JP4617721B2 - Semiconductor device and semiconductor circuit supply voltage control method - Google Patents
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Description
本発明は、電源電圧等を制御することによって消費電力の削減を図る機能を有する半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device having a function of reducing power consumption by controlling a power supply voltage and the like.
近年の半導体集積回路(以降、LSIと表記する)では、低消費電力化のために電源電圧を下げる方法が一般に用いられている。これは、LSIの消費電力の主な要素であるキャパシタの充放電電力が電源電圧の2乗に比例しており、電源電圧の低減によって充放電電力を大幅に減らすことができるためである。 In recent semiconductor integrated circuits (hereinafter referred to as LSI), a method of lowering the power supply voltage is generally used to reduce power consumption. This is because the charge / discharge power of the capacitor, which is the main element of the power consumption of the LSI, is proportional to the square of the power supply voltage, and the charge / discharge power can be greatly reduced by reducing the power supply voltage.
このような観点から、LSIの動作周波数やプロセスばらつき、温度の変化などに応じて電源電圧を動的に制御し、LSIが動作可能な最低の電源電圧を適応的に供給する方法が提案されている(例えば特許文献1)。この方法では、一般に、LSIのクリティカルパス相当の遅延特性を有するモニタ用の遅延回路を用いてクリティカルパスの遅延を把握し、把握した遅延がLSIの動作サイクル時間で規定される限界内に収まるように電源電圧を制御している。
一方、近年の半導体プロセスの微細化により、充放電電力に加えてサブスレッショルドリーク電流(以降、リーク電流と表記する)によるリーク電力が大きな問題になってきている。そのため、従来のような電源電圧の制御のみでは、リーク電力を含めた全体の消費電力を削減することが難しくなりつつある。 On the other hand, with recent miniaturization of semiconductor processes, leakage power due to subthreshold leakage current (hereinafter referred to as leakage current) has become a major problem in addition to charge / discharge power. For this reason, it is becoming difficult to reduce the entire power consumption including leakage power only by controlling the power supply voltage as in the prior art.
リーク電力を削減する方法としては、しきい値が高くリーク電流が小さいトランジスタで構成された電源スイッチを、LSIの機能ブロックごとに電源供給ライン上に挿入し、スタンバイ状態の機能ブロックへの電源供給を電源スイッチによって遮断する方法が一般的である。 As a method of reducing the leakage power, a power switch composed of transistors with a high threshold and a small leakage current is inserted on the power supply line for each LSI functional block to supply power to the standby functional block. Is generally cut off by a power switch.
しかしながら、この方法で削減できるのはスタンバイ状態のリーク電力のみであり、アクティブ状態のリーク電力を削減することができないという不利益がある。 However, this method can reduce only the leakage power in the standby state, and there is a disadvantage that the leakage power in the active state cannot be reduced.
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、リーク電力を含めた半導体回路のアクティブ状態の消費電力を削減することができる半導体装置、および、半導体回路の供給電圧の制御方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is a semiconductor device capable of reducing power consumption in an active state of a semiconductor circuit including leakage power, and a method for controlling a supply voltage of the semiconductor circuit. Is to provide.
第1の発明の半導体装置は、制御信号に応じてそれぞれ制御された半導体基板の基板電圧と回路の電源電圧とを供給されて動作する半導体回路と、上記半導体回路のクリティカルパスの遅延をモニタする遅延モニタ回路と、上記半導体回路の消費電力をモニタする消費電力モニタ回路と、上記遅延モニタ回路においてモニタされる遅延が上記半導体回路の動作サイクル時間に応じた所定の遅延を越えない条件の元で、上記基板電圧を一定に保ちつつ、上記遅延モニタ回路のモニタ値に基づいて、上記消費電力モニタ回路においてモニタされる消費電力が最小となるように上記電源電圧を調整する制御信号を出力する第1の処理と、上記電源電圧を一定に保ちつつ、上記消費電力モニタ回路のモニタ値に基づいて、上記消費電力モニタ回路においてモニタされる消費電力が最小となるように上記基板電圧を調節する制御信号を出力する第2の処理とを交互に反復する制御回路と、を有する。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device which operates by being supplied with a substrate voltage of a semiconductor substrate and a power supply voltage of the circuit, which are respectively controlled according to a control signal, and monitors a critical path delay of the semiconductor circuit A delay monitor circuit, a power consumption monitor circuit for monitoring the power consumption of the semiconductor circuit, and a condition that the delay monitored in the delay monitor circuit does not exceed a predetermined delay corresponding to the operation cycle time of the semiconductor circuit And outputting a control signal for adjusting the power supply voltage so that the power consumption monitored by the power consumption monitor circuit is minimized based on the monitor value of the delay monitor circuit while keeping the substrate voltage constant. 1 and the power consumption monitor circuit based on the monitor value of the power consumption monitor circuit while keeping the power supply voltage constant. Power to be monitored Te has a control circuit for alternately repeated and a second process of outputting a control signal for adjusting the substrate voltage so as to minimize.
上記第1の発明によれば、上記遅延モニタ回路においてモニタされる上記半導体回路のクリティカルパスの遅延が上記半導体回路の動作サイクル時間に応じた所定の遅延を超えない条件の元で、上記消費電力モニタ回路においてモニタされる上記半導体回路の消費電力が最小となるように、上記半導体回路の基板電圧と電源電圧とがそれぞれ制御される。
上記基板電圧を変化させることにより上記半導体回路中のトランジスタのしきい値が変化して、そのリーク電流が変化する。また、回路の電源電圧を変化させることにより、上記半導体回路中のキャパシタ成分の充放電電力が変化する。したがって、上述のように上記基板電圧と上記電源電圧とをそれぞれ制御することによって、全体の消費電力に占めるキャパシタ成分の充放電電力とトランジスタのリーク電力との割合を、全体の消費電力が最も小さくなる適切な割合に変化させることが可能になる。
According to the first aspect of the invention, the power consumption is performed under a condition that the delay of the critical path of the semiconductor circuit monitored by the delay monitor circuit does not exceed a predetermined delay corresponding to the operation cycle time of the semiconductor circuit. The substrate voltage and power supply voltage of the semiconductor circuit are controlled so that the power consumption of the semiconductor circuit monitored by the monitor circuit is minimized.
By changing the substrate voltage, the threshold value of the transistor in the semiconductor circuit changes, and the leakage current changes. Further, the charge / discharge power of the capacitor component in the semiconductor circuit is changed by changing the power supply voltage of the circuit. Therefore, by controlling the substrate voltage and the power supply voltage as described above, the ratio between the charge / discharge power of the capacitor component and the leakage power of the transistor in the total power consumption is the smallest. It becomes possible to change to an appropriate ratio.
また、上記第1の発明によれば、上記制御回路は、上記遅延モニタ回路のモニタ値に基づいて、上記基板電圧を一定に保ちつつ上記電源電圧を調節する制御信号を出力する第1の処理と、上記消費電力モニタ回路のモニタ値に基づいて、上記電源電圧を一定に保ちつつ上記基板電圧を調節する制御信号を出力する第2の処理とを交互に反復する。
これにより、上記第1の処理において、上記基板電圧が一定に保たれた状態で、上記遅延モニタ回路のモニタ値に基づき上記電源電圧が調節され、上記第2の処理において、上記電源電圧が一定に保たれた状態で、上記消費電力モニタ回路のモニタ値に基づき上記基板電圧が調節される。そして、この電源電圧の調節と基板電圧の調節とが交互に反復されることにより、上記消費電力モニタ回路においてモニタされる消費電力が最小となる電源電圧と基板電圧とが決定される。
According to the first invention, the control circuit outputs a control signal for adjusting the power supply voltage while keeping the substrate voltage constant based on a monitor value of the delay monitor circuit. If, based on the monitor value of the power monitor circuit is alternately repeated and a second process of outputting a control signal for adjusting the substrate voltage while maintaining the power supply voltage constant.
Accordingly, in the first process, the power supply voltage is adjusted based on the monitor value of the delay monitor circuit in a state where the substrate voltage is kept constant. In the second process, the power supply voltage is kept constant. In this state, the substrate voltage is adjusted based on the monitor value of the power consumption monitor circuit. Then, the adjustment of the power supply voltage and the adjustment of the substrate voltage are alternately repeated to determine the power supply voltage and the substrate voltage at which the power consumption monitored by the power consumption monitor circuit is minimized.
この場合、上記第1の処理では、例えば、上記遅延モニタ回路のモニタ値が上記半導体回路の動作サイクル時間に応じた所定の遅延値を越えない条件の元で、上記電源電圧を最小に調節する制御信号を出力し、上記電源電圧が最小に調節された状態における上記消費電力モニタ回路のモニタ値を取得しても良い。また、上記第2の処理では、上記第1の処理を反復して得られる一連の消費電力のモニタ値と、該一連のモニタ値のそれぞれが取得された際の上記基板電圧の値とに基づいて、上記半導体回路の消費電力を減少させ得る新たな基板電圧を決定し、現在供給中の基板電圧を該決定した基板電圧に変更する制御信号を出力しても良い。 In this case, in the first process, for example, the power supply voltage is adjusted to the minimum under the condition that the monitor value of the delay monitor circuit does not exceed a predetermined delay value corresponding to the operation cycle time of the semiconductor circuit. A control signal may be output to obtain a monitor value of the power consumption monitor circuit in a state where the power supply voltage is adjusted to the minimum. In the second process, a series of monitor values of power consumption obtained by repeating the first process and a value of the substrate voltage when each of the series of monitor values is acquired. Thus, a new substrate voltage that can reduce the power consumption of the semiconductor circuit may be determined, and a control signal for changing the currently supplied substrate voltage to the determined substrate voltage may be output.
なお、本明細書において「動作サイクル時間」は、半導体回路の動作が周期的に実行される際の1サイクルの時間を意味しており、半導体回路の動作周波数によって規定する1サイクルの時間と等しい。 In this specification, “operation cycle time” means a time of one cycle when the operation of the semiconductor circuit is periodically executed, and is equal to the time of one cycle defined by the operating frequency of the semiconductor circuit. .
上記第1の処理によれば、上記遅延モニタ回路のモニタ値が上記半導体回路の動作サイクル時間(すなわち、これを越えた場合に上記半導体回路の動作に支障を来たす遅延時間)に応じた所定の遅延値を越えない条件の元で、上記電源電圧が最小に調節される。そして、この最小に調節された状態における上記消費電力モニタ回路のモニタ値が制御回路に取得される。
上記第2の処理によれば、上記第1の処理を反復して得られる一連の消費電力のモニタ値と、該一連のモニタ値のそれぞれが取得された際の上記基板電圧の値とに基づいて、上記半導体回路の消費電力を減少させ得る新たな基板電圧が決定され、現在供給中の基板電圧が該決定した基板電圧に変更される。例えば、前回に比べて今回の消費電力が増加する場合、前回より今回の基板電圧が高いなら、次回の基板電圧が今回に比べて低く設定され、逆に、前回より今回の基板電圧が低いなら、次回の基板電圧が今回に比べて高く設定される。また、例えば、前回に比べて今回の消費電力が減少する場合、前回より今回の基板電圧が高いなら、次回の基板電圧が今回に比べて更に高く設定され、逆に、前回より今回の基板電圧が低いなら、次回の基板電圧が今回に比べて更に低く設定される。
According to the first process, the monitor value of the delay monitor circuit has a predetermined value corresponding to an operation cycle time of the semiconductor circuit (that is, a delay time that hinders the operation of the semiconductor circuit when the monitor value exceeds this). The power supply voltage is adjusted to a minimum under the condition that the delay value is not exceeded. Then, the monitor value of the power consumption monitor circuit in the state adjusted to the minimum is acquired by the control circuit.
According to the second process, based on a series of monitor values of power consumption obtained by repeating the first process, and a value of the substrate voltage when each of the series of monitor values is acquired. Thus, a new substrate voltage that can reduce the power consumption of the semiconductor circuit is determined, and the currently supplied substrate voltage is changed to the determined substrate voltage. For example, if the current power consumption increases compared to the previous time, if the current board voltage is higher than the previous time, the next board voltage is set lower than the current time, and conversely if the current board voltage is lower than the previous time. The next substrate voltage is set higher than this time. Also, for example, when the current power consumption is reduced compared to the previous time, if the current substrate voltage is higher than the previous time, the next substrate voltage is set higher than the current time. Is lower, the next substrate voltage is set lower than this time.
また、上記消費電力モニタ回路は、上記半導体回路のトランジスタのリーク電流をモニタするリーク電流モニタ回路と、上記半導体回路に供給中の電源電圧に関する情報と、上記半導体回路の動作周波数に関する情報と、上記リーク電流モニタ回路においてモニタされるリーク電流とに基づいて、上記半導体回路の消費電力を演算する演算回路とを含んでも良い。
上記の構成によれば、上記半導体回路に供給中の電源電圧に関する情報と、上記半導体回路の動作周波数に関する情報と、上記リーク電流モニタ回路においてモニタされるリーク電流とに基づいて、上記半導体回路の消費電力が演算される。これにより、例えば消費電力を実測する方法に比べて、消費電力のモニタ値の時間的な変動が小さくなり、電源電圧や基板電圧の制御を不安定化させずに済む。
The power consumption monitor circuit includes a leakage current monitor circuit that monitors a leakage current of a transistor of the semiconductor circuit, information on a power supply voltage being supplied to the semiconductor circuit, information on an operating frequency of the semiconductor circuit, An arithmetic circuit that calculates the power consumption of the semiconductor circuit based on the leak current monitored in the leak current monitor circuit may be included.
According to the above configuration, based on the information on the power supply voltage being supplied to the semiconductor circuit, the information on the operating frequency of the semiconductor circuit, and the leak current monitored in the leak current monitor circuit, Power consumption is calculated. As a result, for example, compared with a method of actually measuring power consumption, the temporal fluctuation of the power consumption monitor value is reduced, and it is not necessary to destabilize the control of the power supply voltage and the substrate voltage.
この場合、上記リーク電流モニタ回路は、上記半導体回路に含まれるトランジスタと等価な構造を有するリーク電流モニタ用トランジスタと、上記リーク電流モニタ用トランジスタに流れるリーク電流によって充電もしくは放電されるキャパシタと、上記リーク電流による充電または放電に応じて上記キャパシタの電圧が第1の電圧から第2の電圧に変化するまでに要する時間を計測する計時回路と、上記計時回路において計時を開始する前に、上記キャパシタの電圧を上記第1の電圧に設定する電圧設定回路とを含んでも良い。
上記の構成によれば、上記計時回路において計時が開始される前に、上記キャパシタの電圧は上記第1の電圧に設定される。上記計時回路の計時が開始されると、上記リーク電流モニタ用トランジスタのリーク電流により上記キャパシタが充電または放電され、上記キャパシタの電圧は上記第1の電圧から変化を開始する。そして、上記キャパシタの電圧が上記第1の電圧から上記第2の電圧に変化するまでに要した時間が、上記計時回路によって計測される。この計測値は、上記リーク電流モニタ用トランジスタと等価な構造を有する上記半導体回路中のトランジスタのリーク電流に応じた値を持つ。
In this case, the leakage current monitoring circuit includes a leakage current monitoring transistor having a structure equivalent to a transistor included in the semiconductor circuit, a capacitor charged or discharged by a leakage current flowing through the leakage current monitoring transistor, A timing circuit for measuring a time required for the voltage of the capacitor to change from the first voltage to the second voltage in response to charging or discharging due to a leakage current, and before starting the timing in the timing circuit, the capacitor And a voltage setting circuit for setting the voltage to the first voltage.
According to the above configuration, the voltage of the capacitor is set to the first voltage before timing is started in the timing circuit. When the timing of the timing circuit is started, the capacitor is charged or discharged by the leakage current of the leakage current monitoring transistor, and the voltage of the capacitor starts to change from the first voltage. The time required for the voltage of the capacitor to change from the first voltage to the second voltage is measured by the time measuring circuit. This measured value has a value corresponding to the leakage current of the transistor in the semiconductor circuit having a structure equivalent to the leakage current monitoring transistor.
また、上記リーク電流モニタ回路は、上記半導体回路の第1導電型トランジスタのリーク電流をモニタする第1のリーク電流モニタ回路と、上記半導体回路の第2導電型トランジスタのリーク電流をモニタする第2のリーク電流モニタ回路とを含んでも良い。
この場合、上記演算回路は、上記第1のリーク電流モニタ回路および上記第2のリーク電流モニタ回路においてそれぞれモニタされるリーク電流の平均値を用いて上記半導体回路の消費電力を演算しても良い。
あるいは、上記演算回路は、上記第1のリーク電流モニタ回路および上記第2のリーク電流モニタ回路においてそれぞれモニタされるリーク電流に基づいて、上記半導体回路に含まれる所定のゲート回路のリーク電流を換算し、該換算結果を用いて上記半導体回路の消費電力を演算しても良い。
The leak current monitor circuit includes a first leak current monitor circuit that monitors a leak current of the first conductivity type transistor of the semiconductor circuit, and a second leak current of the second conductivity type transistor of the semiconductor circuit. The leakage current monitor circuit may be included.
In this case, the arithmetic circuit may calculate the power consumption of the semiconductor circuit using an average value of leak currents monitored in the first leak current monitor circuit and the second leak current monitor circuit, respectively. .
Alternatively, the arithmetic circuit converts the leakage current of a predetermined gate circuit included in the semiconductor circuit based on the leakage current monitored in each of the first leakage current monitoring circuit and the second leakage current monitoring circuit. Then, the power consumption of the semiconductor circuit may be calculated using the conversion result.
更に、上記半導体回路は、上記電源電圧の供給を遮断する電源スイッチと、上記電源スイッチを介して上記電源電圧が供給される回路ブロックとを含んでも良く、この場合、上記演算回路は、上記半導体回路において電源電圧を供給中のゲート回路の数に関する情報を用いて、上記半導体回路の消費電力を演算しても良い。 Further, the semiconductor circuit may include a power switch that cuts off the supply of the power supply voltage, and a circuit block to which the power supply voltage is supplied via the power switch. In this case, the arithmetic circuit includes the semiconductor circuit. The power consumption of the semiconductor circuit may be calculated using information on the number of gate circuits that are supplying power supply voltage in the circuit.
また、上記遅延モニタ回路は、信号発生回路と、遅延回路と、遅延検出回路とを有しても良い。
上記信号発生回路は、第1の信号と、該第1の信号に対して上記半導体回路の動作サイクル時間に応じた遅延を有する第2の信号とを発生する。
上記遅延回路は、上記第1の信号を入力して伝播させ、上記半導体回路のクリティカルパスと等価な、もしくは相関性を持った遅延を与えて出力する。
遅延検出回路は、上記第1の信号に対する上記遅延回路の出力信号の遅延を、上記第1の信号に対する上記第2の信号の遅延を基準として検出する。
The delay monitor circuit may include a signal generation circuit, a delay circuit, and a delay detection circuit.
The signal generation circuit generates a first signal and a second signal having a delay corresponding to the operation cycle time of the semiconductor circuit with respect to the first signal.
The delay circuit inputs and propagates the first signal, gives a delay equivalent to or correlated with the critical path of the semiconductor circuit, and outputs the delayed signal.
The delay detection circuit detects the delay of the output signal of the delay circuit with respect to the first signal with reference to the delay of the second signal with respect to the first signal.
上記の構成によると、上記第2の信号は、上記第1の信号に対して、上記半導体回路の動作サイクル時間に応じた遅延を有する。また、上記第1の信号に対する上記遅延回路の出力信号の遅延は、上記クリティカルパスと等価な、もしくは相関性を持った遅延を有する。そして、上記遅延検出回路においては、上記第1の信号に対する上記第2の信号の遅延を基準として、上記第1の信号に対する上記遅延回路の出力信号の遅延が検出される。
これにより、上記遅延検出回路では、上記半導体回路の動作に支障を来たす遅延時間である上記半導体回路の動作サイクル時間を基準として、これに対し上記クリティカルパスの遅延が持つ余裕時間に応じた遅延検出値が得られる。
According to the above configuration, the second signal has a delay corresponding to the operation cycle time of the semiconductor circuit with respect to the first signal. The delay of the output signal of the delay circuit with respect to the first signal has a delay equivalent to or correlated with the critical path. In the delay detection circuit, the delay of the output signal of the delay circuit with respect to the first signal is detected with reference to the delay of the second signal with respect to the first signal.
As a result, the delay detection circuit detects the delay according to the margin time of the critical path delay with respect to the operation cycle time of the semiconductor circuit, which is a delay time that hinders the operation of the semiconductor circuit. A value is obtained.
また、上記第1の発明は、上記半導体回路および上記遅延モニタ回路に供給するクロック信号の周波数を、上記半導体回路に要求される処理速度の情報に応じて切り替えるクロック周波数切り替え回路を更に有しても良い。そして、上記半導体回路は、上記クロック信号の周波数に応じた処理速度で動作し、上記遅延モニタ回路の信号発生回路は、上記クロック信号のサイクル時間に応じた遅延差を有する上記第1の信号および上記第2の信号を発生しても良い。
これにより、例えば上記半導体回路に高速な処理速度が要求される場合、上記半導体回路に高い周波数のクロック信号を供給し、上記半導体回路に高速な処理速度が要求されない場合、上記半導体回路に低い周波数のクロック信号を供給するなど 、処理速度に応じてクロック信号の周波数を切り替えて、消費電力を削減することが可能になる。
The first invention further includes a clock frequency switching circuit that switches the frequency of the clock signal supplied to the semiconductor circuit and the delay monitor circuit in accordance with processing speed information required for the semiconductor circuit. Also good. The semiconductor circuit operates at a processing speed corresponding to the frequency of the clock signal, and the signal generation circuit of the delay monitor circuit includes the first signal having a delay difference corresponding to the cycle time of the clock signal and The second signal may be generated.
Thus, for example, when a high processing speed is required for the semiconductor circuit, a high frequency clock signal is supplied to the semiconductor circuit, and when a high processing speed is not required for the semiconductor circuit, the semiconductor circuit has a low frequency. It is possible to reduce the power consumption by switching the frequency of the clock signal according to the processing speed, such as by supplying a clock signal.
この場合、上記クロック周波数切り替え回路は、上記半導体回路および上記遅延モニタ回路に供給するクロック信号の周波数を低い周波数から高い周波数へ切り替える場合、上記遅延モニタ回路に供給するクロック信号の周波数を上記半導体回路より先に高い周波数へ切り替え、該切り替え後、上記制御回路の上記第1の処理によって上記電源電圧が最小に調節されてから、上記半導体回路に供給するクロック信号の周波数を高い周波数へ切り替えることが望ましい。また、上記半導体回路および上記遅延モニタ回路に供給するクロック信号の周波数を高い周波数から低い周波数へ切り替える場合は、上記半導体回路および上記遅延モニタ回路に供給するクロック信号の周波数を共通のタイミングで低い周波数へ切り替えることが望ましい。
これにより、上記半導体回路および上記遅延モニタ回路に供給するクロック信号の周波数を上昇させる際に、上記半導体回路が動作可能なレベルまで上記電源電圧を予め上昇させた後で、クロック信号の周波数の切り替えが行われる。
また、上記半導体回路および上記遅延モニタ回路に供給するクロック信号の周波数を低下させる際に、上記遅延モニタ回路において上記半導体回路のクリティカルパスの遅延を正常にモニタできる状態を保ったままで、クロック信号の周波数の切り替えが行われる。
In this case, the clock frequency switching circuit switches the frequency of the clock signal supplied to the delay monitor circuit when the frequency of the clock signal supplied to the semiconductor circuit and the delay monitor circuit is switched from a low frequency to a high frequency. The frequency of the clock signal supplied to the semiconductor circuit is switched to a high frequency after the switching to a higher frequency, and after the switching, the power supply voltage is adjusted to the minimum by the first processing of the control circuit. desirable. When switching the frequency of the clock signal supplied to the semiconductor circuit and the delay monitor circuit from a high frequency to a low frequency, the frequency of the clock signal supplied to the semiconductor circuit and the delay monitor circuit is set to a low frequency at a common timing. It is desirable to switch to
As a result, when the frequency of the clock signal supplied to the semiconductor circuit and the delay monitor circuit is increased, the frequency of the clock signal is switched after the power supply voltage is increased in advance to a level at which the semiconductor circuit can operate. Is done.
Further, when reducing the frequency of the clock signal supplied to the semiconductor circuit and the delay monitor circuit, the delay monitor circuit maintains a state where the delay of the critical path of the semiconductor circuit can be normally monitored in the delay monitor circuit. Frequency switching is performed.
本発明の第2の発明は、半導体回路に供給される電圧を制御する半導体回路の供給電圧制御方法であって、交互に反復して実行される第1の工程および第2の工程を有する。
上記第1の工程は、半導体回路のクリティカルパスの遅延をモニタし、該モニタした遅延の値が上記半導体回路の動作サイクル時間に応じた所定の遅延値を越えない条件の元で、上記半導体回路の電源電圧を最小に調節する第3の工程と、上記第3の工程において上記電源電圧が最小に調節された状態における上記半導体回路の消費電力をモニタする第4の工程とを含む。
上記第2の工程においては、上記第1の工程を反復して得られる一連の消費電力のモニタ値と、該一連のモニタ値のそれぞれが取得された際に上記半導体回路の半導体基板に供給される基板電圧の値とに基づいて、上記半導体回路の消費電力を減少させ得る新たな基板電圧を決定し、現在供給中の基板電圧を該決定した基板電圧に変更する。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a semiconductor circuit supply voltage control method for controlling a voltage supplied to a semiconductor circuit, comprising a first step and a second step which are executed alternately and repeatedly.
In the first step, the delay of the critical path of the semiconductor circuit is monitored, and the semiconductor circuit under the condition that the value of the monitored delay does not exceed a predetermined delay value corresponding to the operation cycle time of the semiconductor circuit. And a fourth step of monitoring power consumption of the semiconductor circuit in a state where the power supply voltage is adjusted to the minimum in the third step.
In the second step, a series of monitor values of power consumption obtained by repeating the first step and each of the series of monitor values are supplied to the semiconductor substrate of the semiconductor circuit. A new substrate voltage that can reduce the power consumption of the semiconductor circuit is determined based on the substrate voltage value to be changed, and the currently supplied substrate voltage is changed to the determined substrate voltage.
上記第2の発明によれば、上記第1の工程において、上記半導体回路のクリティカルパスの遅延がモニタされ、該モニタ値が上記半導体回路の動作サイクル時間に応じた所定の遅延値を越えない条件の元で、上記半導体回路の電源電圧が最小に調節される。そして、上記電源電圧が最小に調節された状態における上記半導体回路の消費電力がモニタされる。上記第2の工程では、上記第1の工程を反復して得られる一連の消費電力のモニタ値と、該一連のモニタ値のそれぞれが取得された際に上記半導体回路の半導体基板に供給される基板電圧の値とに基づいて、上記半導体回路の消費電力を減少させ得る新たな基板電圧が決定され、現在供給中の基板電圧が該決定された基板電圧に変更される。例えば、前回に比べて今回の消費電力が増加する場合、前回より今回の基板電圧が高いなら、次回の基板電圧が今回に比べて低く設定され、逆に、前回より今回の基板電圧が低いなら、次回の基板電圧が今回に比べて高く設定される。また、例えば、前回に比べて今回の消費電力が減少する場合、前回より今回の基板電圧が高いなら、次回の基板電圧が今回に比べて更に高く設定され、逆に、前回より今回の基板電圧が低いなら、次回の基板電圧が今回に比べて更に低く設定される。 According to the second aspect, in the first step, the critical path delay of the semiconductor circuit is monitored, and the monitor value does not exceed a predetermined delay value corresponding to the operation cycle time of the semiconductor circuit. Therefore, the power supply voltage of the semiconductor circuit is adjusted to the minimum. The power consumption of the semiconductor circuit in a state where the power supply voltage is adjusted to the minimum is monitored. In the second step, a series of monitor values of power consumption obtained by repeating the first step and each of the series of monitor values are supplied to the semiconductor substrate of the semiconductor circuit. Based on the value of the substrate voltage, a new substrate voltage capable of reducing the power consumption of the semiconductor circuit is determined, and the currently supplied substrate voltage is changed to the determined substrate voltage. For example, if the current power consumption increases compared to the previous time, if the current board voltage is higher than the previous time, the next board voltage is set lower than the current time, and conversely if the current board voltage is lower than the previous time. The next substrate voltage is set higher than this time. Also, for example, when the current power consumption is reduced compared to the previous time, if the current substrate voltage is higher than the previous time, the next substrate voltage is set higher than the current time. Is lower, the next substrate voltage is set lower than this time.
本発明によれば、電源電圧と基板電圧とをそれぞれ制御して、半導体回路のアクティブ状態の消費電力に含まれる充放電電力とリーク電力との割合を、全体の消費電力が最小になる適切な割合に変化させることができる。これにより、電源電圧のみの制御を行う方法に比べて、リーク電力を含めた半導体回路のアクティブ状態の消費電力を効果的に削減することができる。 According to the present invention, the power supply voltage and the substrate voltage are controlled, respectively, and the ratio between the charge / discharge power and the leakage power included in the power consumption in the active state of the semiconductor circuit is set appropriately. It can be changed to a ratio. Thereby, the power consumption in the active state of the semiconductor circuit including the leakage power can be effectively reduced as compared with the method of controlling only the power supply voltage.
以下、本発明の3つの実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, three embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<第1の実施形態>
図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の構成の一例を示す図である。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
図1に示す半導体装置を説明する前に、まず、本実施形態において半導体回路の消費電力を削減する原理について述べる。 Before describing the semiconductor device shown in FIG. 1, first, the principle of reducing the power consumption of the semiconductor circuit in this embodiment will be described.
一般に半導体回路の消費電力は、キャパシタ成分の充放電により消費される充放電電力と、トランジスタのリーク電流により消費されるリーク電力と、電源−グランド間に直列接続されるトランジスタの貫通電流により消費される電力との和によって表すことができる。これら3つの成分のうち、貫通電流による消費電力は他の2つの成分に比較して小さいため、多くの場合、半導体回路の消費電力は充放電電力とリーク電力との和で近似することが可能である。 In general, power consumption of a semiconductor circuit is consumed by charge / discharge power consumed by charging / discharging of a capacitor component, leakage power consumed by a transistor leakage current, and a through current of a transistor connected in series between a power source and a ground. It can be expressed by the sum of the power. Of these three components, the power consumption due to through current is small compared to the other two components, so in many cases the power consumption of a semiconductor circuit can be approximated by the sum of charge / discharge power and leakage power. It is.
既に述べたように、キャパシタ成分の充放電電力は電源電圧の2乗に比例するため、電源電圧を低下させることは充放電電力の削減に非常に有効である。しかしながら、近年の製造プロセスの微細化によってリーク電流が大きくなりつつあるため、従来の技術のように電源電圧の制御のみでは、リーク電力を含めたトータルの消費電力を削減することが困難になってきている。言い換えると、従来の技術は、主に充放電電力の削減に対して効果を有するものの、充放電電力とリーク電力とを合わせた全体の消費電力を削減する観点では十分でなく、更に消費電力を削減できる余地を残している。 As already described, since the charge / discharge power of the capacitor component is proportional to the square of the power supply voltage, reducing the power supply voltage is very effective in reducing the charge / discharge power. However, since the leakage current is becoming larger due to the recent miniaturization of the manufacturing process, it is difficult to reduce the total power consumption including the leakage power only by controlling the power supply voltage as in the conventional technique. ing. In other words, the conventional technology is mainly effective in reducing the charge / discharge power, but is not sufficient in terms of reducing the overall power consumption by combining the charge / discharge power and the leak power, and further reduces the power consumption. There is room for reduction.
図2〜図4は、要求された動作速度を満たすように半導体回路の遅延を一定に保った状態で、基板電圧VBSと電源電圧VDDとを変化させた場合の半導体回路の消費電力を示す図である。
図の縦軸は半導体回路の正規化した消費電力を示し、横軸は半導体基板に供給する基板電圧を示す。
2 to 4 show the power consumption of the semiconductor circuit when the substrate voltage V BS and the power supply voltage V DD are changed in a state where the delay of the semiconductor circuit is kept constant so as to satisfy the required operation speed. FIG.
The vertical axis of the figure indicates the normalized power consumption of the semiconductor circuit, and the horizontal axis indicates the substrate voltage supplied to the semiconductor substrate.
基板電圧VBSを変化させると、トランジスタのしきい値が変化するため、リーク電流が変化する。一方、トランジスタのしきい値の変化は、半導体回路の遅延を変化させるため、半導体回路の遅延を一定に保とうとすると、電源電圧VDDを変化させる必要がある。その結果、全体の消費電力に占める充放電電力とリーク電力との割合が変化し、全体の消費電力も変化する。 When the substrate voltage V BS is changed, the threshold value of the transistor changes, so that the leakage current changes. On the other hand, since the change in the threshold value of the transistor changes the delay of the semiconductor circuit, it is necessary to change the power supply voltage V DD in order to keep the delay of the semiconductor circuit constant. As a result, the ratio of charge / discharge power and leak power in the total power consumption changes, and the overall power consumption also changes.
高温条件下の例(図2)では、リーク電流が大きくなるため、全体の消費電力に占めるリーク電力の割合が増加する。したがって、基板電圧VBSを逆方向に印加することでリーク電流を抑制した状態が、全体の消費電力を最小とする条件になる。図2の例では、電源電圧VDD=0.9V、基板電圧VBS=−0.6Vのときに、全体の消費電力が最小になる。 In the example under the high temperature condition (FIG. 2), the leakage current increases, so that the ratio of the leakage power to the total power consumption increases. Therefore, a state in which the leakage current is suppressed by applying the substrate voltage V BS in the reverse direction is a condition for minimizing the overall power consumption. In the example of FIG. 2, the overall power consumption is minimized when the power supply voltage V DD = 0.9 V and the substrate voltage V BS = −0.6 V.
一方、低温条件下の例(図3)では、リーク電流が減少するため、全体の消費電力に占める充放電電力の割合が増加する。したがって、基板電圧VBSを順方向に印加して半導体回路の動作速度を上げ、電源電圧VDDを下げることで充放電電力を抑制した状態が、全体の消費電力を最小とする条件となる。図3の例では、電源電圧VDD=0.65V、基板電圧VBS=0.4Vのときに、全体の消費電力が最小になる。 On the other hand, in the example under the low temperature condition (FIG. 3), the leakage current decreases, so the ratio of charge / discharge power to the total power consumption increases. Therefore, the state in which the charge / discharge power is suppressed by applying the substrate voltage V BS in the forward direction to increase the operation speed of the semiconductor circuit and lowering the power supply voltage V DD is the condition for minimizing the overall power consumption. In the example of FIG. 3, when the power supply voltage V DD = 0.65 V and the substrate voltage V BS = 0.4 V, the overall power consumption is minimized.
最後に室温条件下の例(図4)では、高温条件と低温条件の中間におけるゼロバイアス条件近辺が消費電力を最小とする条件となる。図4の例では、電源電圧VDD=0.8V、基板電圧VBS=0Vのときに、全体の消費電力が最小になる。 Finally, in the example under the room temperature condition (FIG. 4), the vicinity of the zero bias condition between the high temperature condition and the low temperature condition is the condition for minimizing the power consumption. In the example of FIG. 4, when the power supply voltage V DD = 0.8 V and the substrate voltage V BS = 0 V, the overall power consumption is minimized.
以上の例からも分かるように、要求された動作速度を満たす範囲で全体の消費電力を最小にするためには、単に電源電圧を下げるだけでは不十分であり、電源電圧と基板電圧とをそれぞれ調節して、全体の消費電力に占めるリーク電力と充放電電力との割合を適切に設定する必要がある。
本実施形態は、製造プロセスによる特性のばらつきや動作環境の変化などに応じて、電源電圧および基板電圧を適応的に制御することにより、リーク電力と充放電電力とを含めた全体の消費電力の最小化を図るものである。
As can be seen from the above examples, it is not sufficient to simply lower the power supply voltage in order to minimize the overall power consumption within the range satisfying the required operating speed. It is necessary to adjust the ratio of the leakage power and the charge / discharge power in the total power consumption to be set appropriately.
In this embodiment, the power supply voltage and the substrate voltage are adaptively controlled in accordance with variations in characteristics due to manufacturing processes and changes in the operating environment, so that the overall power consumption including leakage power and charge / discharge power can be reduced. It is intended to minimize.
次に、図1に示す半導体装置を説明する。
図1に示す半導体装置は、ターゲット回路1と、クロック発生回路2と、遅延モニタ回路3と、消費電力モニタ回路4と、制御回路5とを有する。
なお、ターゲット回路1は、本発明の半導体回路の一実施形態である。
遅延モニタ回路3は、本発明の遅延モニタ回路の一実施形態である。
消費電力モニタ回路4は、本発明の消費電力モニタ回路の一実施形態である。
制御回路5は、本発明の制御回路の一実施形態である。
Next, the semiconductor device shown in FIG. 1 will be described.
The semiconductor device shown in FIG. 1 includes a
The
The
The power
The
[ターゲット回路1]
ターゲット回路1は、半導体基板上に形成される半導体回路であり、例えばCPUやDSP、その他の論理回路などであり得る。ターゲット回路1には、回路の電源電圧VDDが電源供給回路6から供給されるとともに、半導体基板の基板電圧VBSが基板電圧供給回路7から供給される。
[Target circuit 1]
The
[電源供給回路6]
電源供給回路6は、制御回路5の制御信号に応じて制御された電源電圧VDDを発生し、ターゲット回路1に供給する。
[Power supply circuit 6]
The
[基板電圧供給回路7]
基板電圧供給回路7は、制御回路5の制御信号に応じて制御された基板電圧VBSを発生し、ターゲット回路1に供給する。
[Substrate voltage supply circuit 7]
The substrate
[クロック発生回路2]
クロック発生回路2は、ターゲット回路1および遅延モニタ回路3に共通のクロック信号CKを発生する。
[Clock generation circuit 2]
The
[遅延モニタ回路3]
遅延モニタ回路3は、ターゲット回路1のクリティカルパスの遅延をモニタする回路であり、例えば図1に示すように、パルス発生回路8と、遅延回路9と、遅延検出回路10と、レジスタ11とを有する。
遅延回路9は、本発明の遅延回路の一実施形態である。
パルス発生回路8は、本発明の信号発生回路の一実施形態である。
遅延検出回路10は、本発明の遅延検出回路の一実施形態である。
[Delay monitor circuit 3]
The
The
The pulse generation circuit 8 is an embodiment of the signal generation circuit of the present invention.
