor)所構成。在聲音處理部VPU是被輸入自時脈生成部CPG輸出的動作時脈ck3。在本實施形態的半導體裝置中，聲音處理部VPU是例如在需要音樂再生等的聲音處理的用例時實行處理，在不需要聲音處理的用例是狀態成為常時關機狀態。
電源控制部PSC是輸出控制被連接至CPU的電源供給開關SW1的開啟關閉之電源致能訊號psen1。並且，電源控制部PSC是輸出控制被連接至畫像處理部IPU的電源供給開關SW2的開啟關閉之電源致能訊號psen2。而且，電源控制部PSC是輸出控制被連接至聲音處理部VPU的電源供給開關SW3的開啟關閉之電源致能訊號psen3。電源供給開關SW1~SW3是例如由MOSFET所構成，電源致能訊號psen1~psen3會分別被輸入至該等的閘極端子(控制端子)。
在此，電源供給開關SW1的開啟關閉是按照CPU的狀態來控制。具體而言，CPU的狀態為主動狀態或閒置狀態時，電源供給開關SW1是成為開啟。另一方面，CPU的狀態為關機狀態時，電源供給開關SW1是成為關閉。
同樣，電源供給開關SW2的開啟關閉是按照畫像處理部IPU的狀態來控制。具體而言，畫像處理部IPU的狀態為主動狀態或閒置狀態時，電源供給開關SW2是成為開啟。另一方面，畫像處理部IPU的狀態為關機狀態時，電源供給開關SW2是成為關閉。
同樣，電源供給開關SW3的開啟關閉是按照聲音處理部VPU的狀態來控制。具體而言，聲音處理部VPU的狀態為主動狀態或閒置狀態時，電源供給開關SW3是成為開啟。另一方面，聲音處理部VPU的狀態為關機狀態時，電源供給開關SW3是成為關閉。
其他的構成是與實施形態1的半導體裝置同樣，因此詳細的說明省略。
<實施形態2的半導體裝置的動作的詳細>
其次，利用圖14A~圖14E來說明實施形態2的半導體裝置的動作的詳細。圖14A~圖14E是用以說明根據實際的用例(音樂再生及動畫再生)之電力削減模式控制方法的詳細的順序圖。在圖14A~圖14E的左端顯示<1>~<11>的號碼。沿著此號碼來依序說明。
<1>系統啟動時的動作
一旦系統啟動，則CPU開始主程序。首先，如圖14A所示般，CPU會對記憶部REG輸出初期化訊號rst，使被儲存於記憶部REG的各種資料(溫度監視部TM及 基準溫度算出部RC所具備的計時器的界限值，計算用基礎資料d1，基準主動週期ac2)初期化。另外，啟動時的晶片溫度是20℃，啟動後的用例是音樂再生。
其次，CPU是對於基準溫度算出部RC，輸出要求開始用以算出基準溫度Tref的次程序1之開始要求req1。並且，CPU是對於溫度監視部TM，輸出要求開始用以取得測定溫度Ta的次程序2之開始要求req2。
<2>基準溫度算出(次程序1)及測定溫度取得(次程序2)
按照次程序1的開始要求req1，基準溫度算出部RC會將內部的計時器重置，在計時器滿了時，對於週期測定部CM輸出各種測定資料的測定要求req3。按照此測定要求req3，週期測定部CM測定主動週期ac1及計算用測定資料d2(閒置週期CI及關機比率r)。接著，週期測定部CM會將比較部取得的主動週期ac1發送至比較部CMP。
比較部CMP是比較從週期測定部CM發送的主動週期ac1及被儲存於記憶部REG的基準主動週期ac2。具體而言，例如判定是否符合ac2×0.9<ac1<ac2×1.1。亦即，判定主動週期ac1對於基準主動週期ac2的變化是否未滿10%。如上述般，10%的數值只不過是一例。
