(57)【要約】【課題】プロセスの微細化に伴い、回路の部分的な温度差に起因して、遅延変動が生じ動作不具合が発生する、もしくは、温度差に起因した物理的要因による、特性変動や損傷が生じる可能性がある。【解決手段】本発明の半導体集積回路は、温度差が生じた場合、温度の低い部分において発熱を行ない、温度を均衡化するようにしたものである。また、本発明は、本来動作部の他に、動作状態検出部と発熱部と動作状態検出部の情報に基づき発熱部を動作させる制御部を設けることを特徴とする。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
本来動作部の他に、動作状態検出部と発熱部と動作状態検出部の情報に基づき発熱部を動作させる制御部を設けることを特徴とした、半導体集積回路。
【請求項２】
動作状態検出部が、温度検出を行なうことを特徴とする請求項１記載の半導体集積回路。
【請求項３】
動作状態検出部が、遅延差計測を行なうことを特徴とした請求項１記載の半導体集積回路。
【請求項４】
動作状態検出部が、本来回路の動作状況を解析することにより、動作検出を行なうことを特徴とした請求項１記載の半導体集積回路。
【請求項５】
発熱部は、抵抗素子を用いることを特徴とする請求項１記載の半導体集積回路。
【請求項６】
発熱部は、標準セルを用いることを特徴とする請求項１記載の半導体集積回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体集積回路に関し、特に、性能を維持しながら、動作時の回路温度差を削減し、回路の安定動作を実現する半導体集積回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
微細化プロセスにおいては、トランジスタを高密度で配置可能なため、単位面積当りの発熱量が大きくなる。発熱量は、回路の動作頻度により決まるが、この頻度が回路の部分ごとに異なると部分的な温度差が生じる。この結果、部分毎の遅延の変動が発生し、動作不良を生ずるという課題がある。また、この温度差に起因して、基盤の歪みが生じた場合は、Ｔｒの特性の変動や、基盤の破壊の課題が生じる。また、複数のチップを張りつけたような構造をとる場合は、チップ毎の温度差に起因して、チップの剥離、チップ間配線の断線等、物理的障害が起こる可能性がある。
【０００３】
従来、これら課題のうち、温度に起因する遅延変動の課題に対しては、設計時にあらかじめ温度差を見こんだ遅延に基づいて設計する方法が存在する。この方法は、ＬＳＩの動作時に見こまれる温度差を考慮した遅延値を用いて設計を行なうことにより、温度差が発生しても動作不具合が起こらないようにする方法である。
【０００４】
また、特開平０３−２１８６３５号にはＬＳＩ内のトランジスタの距離を離してトランジスタの安定動作を測る方法が提案されている。これは、トランジスタの距離を離し、デバイスの各部分の温度を実質的に同じくする方法である。
【０００５】
また、特許第３２５３９６９号では、温度に応じて動作電圧や、動作周波数を制御することにより動作を保証する方法が提案されている。これは、温度変化に応じて、対応するモジュールの電圧や、動作周波数を変更することにより、安定動作を図るものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述の、設計時にあらかじめ温度差を見こんだ遅延に基づいて設計する方法では、回路内部の動作頻度が異なるため、あるいは、トランジスタ密度に粗密が存在するため、回路部分毎に大きな温度差が発生した場合、それらの温度差に対応した設計マージンを持たねばならない。すなわち、温度の最も高い部分と低い部分が同時に存在するような条件で動作するよう設計する必要がある。このような設計を行なう場合、通常、回路面積の増加や、最高動作周期の低下を伴い、また、設計期間の増加につながる。また、この方法を用いた場合、温度差が発生したことによる、物理的障害に対しては、効果がない。
【０００７】
また前述の特開平０３−２１８６３５号の方法では、動作状態により異なる温度差を避けるためには、トランジスタの間隔を十分に広げる必要があり、重大な面積増加が避けられない。
【０００８】
また前述の特許第３２５３９６９の方法では、チップ内部に温度差が発生する時、電圧を制御しようとする場合、チップ内部の部分毎に異なる電源を配線し、電圧を制御する必要がある。この手法では、複数の電源を制御するための制御装置が必要となるが、電圧の制御装置は、面積的に多くの領域を必要とする。また、電圧が異なる部分を、チップ内部に複数作る場合、タイミング設計に多くの工数が必要となる。また、温度差を縮めるには、温度の低いところに合わせて電圧を落さなければならず、パフォーマンスの低下となってしまう。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、回路パフォーマンスを落すことなく、物理的障害を起こさずに、動作時の回路温度差を削減し、回路の安定動作を実現することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の半導体集積回路は、温度差が生じた場合、温度の低い部分において発熱を行ない、温度を均衡化するようにしたものである。
【００１１】
また、本発明は、本来動作部の他に、動作状態検出部と発熱部と動作状態検出部の情報に基づき発熱部を動作させる制御部を設けることを特徴とする。
【００１２】