The
パルス発生回路8は、パルス信号S1と、このパルス信号S1に対してターゲット回路1の動作サイクル時間に応じた遅延を有するパルス信号S1Aとを発生する。
例えば、クロック発生回路2から供給されるクロック信号CKに基づいて、このクロック信号CKの1サイクルに等しい遅延差を有するパルス信号S1およびパルス信号S1Aを生成する。
パルス発生回路8において発生したパルス信号S1は遅延回路9に供給され、パルス信号S1Aは遅延検出回路10に供給される。
The pulse generation circuit 8 generates a pulse signal S1 and a pulse signal S1A having a delay corresponding to the operation cycle time of the
For example, based on the clock signal CK supplied from the
The pulse signal S1 generated in the pulse generation circuit 8 is supplied to the
遅延回路9は、パルス発生回路8において発生するパルス信号S1を入力して伝播させ、ターゲット回路1のクリティカルパスと等価な、もしくは相関性を持った遅延を与えて出力する。
The
遅延回路9は、例えば図1に示すように、ターゲット回路1と共通の電源電圧VDDおよび基板電圧VBSが供給されており、これらの電圧に対する遅延特性が、ターゲット回路1のクリティカルパスの遅延特性と等価であるか、もしくは相関性を有している。そのため、遅延回路9の遅延は、電源電圧VDDおよび基板電圧VBSが変化する場合でも、ターゲット回路1のクリティカルパスの遅延と等価であるか、もしくはこれと相関性を有する。
For example, as shown in FIG. 1, the
また、遅延回路9は、ターゲット回路1と共通の半導体チップ上に形成されることが望ましい。これにより、遅延回路9の遅延特性は、製造プロセスに起因する特性ばらつきや温度の変動などがある場合でも、ターゲット回路1のクリティカルパスの遅延特性と等価であるか、もしくはこれに相関性を有する。
The
図5は、遅延回路9の構成の一例を示す図である。
図5に例示する遅延回路9は、ゲート回路の遅延を模擬するためのゲート遅延回路9−1と、配線の遅延を模擬するための配線遅延回路9−2とを有する。
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the configuration of the
The
ゲート遅延回路9−1は、縦続に接続されたゲート回路9−1a〜9−1cと、各ゲート回路の入力信号もしくは出力信号の中からゲート遅延設定信号S3に応じた1つの信号を選択して出力するセレクタ回路9−1dとを有する。 The gate delay circuit 9-1 selects one signal corresponding to the gate delay setting signal S3 from the gate circuits 9-1a to 9-1c connected in cascade and the input signal or output signal of each gate circuit. And a selector circuit 9-1d for outputting.
縦続接続されたゲート回路9−1a〜9−1cの初段には、パルス信号S1が入力される。入力されたパルス信号S1は、ゲート回路9−1a〜9−1cの初段から後段に向かって順次に伝播し、各ゲート回路から異なる遅延を持つ信号として出力される。この複数の遅延信号の中から、ゲート遅延設定信号S3に応じた1つの遅延信号が選択されて出力される。 The pulse signal S1 is input to the first stage of the cascaded gate circuits 9-1a to 9-1c. The input pulse signal S1 propagates sequentially from the first stage to the subsequent stage of the gate circuits 9-1a to 9-1c, and is output from each gate circuit as a signal having a different delay. One delay signal corresponding to the gate delay setting signal S3 is selected from the plurality of delay signals and output.
配線遅延回路9−2は、縦続に接続された配線遅延素子9−2a〜9−2cと、各配線遅延素子の入力信号もしくは出力信号の中から配線遅延設定信号S4に応じた1つの信号を選択して出力するセレクタ回路9−2dとを有する。 The wiring delay circuit 9-2 receives one signal corresponding to the wiring delay setting signal S4 from the wiring delay elements 9-2a to 9-2c connected in cascade and the input signal or output signal of each wiring delay element. And a selector circuit 9-2d for selecting and outputting.
縦続接続された配線遅延素子9−2a〜9−2cの初段には、ゲート遅延回路9−1のセレクタ回路9−1dより出力される遅延信号が入力される。入力された遅延信号は、配線遅延素子9−2a〜9−2cを更に伝播し、各配線遅延素子から異なる遅延を持つ信号として出力される。この複数の遅延信号の中から、配線遅延設定信号S4に応じた1つの遅延信号が選択され、信号S2として出力される。 A delay signal output from the selector circuit 9-1d of the gate delay circuit 9-1 is input to the first stage of the interconnected delay elements 9-2a to 9-2c. The input delay signal further propagates through the wiring delay elements 9-2a to 9-2c, and is output as a signal having a different delay from each wiring delay element. One delay signal corresponding to the wiring delay setting signal S4 is selected from the plurality of delay signals and is output as the signal S2.
このような構成により、ゲート回路の遅延成分と配線の遅延成分とをそれぞれ独立に調節することが可能になるため、遅延回路9の遅延特性とターゲット回路1のクリティカルパスの遅延特性とを精度良く合わせる、もしくは両者の特性の間に高い相関性を持たせることができる。
With such a configuration, the delay component of the gate circuit and the delay component of the wiring can be adjusted independently, so that the delay characteristic of the
なお、図5の例ではゲート遅延回路9−1の後段に配線遅延回路9−2が接続されているが、この順序を逆に接続しても同様な機能を実現可能である。
また、遅延回路9を構成する遅延素子はゲート回路や配線遅延素子に限定されるものではなく、ターゲット回路1の内部において信号遅延の要因となる他の遅延素子を加えても良い。
In the example of FIG. 5, the wiring delay circuit 9-2 is connected to the subsequent stage of the gate delay circuit 9-1, but a similar function can be realized even if this order is reversed.
The delay elements constituting the
レジスタ11は、遅延回路9に入力するゲート遅延設定信号S3および配線遅延設定信号S4を保持する。これらの信号は、図示しないCPU等の制御装置によって任意に書き換えることが可能である。
The register 11 holds the gate delay setting signal S3 and the wiring delay setting signal S4 input to the
遅延検出回路10は、パルス信号S1に対するパルス信号S1Aの遅延を基準として、パルス信号S1に対する遅延回路9の出力信号S2の遅延を検出する。
The
図6は、遅延検出回路10の構成の一例を示す図である。
図6に例示する遅延検出回路10は、縦続に接続されたゲート回路10−1〜10−5と、各ゲート回路の入力信号をパルス信号S1Aに同期して保持するフリップフロップ10−6〜10−10と、各フリップフロップに保持されるビットデータを数値データに変換するエンコーダ10−11とを有する。
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the configuration of the
The
縦続接続されたゲート回路10−1〜10−5の初段には、遅延回路9の出力信号S2が入力される。入力された信号S2は、ゲート回路10−1〜10−5の初段から後段に向かって順次に伝播する。この伝播の過程で各フリップフロップのクロック端子にパルス信号S1Aが到達すると、各ゲート回路の入力信号が各フリップフロップに保持される。各フリップフロップに保持される入力信号の値は、そのクロック端子にパルス信号S1Aが到達するまでの間、遅延回路9の出力信号S2がゲート回路10−1〜10−5の何段目まで到達したかを示す。
The output signal S2 of the
図7は、図6に示す遅延検出回路における各信号のタイミング関係を示す図である。
図7の例において、パルス信号S1Aはパルス信号S1に対しクロック信号CKの1サイクル分の遅延を有している。すなわち、遅延回路9に値‘1’のパルス信号S1が入力されてから、クロック信号CKの1サイクル分の時間が経過した後に、ゲート回路10−1〜10−5の入力信号がフリップフロップ10−6〜10−10に保持される。
そのため、遅延回路9の遅延がクロック信号CKの1サイクルより小さいほど、初段から段数が離れたゲート回路において値‘1’の信号がフリップフロップに保持される。逆に、遅延回路9の遅延がクロック信号CKの1サイクルに近づくほど、初段に近いゲート回路において値‘0’の信号がフリップフロップに保持される。そして、遅延回路9の遅延がクロック信号CKの1サイクルより大きくなると、全てのフリップフロップの出力が値‘0’になる。
このように、フリップフロップ10−6〜10−10には、クロック信号CKの1サイクルの時間を基準として検出された遅延回路9の遅延値が保持される。
FIG. 7 is a diagram showing the timing relationship of each signal in the delay detection circuit shown in FIG.
In the example of FIG. 7, the pulse signal S1A has a delay of one cycle of the clock signal CK with respect to the pulse signal S1. That is, after a time of one cycle of the clock signal CK has elapsed since the pulse signal S1 having the value “1” is input to the
Therefore, as the delay of the
In this way, the flip-flops 10-6 to 10-10 hold the delay value of the
フリップフロップに保持される信号は、エンコーダ10−11において数値データに変換される。例えば、初段のゲート回路から順に‘1’,‘1’,‘1’,‘0’,…,‘0’という信号列が得られる場合、エンコーダ10−11はこの信号列を値‘3’の数値データに変換される。
エンコーダ10−11より出力される数値データは、クロック信号CKの1サイクルに対してターゲット回路1のクリティカルパスの遅延が持つ余裕時間を表す。例えば、数値が大きいほど余裕時間が大きくなり、逆に、数値が小さいほど余裕時間が短くなる。
このエンコーダの数値データは、ターゲット回路1のクリティカルパスの遅延情報として制御回路5に出力される。
The signal held in the flip-flop is converted into numerical data by the encoder 10-11. For example, when a signal sequence of “1”, “1”, “1”, “0”,..., “0” is obtained in order from the first stage gate circuit, the encoder 10-11 converts the signal sequence to the value “3”. Converted to numeric data.
The numerical data output from the encoder 10-11 represents a margin time that the critical path delay of the
The numerical data of the encoder is output to the
後述するように、制御回路5は、遅延検出回路10が出力する遅延情報が予め設定されたターゲット値に一致するように、電源供給回路6を制御する。例えばターゲット値=‘3’に設定すると、遅延情報=‘3’となる様に電源供給回路6を制御する。その結果、電源電圧VDDは、遅延回路9の出力信号S2の遅延がクロック信号CKの1サイクル時間内に収まるように設定される。
As will be described later, the
なお、遅延検出回路10は、図6に示した構成に限定されるものではなく、例えば、遅延回路9の出力信号S2の遅延がクロック信号CKの1サイクル時間に応じて定めた基準値に対して「大きい」、「小さい」、「一致する」の何れの状態にあるかを、遅延情報として制御回路5に出力する構成でも良い。この場合、制御回路5は、遅延情報が「一致」の状態になるように電源供給回路6を制御すれば良い。
以上が、遅延モニタ回路3の説明である。
Note that the
The above is the description of the
[消費電力モニタ回路4]
消費電力モニタ回路4は、ターゲット回路1の消費電力をモニタする回路であり、例えば図1に示すように、リーク電流モニタ回路12と、演算回路13と、レジスタ14とを有する。
リーク電流モニタ回路12は、本発明のリーク電流モニタ回路の一実施形態である。
演算回路13は、本発明の演算回路の一実施形態である。
[Power consumption monitor circuit 4]
The power
The leak
The
演算回路13は、ターゲット回路1に供給中の電源電圧の情報と、ターゲット回路1の動作周波数に関する情報と、後述するリーク電流モニタ回路12においてモニタされるターゲット回路1のリーク電流に関する情報とに基づいて、ターゲット回路1の消費電力を演算する。
ターゲット回路1の消費電力PCは、ターゲット回路1の電源電圧VDD、動作周波数F、リーク電流ILを用いて、次式により演算することができる。
The
The power consumption P C of the
ここで、係数αACは、ターゲット回路1に含まれるゲート回路の数と、ゲート回路の平均的な活性化率(所定数の動作サイクルに対してゲート回路の論理値がアクティブに変化する回数の比率)とにより決定される充放電電力係数である。
また、係数αDCは、ターゲット回路1に搭載されるトランジスタの総ゲート幅により決定されるリーク電力係数である。
係数αACおよびαDCは、充放電電力およびリーク電力の評価結果から決定することが可能である。
Here, the coefficient α AC is the number of gate circuits included in the
The coefficient α DC is a leak power coefficient determined by the total gate width of the transistors mounted on the
The coefficients α AC and α DC can be determined from the evaluation results of charge / discharge power and leak power.
レジスタ14は、演算回路13の演算に用いられる係数値αDC,αACや、クロック信号CKの周波数F、制御回路5において設定中の電源電圧VDDの情報を格納する。レジスタ14に格納される情報は、レジスタ11と同様に、図示しないCPU等の制御装置によって任意に書き換えることが可能である。
The
リーク電流モニタ回路12は、ターゲット回路1が有するトランジスタのリーク電流をモニタする。例えば、ターゲット回路1がn型MOSトランジスタおよびp型MOSトランジスタを有する場合、リーク電流モニタ回路12は、それぞれのトランジスタのリーク電流をモニタする。
The leak
図8は、リーク電流モニタ回路12においてn型MOSトランジスタのリーク電流をモニタする回路の構成の一例を示す図である。
図8に示す回路は、キャパシタ12−0と、リーク電流モニタ用のn型MOSトランジスタ12−1と、プリチャージ用のp型MOSトランジスタ12−2と、シュミットトリガ回路12−3と、AND回路12−4および12−5と、ラッチ回路12−6と、カウンタ12−7と、フリップフロップ12−8とを有する。
FIG. 8 is a diagram showing an example of the configuration of a circuit that monitors the leak current of the n-type MOS transistor in the leak
The circuit shown in FIG. 8 includes a capacitor 12-0, an n-type MOS transistor 12-1 for monitoring leakage current, a p-type MOS transistor 12-2 for precharging, a Schmitt trigger circuit 12-3, and an AND circuit. 12-4 and 12-5, a latch circuit 12-6, a counter 12-7, and a flip-flop 12-8.
