半导体器件制造技术

本发明专利技术涉及一种半导体器件。提供了可跟随在快速负载波动时出现的诸如大压降的快速电压改变的半导体器件。该半导体器件包括：电压传感器，其以比假设的电源电压波动的频率高的取样速度来监测电源电压并且输出电压代码值；压降确定电路，其从所述电压代码值来确定出现致使系统故障的压降，并且输出时钟停止信号；以及时钟控制电路，其控制时钟停止、重启和频率改变。

【技术实现步骤摘要】
相关申请的交叉引用包括说明书、附图和摘要的、于2015年9月16日提交的日本专利申请No.2015-182677的公开的全部内容通过引用并入本文中。
本公开涉及半导体器件，特别地，可应用于包括用于感测压降的电路的半导体器件。
技术介绍
提出了根据电源电压波动来改变时钟频率的方法(例如，日本未经审查的专利公开No.2014-52969(专利文献1))。也就是说，在进行控制时，随着电源电压变得更高，时钟频率增加，从而操作速度增加。另一方面，随着电源电压变得更低，时钟频率减小，从而操作速度减小。
技术实现思路
然而，在根据电源电压波动来改变时钟频率的方法中，由于改变时钟频率所需的时延，导致不可以跟随快速负载波动时出现的快速电压改变(诸如，大压降)。根据本说明书的描述和附图，其他问题和新颖特征将变得清楚。将如下地简要描述本公开的典型方面。也就是说，半导体器件以比电源电压波动的假定频率高的取样速度来监测电源电压，并且在确定出现了造成系统故障的压降时，停止时钟。根据上述半导体器件，可以跟随快速负载波动时出现的快速电压改变(诸如，大压降)。附图说明图1是用于说明根据比较例1的快速负载波动时出现的压降和半导体器件中的设计电压范围之间的关系的示图。图2是示出根据比较例2的半导体器件的电压和电流的模拟结果的示图。图3A和图3B是用于说明安装半导体芯片的板中的电源电压振荡的图。图4是用于说明针对各芯片电容的频率和电源阻抗之间的关系的示图。图5是用于说明针对各板电容的频率和电源阻抗之间的关系的示图。图6是用于说明根据实施例的半导体器件的效果的电压波形图。图7是用于说明根据第一实施例的半导体器件的构造的框图。图8是图7的半导体器件的控制流程图。图9是图7中的压降确定电路的流程图。图10是在时钟停止/重启期间的电压和电流波形图像示图。图11是用于说明图7中的电压传感器的构造的框图。图12A是图7中的电压传感器在高电压下的操作波形图。图12B是图7中的电压传感器在低电压下的操作波形图。图13是示出通过电压传感器在第一取样和第二取样和后续取样之间的不同结果的情况的操作波形图。图14是示出通过电压传感器在第一取样和第二取样和后续取样之间的不同结果的情况的操作波形图。图15是示出图7中的电压传感器的另一个构造示例的框图。图16是图15的电压传感器的操作波形图。图17A是示出图11中的编码器的构造的框图。图17B是示出图11中的编码器的构造的框图。图18A是在META[6]和META[7]之间存在“10”边界的情况下编码器内部处理的图像示图。图18B是在不存在“10”边界的情况下编码器内部处理的图像示图。图18C是在META[98]和META[99]之间存在“10”边界的情况下编码器内部处理的图像示图。图19是绝对值计算的流程图。图20是平均值计算的流程图。图21是变化值计算的流程图。图22是预测计算的流程图。图23是用于说明掩蔽(mask)功能的电压波形图像示图。图24A是用掩蔽功能进行预测计算的流程图。图24B是用掩蔽功能进行预测计算的流程图。图25是时钟控制电路的框图。图26A是时钟控制电路的频率控制图像示图。图26B是时钟控制电路的频率控制图像示图。图27是时钟控制电路的控制流程图。图28是根据第二实施例的半导体器件的布局图像示图。图29A是示出图28中的四核CPU和时钟控制电路之间信号传递的图像的框图。图29B是示出图28中的四核CPU和时钟控制电路之间信号传递的图像的框图。图30是图28中的四核CPU的时钟停止操作波形图。图31是示出根据实施例的半导体器件的构造的框图。具体实施方式下文中，将参照附图描述实施例。在下面的描述中，用相同的参考标号指代相同的组件，并且可省略对其的重复描述。首先，将描述当前专利技术人在本公开之前已经检验的技术(下文中，被称为比较例)。图1是示出根据比较例1的快速负载波动时出现的压降和半导体器件中的设计电压范围之间的关系的时序图。箭头A指示由于快速负载波动而出现的严重的压降。在比较例1中，通过在预计到快速负载波动时出现大压降的情况下执行最差电压范围(虚线B)中的设计，确保实际操作。确保最差快速负载波动的大电压范围中的设计使最大操作速度大幅减小，使得难以实现所期望的计算性能。另外，如果在实际操作中出现比设计中假设的更大的压降，则出现故障。图2是示出根据比较例2的半导体器件的电压和电流的模拟结果的示图。在比较例2中，停止时钟，以防止因压降造成的故障。然而，在停止之后立即重启时钟的情况下，由于供应时钟而导致的快速电流改变会造成进一步的压降；因此，简单地停止和重启时钟的控制无法应对快速负载波动时出现的严重的压降。例如，如图2中所示，在时钟停止(A)起过去10ns之后重启时钟(B)的情况下，电压快速下降(C)并且变得比时钟停止之前更差。图3A和图3B是用于说明安装半导体芯片的板中的电源电压振荡的图，其中，图3A是剖视图，图3B是等效电路图。电压调节器2、安装有半导体芯片3的封装4和去耦电容器5、6安装在板1上。半导体芯片3通过键合引线7电耦合到封装4的端子。电感器L1是板上的配电网络，电感器L2是封装上的配电网络，电感器L3、L4是去耦电容器5、6的等效电感。电容器C1、C2是去耦电容器5、6的电容。电容器C3是半导体芯片上的去耦电容器的电容。从半导体芯片3、封装4和板1的电感(L)、电容(C)和电阻(R)确定电源电压的AC振荡波形的振幅(＝阻抗)和谐振频率。图4是示出针对各芯片电容的频率和电源阻抗之间的关系的示图。图5示出针对各板电容的频率和电源阻抗之间的关系的示图。由于电源阻抗确定电源电压波形的振幅，因此抑制电源阻抗导致抑制电源压降。如图4和图5中所示，在大电容CL和小电容CS之间，电源阻抗的频率特性有所不同。换句话讲，电源阻抗具有取决于片上电容和板电容的频率特性。在客户板之间的不同的安装电容、寄生电容等(L、C、R分量)导致电源阻抗的频率特性不同。因此，必须根据电源阻抗最佳地确定电源压降。实施例图31是示出根据实施例的半导体器件的构造的框图。根据实施例的半导体器件10包括：电压传感器11，其以比电源电压波动的假定频率高的取样速度来监测电源电压并且输出电压代码值；压降确定电路12，其从电压代码值来确定出现造成系统故障的压降，并且输出时钟停止信号；以及时钟控制电路13，其控制时钟的停止、重启和频率改变。根据实施例，可以抑制在出现超过设计电压范围的快速负载波动时会出现系统故障。图6是用于说明根据实施例的半导体器件的效果的电压波形图。箭头A指示很少出现的压降，并且在比较例1中，设计电压范围被设置成在虚线B上方。在实施例中，设计电压范围被设置成在虚线C上方。也就是说，从设计电压范围中排除由于最差快速负载波动而导致的严重的电压降，使得能够设计较窄的电压范围，从而可以提高最大操作频率和计算性能。第一实施例图7是示出根据第一实施例的半导体器件的构造的框图。根据第一实施例的半导体器件(CHIP)10包括一个半导体衬底之上的电压传感器11、压降确定电路12、时钟控制电路13和受控制区域14。电压传感器11以比电源电压波动的频率高的取样速度来监测电源电压(VDD)，并且输出电压代码值。关于计算算法和通过寄存器设置的阈值，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体器件，包括：电压传感器，所述电压传感器以比电源电压的波动快的速度对所述电源电压进行取样，并且将所述电源电压编码成电压代码值；压降确定电路，所述压降确定电路基于所述电压代码值来检测压降；以及时钟控制电路，所述时钟控制电路生成时钟，其中，所述时钟控制电路包括：在所述压降确定电路检测到所述压降时停止所述时钟并且在从所述时钟停止直到电力波动稳定为止的时段停止所述时钟的电路；以及在重启所述时钟时以逐步的方式增加并且返回所述时钟的频率直至所述时钟停止之前的频率的电路。