動作状態検出部は、半導体が所望の状態で動作しているか、もしくは、あらかじめ想定された状態になっているかどうかを判別する。制御部は動作状態検証部からの情報に基づき、発熱部を動作させるか、動作を停止する。発熱部は、制御部の制御に基づき、発熱を行なうか、発熱を停止する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施の形態について以下に説明する。請求項１に記載の実施の形態について以下に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の請求項１記載の実施の形態を説明するための構成図である。１００１は本来回路１、１００２は本来回路２、１００３は制御部、１００４は動作検出部１、１００５は動作検出部２、１００６は発熱部１、１００７は発熱部２、１００８は制御部と発熱部１をつなぐ信号線、１００９は制御部と発熱部２をつなぐ信号線、１０１０は動作検出部１と制御部をつなぐ信号線、１０１１は動作検出部２と制御部を接続する信号線を示す。
【００１５】
動作検出部１は、本来回路１の温度の関数としての動作状態を検出し、動作検出部２は本来回路２の温度の関数としての動作状動を検出する。発熱部１は、制御部の指令により、本来回路１の温度を上昇させる発熱動作を行なうか、発熱動作を停止する。発熱部２は、制御部の指令により、本来回路２の温度を上昇させる発熱動作を行なうか、発熱動作を停止する。制御部はそれぞれの動作検出部からの情報に基づき、それぞれの発熱部を動作させるか、動作を停止する。
【００１６】
次に制御部の動作例を説明する。図２は制御部の動作例を説明するフロー図である。２００１は動作を監視する工程、２００２は各本来回路の動作状態の差と所定量を比較する工程、２００３は動作状態の差が是正されるように発熱体を選び発熱させる工程、２００４は動作状態の差が是正された発熱体があれば、発熱を停止させる工程である。
【００１７】
制御部は、動作を監視する工程で、動作検出部から動作状態を得る。次に、各本来回路の動作状態の差と所定量を比較する工程で、本来回路１の動作と本来回路２の動作を比較する。もし、本来回路１と本来回路２が所定量以上に異なった動作状態であることを検出すると、動作状態の差が是正されるように発熱体を選び発熱させる工程にて、もっとも温度の高い部分に合わせて、その状態の差が是正されるように発熱部を動作させる。すなわち、本来回路１の温度を上昇させれば、その差が是正されるならば、発熱部１を動作させ、本来回路２の温度を上昇させれば、その差が是正されるならば、発熱部２を動作させる。また、動作状態の差が所定量より小さくなった場合は、動作状態の差が是正された発熱体の発熱を停止させる工程にて、動作状態の差が是正された発熱体の発熱を停止させる。
【００１８】
本構成により、本来回路に温度差が生じた場合でも、温度を均一にすることができるので、回路パフォーマンスを落すことなく、物理的障害を起こさずに、回路の安定動作を実現することができる。
【００１９】
なお、本実施形態では本来動作部を２つ設けたが、複数でもよい。また、動作説明では、２つの場合を記したが、複数の場合でも同様に、制御することができる。その際、各本来回路の動作状態の差と所定量の比較は、並列に行なってもよいし、順番に行なってもよい。
【００２０】
また、発熱部は、本来回路の周辺においてもよいし、内部においてもよい。一つでもよいし、複数でもよい。固めて配置してもよいし、ちりばめて配置してもよい。
【００２１】
また、本来動作部は、配置として、ブロックとして独立していてもよいし、していなくてもよい。同じチップ上にあってもよいし、異なるチップ上であってもよい。マルチチップモジュールでもよいし、複数のチップを張り合わせたチップでもよい。
【００２２】
次に、請求項２記載の動作検出部が温度を検出する場合の実施形態を示す。図３は、本発明の請求項２記載の実施形態を説明するための構成図である。３００１は本来回路１、３００２は本来回路２、３００３は制御部、３００４は温度センサ１、３００５は温度センサ２、３００６は発熱部１、３００７は発熱部２、３００８は制御部と発熱部１をつなぐ信号線、３００９は制御部と発熱部２をつなぐ信号線、３０１０は温度センサ１と制御部をつなぐ信号線、３０１１は温度センサ２と制御部を接続する信号線を示す。
【００２３】
制御部は、温度センサ１と温度センサ２の温度を比較し、その温度差が一定以上であれば、温度センサ１の温度が高ければ、発熱部２を動作させ、温度センサ２の温度が高ければ、発熱部１を動作させる。温度差が所定量より小さくなれば、発熱部の動作を停止する。
【００２４】
本構成により、本来回路に温度差が生じた場合でも、温度を均一にすることができるので、回路パフォーマンスを落すことなく、物理的障害を起こさずに、回路の安定動作を実現することができる。
【００２５】
次に、請求項３記載の遅延差の計測を行なうことにより、動作状態を検出する場合の実施形態を示す。図４は、遅延計測を行なうことにより動作状態を検出する回路の構成の、本来動作部と動作状態検出部と制御部を示す。
【００２６】
４００１は本来動作部１、４００２は本来動作部２、４００３はインバータ、４００４は本来動作部１の中を通過する配線１、４００５は本来動作部２の中を通過する配線２、４００６は信号発生および遅延差測定回路、４００７は制御部、４００８は配線１と配線２の分岐点、４００９は本来動作部１に属する発熱部、４０１０は本来動作部２に属する発熱部である。配線１と配線２の配線長は、分岐点以降同一とする。縦方向、横方向の配線長比は同一であることが望ましい。
【００２７】