なお、n型MOSトランジスタ12−1は、本発明のリーク電流モニタ用トランジスタの一実施形態である。
キャパシタ12−0は、本発明のキャパシタの一実施形態である。
シュミットトリガ回路12−3と、AND回路12−4および12−5と、ラッチ回路12−6と、カウンタ12−7とを含む回路は、本発明の計時回路の一実施形態である。
p型MOSトランジスタ12−2は、本発明の電圧設定回路の一実施形態である。
The n-type MOS transistor 12-1 is an embodiment of the leakage current monitoring transistor of the present invention.
Capacitor 12-0 is an embodiment of the capacitor of the present invention.
A circuit including a Schmitt trigger circuit 12-3, AND circuits 12-4 and 12-5, a latch circuit 12-6, and a counter 12-7 is an embodiment of the timing circuit of the present invention.
The p-type MOS transistor 12-2 is an embodiment of the voltage setting circuit of the present invention.
キャパシタ12−0は、ノードN4とグランドGとの間に接続される。
n型MOSトランジスタ12−1は、ノードN4にドレインが接続され、グランドGにソースおよびゲートが接続され、基板電圧供給回路7より基板電圧VBSNが供給される。
p型MOSトランジスタ12−2は、ノードN4にドレインが接続され、電源電圧VDDにソースが接続され、ゲートにプリチャージ信号PCSが入力される。
The capacitor 12-0 is connected between the node N4 and the ground G.
N-type MOS transistor 12-1 has a drain connected to
In the p-type MOS transistor 12-2, the drain is connected to the node N4, the source is connected to the power supply voltage V DD , and the precharge signal PCS is input to the gate.
なお、リーク電流モニタ用のn型MOSトランジスタ12−1はターゲット回路1内部のn型MOSトランジスタと等価な構造を有しており、そのリーク電流の特性が互いに等価である。
例えばn型MOSトランジスタ12−1は、ターゲット回路1と共通の半導体チップに形成されるトランジスタである。
The n-type MOS transistor 12-1 for monitoring leakage current has a structure equivalent to the n-type MOS transistor in the
For example, the n-type MOS transistor 12-1 is a transistor formed on a common semiconductor chip with the
また、プリチャージ用のp型MOSトランジスタ12−2は、例えば高しきい値のトランジスタであり、そのリーク電流の大きさはn型MOSトランジスタ12−1と比べて無視し得る。 Further, the p-type MOS transistor 12-2 for precharging is, for example, a high threshold transistor, and the magnitude of the leakage current can be ignored as compared with the n-type MOS transistor 12-1.
シュミットトリガ回路12−3は、ノードN4の電圧が論理しきい値Vthより大きい場合にハイレベル、論理しきい値Vthより小さい場合にローレベルの信号を出力する。 The Schmitt trigger circuit 12-3 outputs a high level signal when the voltage at the node N4 is higher than the logical threshold value Vth, and outputs a low level signal when the voltage is lower than the logical threshold value Vth.
AND回路12−4は、プリチャージ信号PCSとシュミットトリガ回路12−3の出力信号との論理積を出力する。
ラッチ回路12−6は、クロック信号CKがローレベルのとき、AND回路12−4の論理積をそのまま出力し、クロック信号CKがローレベルからハイレベルに変化するとき、出力信号を一定に保持する。
AND回路12−5は、ラッチ回路12−6の出力信号とクロック信号CKとの論理積を出力する。
The AND circuit 12-4 outputs a logical product of the precharge signal PCS and the output signal of the Schmitt trigger circuit 12-3.
The latch circuit 12-6 outputs the logical product of the AND circuit 12-4 as it is when the clock signal CK is at a low level, and holds the output signal constant when the clock signal CK changes from a low level to a high level. .
The AND circuit 12-5 outputs a logical product of the output signal of the latch circuit 12-6 and the clock signal CK.
カウンタ12−7は、プリチャージ信号PCSがハイレベルのとき、AND回路12−5より出力されるパルスの数を計数し、プリチャージ信号PCSがローレベルのとき、計数結果を初期化する。
フリップフロップ12−8は、プリチャージ信号PCSがハイレベルからローレベルへ立ち下がるときに、カウンタ12−7の計数結果を取り込んで保持する。
The counter 12-7 counts the number of pulses output from the AND circuit 12-5 when the precharge signal PCS is at a high level, and initializes the count result when the precharge signal PCS is at a low level.
The flip-flop 12-8 captures and holds the count result of the counter 12-7 when the precharge signal PCS falls from the high level to the low level.
図9は、図8に示すn型MOSトランジスタのリーク電流モニタ回路における各信号のタイミング関係を示す図である。 FIG. 9 is a diagram showing the timing relationship of each signal in the leak current monitor circuit of the n-type MOS transistor shown in FIG.
プリチャージ信号PCSがローレベルの期間中、ノードN4に接続されるキャパシタ12−0は高いしきい値を持ったプリチャージ用のp型MOSトランジスタ12−2によって電源電圧VDDにプリチャージされる。
プリチャージ信号PCSがローレベルからハイレベルに遷移すると(時刻t1)、p型MOSトランジスタ12−2がオフになり、キャパシタ12−0の電荷がn型MOSトランジスタ12−1のリーク電流によって放電され、ノードN4の電圧が徐々に低下する(図9(B))。そして、ノードN4の電位がシュミットトリガ回路12−3の論理しきい値Vthに到達すると(時刻t2)、その出力信号(ノードN5)がハイレベルからローレベルに遷移する(図9(C))。シュミットトリガ回路12−3の出力信号とプリチャージ信号PCSとの論理積(図9(D))がハイレベルになる時刻t1−t2の期間において、ラッチ回路12−6の出力がハイレベルになり、クロック信号CKがAND回路12−5を通ってカウンタ12−7に入力され(図9(F))、そのパルス数がカウンタ12−7により計数される(図9(G))。カウンタ12−7の計数値は、プリチャージ信号PCSがハイレベルからローレベルへ遷移するとき(時刻t3)にフリップフロップ12−8に保持される(図9(H))。このとき、カウンタ12−7の計数値はゼロに初期化される(図9(G))。
During the period when the precharge signal PCS is at the low level, the capacitor 12-0 connected to the node N4 is precharged to the power supply voltage V DD by the p-type MOS transistor 12-2 for precharging having a high threshold value. .
When the precharge signal PCS transitions from the low level to the high level (time t1), the p-type MOS transistor 12-2 is turned off, and the charge of the capacitor 12-0 is discharged by the leak current of the n-type MOS transistor 12-1. The voltage at the node N4 gradually decreases (FIG. 9B). When the potential of the node N4 reaches the logic threshold value Vth of the Schmitt trigger circuit 12-3 (time t2), the output signal (node N5) transitions from the high level to the low level (FIG. 9C). . In the period from time t1 to t2 when the logical product (FIG. 9D) of the output signal of the Schmitt trigger circuit 12-3 and the precharge signal PCS becomes high level, the output of the latch circuit 12-6 becomes high level. The clock signal CK is input to the counter 12-7 through the AND circuit 12-5 (FIG. 9F), and the number of pulses is counted by the counter 12-7 (FIG. 9G). The count value of the counter 12-7 is held in the flip-flop 12-8 when the precharge signal PCS changes from the high level to the low level (time t3) ((H) in FIG. 9). At this time, the count value of the counter 12-7 is initialized to zero (FIG. 9G).
このように、図8に示す回路では、キャパシタ12−0の電圧を電源電圧VDDに設定した後、n型MOSトランジスタ12−1のリーク電流によってキャパシタ12−0の電荷の放電を開始させる。そして、この放電開始時点から、キャパシタ12−0の電圧が論理しきい値Vthまで下がる時点までの間、カウンタ12−7においてクロック信号CKのパルスを計数させる。これにより、n型MOSトランジスタ12−1のリーク電流に応じた大きさを有する計数値S6が得られる。計数値S6は、ターゲット回路1中のn型MOSトランジスタのリーク電流をモニタした値として演算回路13に出力される。
As described above, in the circuit shown in FIG. 8, after the voltage of the capacitor 12-0 is set to the power supply voltage V DD , the discharge of the capacitor 12-0 is started by the leakage current of the n-type MOS transistor 12-1. Then, the counter 12-7 counts the pulses of the clock signal CK from the discharge start time to the time when the voltage of the capacitor 12-0 drops to the logic threshold value Vth. As a result, a count value S6 having a magnitude corresponding to the leakage current of the n-type MOS transistor 12-1 is obtained. The count value S6 is output to the
図10は、リーク電流モニタ回路12においてp型MOSトランジスタのリーク電流をモニタする回路の構成の一例を示す図である。
図9に示す回路は、図8に示す回路におけるn型MOSトランジスタ12−1およびp型MOSトランジスタ12−2を、リーク電流モニタ用のp型MOSトランジスタ12−9およびプリチャージ用のn型MOSトランジスタ12−10に置換するとともに、プリチャージ信号PCSを論理反転してn型MOSトランジスタ12−10のゲートに入力するインバータ回路12−11を追加したものである。他の構成は図8に示す回路と同じである。
FIG. 10 is a diagram showing an example of the configuration of a circuit that monitors the leak current of the p-type MOS transistor in the leak
9 includes an n-type MOS transistor 12-1 and a p-type MOS transistor 12-2 in the circuit shown in FIG. 8, a p-type MOS transistor 12-9 for monitoring leakage current, and a n-type MOS for precharging. The inverter circuit 12-11 is added to replace the transistor 12-10 and logically invert the precharge signal PCS and input it to the gate of the n-type MOS transistor 12-10. Other configurations are the same as those of the circuit shown in FIG.
p型MOSトランジスタ12−9は、ドレインがノードN4に接続され、ソースおよびゲートが電源電圧VDDに接続され、基板電圧供給回路7より基板電圧VBSPが供給される。
n型MOSトランジスタ12−10は、ドレインがノードN4に接続され、ソースがグランドGに接続され、ゲートにインバータ回路12−11の論理反転信号が入力される。
In the p-type MOS transistor 12-9, the drain is connected to the node N4, the source and gate are connected to the power supply voltage V DD, and the substrate voltage V BSP is supplied from the substrate
In the n-type MOS transistor 12-10, the drain is connected to the node N4, the source is connected to the ground G, and the logic inversion signal of the inverter circuit 12-11 is input to the gate.
図11は、図10に示すn型MOSトランジスタのリーク電流モニタ回路における各信号のタイミング関係を示す図である。
図10に示す回路では、キャパシタ12−0の電圧をグランドレベルに設定した後、p型MOSトランジスタ12−9のリーク電流によってキャパシタ12−0への電荷の充電を開始させる。そして、この充電開始時点から、キャパシタ12−0の電圧が論理しきい値Vthに達する時点までの間、カウンタ12−7においてクロック信号CKのパルスを計数させる。これにより、p型MOSトランジスタ12−9のリーク電流に応じた大きさを有する計数値S7が得られる。計数値S7は、ターゲット回路1中のp型MOSトランジスタのリーク電流をモニタした値として演算回路13に出力される。
FIG. 11 is a diagram showing the timing relationship of each signal in the leak current monitor circuit of the n-type MOS transistor shown in FIG.
In the circuit shown in FIG. 10, after the voltage of the capacitor 12-0 is set to the ground level, charging of the capacitor 12-0 is started by the leakage current of the p-type MOS transistor 12-9. The counter 12-7 counts the pulses of the clock signal CK from the charging start time to the time when the voltage of the capacitor 12-0 reaches the logic threshold value Vth. As a result, a count value S7 having a magnitude corresponding to the leakage current of the p-type MOS transistor 12-9 is obtained. The count value S7 is output to the
なお、図8および図10の例ではノードN4の電圧レベル変化を検出するためにシュミットトリガ回路を用いているが、これに限らず、インバータ回路やコンパレータ等を使用しても良い。 8 and 10, the Schmitt trigger circuit is used to detect the voltage level change at the node N4. However, the present invention is not limited to this, and an inverter circuit, a comparator, or the like may be used.
演算回路13は、上述のようにして得られたn型MOSトランジスタおよびn型MOSトランジスタのリーク電流モニタ値S6,S7から、ターゲット回路1のリーク電流を換算し、この換算結果を用いて(例えば式(1)の演算により)ターゲット回路1の消費電力Pcを求める。
例えば、リーク電流モニタ値S6,S7の平均値を用いて消費電力Pcを求めても良い。あるいは、リーク電流モニタ値S6,S7に基づいてターゲット回路1に含まれるゲート回路(NAND回路など)のリーク電流を換算し、この換算結果を用いて消費電力Pcを求めても良い。
The
For example, the power consumption P c may be obtained using the average value of the leakage current monitor values S6 and S7. Alternatively, the leakage current of the gate circuit (NAND circuit or the like) included in the
なお、消費電力モニタ回路4においてモニタする消費電力は絶対値である必要はなく、充放電電力とリーク電力との比率がターゲット回路1の実際の該比率と一致している相対的な値で良い。
したがって、消費電力モニタ回路4は、上述のようにリーク電流のモニタ値を用いて演算により消費電力を求める方法の他にも、例えば、ターゲット回路1の消費電流値を実際に測定して、その測定結果を基に算出する方法を用いることも可能である。
すなわち、消費電力モニタ回路4は、充放電電力とリーク電力との比率がターゲット回路1の実際の該比率に一致した消費電力のモニタ値を得る方法であれば、他のモニタ方法を使っても良い。
ただし、消費電流の実測値を用いて消費電力を演算する方法では、回路の処理内容に応じて消費電流が刻々に変化するため、演算結果が時間的にばらつき易くなる。一方、リーク電流のモニタ値を用いて消費電力を演算する方法によれば、回路の処理内容に応じた演算結果のばらつきが小さくなるため、電源電圧VDDや基板電圧VBSをより安定に制御することができる。
以上が、消費電力モニタ回路4の説明である。
The power consumption monitored by the power
Therefore, the power
In other words, the power
However, in the method of calculating the power consumption using the measured value of the current consumption, the current consumption changes every moment according to the processing content of the circuit, so that the calculation results are likely to vary with time. On the other hand, according to the method of calculating the power consumption using the monitor value of the leakage current, the variation in the calculation result according to the processing content of the circuit is reduced, so that the power supply voltage V DD and the substrate voltage V BS are controlled more stably can do.
The above is the description of the power
[制御回路5]
制御回路5は、遅延モニタ回路3においてモニタされる遅延がクロック信号CKの1サイクル時間に応じた所定の遅延を越えない条件の元で、消費電力モニタ回路4においてモニタされる消費電力が最小となるように、電源供給回路6の電源電圧VDDおよび基板電圧供給回路7の基板電圧VBSをそれぞれ制御する制御信号を出力する。
[Control circuit 5]
The
例えば制御回路5は、遅延モニタ回路3のモニタ値に基づいて、基板電圧VBSを一定に保ちつつ電源電圧VDDを調節する第1の処理と、消費電力モニタ回路4のモニタ値に基づいて、電源電圧VDDを一定に保ちつつ基板電圧VBSを調節する第2の処理とを交互に反復する。
第1の処理では、遅延モニタ回路3のモニタ値がターゲット回路1の動作サイクル時間に応じた所定の遅延値を越えない条件の元で、電源電圧VDDを最小に調節する。そして、電源電圧VDDが最小に調節された状態における消費電力モニタ回路4のモニタ値を取得する。
第2の処理では、第1の処理を反復して得られる一連の消費電力のモニタ値(例えば前回と今回のモニタ値)と、一連のモニタ値のそれぞれが取得された際の基板電圧VBSの値(例えば前回と今回の基板電圧値)とに基づいて、ターゲット回路1の消費電力を減少させ得る新たな基板電圧を決定し、現在供給中の基板電圧VBSを該決定した基板電圧に変更する。
For example, the
In the first process, the power supply voltage V DD is adjusted to the minimum under the condition that the monitor value of the
In the second process, a series of monitor values of power consumption (for example, previous and current monitor values) obtained by repeating the first process, and the substrate voltage V BS when each of the series of monitor values is acquired. A new substrate voltage that can reduce the power consumption of the
ここで、上述した構成を有する図1に示す半導体装置において、ターゲット回路1の消費電力が最小となるよう電源電圧VDDと基板電圧VBSとを制御する動作について、図12のフローチャートを参照し説明する。
なお、図12のフローチャートにおいて、ステップST1〜ST5は、本発明の第1の工程の一実施形態である。
ステップST6〜ST11は、本発明の第2の工程の一実施形態である。
Here, in the semiconductor device shown in FIG. 1 having the above-described configuration, the operation for controlling the power supply voltage V DD and the substrate voltage V BS so that the power consumption of the
In the flowchart of FIG. 12, steps ST1 to ST5 are an embodiment of the first step of the present invention.
Steps ST6 to ST11 are an embodiment of the second step of the present invention.
制御回路5は、遅延モニタ回路3のモニタ結果に基づいて、ターゲット回路1のクリティカルパス遅延のモニタ値τmonitor(遅延回路9がクリティカルパスと等価な遅延を有する場合、遅延回路9の遅延)が、クロック信号CKの1サイクル時間τcycleに対して以下の条件1を満たしているか判定する(ステップST1)。
条件1: τmonitor<τcycle−Δτ;
ここで、‘Δτ’は、電源電圧の収束条件を与える定数である。
Based on the monitoring result of the
Condition 1: τ monitor <τ cycle −Δτ;
Here, “Δτ” is a constant that gives the convergence condition of the power supply voltage.
例えば図6に示す遅延検出回路10を有する場合、制御回路5は、エンコーダ10−11の出力値S5と所定のしきい値とを比較し、この比較結果に基づいて、上記の条件が満たされるか否かを判定する。
For example, when the
条件1を満たしている場合、クリティカルパスの遅延はまだ上限に対して余裕があると判断できるため、制御回路5は、以下に示すように、電源電圧VDDを値ΔVDDだけ低くするように電源供給回路6を制御する(ステップST3)。
VDD(n+1)=VDD(n)−ΔVDD;
なお‘VDD(n)’は、n回目の電源電圧VDD変更後の値を示す。
電源電圧VDDを低くした後は、再びステップST1の処理に戻る。
When the
V DD (n + 1) = V DD (n) −ΔV DD ;
Note that “V DD (n)” indicates a value after the nth power supply voltage V DD is changed.
After the power supply voltage V DD is lowered, the process returns to step ST1 again.
一方、ステップST1の条件1を満たしていない場合、制御回路5は、クリティカルパスの遅延モニタ値τmonitorが1サイクル時間τcycleに対して以下の条件を満たしているか判定する(ステップST2)。
条件2: τmonitor>τcycle;
On the other hand, when the
Condition 2: τ monitor > τ cycle ;
条件2を満たしている場合、クリティカルパスの遅延は上限をオーバしていると判断できるため、制御回路5は、以下に示すように、電源電圧VDDを値ΔVDDだけ高くするように電源供給回路6を制御する(ステップST4)。
VDD(n+1)=VDD(n)+ΔVDD;
電源電圧VDDを高くした後は、再びステップST1の処理に戻る。
When the
V DD (n + 1) = V DD (n) + ΔV DD ;
After increasing the power supply voltage V DD , the process returns to step ST1 again.
このようにして、条件1(τmonitor<τcycle−Δτ)を満たす場合は電源電圧VDDを低くし、条件2(τmonitor>τcycle)を満たす場合は電源電圧VDDを高くするように処理が繰り返され、その結果、電源電圧VDDは、以下の条件3を満たす値に収束する。
条件3: τcycle−Δτ≦τmonitor≦τcycle;
すなわち、電源電圧VDDは、ターゲット回路1が正常に動作できる最小の電圧に収束する。
Thus, as <lowering the power supply voltage V DD if satisfying (τ cycle -Δτ, condition 2 (tau monitor conditions 1 τ monitor)> if it meets the tau cycle) to increase the power supply voltage V DD The process is repeated, and as a result, the power supply voltage V DD converges to a value that satisfies the
Condition 3: τ cycle −Δτ ≦ τ monitor ≦ τ cycle ;
That is, the power supply voltage V DD converges to the minimum voltage at which the
なお、電源電圧VDDを一定値に収束させるためには、電源電圧を1ステップの変化量ΔVDDだけ変化させた時の遅延回路9の遅延変化量が定数Δτを越えないように、電源電圧の変化量ΔVDDと定数Δτとを決定する必要がある。
In order to converge the power supply voltage V DD to a constant value, the power supply voltage is set so that the delay change amount of the
電源電圧VDDが最小値に収束し、条件3が満たされると、次に制御回路5は、消費電力モニタ回路4においてモニタされるターゲット回路1の現在の消費電力Pc(n)を取得する(ステップST5)。
なお、‘PC(n)’は、n回目の基板電圧VBS変更後の消費電力モニタ値を表す。
When the power supply voltage V DD converges to the minimum value and the
Note that “P C (n)” represents the power consumption monitor value after the nth substrate voltage V BS change.
次いで制御回路5は、ステップST5において取得された最新の消費電力モニタ値PC(n)と、前回のループにおいて取得された消費電力モニタ値PC(n−1)との比較を行う(ステップST6およびST7)。また、最新の消費電力モニタ値PC(n)が取得された際の基板電圧VBS(n)と、前回のループにおいて消費電力PC(n−1)が取得された際の基板電圧VBS(n−1)との比較を行う(ステップST8およびST9)。そして、消費電力モニタ値PCおよび基板電圧VBSに関するこれらの比較結果に基づいて、次に設定すべき基板電圧を決定する(ステップST10,ST11,ST12)。
以下に、基板電圧VBSの決定方法を示す。
Next, the
A method for determining the substrate voltage V BS will be described below.
(1)‘PC(n)<PC(n−1)−ΔPC’かつ‘VBS(n)≧VBS(n−1)’の場合、次に設定すべき基板電圧を‘VBS+ΔVBS’とする(ステップST10)。すなわち、基板電圧VBSを順バイアス方向に変化させたときに消費電力が減った場合、あるいは基板バイアスVBSを変化させていないにもかかわらず消費電力が減った場合は、基板電圧VBSを更に順バイアス方向に変化させる。ここで‘ΔVBS’は、基板電圧を変化させるステップである。また‘ΔPC’は、消費電力の収束条件を与える定数である。 (1) If “P C (n) <P C (n−1) −ΔP C ” and “V BS (n) ≧ V BS (n−1)”, the substrate voltage to be set next is set to “V BS + ΔV BS ′ (step ST10). That is, if the power consumption is reduced when the substrate voltage V BS is changed in the forward bias direction, or if the power consumption is reduced even though the substrate bias V BS is not changed, the substrate voltage V BS is reduced. Further, the direction is changed in the forward bias direction. Here, “ΔV BS ” is a step of changing the substrate voltage. 'ΔP C ' is a constant that gives a convergence condition of power consumption.
(2)‘PC(n)<PC(n−1)−ΔPC’かつ‘VBS(n)<VBS(n−1)’の場合、次に設定すべき基板電圧を‘VBS−ΔVBS’とする(ステップST11)。すなわち、基板電圧VBSを逆バイアス方向に変化させたときに消費電力が減った場合は、基板電圧VBSを更に逆バイアス方向に変化させる。 (2) If 'P C (n) <P C (n-1) -ΔP C ' and 'V BS (n) <V BS (n-1)', the substrate voltage to be set next is set to 'V BS− ΔV BS ′ (step ST11). That is, when the power consumption is reduced when changing the substrate voltage V BS in the reverse bias direction, further varying the reverse bias direction to the substrate voltage V BS.
(3)‘PC(n)>PC(n−1)+ΔPC’かつ‘VBS(n)>VBS(n−1)’の場合、次に設定すべき基板電圧を‘VBS−ΔVBS’とする(ステップST11)。すなわち、基板電圧VBSを順バイアス方向に変化させたときに消費電力が増えた場合は、基板電圧VBSを逆バイアス方向に戻す。 (3) If 'P C (n)> P C (n-1) + ΔP C ' and 'V BS (n)> V BS (n-1)', the substrate voltage to be set next is set to 'V BS −ΔV BS ′ (step ST11). That is, when the power consumption is increased when the substrate voltage V BS is changed in the forward bias direction, returning the substrate voltage V BS in the reverse bias direction.
(4)‘PC(n)>PC(n−1)+ΔPC’かつ‘VBS(n)≦VBS(n−1)’の場合、次に設定すべき基板電圧を‘VBS+ΔVBS’とする(ステップST10)。すなわち、基板電圧VBSを逆バイアス方向に変化させたときに消費電力が増えた場合、あるいは基板バイアスVBSを変化させていないにも関わらず消費電力が増えた場合は、基板電圧VBSを順バイアス方向に戻す。 (4) When 'P C (n)> P C (n-1) + ΔP C ' and 'V BS (n) ≦ V BS (n-1)', the substrate voltage to be set next is set to 'V BS It is assumed that + ΔV BS ′ (step ST10). That is, if the power consumption increases when the substrate voltage V BS is changed in the reverse bias direction, or if the power consumption increases even though the substrate bias V BS is not changed, the substrate voltage V BS is Return to the forward bias direction.
(5)‘PC(n−1)−ΔPC≦PC(n)≦PC(n−1)+ΔPC’の場合には、現在の電源電圧VDD、基板電圧VBSが消費電力を最小化する組み合わせであると判断し、基板電圧VBSの変更は行わない。 (5) In the case of “P C (n−1) −ΔP C ≦ P C (n) ≦ P C (n−1) + ΔP C ′, the current power supply voltage V DD and substrate voltage V BS are consumed. Therefore, the substrate voltage V BS is not changed.