【技术特征摘要】
2015.09.16 JP 2015-1826771.一种半导体器件，包括：电压传感器，所述电压传感器以比电源电压的波动快的速度对所述电源电压进行取样，并且将所述电源电压编码成电压代码值；压降确定电路，所述压降确定电路基于所述电压代码值来检测压降；以及时钟控制电路，所述时钟控制电路生成时钟，其中，所述时钟控制电路包括：在所述压降确定电路检测到所述压降时停止所述时钟并且在从所述时钟停止直到电力波动稳定为止的时段停止所述时钟的电路；以及在重启所述时钟时以逐步的方式增加并且返回所述时钟的频率直至所述时钟停止之前的频率的电路。2.根据权利要求1所述的半导体器件，包括：用于设置用于停止所述时钟的时段的寄存器；以及用于设置用于逐步增加的频率的寄存器。3.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述压降确定电路包括：计算电路，所述计算电路从所述电压代码值获得电压值；以及将所述计算电路获得的所述电压值与设置在寄存器中的预定电压值进行比较并且确定所述压降的电路。4.根据权利要求3所述的半导体器件，其中，所述计算电路包括：绝对值计算电路、平均值计算电路、变化值计算电路和变化预测值计算电路中的至少两个；以及用于指定所述计算电路之中被使用的计算电路的结果的寄存器。5.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述压降确定电路包括预测计算电路，所述预测计算电路从所述电压代码值的历史来预取电压值并且预测变化值。6.根据权利要求5所述的半导体器件，其中，所述预测计算电路包括下述电路，如果预测值的微分值对于预定周期连续地为负，则所述电路掩蔽所述预测值。7.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述电压传感器包括：TDC，所述TDC接收取样时钟的边缘作为数据输入；以及编码器，所述编码器编码所述TDC的输出。8.根据权利要求7所述的半导体器件，其中，所述编码器对所述TDC的位串中的数据的改变的位置中的最低位侧执行编码成为电压代码。9.根据权利要求7所述的半导体器件，其中，所述取样时钟的频率比所述电源电压的波动快大于20倍并且是所述时钟的频率的1/N，其中，N是自然数。10.一种半导体器件，包括：电压传感器，所述电压传感器以比电源电压的波动快大于20倍的速度对所述电源电压进行取样，并且将所述电源电压编码成电压代码值；压降确定电路，所述压降确定电路基于所述电压代码值来检测压降；以及时钟控制电路，所述时钟控制电路在所述压降确定电路检测到所述压降时，停止或放慢时钟。11.根据权利要求10所述的半导体...

【专利技术属性】
技术研发人员：北地祐子，福冈一树，森凉，植村俊文，
申请(专利权)人：瑞萨电子株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP