(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積回路構造の電圧アイランド（１０）において電力スイッチ（１１）を配置する方法であって、前記電圧アイランドが前記集積回路構造の複数の機能ブロックの１つであり、各機能ブロックが独自の電力特性を有することができ、当該方法が、
前記電圧アイランドに電力を供給する電力バスの配線長、幅、および負荷に基づいて、前記電力バス上に存在する電流および電圧を求めるステップと、
前記求めた電流および電圧に前記電力スイッチ（１１）のサイズを適合させるステップ（８００）と、
電力バスの電流、電圧、および配置に基づいて、前記電力スイッチの各々が電力を供給可能なサービス可能領域のサイズを求めるステップ（８０２）と、
前記サービス可能領域のサイズによって前記電圧アイランドの面積を除算することによって電力スイッチ数を求めるステップ（８０６）と、
前記求めた数の電力スイッチを前記電圧アイランド内に配置するステップ（８０４）と、
を有する、前記方法。
【請求項２】
前記配置するステップが、前記電圧アイランド内の論理コア領域の周囲に沿って前記電力スイッチのグループを割り当てることを含む、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、集積回路に関し、更に具体的には、チップの電力消費を制御するために電力供給スイッチング技法の利用が拡大している特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：application specific integrated circuit）設計において電圧アイランド（voltage island）を用いる、改良した集積回路設計および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
回路の高密度化度および高性能化のための技術が進むにつれて、電力消費を抑える必要性が著しく高まり、設計者は進歩するシリコンの能力を利用しようと努めている。消費者製品の市場によって、チップの電力消費を最小限に抑える要望が更に強くなっている。
【０００３】
従来のＣＭＯＳ回路網が消費する全電力には、回路が状態をスイッチする際、およびスイッチング・ノードに関連した容量を充電または放電させる際、回路が消費するアクティブ電力が含まれる。アクティブ電力は、回路の意図する動作によって、信号状態をスイッチし、これによって論理機能を実行するために消費される電力を表す。この電力は、対象の回路がアクティブにスイッチングしていない場合には存在しない。アクティブ電力は、スイッチする容量、動作周波数、および電源電圧の二乗に比例する。技術の拡大（scaling）により、単位面積当たりの容量は、各プロセス世代と共に増大している。この容量の増大に相当する電力の増大は、電源電圧すなわちＶｄｄの調整によって埋め合わされる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、動作周波数は、各世代と共に増大し、技術世代から技術世代へとアクティブ電力密度の全体的な上昇を招く。そして、この電力密度の上昇によって、より高価なパッケージングの必要性、複雑な冷却解決策、および温度上昇による信頼性の低下が生じる。
【０００５】
従って、性能を向上させると同時に電力消費を低減させる方法および構造に対する要望がある。以下に説明する本発明は、電力供給スイッチ回路の最適な配置の問題に対する解決策を提供することによって、これらを満足させる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、請求項１に請求した方法および請求項３に請求した対応する集積回路構造を提供する。
【０００７】
本発明は、図面を参照し、本発明の好適な実施形態の以下の詳細な説明から、より良く理解されよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
先進技術によって電力の問題が生じることにより、システム設計者は、彼らが設計している機能のために、デバイス、構造、および電圧レベルに関する選択をしなければならない。以前の世代において、大きい機能ブロックは同一チップ上に集積されず、このためこれらの選択は各ブロックごとに独立して行うことができた。システム・オン・チップ（ＳｏＣ：system-on-a-chip）を可能にする技術がサポートする高レベルの集積によって、単一チップの実装が推進されている。この場合、電力配分および性能最適化に対する従来の手法では、以前の独立した解決策における電圧および技術の最適化の柔軟性を提供することができない。
【０００９】
もっと新しい技術では、米国特許出願番号第１０／０６５，２０１号および第１０／０６５，２０２号に説明されているように、各半導体チップは個々の機能ブロック（電圧アイランド）に分割される。これらのＳｏＣ設計の電圧アイランドは、設計の他の部分とは別個の電力特性を有することができ、本発明によって、それに応じて最適化することができる。
【００１０】
電圧アイランドに基づくＳｏＣアーキテクチャ（基本設計概念）は、電力スイッチ等の追加の設計コンポーネントを用いて電力を配分し管理する。ＡＳＩＣ設計では、チップの電力消費を制御するための電力供給スイッチング技法の利用が拡大している。このため、いくつかの電圧アイランドがアイドルである場合はそれらをオフにスイッチングすることによって、電力を保存することができる。本発明は、かかる電力供給スイッチ回路の最適な配置の問題に対する解決策を提供する。
【００１１】
更に具体的には、図１は、多数のアイランド・ブロックを含むことができ、その１つが「電圧アイランド」１０と標示されている集積回路を示す。ボックス１０の境界内での回路網の電力供給は、チップの残りの部分から分離され、電力スイッチ回路１１によって制御される。説明を容易にするため、この具体的な例では、アイランドの電力が単一の周辺Ｉ／Ｏセル１２によってもたらされ、電力スイッチ１１を介して、アイランド内の全てのセルに分配されることを記述する。しかしながら、単一のＩ／Ｏセル１２、接続ワイヤ１３、および電力スイッチ・セル１１は、電流容量が限られている。このため、電力供給スイッチングの利点を最大限に活用するため、各電圧アイランドにおいて多数の電力スイッチ回路を用いる方が良い。以下では、様々な電圧アイランド内容について、必要な電力スイッチ・セルの量およびそれらの配置を決定するための技法を説明する。
【００１２】
図２は、集積回路配線に組み込まれた電力スイッチ回路１１を示す。この例では、図示する最高レベルの金属（Ｍｘ）が、電力スイッチ回路に、スイッチしていない電流を供給する。電力スイッチ１１は、この例ではＭＸ−１およびＭＸ−２である下にある金属層を介して、電圧アイランドにスイッチした電流を供給する。電力スイッチ・セルの電流容量は、ワイヤ幅またはスイッチング機能を与える回路によって限定されている。いずれの場合も、各電力スイッチ・セルは、電流容量が限られており、その一部がＭＸ−１上で、その残りがＭＸ−２上で利用可能である。電力スイッチ・セルによって駆動される直交する金属線の電流容量が同等である場合、各金属レベル上で等しい電流を利用可能である。適正に設計された場合、電流密度は、金属ワイヤの容量を超えず、電圧降下（電圧降下は駆動する距離と共に増大する）は、電力スイッチ・セルからどのくらい遠くで回路を駆動可能であるかを限定する要因である。
【００１３】
図３は、単一の周期性において、様々な幅の金属配線の所与の負荷について、電圧降下と最大駆動距離との間の関係を表す一連の曲線を示す（Ｗａ、Ｗｂ、およびＷｃとして示す）。図３において、Ｗａが最も狭い配線であり、Ｗｃが最も広い配線である。これらの曲線は、特定の電力パターンおよび負荷を表すが、一般に、電圧降下は、駆動する距離と共に増大する。本発明は、利用可能な電力バス幅によってサポートされる電流をぴったり提供するように、電力スイッチのサイズを調整する。このため、配線の長さ、幅、および負荷を知ることによって、電力バス上に存在する電流および電圧を算出することができる。電圧アイランド内の電力スイッチのサイズは、この電流および電圧に適合するように選択する。電力スイッチ回路のサイズを電力バス幅に適合させることによって、最小領域オーバーヘッドが電力スイッチング回路のために充てられることが確実となる。
【００１４】
電圧アイランド内の電力スイッチ・セルの効率的な配置は、アイランド内の回路構成に依存する。１つの電力スイッチ・セルの有効サポート領域は、それが駆動する電力バスの設計に密接に結びついている。規則的な直交電力配分では、１つの電力スイッチの有効サポート領域は、図３に示す最大駆動距離に等しい半径の円として近似することができる。図４は、最大駆動距離から有効領域への変換を示す。有効サポート領域の１つの辺（side）の寸法の半分が、有効デバイス距離である。この関係は設計に依存し、電力配分のために利用可能な金属レベル（層）数およびそれらの幾何学的形状の関係に関連する。本発明は、電力スイッチ回路の配置を供給可能領域に関連付けることができるいずれかの設計スタイルに適用可能である。
【００１５】
図５は、均一ランダム論理配置（Uniform Random Logic Placement）の電圧アイランドおよび電力消費を示す。まず、この実施形態では、電力バス上で発生する電流および電圧降下を決定する。これから、この実施形態では、適切なサイズの電力スイッチを選択する。次に、この実施形態では、上述したように、電力バス幅および配置（配分）に対する最大電力スイッチ駆動距離を決定する。そして、この実施形態では、電圧アイランド面積を電力スイッチ供給可能領域によって除算して、必要な電力スイッチ・セル数を求める。この実施形態では、電圧アイランド全体にわたって電力スイッチ回路を均一に配分して、図５において駆動距離が確実にｘもｙも超えないようにする（ｘおよびｙは、所与の電力バス幅および配分に対する最大電力スイッチ供給可能領域である）。
【００１６】
換言すると、図８に示すように、この実施形態では、電力スイッチのサイズを、電圧アイランドに電力を供給する１つ以上の電力バスの幅に適合させる（８００）。適合プロセス８００は、電力スイッチのサイズを、電力バスが提供する電流および電圧に適合させる。そして、この実施形態では、電力スイッチの各々が電力を供給可能なサービス可能領域のサイズを決定する（８０２）。サービス可能領域は、電力バスの電流、電圧降下、および配置によって決まる。次に、この実施形態では、電力スイッチの各々のサービス可能領域のサイズに応じて、電圧アイランド内に電力スイッチを配置する（８０４）。更に具体的には、この実施形態では、電圧アイランドの面積をサービス可能領域のサイズで除算して、必要な電力スイッチ数を算出する。
【００１７】
しかしながら、アイランド内に大きいコア（core）がある場合等、均一な電力スイッチの配置が常に可能なわけではない。例えば、図６は、Ｐ×Ｑの寸法を有する論理コア６０を有する非均一配置の電圧アイランドを示す。まず、この実施形態でも、電圧降下およびスイッチのサイズを決定する（８００）。次に、この実施形態では、アイランドの非コア部分６１の電圧アイランドの電力バス配置について、最大電力スイッチ駆動距離（例えばサービス可能領域）を決定する（８０２）。電圧アイランドの全面積から、論理コア（複数のコア）６０の面積を減算して、非コア６１の面積を算出する。次いで、この実施形態では、非コア領域（図６においてＵと標示されている）全体にわたって電力スイッチ・セルを均一に配分する（８０４）。この場合も、この実施形態では、論理コア６０の領域に対して、サービス可能領域と、（論理コア面積を電力スイッチ供給可能領域で除算することによって）必要な電力スイッチ数とを算出する（８０６）。次いで、この実施形態では、項目８０８に示すように、コア６０の辺に沿って、この数の電力スイッチ回路を均一に割り当てる（位置付ける、配分する等）。更に具体的には、コア領域Ｃのための電力スイッチ回路を、コア６０の長い方の辺に沿って配置する。これによって、電力スイッチ間の距離を最小限に抑えて、論理コア６０の全領域に対する適正な電力供給を保証する。
【００１８】
短い方のコア寸法Ｑが有効駆動距離の２倍を超えた場合、または電力スイッチ間の距離が有効駆動距離の２倍（２ｘまたは２ｙ）よりも大きい場合、追加の電力バスが利用可能である範囲で、追加の電力スイッチ・セルを加える。図７に、かかる追加の電力スイッチＣａの一例を示す。サポートされる駆動距離は、追加する追加電力スイッチ・セルＣａの割合に応じて長くなる。追加セルの配置は、この場合も、上述したように、論理コアの長い方の辺の周囲に沿っている。コア領域内で電力バス幅を広くし、これによって電力スイッチのサイズおよび電力スイッチ供給可能領域を増大させることで、この技法を更に補足することができる。
【００１９】
この実施形態で生成される図５〜７に示す構造は、少なくとも１つの電圧アイランド１０および電圧アイランド内の電力スイッチのパターン１１を含む。パターン１１は、電力スイッチの各々が電力を供給可能なサービス可能領域のサイズに従って、電力スイッチのバランスを取る。電力スイッチ１１に、電力バスＭＸ−１、ＭＸ−２が接続されている。上述したように、電力スイッチ１１のサイズは、電力バスＭＸが供給する電流および電圧に適合させている。電力スイッチの各々が電力を供給可能なサービス可能領域のサイズは、電力スイッチのサイズおよび電力バス幅によって決まる。このため、電力スイッチが大きくなると、より小さい電力スイッチよりもサービス可能領域が大きくなる。上述したように、電力スイッチの数は、電圧アイランドの面積をサービス可能領域のサイズで除算したものに等しい。
【００２０】
図６および７に示すように、この構造は、電圧アイランド内に多数の論理コア領域を含むことができる（明確さのため、１つのみ（６０）を図示するが）。論理コア領域の周囲に沿って、電力スイッチのサブグループ（Ｃ、Ｃａ）を配置する。論理コア領域は、一般に、１対の長い辺および１対の短い辺を有する矩形を有する。上述したように、電力スイッチは、論理コア領域の長い方の辺に沿って配置され、スイッチ間の距離を最小限に抑える。
【００２１】
従って、上述したように、この実施形態は、必要な電力スイッチ・セルの量を決定し、電力スイッチ・セルの数を最小限に抑えるための分析および配置の技法を提供する。電力バス設計および回路の電力消費に基づいて、配置が決められる。
【００２２】
更に、電力スイッチ・セルを不規則に配分して、所与の電圧アイランド内の（異なる電力要求を有する）異なる領域を別個に処理可能とすることができる。電力密度の高い領域には、電力スイッチ・セルを高密度に配置することができる。これによって、電圧アイランド全体にわたって、電力スイッチ・セルの不均一な配分が生成される。コアの近傍では、２つの対向する辺に沿ってのみ配置する。全体像では、いくつかの方式を用いて、電圧アイランドの局所的な領域において電力スイッチ・セルを均一に配分して、この結果、電圧アイランド全体にわたって不均一な配分とすることができる。従って、これにより、電圧アイランドの各領域を、その特定の要求に従って扱うことができ、必要な所でのみ電力スイッチ・セルを利用する。これは、設計において用いる電力スイッチ・セルの数を最小限に抑え、また、電力消費も削減する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】多数の分離されたブロックを含む集積回路である。
【図２】集積回路の配線に組み込まれた電力スイッチ回路である。
【図３】様々な幅の金属配線について、電圧降下と最大駆動距離との間の関係を示す一連の曲線である。
【図４】駆動距離から有効領域への変換を示す。
【図５】均一ランダム論理配置による電圧アイランドを示す。
【図６】電圧アイランド内に多数の論理コア領域を含むことができる構造を示す。
【図７】電圧アイランド内に多数の論理コア領域を含むことができる構造を示す。
【図８】本発明がどのように電力スイッチのサイズを１つ以上の電力バスの幅に適合させるかを示すフローチャートである。
【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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【図８】
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