制御回路5は、上述した処理によって基板電圧VBSを変更もしくは保持した後、ステップST1の処理に戻る。
(1)〜(4)の処理によって基板電圧VBSを変更した場合、ターゲット回路1のトランジスタのしきい値が変化し、動作速度が変わるため、上述したステップST1〜ST4のループ処理が再び実行されて、電源電圧VDDが新たな電圧に収束する。電源電圧VDDが収束した後、ステップST5において消費電力モニタ値が再び取得され、次に設定すべき基板電圧が(1)〜(5)の何れかの処理により決定される。
(1) When changing the substrate voltage V BS by the processing to (4), the threshold value is changed in the transistor in the
電源電圧VDDと基板電圧VBSが収束状態にある時に温度変化等が生じた場合、トランジスタのしきい値の変化によってターゲット回路1の動作速度の変化するため、電源電圧VDDの収束電圧が変化する。また、トランジスタのリーク電流が変化することにより、消費電力モニタ回路4のモニタ値が変化する。そのため、上述したフローによる電源電圧VDDと基板電圧VBSの制御が自動的に開始され、新しい条件の下で消費電力が最小となる電源電圧VDDおよび基板電圧VBSの組み合わせが適応的に決定される。
If the temperature change or the like when the power supply voltage V DD and the substrate voltage V BS is in the convergence state occurs, for changing the operating speed of the
以上説明したように、本実施形態によれば、遅延モニタ回路3においてモニタされるターゲット回路1のクリティカルパスの遅延がクロック信号CKの1サイクル時間に応じた所定の遅延を超えない条件の元で、消費電力モニタ回路4においてモニタされるターゲット回路1の消費電力が最小となるように、ターゲット回路1に供給される電源電圧VDDおよび基板電圧VBSがそれぞれ制御される。
これにより、全体の消費電力に占めるキャパシタ成分の充放電電力とトランジスタのリーク電力との割合を、全体の消費電力が最も小さくなる適切な割合に設定することが可能になるため、電源電圧の調節のみを行う方法に比べて、リーク電力を含めたターゲット回路1のアクティブ状態の消費電力を効果的に削減することができる。
As described above, according to the present embodiment, the delay of the critical path of the
This makes it possible to set the ratio between the charge / discharge power of the capacitor component and the leakage power of the transistor in the total power consumption to an appropriate ratio that minimizes the total power consumption. Compared with the method of performing only the above, the power consumption in the active state of the
<第2の実施形態>
次に、本発明の第2の実施形態を述べる。
<Second Embodiment>
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
図13は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の構成の一例を示す図である。
図13に示す半導体装置は、図1に示す上述した半導体装置と同一の構成を有するとともに、クロック周波数切り替え回路15を設けたものである。
クロック周波数切り替え回路15は、本発明のクロック周波数切り替え回路の一実施形態である。
FIG. 13 is a diagram showing an example of the configuration of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
The semiconductor device shown in FIG. 13 has the same configuration as the above-described semiconductor device shown in FIG. 1 and is provided with a clock
The clock
クロック周波数切り替え回路15は、ターゲット回路1および遅延モニタ回路3に供給するクロック信号の周波数を、ターゲット回路1に要求される処理速度の情報に応じて切り替える。
The clock
クロック周波数切り替え回路15は、例えば図13に示すように、クロック分周・切り替え回路16と、周波数制御回路17とを有する。
The clock
クロック分周・切り替え回路16は、周波数制御回路17によって設定された分周比でクロック発生回路2のクロック信号CKを分周し、ターゲット回路1および遅延モニタ回路3に供給する。また、ターゲット回路1に供給するクロック信号CK1の分周比の切り替え、ならびに、遅延モニタ回路3に供給するクロック信号CK2の分周比の切り替えを、周波数制御回路17の制御に従ってそれぞれ独立のタイミングで行う。
The clock frequency division / switching
周波数制御回路17は、ターゲット回路1から供給される処理速度の情報に応じて、ターゲット回路1および遅延モニタ回路3に供給するクロック信号の周波数を決定し、この決定した周波数に応じた分周比をクロック分周・切り替え回路16に設定する。また、決定した周波数の情報を消費電力モニタ回路4のレジスタに書き込む。
The
更に、周波数制御回路17は、クロック信号CK1およびCK2の分周比切り替えタイミングを、それぞれ次のように制御する。
Further, the
クロック信号CK1およびCK2の周波数を、周波数F1から周波数F2へ上昇させる場合(ただしF2>F1)、周波数制御回路17は、遅延モニタ回路3に供給するクロック信号CK2をターゲット回路1より先に周波数F2へ切り替える。この周波数切り替えに応じて、ステップST1〜ST4の電源電圧制御が自動的に働き、電源電圧VDDが周波数F2に応じた最小の電圧値に収束した後、周波数制御回路17は、ターゲット回路1に供給するクロック信号CK1を周波数F2に切り替える。
When the frequency of the clock signals CK1 and CK2 is increased from the frequency F1 to the frequency F2 (where F2> F1), the
また、クロック信号CK1およびCK2の周波数を、周波数F2から周波数F1へ低下させる場合、周波数制御回路17は、クロック信号CK1,CK2の周波数を共通のタイミングで切り替える。
When the frequency of the clock signals CK1 and CK2 is decreased from the frequency F2 to the frequency F1, the
以上の構成によると、ターゲット回路1のクロック信号CK1の周波数を上昇させて処理速度を高める場合、ターゲット回路1の動作が可能なレベルまで電源電圧VDDを予め上昇させた後で、クロック信号CK1の周波数の切り替えが行われるため、ターゲット回路1の誤動作を防ぐことができる。
また、ターゲット回路1のクロック信号CK1,CK2の周波数を低下させて消費電力の削減を図る場合は、クロック信号CK1,CK2の周波数を共通のタイミングで切り替えることによって、クロック信号CK1の周波数が切り替わる前後における遅延モニタ回路3の遅延モニタ動作が正常に保たれるため、ターゲット回路1の誤動作を防ぐことができる。
このように、ターゲット回路1に要求される処理速度に合わせてクロック信号の周波数を切り替えることにより消費電力の削減を図りつつ、クロック周波数の切り替えに伴うターゲット回路1の誤動作を防ぐことができる。また、周波数の切り替えが行われた後は、既に述べた図12に示すフローに従って電源電圧と基板電圧が消費電力最小の状態へ自動的に調節されるため、ターゲット回路1の消費電力を更に削減することができる。
According to the above configuration, when the processing speed is increased by increasing the frequency of the clock signal CK1 of the
Further, when the power consumption is reduced by reducing the frequency of the clock signals CK1 and CK2 of the
As described above, it is possible to prevent malfunction of the
<第3の実施形態>
次に、本発明の第3の実施形態を述べる。
<Third Embodiment>
Next, a third embodiment of the present invention will be described.
図14は、本発明の第4の実施形態に係る半導体装置の構成の一例を示す図である。
図14に示す半導体装置は、図13に示す上述した半導体装置において、ターゲット回路1および消費電力モニタ回路4を、それぞれ、ターゲット回路1Aおよび消費電力モニタ回路4Aに置き換えたものである。
FIG. 14 is a diagram showing an example of the configuration of a semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention.
The semiconductor device shown in FIG. 14 is obtained by replacing the
ターゲット回路1Aは、例えば高しきい値で低リーク電流のトランジスタにより構成された電源スイッチ18と、この電源スイッチ18を介して電源電圧VDDが供給される回路ブロック19と、電源スイッチ18を介さずに電源電圧VDDが直接供給される回路ブロック20とを有する。
ターゲット回路1が回路ブロック19を使用しない処理を実行する場合、電源スイッチ18がオフになり、回路ブロック19への電源供給が遮断される。これにより、スタンバイ時のリーク電流による無駄な消費電力が削減される。
The
When the
消費電力モニタ回路4Aは、リーク電流モニタ回路12と、演算回路13Aと、レジスタ14Aとを有する。
The power
演算回路13Aは、ターゲット回路1Aに供給中の電源電圧の情報、ターゲット回路1の動作周波数に関する情報、リーク電流モニタ回路12においてモニタされるリーク電流に関する情報に加えて、更に、ターゲット回路1において電源電圧VDDを供給中のゲート数に関する情報を用いて、ターゲット回路1の消費電力を演算する。
ターゲット回路1Aの消費電力PCは、例えば次式により演算することができる。
The
Power P C of the
ここで、‘G1’,‘G2’は回路ブロック19,20のゲート数を表す係数であり、‘e2’は電源スイッチ18がオンのときに‘1’、オフのときに‘0’の値を持つフラグである。
演算回路13Aは、例えば式(2)を用いてターゲット回路1Aの消費電力を算出する。
Here, “G 1 ” and “G 2 ” are coefficients representing the number of gates of the circuit blocks 19 and 20, and “e 2 ” is “1” when the
The
レジスタ14Aは、演算回路13Aの演算に用いられる係数値αDC,αAC,G1,G2、フラグe2、クロック周波数切り替え回路15において選択中のクロック信号の周波数F、制御回路5において設定中の電源電圧VDDの情報を格納する。レジスタ14Aに格納される情報は、レジスタ11と同様に、図示しないCPU等の制御装置によって任意に書き換えることが可能である。
The
以上の構成によれば、ターゲット回路1内の電源スイッチ18によってスタンバイ中の回路のリーク電流を遮断することにより、静的な消費電力を削減できるとともに、電源スイッチ18の状態に応じた適切な消費電力を演算し、図12に示すフローに従って電源電圧VDDと基板電圧VBSを制御することにより、動的な消費電力の削減も図ることができる。
According to the configuration described above, the static power consumption can be reduced by cutting off the leakage current of the standby circuit by the
以上、本発明の幾つかの実施形態について述べたが、本発明は上述した形態にのみ限定されるものではなく、種々のバリエーションを含む。 As mentioned above, although some embodiment of this invention was described, this invention is not limited only to the form mentioned above, A various variation is included.
上述した遅延モニタ回路や消費電力モニタ回路は説明上の一例であり、本発明はこれに限定されない。これらの回路は、電源電圧および基板電圧の変化に応じたターゲット回路の遅延や消費電力の変化傾向を把握することができる、他の種々の構成の回路に置き換えても良い。 The delay monitor circuit and the power consumption monitor circuit described above are examples for explanation, and the present invention is not limited to this. These circuits may be replaced with circuits of various other configurations that can grasp the delay of the target circuit according to changes in the power supply voltage and the substrate voltage and the changing tendency of the power consumption.
上述した電源電圧および基板電圧の制御フローは説明上の一例であり、本発明はこれに限定されない。例えば、定数Δτ、ΔPc、ΔVDDは必ずしも一定値である必要はなく、基板電圧や電源電圧の大きさに応じて異なる値を採用することにより、制御の安定性や収束性を向上させても良い。 The control flow of the power supply voltage and the substrate voltage described above is an example for explanation, and the present invention is not limited to this. For example, the constants Δτ, ΔPc, and ΔV DD are not necessarily constant values. By adopting different values depending on the substrate voltage and the power supply voltage, the stability and convergence of the control can be improved. good.
また、遅延モニタ回路、消費電力モニタ回路、制御回路、クロック周波数切り替え回路、電源供給回路、基板供給回路は、全て消費電力最小化のターゲットとする半導体回路と同一の半導体チップ上に形成しても良いし、少なくとも一部を別の半導体チップ上に形成しても良い。 The delay monitor circuit, power consumption monitor circuit, control circuit, clock frequency switching circuit, power supply circuit, and substrate supply circuit may all be formed on the same semiconductor chip as the semiconductor circuit that is the target for minimizing power consumption. It is also possible to form at least a part on another semiconductor chip.
1,1A…ターゲット回路、2…クロック発生回路、3…遅延モニタ回路、4,4A…消費電力モニタ回路、5…制御回路、6…電源供給回路、7…基板電圧供給回路、8…パルス発生回路、9…遅延回路、9−1…ゲート遅延回路、9−1a〜9−1c,10−1〜10−5…ゲート回路、9−1d,9−2d…セレクタ回路、9−2…配線遅延回路、9−2a〜9−2c…配線遅延素子、10…遅延検出回路、10−6〜10−10…フリップフロップ、10−11…エンコーダ、11,14,14A…レジスタ、12…リーク電流モニタ回路、12−0…キャパシタ、12−1,12−10…n型MOSトランジスタ、12−2,12−9…p型MOSトランジスタ、12−3…シュミットトリガ回路、12−4,12−5…AND回路、12−6…ラッチ回路、12−7…カウンタ、12−8…フリップフロップ、12−11…インバータ回路、13,13A…演算回路、15…クロック周波数切り替え回路、16…クロック分周・切り替え回路、17…周波数制御回路
DESCRIPTION OF
Claims (13)
上記半導体回路のクリティカルパスの遅延をモニタする遅延モニタ回路と、
上記半導体回路の消費電力をモニタする消費電力モニタ回路と、
上記遅延モニタ回路においてモニタされる遅延が上記半導体回路の動作サイクル時間に応じた所定の遅延を越えない条件の元で、上記基板電圧を一定に保ちつつ、上記遅延モニタ回路のモニタ値に基づいて、上記消費電力モニタ回路においてモニタされる消費電力が最小となるように上記電源電圧を調整する制御信号を出力する第1の処理と、上記電源電圧を一定に保ちつつ、上記消費電力モニタ回路のモニタ値に基づいて、上記消費電力モニタ回路においてモニタされる消費電力が最小となるように上記基板電圧を調節する制御信号を出力する第2の処理とを交互に反復する制御回路と、
を有する
半導体装置。 A semiconductor circuit that operates by being supplied with a substrate voltage of the semiconductor substrate and a power supply voltage of the circuit, each controlled according to a control signal;
A delay monitor circuit for monitoring a critical path delay of the semiconductor circuit;
A power consumption monitor circuit for monitoring the power consumption of the semiconductor circuit;
Based on the monitor value of the delay monitor circuit while maintaining the substrate voltage constant under the condition that the delay monitored in the delay monitor circuit does not exceed a predetermined delay according to the operation cycle time of the semiconductor circuit. The first process of outputting a control signal for adjusting the power supply voltage so that the power consumption monitored in the power consumption monitor circuit is minimized, and the power consumption monitor circuit while maintaining the power supply voltage constant. A control circuit that alternately repeats a second process of outputting a control signal for adjusting the substrate voltage so that the power consumption monitored by the power consumption monitor circuit is minimized based on the monitor value ;
A semiconductor device.
上記第1の処理において、上記遅延モニタ回路のモニタ値が上記半導体回路の動作サイクル時間に応じた所定の遅延値を越えない条件の元で、上記電源電圧を最小に調節する制御信号を出力し、上記電源電圧が最小に調節された状態における上記消費電力モニタ回路のモニタ値を取得し、
上記第2の処理において、上記第1の処理を反復して得られる一連の消費電力のモニタ値と、該一連のモニタ値のそれぞれが取得された際の上記基板電圧の値とに基づいて、上記半導体回路の消費電力を減少させ得る新たな基板電圧を決定し、現在供給中の基板電圧を該決定した基板電圧に変更する制御信号を出力する、
請求項1に記載の半導体装置。 The control circuit is
In the first process, a control signal for adjusting the power supply voltage to a minimum is output under the condition that the monitor value of the delay monitor circuit does not exceed a predetermined delay value corresponding to the operation cycle time of the semiconductor circuit. , Obtaining the monitor value of the power consumption monitor circuit in a state where the power supply voltage is adjusted to the minimum,
In the second process, based on a series of monitor values of power consumption obtained by repeating the first process, and a value of the substrate voltage when each of the series of monitor values is acquired, Determining a new substrate voltage that can reduce the power consumption of the semiconductor circuit, and outputting a control signal for changing the currently supplied substrate voltage to the determined substrate voltage;
The semiconductor device according to claim 1 .
上記半導体回路のトランジスタのリーク電流をモニタするリーク電流モニタ回路と、
上記半導体回路に供給中の電源電圧に関する情報と、上記半導体回路の動作周波数に関する情報と、上記リーク電流モニタ回路においてモニタされるリーク電流とに基づいて、上記半導体回路の消費電力を演算する演算回路と、
を含む、
請求項1または2に記載の半導体装置。 The power consumption monitor circuit is
A leakage current monitor circuit for monitoring a leakage current of a transistor of the semiconductor circuit;
An arithmetic circuit that calculates power consumption of the semiconductor circuit based on information on the power supply voltage being supplied to the semiconductor circuit, information on the operating frequency of the semiconductor circuit, and leakage current monitored by the leakage current monitor circuit When,
including,
The semiconductor device according to claim 1 or 2.
上記半導体回路に含まれるトランジスタと等価な構造を有するリーク電流モニタ用トランジスタと、
上記リーク電流モニタ用トランジスタに流れるリーク電流によって充電もしくは放電されるキャパシタと、
上記リーク電流による充電または放電に応じて上記キャパシタの電圧が第1の電圧から第2の電圧に変化するまでに要する時間を計測する計時回路と、
上記計時回路において計時を開始する前に、上記キャパシタの電圧を上記第1の電圧に設定する電圧設定回路と、
を含む、
請求項3に記載の半導体装置。 The leakage current monitor circuit is
A leakage current monitoring transistor having a structure equivalent to a transistor included in the semiconductor circuit;
A capacitor that is charged or discharged by a leakage current flowing through the leakage current monitoring transistor;
A time measuring circuit for measuring a time required for the voltage of the capacitor to change from a first voltage to a second voltage in accordance with charging or discharging due to the leakage current;
A voltage setting circuit that sets the voltage of the capacitor to the first voltage before starting the timing in the timing circuit;
including,
The semiconductor device according to claim 3 .
上記半導体回路の第1導電型トランジスタのリーク電流をモニタする第1のリーク電流モニタ回路と、
上記半導体回路の第2導電型トランジスタのリーク電流をモニタする第2のリーク電流モニタ回路と、
を含み、
上記演算回路は、上記第1のリーク電流モニタ回路および上記第2のリーク電流モニタ回路においてそれぞれモニタされるリーク電流の平均値を用いて上記半導体回路の消費電力を演算する、
請求項3に記載の半導体装置。 The leakage current monitor circuit is
A first leakage current monitor circuit for monitoring a leakage current of a first conductivity type transistor of the semiconductor circuit;
A second leakage current monitor circuit for monitoring a leakage current of the second conductivity type transistor of the semiconductor circuit;
Including
The arithmetic circuit calculates the power consumption of the semiconductor circuit using an average value of leak currents monitored in the first leak current monitor circuit and the second leak current monitor circuit, respectively.
The semiconductor device according to claim 3 .
上記半導体回路の第1導電型トランジスタのリーク電流をモニタする第1のリーク電流モニタ回路と、
上記半導体回路の第2導電型トランジスタのリーク電流をモニタする第2のリーク電流モニタ回路と、
を含み、
上記演算回路は、上記第1のリーク電流モニタ回路および上記第2のリーク電流モニタ回路においてそれぞれモニタされるリーク電流に基づいて、上記半導体回路に含まれる所定のゲート回路のリーク電流を換算し、該換算結果を用いて上記半導体回路の消費電力を演算する、
請求項3に記載の半導体装置。 The leakage current monitor circuit is
A first leakage current monitor circuit for monitoring a leakage current of a first conductivity type transistor of the semiconductor circuit;
A second leakage current monitor circuit for monitoring a leakage current of the second conductivity type transistor of the semiconductor circuit;
Including
The arithmetic circuit converts a leakage current of a predetermined gate circuit included in the semiconductor circuit based on leakage currents monitored in the first leakage current monitoring circuit and the second leakage current monitoring circuit, Calculating the power consumption of the semiconductor circuit using the conversion result;
The semiconductor device according to claim 3 .
上記電源電圧の供給を遮断する電源スイッチと、
上記電源スイッチを介して上記電源電圧が供給される回路ブロックと、
を含み、
上記演算回路は、上記半導体回路において電源電圧を供給中のゲート回路の数に関する情報を用いて、上記半導体回路の消費電力を演算する、
請求項3に記載の半導体装置。 The semiconductor circuit is
A power switch for cutting off the supply of the power supply voltage;
A circuit block to which the power supply voltage is supplied via the power switch;
Including
The arithmetic circuit calculates the power consumption of the semiconductor circuit using information on the number of gate circuits that are supplying power supply voltage in the semiconductor circuit.
The semiconductor device according to claim 3 .
第1の信号と、該第1の信号に対して上記半導体回路の動作サイクル時間に応じた遅延を有する第2の信号とを発生する信号発生回路と、
上記第1の信号を入力して伝播させ、上記半導体回路のクリティカルパスと等価な、もしくは相関性を持った遅延を与えて出力する遅延回路と、
上記第1の信号に対する上記第2の信号の遅延を基準として、上記第1の信号に対する上記遅延回路の出力信号の遅延を検出する遅延検出回路と、
を含む、
請求項1または2に記載の半導体装置。 The delay monitor circuit is
A signal generation circuit for generating a first signal and a second signal having a delay corresponding to the operation cycle time of the semiconductor circuit with respect to the first signal;
A delay circuit that inputs and propagates the first signal, and outputs a delay equivalent to or correlated with a critical path of the semiconductor circuit;
A delay detection circuit for detecting a delay of an output signal of the delay circuit with respect to the first signal, with reference to a delay of the second signal with respect to the first signal;
including,
The semiconductor device according to claim 1 or 2.
上記半導体回路は、上記クロック信号の周波数に応じた処理速度で動作し、
上記遅延モニタ回路の信号発生回路は、上記クロック信号のサイクル時間に応じた遅延差を有する上記第1の信号および上記第2の信号を発生する、
請求項8に記載の半導体装置。 A clock frequency switching circuit for switching the frequency of the clock signal supplied to the semiconductor circuit and the delay monitor circuit according to the processing speed information required for the semiconductor circuit;
The semiconductor circuit operates at a processing speed corresponding to the frequency of the clock signal,
A signal generation circuit of the delay monitor circuit generates the first signal and the second signal having a delay difference corresponding to a cycle time of the clock signal;
The semiconductor device according to claim 8 .
上記半導体回路および上記遅延モニタ回路に供給するクロック信号の周波数を低い周波数から高い周波数へ切り替える場合、上記遅延モニタ回路に供給するクロック信号の周波数を上記半導体回路より先に高い周波数へ切り替え、該切り替え後、上記制御回路の上記第1の処理によって上記電源電圧が最小に調節されてから、上記半導体回路に供給するクロック信号の周波数を高い周波数へ切り替え、
上記半導体回路および上記遅延モニタ回路に供給するクロック信号の周波数を高い周波数から低い周波数へ切り替える場合は、上記半導体回路および上記遅延モニタ回路に供給するクロック信号の周波数を共通のタイミングで低い周波数へ切り替える、
請求項9に記載の半導体装置。 The clock frequency switching circuit is
When switching the frequency of the clock signal supplied to the semiconductor circuit and the delay monitor circuit from a low frequency to a high frequency, the frequency of the clock signal supplied to the delay monitor circuit is switched to a higher frequency before the semiconductor circuit, and the switching is performed. Then, after the power supply voltage is adjusted to the minimum by the first processing of the control circuit, the frequency of the clock signal supplied to the semiconductor circuit is switched to a high frequency,
When switching the frequency of the clock signal supplied to the semiconductor circuit and the delay monitor circuit from a high frequency to a low frequency, the frequency of the clock signal supplied to the semiconductor circuit and the delay monitor circuit is switched to a low frequency at a common timing. ,
The semiconductor device according to claim 9 .
請求項1または2に記載の半導体装置。 A power supply circuit that generates the power supply voltage according to a control signal output from the control circuit and supplies the power supply voltage to the semiconductor circuit;
The semiconductor device according to claim 1 or 2.
請求項1または2に記載の半導体装置。 A substrate voltage supply circuit that generates the substrate voltage according to a control signal output from the control circuit and supplies the substrate voltage to the semiconductor circuit;
The semiconductor device according to claim 1 or 2.
交互に反復して実行される第1の工程および第2の工程を有し、
上記第1の工程は、
半導体回路のクリティカルパスの遅延をモニタし、該モニタした遅延の値が上記半導体回路の動作サイクル時間に応じた所定の遅延値を越えない条件の元で、上記半導体回路の電源電圧を最小に調節する第3の工程と、
上記第3の工程において上記電源電圧が最小に調節された状態における上記半導体回路の消費電力をモニタする第4の工程と、
を含み、
上記第2の工程において、上記第1の工程を反復して得られる一連の消費電力のモニタ値と、該一連のモニタ値のそれぞれが取得された際に上記半導体回路の半導体基板に供給される基板電圧の値とに基づいて、上記半導体回路の消費電力を減少させ得る新たな基板電圧を決定し、現在供給中の基板電圧を該決定した基板電圧に変更する、
半導体回路の供給電圧制御方法。 A semiconductor circuit supply voltage control method for controlling a voltage supplied to a semiconductor circuit, comprising:
Having a first step and a second step that are performed alternately and repeatedly,
The first step is
The delay of the critical path of the semiconductor circuit is monitored, and the power supply voltage of the semiconductor circuit is adjusted to the minimum under the condition that the monitored delay value does not exceed a predetermined delay value corresponding to the operation cycle time of the semiconductor circuit. A third step of
A fourth step of monitoring power consumption of the semiconductor circuit in a state where the power supply voltage is adjusted to a minimum in the third step;
Including
In the second step, a series of monitor values of power consumption obtained by repeating the first step, and each of the series of monitor values is acquired and supplied to the semiconductor substrate of the semiconductor circuit. Based on the value of the substrate voltage, a new substrate voltage that can reduce the power consumption of the semiconductor circuit is determined, and the currently supplied substrate voltage is changed to the determined substrate voltage.
Method for controlling supply voltage of semiconductor circuit.
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