在此，為系統啟動後最初的判定，所以不符 合ac2×0.9<ac1<ac2×1.1。因此，比較部CMP是對於基準溫度算出部RC輸出用以變更基準溫度Tref的基準變更要求req4。此基準變更要求req4是例如致能訊號，輸出基準變更要求req4是意思該致能訊號的值為1。
基準變更要求req4是也被輸入至週期測定部CM。按照基準變更要求req4，週期測定部CM會將主動週期ac1作為新的基準主動週期ac2發送至記憶部REG(在圖14A中雖未被顯示，但實際相當於圖9的步驟S16)。
按照基準變更要求req4，基準溫度算出部RC會對於週期測定部CM要求計算用測定資料d2(閒置週期CI及關機比率r)的發送。按照此要求，週期測定部CM會將計算用測定資料d2發送至基準溫度算出部RC。
並且，基準溫度算出部RC會對於記憶部REG要求計算用基礎資料d1(基準溫度計算式及要素閒置電力)的發送。按照此要求，記憶部REG會將計算用基礎資料d1發送至基準溫度算出部RC。
基準溫度算出部RC是使用從記憶部REG取得的要素閒置電力EI[W/Hz]及從週期測定部CM取得的閒置週期CI[Hz]來算出閒置電力PI[W]。具體而言，由PI[W]=EI[W/Hz]×CI[Hz]的式來算出閒置電力PI[W]。
接著，基準溫度算出部RC是使用本身所算出的閒置電力PI，從週期測定部CM取得的關機比率r，及從記憶部REG取得的基準溫度計算式來算出基準溫度Tref。在 此，Tref=63.3℃。基準溫度算出部RC會將此算出的基準溫度Tref發送至模式判定部MD。
另一方面，按照次程序2的開始要求req2，溫度監視部TM重置內部的計時器，在計時器滿了時對溫度感測器TS輸出溫度的測定要求req5。按照測定要求req5，溫度感測器TS取得測定溫度Ta，發送至溫度監視部TM。在此，Ta=22℃。溫度監視部TM是將自溫度感測器TS取得的測定溫度Ta發送至模式判定部MD。
<3>模式判定
模式判定部MD是比較測定溫度Ta與基準溫度Tref，判定是否符合Ta<Tref。在此，測定溫度Ta=22℃，基準溫度Tref=63.3℃，所以符合Ta<Tref。因此，模式判定部MD是選擇閒置電力削減模式。因此，時脈生成部CPG是將輸出的動作時脈ck1的頻率(CPU的動作頻率)從最大頻率fmax[Hz]變更成閒置電力削減模式頻率f1[Hz]。
<4>基準溫度算出(次程序1)及測定溫度取得(次程序2)
其次，參照圖14B來說明。
基準溫度算出部RC是將基準溫度Tref發送至模式判定部MD後，重置內部的計時器。然後，基準溫度算出部RC是在計時器滿了時對於週期測定部CM輸出各種測定 資料的測定要求req3。按照此測定要求req3，週期測定部CM測定主動週期ac1及計算用測定資料d2(閒置週期CI及關機比率r)。接著，週期測定部CM會將比較部取得的主動週期ac1發送至比較部CMP。
比較部CMP是比較從週期測定部CM發送的主動週期ac1及被儲存於記憶部REG的基準主動週期ac2。具體而言，例如判定是否符合ac2×0.9<ac1<ac2×1.1。在此，用例是維持音樂再生不變，所以符合ac2×0.9<ac1<ac2×1.1。因此，比較部CMP對於基準溫度算出部RC不輸出用以變更基準溫度Tref的基準變更要求req4。若此基準變更要求req4為上述致能訊號，則不輸出基準變更要求req4是意思該致能訊號的值為0。
另一方面，溫度監視部TM是將測定溫度Ta發送至模式判定部MD後，重置內部的計時器，在計時器滿了時對溫度感測器TS輸出溫度的測定要求req5。按照測定要求req5，溫度感測器TS取得測定溫度Ta，發送至溫度監視部TM。在此，Ta=23℃。溫度監視部TM是將自溫度感測器TS取得的測定溫度Ta發送至模式判定部MD。
