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JP2005070971A - Control method of logic circuit - Google Patents

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JP2005070971A
JP2005070971A JP2003297717A JP2003297717A JP2005070971A JP 2005070971 A JP2005070971 A JP 2005070971A JP 2003297717 A JP2003297717 A JP 2003297717A JP 2003297717 A JP2003297717 A JP 2003297717A JP 2005070971 A JP2005070971 A JP 2005070971A
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Japan
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logic
delay
control
signal
circuit
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Pending
Application number
JP2003297717A
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Japanese (ja)
Inventor
Itaru Nakagawa
格 中川
Hanpei Koike
帆平 小池
Toshihiro Sekikawa
敏弘 関川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Publication date
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Abstract

【課題】 各論理演算の処理時間のばらつきを一定の範囲内にとどめるようにした、トランジスタ素子からなる論理回路の制御方法、および、各論理演算の処理時間のばらつきを一定の範囲内にとどめるようにした遅延制御論理回路を提供することである。
【解決手段】 電界効果トランジスタの基板電位制御電極または二重ゲート電界効果トランジスタの一方の電極を、前記トランジスタの特性を論理素子として用いたときの遅延時間制御用の端子として構成し、前記端子に目標伝播時刻以前にはトランジスタの遅延が大きくなる信号を、目標伝播時刻以後にはトランジスタの遅延が小さくなる信号を与える。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To keep a variation in processing time of each logical operation within a certain range and to control a logic circuit composed of transistor elements, and to keep a variation in processing time of each logical operation within a certain range. The delay control logic circuit is provided.
A substrate potential control electrode of a field effect transistor or one electrode of a double gate field effect transistor is configured as a delay time control terminal when the characteristics of the transistor are used as a logic element. A signal that increases the delay of the transistor before the target propagation time and a signal that decreases the delay of the transistor after the target propagation time are given.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、論理回路の遅延時間制御方法に関する。   The present invention relates to a delay time control method for a logic circuit.

計算機のCPUをはじめとする多くのデジタル情報処理装置では、クロックと称する同期信号による同期制御が広く行われている。その方式によると、ラッチ等の一時記憶回路に蓄えられた情報が装置のある時刻における内部状態を記述する。具体的には図9(a)に示される論理回路1において、論理回路1にデータ等を供給する一時記憶回路2のクロック信号線3にクロック信号が与えられると、一時記憶回路2の内容が複数のデータ線4を介して論理回路1に供給され、論理回路1によって処理された結果が一時記憶回路5の内容を更新する。一時記憶回路5が一時記憶回路2と同一のものであって、循環的に情報処理がなされる場合もある。更新された情報は次のクロック信号によって、論理回路1もしくは別の論理回路に供給される。一時記憶回路2の内容が論理回路1に供給されてから論理回路1による処理結果の信号が一時記憶回路5に到達するまでの時間は、クロック周期よりは短いことが保証されていなければならず、それによってクロック周期の下限が決定される。一方で、一時記憶回路2の内容が論理回路1に供給されてから論理回路1による処理結果の信号が一時記憶回路5に到達するまでの時間は、いくら短くても回路は正常に動作する。   In many digital information processing apparatuses such as a CPU of a computer, synchronization control using a synchronization signal called a clock is widely performed. According to that method, information stored in a temporary storage circuit such as a latch describes the internal state of the device at a certain time. Specifically, in the logic circuit 1 shown in FIG. 9A, when a clock signal is applied to the clock signal line 3 of the temporary storage circuit 2 that supplies data or the like to the logic circuit 1, the contents of the temporary storage circuit 2 are changed. The result supplied to the logic circuit 1 through the plurality of data lines 4 and processed by the logic circuit 1 updates the contents of the temporary storage circuit 5. The temporary storage circuit 5 is the same as the temporary storage circuit 2 and information processing may be performed cyclically. The updated information is supplied to the logic circuit 1 or another logic circuit by the next clock signal. It must be ensured that the time from when the contents of the temporary storage circuit 2 are supplied to the logic circuit 1 until the signal of the processing result by the logic circuit 1 reaches the temporary storage circuit 5 is shorter than the clock cycle. This determines the lower limit of the clock period. On the other hand, the circuit operates normally no matter how short the time from when the contents of the temporary storage circuit 2 are supplied to the logic circuit 1 until the signal resulting from the processing by the logic circuit 1 reaches the temporary storage circuit 5.

より高性能な論理回路では、図9(b)に示すように、信号伝播の経路を横断し、論理素子は分断しないような境界で論理回路1を複数の区間に分けて部分論理回路6の直列接続構造となるように再構成し、その上で、各境界に中間の一時記憶回路7を設けることが行われている。クロック信号は各境界の一時記憶回路7にも供給される。これはパイプラインと称されている回路構成法である。この方式によると、ある一時記憶回路から隣接する一時記憶回路に信号が伝播する時間は、その間の論理段数の減少により当然に小さくなる。クロック周期は、すべての一時記憶回路から供給された信号が論理回路を伝播して次の一時記憶回路に到達するまでの最大時間によって定まるのであるから、仮に、境界を適切に均等に設けることができて、論理回路1をn個の部分論理回路に分けることが出来れば、伝播の最大時間は境界を設けない場合のn分の一にまで短縮が可能であり、クロック周期の短縮が実現される。論理回路1には一時記憶回路2から各クロック毎に新たなデータを供給することができるので、単一時間に実行可能な情報処理量を大幅に増加させることができる。このような構成では複数の情報処理が論理回路1の中で同時に行われるが、各情報処理に付随する論理動作は、互いに一時記憶回路7で隔離されている部分論理回路6で行われるため、回路を伝播する信号が互いに干渉して間違った動作をすることは起こりえない。   In the higher performance logic circuit, as shown in FIG. 9B, the logic circuit 1 is divided into a plurality of sections at a boundary that crosses the signal propagation path and does not divide the logic element. Reconfiguration is performed so that a serial connection structure is obtained, and an intermediate temporary storage circuit 7 is provided at each boundary. The clock signal is also supplied to the temporary storage circuit 7 at each boundary. This is a circuit configuration method called a pipeline. According to this method, the time for a signal to propagate from a temporary storage circuit to an adjacent temporary storage circuit is naturally reduced due to a decrease in the number of logical stages during that time. Since the clock cycle is determined by the maximum time until the signal supplied from all the temporary storage circuits propagates through the logic circuit and reaches the next temporary storage circuit, it is necessary to provide the boundaries appropriately and evenly. If the logic circuit 1 can be divided into n partial logic circuits, the maximum propagation time can be reduced to 1 / n when no boundary is provided, and the clock cycle can be shortened. The Since new data can be supplied to the logic circuit 1 from the temporary storage circuit 2 every clock, the amount of information processing that can be executed in a single time can be greatly increased. In such a configuration, a plurality of information processing is performed simultaneously in the logic circuit 1, but the logical operations associated with each information processing are performed in the partial logic circuit 6 isolated from each other by the temporary storage circuit 7. Signals propagating in the circuit cannot interfere with each other and behave incorrectly.

パイプライン構成の論理回路は高性能論理回路の中でも重要な位置を占めていて、更なる情報処理能力の向上のために、パイプラインの段数、すなわち境界で区切られる部分論理回路6の数を増やすことがおこなわれている。   The logic circuit of the pipeline configuration occupies an important position in the high-performance logic circuit, and in order to further improve the information processing capability, the number of pipeline stages, that is, the number of partial logic circuits 6 delimited by the boundary is increased. Things are happening.

しかしながら、パイプラインの段数を増加させればいくらでも処理能力が向上するわけではない。第一にパイプラインの効果を最大限引き出すためには、すべての部分論理回路6での最大伝播遅延時間が均一であって、n個の部分論理回路6によって構成されるのであれば論理回路1のn分の一の最大伝播遅延時間であることが望ましいが、実際には完全に均等に分割できない場合が多く、特に分割数が増加すると困難度が著しく増す。また、一時記憶回路7が内容を更新するための遅延時間が新たに生じるため、クロック周期の短縮が限られてしまう。更に、一時記憶回路2から供給された信号が情報処理を受けて一時記憶回路5に到達し更に別の論理回路に供給されるまでの時間(ターンアラウンド)は、一時記憶回路7の増加による全体の遅延の増加によって必ず長くなるため、情報処理されるデータ相互に依存性があるときには結果の待ち合わせの無駄時間が新たに生じ、システム全体の情報処理速度(スループット)自体も低下する可能性が増大する。   However, increasing the number of pipeline stages does not improve the processing capacity. First, in order to maximize the effect of the pipeline, if the maximum propagation delay time in all the partial logic circuits 6 is uniform and is constituted by n partial logic circuits 6, the logic circuit 1 Although it is desirable that the maximum propagation delay time is 1 / n, it is often impossible to divide completely evenly. In particular, when the number of divisions increases, the difficulty increases significantly. Further, since a new delay time for the temporary storage circuit 7 to update the contents is generated, shortening of the clock cycle is limited. Further, the time (turnaround) from when the signal supplied from the temporary storage circuit 2 receives the information processing to the temporary storage circuit 5 to be supplied to another logic circuit is the total time due to the increase in the temporary storage circuit 7. The increase in the delay of the system always increases the time, so when there is a dependency between the data to be processed, there is a new waiting time for the result waiting, and the possibility that the information processing speed (throughput) of the entire system itself will decrease To do.

以上の問題点を解決するためにウェーブ・パイプラインという手法が考案されている。ウェーブ・パイプラインでは一時記憶回路7を省略し、図9(a)と同様の構成法を取りながら、なおかつパイプラインと同様の動作を実現しようとするものである。具体的には、一時記憶回路2から論理回路1にデータが供給され、それが回路中を伝播していて、未だ一時記憶回路5に到達しない時に、クロック信号によって、新たに別のデータを論理回路1に供給するものである。一時記憶回路5には、最初のデータによる情報処理結果が到達し、それによって一時記憶回路5の内容が更新された後に、次のデータによる情報処理結果が到達することが期待されている。従って、この回路が誤らずに期待通りの動作をするためには、一時記憶回路2からデータが論理回路1に供給されはじめてから、そのデータによる情報処理結果が一時記憶回路5に到達して確定し、それによって一時記憶回路5が内容の更新を終了するまでの最大時間と、一時記憶回路2からデータが論理回路1に供給されはじめてから、そのデータによる処理結果が一時記憶回路5への入力に影響を及ぼし始めるまでの最小時間との差が、クロック周期よりも小さいことが保障されていなければならない。仮に次の信号による処理結果が一時記憶回路5に到達してから、最初の処理結果のための一時記憶回路5の内容更新が行なわれると、最初の処理結果として、次の処理結果が登録されてしまい、回路が正常に動作しない結果となるからである。   In order to solve the above problems, a method called wave pipeline has been devised. In the wave pipeline, the temporary storage circuit 7 is omitted, and the same configuration method as that in FIG. Specifically, when data is supplied from the temporary storage circuit 2 to the logic circuit 1 and propagates through the circuit and has not yet reached the temporary storage circuit 5, another data is newly logicized by the clock signal. This is supplied to the circuit 1. It is expected that the information processing result based on the first data arrives at the temporary storage circuit 5 and the information processing result based on the next data arrives after the contents of the temporary storage circuit 5 are updated accordingly. Therefore, in order for this circuit to operate as expected without error, the data processing result by the data reaches the temporary storage circuit 5 after the data is supplied from the temporary storage circuit 2 to the logic circuit 1 and is determined. As a result, the maximum time until the temporary storage circuit 5 finishes updating the contents and the data from the temporary storage circuit 2 starts to be supplied to the logic circuit 1, and the processing result of the data is input to the temporary storage circuit 5. It must be ensured that the difference from the minimum time until it begins to affect is less than the clock period. If the content of the temporary storage circuit 5 is updated for the first processing result after the processing result by the next signal reaches the temporary storage circuit 5, the next processing result is registered as the first processing result. This is because the circuit does not operate normally.

この問題を回避するために、ウェーブ・パイプラインでは一時記憶回路2から供給される信号が伝播して一時記憶回路5の入力に影響を及ぼし始めるまでの時間を一時記憶回路2が与えうるあらゆるデータパターンについて調べて、それの最小時間をもとめ、一方で一時記憶回路2から供給される信号が伝播して一時記憶回路5の入力に確定した信号を与えるまでの時間を一時記憶回路2が与えうるあらゆるデータパターンについて調べて、それの最大時間をもとめ、その差と一時記憶回路が内容を更新するのに要する時間との和よりもクロック周期が必ず大きくなるように設計する。そのようにすれば、最初の処理結果と次の処理結果が干渉する誤動作が生ずる可能性がなくなるからである(例えば、非特許文献1参照)。   In order to avoid this problem, in the wave pipeline, any data that the temporary storage circuit 2 can give the time until the signal supplied from the temporary storage circuit 2 propagates and begins to affect the input of the temporary storage circuit 5 The temporary storage circuit 2 can give the time until the signal supplied from the temporary storage circuit 2 is propagated and a fixed signal is given to the input of the temporary storage circuit 5 by examining the pattern and determining its minimum time. All data patterns are examined, the maximum time is obtained, and the clock cycle is always designed to be larger than the sum of the difference and the time required for the temporary storage circuit to update the contents. This is because there is no possibility of malfunction that causes interference between the first processing result and the next processing result (see, for example, Non-Patent Document 1).

通常の論理回路の設計手法では、一時記憶回路2から供給された信号が伝播して一時記憶回路5に到達するまでの最小時間と最大時間の差ははなはだ大きく、このようにして定まるクロック周期は、図9(a)の回路を従来の同期式回路として作用させたときのクロック周期に比べてさほどの短縮はおこなえない。   In a normal logic circuit design method, the difference between the minimum time and the maximum time until the signal supplied from the temporary storage circuit 2 propagates and reaches the temporary storage circuit 5 is very large, and the clock cycle determined in this way is As compared with the clock cycle when the circuit of FIG. 9A is operated as a conventional synchronous circuit, it cannot be shortened so much.

そこでウェーブ・パイプラインでは、信号伝播が短時間で完了する経路に意図的に動作速度の遅い素子を採用したり、あるいは遅延素子を挿入したりして、極力遅延時間を揃えるように設計する。また、データパターンによって遅延時間が異なってもクロック周期が短縮できないため、データパターンに依存しない遅延時間を与える素子や回路を採用することもある(例えば、非特許文献2参照)。
L. Cotten, “Circuit Implementation of High-Speed Pipeline Systems,” Proc. Fall Joint Computer Conference of American Federation of Information Processing Societies (AFIPS) (1965)pp.489-504 Eduardo I. Boemo, Sergio Lopez-Buedo, Juan M. Meneses, “The Wave Pipeline Effect on LUT-Based FPGA Architectures,” Proc. Fourth International Symposium on Field Programmable Gate Arrays (FPGA '96), Monterey, CA, USA (1996)pp.45-50
Therefore, the wave pipeline is designed so that the delay times are aligned as much as possible by intentionally adopting an element with a slow operation speed or inserting a delay element in the path where signal propagation is completed in a short time. In addition, since the clock cycle cannot be shortened even if the delay time varies depending on the data pattern, an element or circuit that gives a delay time that does not depend on the data pattern may be employed (for example, see Non-Patent Document 2).
L. Cotten, “Circuit Implementation of High-Speed Pipeline Systems,” Proc. Fall Joint Computer Conference of American Federation of Information Processing Societies (AFIPS) (1965) pp.489-504 Eduardo I. Boemo, Sergio Lopez-Buedo, Juan M. Meneses, “The Wave Pipeline Effect on LUT-Based FPGA Architectures,” Proc. Fourth International Symposium on Field Programmable Gate Arrays (FPGA '96), Monterey, CA, USA ( 1996) pp.45-50

以上の方策を試みてもなお、遅延時間を完全にそろえることは困難であり、そのためにウェーブ・パイプラインの応用は極めて限られたものとなっている。
本発明の目的は、上記欠点を除去し、各論理演算の処理時間のばらつきを一定の範囲内にとどめるようにしたトランジスタ素子からなる論理回路の制御方法、および、各論理演算の処理時間のばらつきを一定の範囲内にとどめるようにした遅延制御論理回路を提供することである。
Even when the above measures are attempted, it is difficult to completely align the delay time, and therefore, the application of the wave pipeline is extremely limited.
An object of the present invention is to control a logic circuit comprising transistor elements that eliminates the above-mentioned drawbacks and keeps the variation in processing time of each logical operation within a certain range, and variation in the processing time of each logical operation. It is to provide a delay control logic circuit that keeps the signal within a certain range.

上記目的を達成するために本発明では、論理遅延の大きさを制御する制御端子を持ったトランジスタを含む論理回路を用い、入力信号が早く到達する時刻には、制御端子に論理遅延が大きくなる制御信号が与えられ、入力信号が遅く到達する時刻には、制御端子に論理遅延が小さくなる制御信号が与えられるような制御信号を用いる。   In order to achieve the above object, the present invention uses a logic circuit including a transistor having a control terminal for controlling the magnitude of the logic delay, and at the time when the input signal arrives earlier, the logic delay increases at the control terminal. At the time when the control signal is given and the input signal arrives late, a control signal that gives a control signal with a small logical delay to the control terminal is used.

