(57)【要約】  バス上で送信されるべき現在の値がバスの前の状態と比較される、相互接続バスを交差するように信号を送信するための符号化小振幅方式。ビット反転の数がＮよりも多いとき、Ｎはバスの幅であり、反転された信号値を送信するための決定がなされる。さらに、バス値が反転されているか否かを示すために受信機に「反転」信号も送られる。次いで、これらの符号化された値は小振幅値に変換され、送信される。このようにして、相互接続で消費されるエネルギーが最小限であることを保証することができる。この方策は相互接続での遷移の確率を減少させるだけでなく、従来技術に比べて非常に大きなエネルギー減少を達成するように小振幅値だけを送信する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互接続と交差するようにｎビット・ディジタル信号を送信する装置において、ｎは前記相互接続の幅であって、前記装置は、前記ディジタル信号を小振幅ディジタル信号に変換する手段を備え、前記信号の送信前に前記信号を符号化する手段を特徴とする装置。
【請求項２】
前記符号化は、低エネルギーを対象とし、送信されるべき現在の信号で変化するビットの数を、前に送信された信号のビットに比べて減少させることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記符号化は、クロストークで誘起される雑音を減少させることを対象とする、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記符号化は、クロストークで誘起される遅延を減少させることを対象とする、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記符号化は、送信されるデータの耐性を増すことを対象とする、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
信号の信頼性を改善し、クロストークを減少することによってエネルギー増加耐性を減少させ、及び／又は遅延を減少させるように、プログラム可能論理デバイス特にＦＰＧＡ（埋込み型、又は独立型）に関して使用される、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記信号を符号化する前記手段は、送信されるべき現在の信号の値を、前に送信された信号の値と比較し、前の信号の対応するビットと反対の値である前記現在の信号のビットの数が、所定の閾値を超えるか否かを判定し、そして前記所定の閾値が超えられた場合にのみ、前記現在の信号を符号化する手段を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
符号化される前記相互接続の幅が偶数である場合、前記所定の閾値はｎ／ｘであり、ｘは偶数の整数である、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
ｘ＝２である、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
符号化される前記相互接続の幅が奇数である場合、前記所定の閾値は［（ｎ＋１）／２］−１である、請求項７に記載の装置。
【請求項１１】
さらに受信機を含む、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
前記符号化手段によって使用される符号化のタイプはバス反転符号化であり、「反転する」ビットの数が前記所定の閾値を超える場合、前記相互接続と交差するように送信されるべき前記現在の信号のビットの全ては、送信前に反転され、そして前記信号が反転されたことを前記受信機に示すために、「反転」信号も送信される、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
相互接続と交差するようにｎビット・ディジタル信号を送信する方法において、ｎは前記相互接続の幅であって、前記方法は、前記ディジタル信号を小振幅ディジタル信号に変換するステップを備え、前記信号の送信前に前記信号を符号化するステップを特徴とする方法。
【請求項１４】
前記信号を符号化する前記ステップは、送信されるべき現在の信号の値を、前に送信された信号の値と比較し、前の信号の対応するビットと反対の値である前記現在の信号のビットの数が、所定の閾値を超えるか否かを判定し、そして前記所定の閾値が超えられた場合にのみ、前記現在の信号を符号化するステップを備える、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
符号化される前記相互接続の幅が偶数である場合、前記所定の閾値はｎ／ｘであり、ｘは偶数の整数である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
ｘ＝２である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
符号化される前記相互接続の幅が奇数である場合、前記所定の閾値は（ｎ＋１）／２−１である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記送信された信号を受信する受信機を設けるステップを含む、請求項１３乃至１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
使用される符号化のタイプはバス反転符号化であり、「反転する」ビットの数が前記所定の閾値を超える場合、前記相互接続と交差するように送信されるべき前記現在の信号のビットの全ては、送信前に反転され、そして信号が反転されたことを前記受信機に示すために、「反転」信号も送信される、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低電圧振幅技術に関し、より詳細には、集積回路の相互接続バスラインの電力消費を減少させるために低電圧振幅技術を使用する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロセス形状寸法が縮小し続けるにつれ、その形状寸法に関連した相互接続、ドライバ及び受信機は、集積回路の主要なエネルギー消費物の一つである。汎用バス、クロックライン及びタイミング回路がチップ全体にわたって延びている状態で、単一チップの中に、より複雑な回路が集積化されるので、相互接続で消費されるエネルギーの割合は絶えず増加している。例えば、従来ゲート・アレイをベースにした設計で失わされるエネルギーの部分は４０％であることが分かっており、セル・ライブラリをベースにした設計の場合、それは５０％であることが分かっており、従来のＦＰＧＡデバイスの場合、それは９０％であることが分かっている。
【０００３】
相互接続で消費されるエネルギーの量を減少させる方法は広く研究されている。ワイヤ上での信号の電圧振幅を減少させることは、電力を二次で、また電力・遅延積を一次で減少させる最も効率の良い技術の１つである。例えば、米国特許第６５７０４１５号は、減少された電圧振幅のディジタル差動ドライバを記載している。プレドライバは、差動比較器の入力を指定されたレベルにする。従来のプレドライバでは、差動比較器に送られた信号はディジタルであるので、その出力の電圧は、グランドから電源電圧レベルまでフルに振れる。その結果として、スイッチング速度は遅く、かつ電力消費は大きい。米国特許第６５７０４１５号は、差動比較器の入力が所定の閾値電圧に達したとき放電パスが機能無効状態にされるように、プレドライバが配置された構成を実現することにより、これらの問題を克服しようとしている。従って、次のサイクルで、入力ゲートは、グランドではなくて閾値電圧から充電を始めるだけでよく、これによって、電圧振幅を減少させる。その結果として、プレドライバ電源から取り出される電流消費は減少し、スイッチング速度は改善される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の小振幅技術は、低雑音耐性及び減少された信号対雑音比を欠点として有する。
【０００５】
そこで、われわれは、改善された構成を発明した。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、相互接続と交差するようにｎビット・ディジタル信号を送信する装置が提供され、ｎは前記バスの幅であり、前記装置は、前記ディジタル信号を小振幅ディジタル信号に変換する手段を備え、前記装置は、送信されるべき現在の信号で変化するビットの数を、前に送信された信号のビットに比べて減少させるように、前記信号の送信前に前記信号を符号化する手段を特徴とする。
【０００７】
また、本発明によれば、相互接続と交差するようにｎビット・ディジタル信号を送信する方法が提供され、ｎは前記バスの幅であり、前記方法は、前記ディジタル信号を小振幅ディジタル信号に変換するステップを備え、前記方法は、送信されるべき現在の信号で変化するビットの数を、前に送信された信号のビットに比べて減少させるように、前記信号の送信前に前記信号を符号化するステップを特徴とする。
【０００８】
本発明の好ましい実施形態では、符号化する手段は、好ましくは、送信されるべき現在の信号の値を、前に送信された信号の値と比較し、前の信号の対応するビットと反対の値である前記現在の信号のビットの数が、所定の閾値を超えるか否かを判定し、そして前記所定の閾値が超えられた場合にのみ、前記現在の信号を符号化する手段を備える。
【０００９】
本発明の一実施形態では、相互接続の幅Ｎが奇数である場合、閾値は（Ｎ＋１）／２であることがあり、Ｎが偶数である場合、閾値はＮ／２であることがある。
【００１０】
使用することができる符号化の１つのタイプはバス反転符号化であり、「反転する」ビットの数が所定の閾値を超える場合、相互接続と交差するように送信されるべき現在の信号のビットの全ては、送信前に反転され、そして信号が反転されたことを受信機に示すために、「反転」信号も送信される。しかし、２つの連続する信号の間で「反転する」ビットの数を減少させるため、多くの知られた符号化技術が当技術分野で知られていることが理解されるであろう。同様に、信号を小振幅信号に変換するための多くの知られた技術が存在し、本発明はこの点で限定されるようには意図されていない。選択された符号化技術は、低エネルギー、及び／又はクロストーク雑音の減少、及び／又は耐性の改善、及び／又は信号対雑音比の改善、及び／又は速度の改善、その他を対象とすることができる。
【００１１】
本発明は、相互接続バスラインでの超低電力消費、従来構成と比較して相当に改善された信号対雑音比、及び改善されたエネルギー遅延積を実現する。
【００１２】
本発明のこれら及び他の態様は、以下で説明される実施形態から明らかであり、その実施形態を参照して説明される。
【００１３】
ここでは、低エネルギーの目的に関する本発明の実施形態が、単なる例として、添付の図面を参照して説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
最初に、本発明の方法の例示の実施形態の簡潔な概要が示され、ここで、すでに言及されたように、符号化は低エネルギーを対象としている。符号化小振幅方式のこの例示の実施形態では、バスで送信されるべき現在値は、バスの前の状態と比較される。ビット反転の数がＮ／２よりも大きいとき、なおＮはバスの幅であり、反転された信号値を送信するための決定がなされる。さらに、バス値が反転されたか否かを示すために、「反転」信号も受信機に送信される。次いで、これらの符号化された値は、小振幅値に変換され、送信される。このようにして、相互接続で消費されるエネルギーが最小限であることを保証することができる。この方策は、相互接続での遷移の確率を減少させるだけでなく、小振幅値だけを送信して従来技術と比べて非常に大きなエネルギー減少も達成する。しかし、このエネルギー節約は、相互接続で節約されるよりも多いエネルギーを消費しない、効率の良いドライバ及び受信回路が使用される場合に、最適化されるだけである。そのために、効率の良い回路実現について後で説明される。
【００１５】
しかし、最初に、提案された技術を使用して可能なエネルギーの節約が推定される。遷移の平均的な数は、Ｎビット幅のバスに関する確率論的解析を使用して推定することができる。バスの動的スイッチング・エネルギーは、式１で与えられる。
【数１】
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【００１６】
式１において、Ｔはワイヤ上での遷移の総数である。Ｎビット幅のバスの平均的な事例では、符号化のない遷移ＴＮＥは、次式で与えられる。
【数２】
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【００１７】
ここで、ＴＮＥは符号化の無い場合の遷移の数を示す。Ｐ（Ｍ）は、Ｎビット幅バスでＭビットが反転する確率を示し、次式で与えられる。
【数３】
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【００１８】
バス反転符号化方法を使用して、われわれは、Ｎビット幅バスの平均的な事例について遷移を計算する。当業者は、Ｐ（Ｍ）を適切に計算しかつ適切な閾値を使用して、他の性能要求条件（雑音符号の減少、耐性符号の増加、他の低エネルギー符号、高速符号、その他）を対象とすることができる他の符号化技術に、この解析を拡張することができる。
【００１９】
好ましい実施形態では、Ｎが奇数及びＮが偶数であるときの事例が区別される。これは次に示される。
【００２０】
１．事例ａ：Ｎが奇数であるとき。バス反転符号化を使用して、遷移の数は式４によって与えられる。ＴＥは、符号化の存在する状態におけるバス上での遷移の数を示す。ここで、ビット反転の数が（Ｎ＋１）／２−１を超えるとき、データ・ビットを反転するための決定がなされる。反転信号による追加の遷移を数えると、（Ｎ＋１）／２のデータ・ビットが反転するとき、バス上での遷移の数は、次式で与えられる。
【数４】
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【００２１】
２．事例ｂ：Ｎが偶数であるとき。ここで、ビット反転の数がちょうどＮ／２であるとき、符号化に有利点はない。「反転」信号自体で遷移を引き起こさない場合、バス上の値を反転するための決定が行われることができる。このことは、Ｎが偶数であるとき、「反転」信号の状態を格納する追加の状態フリップ・フロップが、この例示の実施形態で必要であることを意味し、Ｎが奇数のときにはそうではない。
【数５】
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【００２２】
アナログ多数決回路を使用する８ビット幅バス用ドライバの効率の良い例示の実施形態は、図１に示されるように図示される。受信回路は図２に示される。バス（Ｄ０Ｔ，Ｄ１Ｔ，．．．，Ｄ７Ｔ、ＩＮＶ）の現在の状態は、送信されるべき新しい値と比較される。ビットの大部分が反転した場合、そのアナログ多数決はＩＮＶＢ信号（図１に示される）を余りにも高くする。アナログ多数決回路を使用することの有利点は、ほとんど追加の領域のオーバヘッドなしでより大きなバス幅に容易に拡大可能であることである。次いで、符号化された信号値は、従来のＮＭＯＳ専用プッシュ・プル・ドライバを使用して小振幅値に変換される。ドライバ及び受信回路は、ほとんど電力を消費しない。ドライバでは、アナログ多数決回路において、ラッチのＰＭＯＳトランジスタと電流源として作用する（下部の）ＮＭＯＳトランジスタとのためのゲート信号としてクロックを使用することで、クロック遷移中を除いて、電源からグランドへの経路が全く無いことを保証することができる。受信機では、カスケード回路及び差動回路が使用されるので、短絡電流が減少する。受信機は、図１に示されるように小振幅復元器及びデコーダから成る。デコーダは、単にＸＯＲゲートから成り、このＸＯＲゲートは、「反転」信号が１であるか０であるかに依存して、受信値を反転するか又は反転しないように「反転」信号を使用する。
【００２３】
従って、上述の方法及び装置は、新規な符号化小振幅技術及びこれの効率的な回路実現を提供する。これは、相互接続の容量負荷が２００ｆＦよりも増加し始めたとき、既存の方式に優る最良のエネルギー遅延積を達成することが見出された。実行されたシミュレーション結果の解析で、提案された技術の平均エネルギー遅延積は、小振幅だけを使用する技術と比較して４５．７％、またデータ・ストリームにわたって平均化される符号化だけを使用する技術と比較して７５．８％優れていることが明らかになった。この改善は、使用されるデータ・ストリームに依存して変わることがある。クロストーク雑音が存在する状態で、提案された技術は小さな容量負荷（ＣＬ≦２００ｆＦ）の場合でさえも最良のエネルギー遅延積を有することを示すことができる。提案された技術の信号対雑音比は、既存の小振幅技術より８．８％優れている。本発明の方法及び装置は、電力を減少させるように一般的なＩＣ（ＳｏＣ−システム・オン・チップ）、ＡＳＩＣ及びＦＰＧＡに応用することができる。関連した大きなキャパシタンスを有し電力を損失するバスに対処するために特に有用であることが分かった。また、本発明の方法及び装置は、損失される入力／出力電力を減少させるためにも利用することができる。というのは、チップのＩ／Ｏパッドは、ワイヤ、Ｉ／Ｏピン及び接続回路のために大きな外部キャパシタンスをドライブしなければならないので、チップのＩ／Ｏパッドにおけるデバイスの寸法は大きいからである。
【００２４】
プラットフォームＦＰＧＡ又は埋込みＦＰＧＡに存在するＦＰＧＡ相互接続は、プログラム可能スイッチをベースにした相互接続の容量負荷が大きいので、提案された技術の恩恵を大いに受けることがある。他のプログラム可能相互接続であっても、様々な性能目標（低エネルギー、耐性の向上、その他）を達成するためにこの技術を使用することができる。
【００２５】
上で言及した実施形態は本発明を限定するのではなく説明するものであり、また当業者は、添付の特許請求の範囲で定義されるような本発明の範囲から逸脱することなしに多くの他の実施形態を設計することができるであろうことに留意すべきである。特許請求の範囲で、括弧内に入れられたどのような参照符号も請求項を限定するものと解釈すべきでない。用語「備えている」及び「備える」及び同様なものは、全体として任意の特許請求の範囲又は明細書に列挙されたもの以外の要素又はステップの存在を排除しない。単数形の要素の参照は、複数のそのような要素の参照を排除しない。また、逆も同様である。本発明は、いくつかの個別要素を備えるハードウェアによって、及び適切にプログラムされたコンピュータによって実施することができる。いくつかの手段を列挙するデバイスの請求項において、これらの手段のうちのいくつかは、ハードウェアの全く同一の要素で実施することができる。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組合せが効果的に使用されることができないことを示さない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の例示の実施形態による８ビット用の符号化小振幅送信機を示す概略回路図である。
【図２】本発明の例示の実施形態による符号化小振幅受信機を示す概略回路図である。
【符号の説明】
【００２７】
Ｄ０Ｔ、Ｄ１Ｔ、．．．Ｄ７Ｔ、ＩＮＶ  バス
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
2006528449.tif 000011
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