<5>模式判定
模式判定部MD是比較測定溫度Ta與基準溫度Tref，判定是否符合Ta<Tref。在此，由於測定溫度 Ta=23℃，基準溫度Tref=63.3℃，所以符合Ta<Tref。因此，模式判定部MD選擇閒置電力削減模式。在此，CPU的動作頻率已為閒置電力削減模式頻率f1[Hz]。因此，時脈生成部CPG不切換輸出的動作時脈ck1的頻率。
<6>基準溫度算出(次程序1)及測定溫度取得(次程序2)
其次，參照圖14C來說明。
基準溫度算出部RC是無來自比較部CMP的基準變更要求req4時，重置內部的計時器。然後，基準溫度算出部RC是在計時器滿了時對於週期測定部CM輸出各種測定資料的測定要求req3。按照此測定要求req3，週期測定部CM測定主動週期ac1及計算用測定資料d2(閒置週期CI及關機比率r)。接著，週期測定部CM會將比較部取得的主動週期ac1發送至比較部CMP。
比較部CMP是比較自週期測定部CM發送的主動週期ac1及被儲存於記憶部REG的基準主動週期ac2。具體而言，例如判定是否符合ac2×0.9<ac1<ac2×1.1。在此，用例是從音樂再生變更成動畫再生，因此不符合ac2×0.9<ac1<ac2×1.1。為此，比較部CMP是對於基準溫度算出部RC輸出用以變更基準溫度Tref的基準變更要求req4。
此基準變更要求req4也被輸入至週期測定部CM，按照此基準變更要求req4，週期測定部CM會將主 動週期ac1作為新的基準主動週期ac2發送至記憶部REG(在圖14C雖未被顯示，但相當於圖9的步驟S16)。
按照基準變更要求req4，基準溫度算出部RC會對於週期測定部CM要求計算用測定資料d2(閒置週期CI及關機比率r)的發送。按照此要求，週期測定部CM會將計算用測定資料d2發送至基準溫度算出部RC。
並且，基準溫度算出部RC會對於記憶部REG要求計算用基礎資料d1(基準溫度計算式及要素閒置電力)的發送。按照此要求，記憶部REG會將計算用基礎資料d1發送至基準溫度算出部RC。
基準溫度算出部RC是利用自記憶部REG取得的要素閒置電力EI[W/Hz]及自週期測定部CM取得的閒置週期CI[Hz]來算出閒置電力PI[W]。接著，基準溫度算出部RC是利用本身算出的閒置電力PI，自週期測定部CM取得的關機比率r，及自記憶部REG取得的基準溫度計算式來算出基準溫度Tref。在此是設為Tref=64.4℃。基準溫度算出部RC是將此被算出的基準溫度Tref發送至模式判定部MD。
另一方面，溫度監視部TM是將測定溫度Ta發送至模式判定部MD後，重置內部的計時器，在計時器滿了時輸出溫度的測定要求req5至溫度感測器TS。按照測定要求req5，溫度感測器TS取得測定溫度Ta，發送至溫度監視部TM。在此，Ta=44℃。溫度監視部TM會將自溫度感測器TS取得的測定溫度Ta發送至模式判定部 MD。
<7>模式判定
模式判定部MD是比較測定溫度Ta與基準溫度Tref，判定是否符合Ta<Tref。在此，由於測定溫度Ta=44℃，基準溫度Tref=64.4℃，所以符合Ta<Tref。因此，模式判定部MD選擇閒置電力削減模式。在此時間點，CPU的動作頻率是在音樂再生的閒置電力削減模式頻率f1[Hz]。為此，時脈生成部CPG會將輸出的動作時脈ck1的頻率切換成在動畫再生的閒置電力削減模式頻率f2[Hz]。在此，在動畫再生是被要求比音樂再生更高速動作，因此通常是f1<f2。
<8>基準溫度算出(次程序1)及測定溫度取得(次程序2)
其次，參照圖14D來說明。
基準溫度算出部RC是將基準溫度Tref發送至模式判定部MD後，重置內部的計時器。然後，基準溫度算出部RC會在計時器滿了時對週期測定部CM輸出各種測定資料的測定要求req3。按照此測定要求req3，週期測定部CM測定主動週期ac1及計算用測定資料d2(閒置週期CI及關機比率r)。接著，週期測定部CM將比較部取得的主動週期ac1發送至比較部CMP。
比較部CMP是比較從週期測定部CM發送的 主動週期ac1及被儲存於記憶部REG的基準主動週期ac2。具體而言，例如判定是否符合ac2×0.9<ac1<ac2×1.1。在此，用例是維持動畫再生不變，所以符合ac2×0.9<ac1<ac2×1.1。因此，比較部CMP對於基準溫度算出部RC不輸出用以變更基準溫度Tref的基準變更要求req4。
另一方面，溫度監視部TM是在將測定溫度Ta發送至模式判定部MD後，重置內部的計時器，在計時器滿了時輸出溫度的測定要求req5至溫度感測器TS。按照測定要求req5，溫度感測器TS取得測定溫度Ta，發送至溫度監視部TM。在此，Ta=70℃。溫度監視部TM會將自溫度感測器TS取得的測定溫度Ta發送至模式判定部MD。
<9>模式判定
模式判定部MD是比較測定溫度Ta與基準溫度Tref，判定是否符合Ta<Tref。在此，測定溫度Ta=70℃，基準溫度Tref=64.4℃，所以不符合Ta<Tref。因此，模式判定部MD是選擇洩漏電力削減模式。為此，時脈生成部CPG是將輸出的動作時脈ck1的頻率從閒置電力削減模式頻率f2[Hz]切換成最大頻率fmax。
<10>基準溫度算出(次程序1)及測定溫度取得(次程序2)
其次，參照圖14E來說明。
基準溫度算出部RC是無來自比較部CMP的基準變更要求req4時，將內部的計時器重置。然後，基準溫度算出部RC是在計時器滿了時對於週期測定部CM輸出各種測定資料的測定要求req3。按照此測定要求req3，週期測定部CM測定主動週期ac1及計算用測定資料d2(閒置週期CI及關機比率r)。接著，週期測定部CM會將比較部取得的主動週期ac1發送至比較部CMP。
比較部CMP是比較從週期測定部CM發送的主動週期ac1及被儲存於記憶部REG的基準主動週期ac2。具體而言，例如判定是否符合ac2×0.9<ac1<ac2×1.1。在此，用例是維持動畫再生不變，所以符合ac2×0.9<ac1<ac2×1.1。因此，比較部CMP是對於基準溫度算出部RC不輸出用以變更基準溫度Tref的基準變更要求req4。
另一方面，溫度監視部TM是將測定溫度Ta發送至模式判定部MD後，重置內部的計時器，在計時器滿了時對溫度感測器TS輸出溫度的測定要求req5。按照測定要求req5，溫度感測器TS取得測定溫度Ta，發送至溫度監視部TM。在此，Ta=60℃。溫度監視部TM是將自溫度感測器TS取得的測定溫度Ta發送至模式判定部MD。
<11>模式判定
模式判定部MD是比較測定溫度Ta與基準溫度Tref，判定是否符合Ta<Tref。在此，測定溫度Ta=60℃，基準溫度Tref=64.4℃，所以符合Ta<Tref。因此，模式判定部MD是選擇閒置電力削減模式。為此，時脈生成部CPG是將輸出的動作時脈ck1的頻率從最大頻率fmax切換成閒置電力削減模式頻率f2[Hz]。
如以上說明般，在本實施形態的半導體裝置中，藉由比較基準溫度Tref及測定溫度Ta來判斷與動作頻率成比例增加的閒置電力PI及隨溫度上昇而急劇地增加的洩漏電力PL之中削減哪個有助於全體的消費電力削減。然後，根據此比較結果來適當地控制動作頻率，藉此削減消費電力。