次に動作を示す。信号発生および遅延差測定回路は、まず信号をインバータに入力する。インバータは、各配線を通じて、信号を遅延差測定回路に伝播させる。
【００２８】
本実施形態では駆動するトランジスタが同一のため、配線１と配線２の遅延において、トランジスタ性能のバラツキによる差は発生しない。また、配線遅延は、温度依存性があるため、温度差が発生すると、遅延の差を生じる。遅延差測定回路は、その遅延差を検出し、制御部に動作状態を伝える。制御部は、あらかじめ算出された遅延値と温度の関係に基づいて、温度を知ることができるので、先の実施形態に示したように、温度に基づき発熱部を発熱制御し、温度を均一にすることができる。
【００２９】
本構成では、一般的な半導体集積回路を構成する部品を用いて、測定回路を構成できるので、低コストで半導体集積回路が実現可能である。
【００３０】
また、回路内に配線可能であれば任意に配線を施すことができるので、細かい位置の温度差を検出することができる。
【００３１】
次に、請求項４記載の、集積回路の動作例を示す。図５は、制御部の動作フローを示す。５００１は、各回路部分の動作モードを検出する工程、５００２は、あらかじめ算出された、各回路部分の動作状態と温度の関係より、各部分の温度を算出する工程、５００３は、算出された温度差を所定量と比較する工程、５００４は、温度差が是正されるように発熱体を選び発熱させる工程、５００５は、温度差が是正された回路部分の発熱体があれば、発熱を停止させる工程である。
【００３２】
一般に、動作時の温度は、その実行状態の消費電力の関数である。従って、とある回路部分が決められたいくつかの状態のうちの一つを取ることが分かっていれば、それらの状態における消費電力をあらかじめ算出することにより、回路部分毎の相対的な温度を知ることができる。
【００３３】
そこで、あらかじめ、算出された、各回路部分の動作状態と温度の関係を参照することにより、各部分の温度を直接計測しなくても、内部動作のモードを観測することにより、各回路部分の温度を算出することができる。
【００３４】
本制御方法により、本来回路中に温度測定のための回路を追加せずに温度を推測することができるため、既に内部構造が決定されており、新たな測定用回路が追加できないような機能ブロックについても温度を算出することが可能となる。
【００３５】
次に、請求項５記載の、集積回路の構成例を示す。図６は発熱部として、抵抗素子を用いた実施形態である。６００１は、本来動作部を構成する素子、６００２は、抵抗を用いた発熱素子、６００３は制御部である。抵抗素子は、本来動作部間に配置されている。発熱を行なう場合は、制御部をＶＤＤ制御により、発熱を行なう。
【００３６】
抵抗素子を用いることにより、トランジスタを用いる場合に比較して、発熱部の面積当りの発熱量を増加することが可能であり、面積的にメリットがある。
【００３７】
次に、請求項６記載の、集積回路の構成例を図７を用いて示す。
【００３８】
図７は、発熱部として標準セルを用いた場合の実施形態である。７００１は、本来動作部を構成する素子、７００２は、標準セルを用いた発熱素子、７００３は制御部である。発熱を行なう場合は、制御部よりトグル信号を印加することにより行なわれる。
【００３９】
発熱部は、標準セル形状のレイアウトに従った、トランジスタで構成されている。この構成においては、発熱素子はトランジスタで構成されている。従って、発熱素子の電力供給は、各発熱素子毎に行なわれる。従って、電力供給源を分散することが可能となり、レイアウトを行ない易い。
【００４０】
また、標準セル形状をしているので、通常の標準セルレイアウト手法をそのまま用いることができる。
【００４１】
また、標準セルを用いて、発熱部を構成しているため、万一、マスク発注後、回路修正を行なう必要があった場合でも、発熱部のセルを本来回路の用途に自由に利用することができるので、配線層修正のみで対応可能とすることもできる。
【００４２】
以上の構成により、本来回路に温度差が生じた場合でも、温度を均一にすることができるので、回路パフォーマンスを落すことなく、物理的障害を起こさずに、回路の安定動作を実現することができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、性能を維持しながら、半導体集積回路内の熱の発生を制御し、安定動作を実現する、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の請求項１記載の実施形態を説明するための構成図
【図２】制御部の動作例を説明するフロー図
【図３】本発明の請求項２記載の実施形態を説明するための構成図
【図４】遅延計測を行なうことにより動作状態を検出する回路構成図
【図５】制御部の動作フロー図
【図６】発熱部として抵抗素子を用いた実施形態を示す図
【図７】発熱部として標準セルを用いた場合の実施形態を示す図
【符号の説明】
１００１　本来回路１
１００２　本来回路２
１００３　制御部
１００４　動作検出部１
１００５　動作検出部２
１００６　発熱部１
１００７　発熱部２
１００８　制御部１と発熱部１をつなぐ信号線
１００９　制御部２と発熱部２をつなぐ信号線
１０１０　動作検出部１と制御部をつなぐ信号線
１０１１　動作検出部２と制御部を接続する信号線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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