具體而言，當測定溫度Ta比基準溫度Tref更小，洩漏電力PL小時，藉由降低動作頻率來削減閒置電力PI，全體削減消費電力。另一方面，當測定溫度Ta為基準溫度Tref以上，洩漏電力PL大時，提高動作頻率，使主動狀態短時間化(使關機狀態長時間化)，藉此削減洩漏電力PL，全體削減消費電力。
而且，隨消費電力的削減，從半導體裝置產生的熱也可抑制。因此，可抑制晶片溫度的上昇所造成半導體裝置的熱暴走。亦即，半導體裝置的可靠度也提升。
(實施形態3) <電力削減模式控制方法(主程序)>
其次，參照圖15來說明有關實施形態3的半導體裝置的電力削減模式控制方法(主程序)。圖15是用以說明實施形態3的電力削減模式控制方法(主程序)的流程圖。實施形態3的半導體裝置的構成是與圖7所示的實施形態1的半導體裝置同樣，但模式判定部MD的判定方法不同。
圖15的步驟S1~S5是與圖8的步驟S1~S5相同，因此省略說明。
步驟S5後，模式判定部MD是比較測定溫度Ta與下限基準溫度(第1基準溫度)=Tref×0.8，判定是否符合Ta<Tref×0.8(步驟S61)。當符合Ta<Tref×0.8時(步驟S61YES)，模式判定部MD是選擇閒置電力削減模式，時脈生成部CPG會將CPU的動作時脈ck1的頻率設定低(步驟S7)。例如，不對處理造成障礙地，CPU會設定於動作可能的最低的頻率。然，回到步驟S4，重複模式判定。
另一方面，當未符合Ta<Tref×0.8時(步驟S61NO)，模式判定部MD是比較測定溫度Ta與上限基準溫度(第2基準溫度)=Tref×1.2，判定是否符合Ta>Tref×1.2(步驟S62)。當符合Ta>Tref×1.2時(步驟S62YES)，模式判定部MD是選擇洩漏電力削減模式，時脈生成部CPG會將CPU的動作時脈ck1的頻率設定高(步驟S8)。例如，CPU會設定於動作可能的最高頻率。然後，回到步驟S4，重複模式判定。
另一方面，當未符合Ta>Tref×1.2時(步驟S62NO)，模式判定部MD是任一的模式皆不選擇，時脈生成部CPG是不變更CPU的動作時脈ck1的頻率。亦即，原封不動回到步驟S4，重複模式判定。
亦即，模式判定部MD是當測定溫度Ta超過上限基準溫度(在圖15是Tref×1.2)時，選擇洩漏電力削減模式，當測定溫度Ta低於下限基準溫度(在圖15是Tref×0.8)時，選擇閒置電力削減模式。另一方面，若測定溫度Ta為下限基準溫度以上，上限基準溫度以下(在圖15是Tref×0.8≦Ta≦Tref×1.2)，則任一模式皆不選擇。亦即，時脈生成部CPG是不變更動作頻率。
另外，在圖15的例子是上限基準溫度=Tref×1.2，下限基準溫度=Tref×0.8，但上限基準溫度及下限基準溫度是可適當決定。並且，在圖15的例子是由基準溫度Tref來決定上限基準溫度及下限基準溫度，但亦可個別地決定。當然有關步驟S61、S62是先實行哪方皆可。
圖16A是用以說明實施形態3的實施例的半導體裝置的溫度上昇時的消費電力的溫度依存性的圖表。橫軸為溫度[℃]，縱軸為消費電力[mW]，實施例的消費電力是以實線來表示。並且，在圖16A中，比較例的半導體裝置的消費電力也以虛線來表示(與圖12的比較例相同)。
圖16A是在實施例中，比下限基準溫度 Tref×0.8更低溫時，下降動作頻率，比上限基準溫度Tref×1.2更高溫時，控制成提高動作頻率。如圖16A所示般，溫度上昇時，在上限基準溫度以下的溫度域是低的動作頻率，一旦超過上限基準溫度，則切換至高的動作頻率。因此，從基準溫度Tref到上限基準溫度Tref×1.2之間是成為與比較例同程度的消費電力。但，此溫度域是比較例的消費電力也並不那麼高，全體與實施形態1大致同樣消費電力小於比較例。
圖16B是用以說明實施形態3的實施例的半導體裝置的溫度降下時的消費電力的溫度依存性的圖表。橫軸為溫度[℃]，縱軸為消費電力[mW]，實施例的消費電力是以實線來表示。並且，在圖16B中，比較例的半導體裝置的消費電力也是以虛線來表示(與圖12的比較例相同)。
圖16B也是在實施例中，比下限基準溫度Tref×0.8更低溫時，下降動作頻率，比上限基準溫度Tref×1.2更高溫時，控制成提高動作頻率。如圖16B所示般，溫度降下時，在下限基準溫度以上的溫度域是高的動作頻率，一旦低於下限基準溫度，則切換成低的動作頻率。為此，從基準溫度Tref到下限基準溫度Tref×0.8為止之間是成為與比較例同程度的消費電力。但，此溫度域是比較例的消費電力也並不那麼高，全體與實施形態1大致同樣消費電力小於比較例。
如此，在實施形態3的半導體裝置，相較於 實施形態1的半導體裝置，藉由減少動作頻率的切換次數，可一面使半導體裝置的動作安定，一面有效果地降低消費電力。
<變更例等>
以上，根據實施形態來具體說明本發明者的發明，但本發明並非限於已述的實施形態者，亦可在不脫離其要旨的範圍實施各種的變更。
例如，除了根據基準溫度Tref與測定溫度Ta的比較結果來變更動作頻率外，動作電壓亦可變更。
100‧‧‧電力削減模式控制部
601‧‧‧應用處理器(主IC)
TS‧‧‧溫度感測器
Ta‧‧‧測定溫度
TM‧‧‧溫度監視部
RC‧‧‧基準溫度算出部
MD‧‧‧模式判定部
Tref‧‧‧基準溫度
CM‧‧‧週期測定部
REG‧‧‧記憶部
CMP‧‧‧比較部
CPG‧‧‧時脈生成部
CPU‧‧‧CPU

Claims (20)

  1. 一種半導體裝置，其特徵係包含：(a)運算部，其係設在半導體晶片；(b)溫度感測器，其係測定前述半導體晶片的溫度；(c)控制部，其係將藉由前述溫度感測器所測定的測定溫度與預定的基準溫度作比較，根據比較結果來輸出控制訊號；及(d)時脈生成部，其係根據前述控制訊號來生成供給至前述運算部的動作時脈；在此，前述控制部係於前述測定溫度比前述基準溫度更高時，可控制前述時脈生成部，而使前述動作時脈的頻率從第1頻率切換成比該第1頻率更高的第2頻率。
  2. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中，前述控制部係於前述測定溫度比前述基準溫度更低時，可控制前述時脈生成部，而使前述動作時脈的頻率從前述第2頻率切換成前述第1頻率。
  3. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中，前述控制部係具備算出前述基準溫度的基準溫度算出部。
  4. 如申請專利範圍第3項之半導體裝置，其中，前述基準溫度算出部係根據預定的閒置電流與洩漏電流的比來算出前述基準溫度。
  5. 如申請專利範圍第3項之半導體裝置，其中，前述基準溫度算出部係按照前述運算部在主動狀態的前述動 作時脈的週期數的變化來更新前述基準溫度。
  6. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中，前述動作時脈的頻率為前述第1頻率的第1模式相較於前述動作時脈的頻率為前述第2頻率的第2模式，停止對前述運算部之電源電壓的供給的關機狀態的比率小。
  7. 如申請專利範圍第6項之半導體裝置，其中，更具備電源控制部，其係控制對前述運算部之前述電源電壓的供給。
  8. 一種半導體裝置，其特徵係包含：(a)運算部，其係設在半導體晶片；(b)溫度感測器，其係測定前述半導體晶片的溫度；(c)控制部，其係將藉由前述溫度感測器所測定的測定溫度與預定的第1基準溫度及比前述第1基準溫度更高的第2基準溫度作比較，根據比較結果來輸出控制訊號；及(d)時脈生成部，其係根據前述控制訊號來生成供給至前述運算部的動作時脈；在此，前述控制部係於前述測定溫度比前述第2基準溫度更高時，控制前述時脈生成部，使前述動作時脈的頻率從第1頻率切換成比該第1頻率更高的第2頻率。
  9. 如申請專利範圍第8項之半導體裝置，其中，前述控制部係於前述測定溫度比前述第1基準溫度更低時，控制前述時脈生成部，使前述動作時脈的頻率從前述第2 頻率切換成前述第1頻率。
  10. 如申請專利範圍第8項之半導體裝置，其中，前述控制部係於前述測定溫度比前述第1基準溫度更高，比前述第2基準溫度更低時，控制前述時脈生成部，使前述動作時脈的頻率不切換。
  11. 如申請專利範圍第8項之半導體裝置，其中，前述控制部係具備基準溫度算出部，其係算出前述第1基準溫度及前述第2基準溫度。
  12. 如申請專利範圍第11項之半導體裝置，其中，前述基準溫度算出部係根據預定的閒置電流與洩漏電流的比來算出前述第1基準溫度及前述第2基準溫度。
  13. 如申請專利範圍第11項之半導體裝置，其中，前述基準溫度算出部係按照前述運算部在主動狀態的前述動作時脈的週期數的變化來更新前述第1基準溫度及前述第2基準溫度。
  14. 如申請專利範圍第8項之半導體裝置，其中，前述動作時脈的頻率為前述第1頻率的第1模式相較於前述動作時脈的頻率為前述第2頻率的第2模式，停止對前述運算部之電源電壓的供給的關機狀態的比率小。
  15. 如申請專利範圍第14項之半導體裝置，其中，更具備電源控制部，其係控制對前述運算部之前述電源電壓的供給。
  16. 一種半導體裝置的控制方法，其特徵係包含以下的工程， (a)測定半導體晶片的溫度之工程；(b)將測定溫度與預定的基準溫度作比較之工程；(c)當前述測定溫度比前述基準溫度更高時，將供給至形成於前述半導體晶片的運算部之動作時脈的頻率從第1頻率切換成比該第1頻率更高的第2頻率之工程。
  17. 如申請專利範圍第16項之半導體裝置的控制方法，其中，更包含：當前述測定溫度比前述基準溫度更低時，將前述動作時脈的頻率從前述第2頻率切換成前述第1頻率之工程。
  18. 一種半導體裝置的控制方法，其特徵係包含以下的工程，(a)測定半導體晶片的溫度之工程；(b)將測定溫度與預定的第1基準溫度及比前述第1基準溫度更高的第2基準溫度作比較之工程；(c)當前述測定溫度比前述第2基準溫度更高時，將供給至形成於前述半導體晶片的運算部之動作時脈的頻率從第1頻率切換成比該第1頻率更高的第2頻率之工程。
  19. 如申請專利範圍第18項之半導體裝置的控制方法，其中，更包含：當前述測定溫度比前述第1基準溫度更低時，將前述動作時脈的頻率從前述第2頻率切換成前述第1頻率之工程。
  20. 如申請專利範圍第18項之半導體裝置的控制方法，其中，更包含：當前述測定溫度比前述第1基準溫度 更高，比前述第2基準溫度更低時，不切換前述動作時脈的頻率之工程。
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