ここで言う入力信号が早く、もしくは遅く到達する時刻とは、当該論理回路に入力信号が到達することが期待されている基準時刻に対する、回路の設計段階において想定される時刻のずれの最大許容値を意味している。このようなずれは入力データのパターンの違い、電源電圧、周囲温度、雑音などの環境変化、製造ばらつきなどの製造時の不均一性などの要因によって当然に起こるものであるが、設計時に想定されているものであって、動作中の回路での実際のずれとは異なる。回路が正しく設計されていれば、実際の信号到達時刻は、ここで言う入力信号が早く到達する時刻と入力信号が遅く到達する時刻との中間でなければならない。   The time when the input signal arrives earlier or later is the maximum permissible value of the time shift assumed in the circuit design stage with respect to the reference time when the input signal is expected to reach the logic circuit. Means. Such a shift is naturally caused by factors such as differences in input data patterns, environmental changes such as power supply voltage, ambient temperature, noise, and manufacturing non-uniformity such as manufacturing variations. This is different from the actual deviation in the operating circuit. If the circuit is designed correctly, the actual signal arrival time must be between the time when the input signal arrives earlier and the time when the input signal arrives later.

本発明では、実際の信号到達時刻を制御信号の生成には利用していないので、実際の信号到達時刻を計測・フィードバックする手段は不要である。
複数の論理段を有する論理回路においては、論理遅延の基準時刻からのずれは段数が多くなるに従って累積されるために、一段もしくは小数段の遅延制御論理回路で補正することは困難もしくは不可能となる。そのため、論理遅延が大きくなる制御信号から論理遅延が小さくなる制御信号への遷移時刻が、論理段が進むにしたがって遅れるように、一連の制御信号を遅延回路によって生成して、それぞれの論理段に制御信号を印加すればよい。
すべての論理段に制御信号を印加するのが最も効果的であるが、一部分の論理段に制御信号を印加すれば充分に遅延のばらつきが制御されるのであれば、全部の論理段に印加する必要はない。
In the present invention, since the actual signal arrival time is not used for the generation of the control signal, means for measuring and feeding back the actual signal arrival time is unnecessary.
In a logic circuit having a plurality of logic stages, the deviation of the logic delay from the reference time is accumulated as the number of stages increases, so that it is difficult or impossible to correct with one or a few stages of delay control logic circuits. Become. For this reason, a series of control signals are generated by a delay circuit so that the transition time from a control signal with a large logic delay to a control signal with a small logic delay is delayed as the logic stage advances. A control signal may be applied.
It is most effective to apply a control signal to all the logic stages, but if the control signal is applied to a part of the logic stages and the delay variation is sufficiently controlled, it is applied to all the logic stages. There is no need.

たとえば、回路全体としては10段の論理段からなる場合には、一段おきに5段の論理段に制御信号を印加する方法であっても、充分に遅延のばらつきが制御されるのであれば構わない。それに対し、回路全体としては10段の論理段からなり、さらに回路全体が10の並列な経路からなる場合に、半分の経路にのみ制御信号を印加する方法を選択しても、制御信号の印加されない経路の信号の遅延はまったく解決されないため、所期の目的を達成することはできない。このように、一部分の論理素子のみを制御信号端子つきの素子に変更する時でも、論理遅延のばらつきの発生が特に少ないことが設計段階で保障されている特別な経路が存在するときを除いて、すべての経路に制御信号端子つきの論理素子を配置しなければならない。   For example, in the case where the entire circuit is composed of 10 logic stages, even if the control signal is applied to 5 logic stages every other stage, the delay variation can be sufficiently controlled. Absent. On the other hand, if the circuit as a whole consists of 10 logic stages and the circuit as a whole consists of 10 parallel paths, even if the control signal is applied to only half of the paths, the control signal application The intended delay cannot be achieved because the signal delay of the unrouted path is not solved at all. In this way, even when only a part of the logic elements are changed to elements with control signal terminals, except when there is a special path that is guaranteed at the design stage that the occurrence of variation in logic delay is particularly small, Logic elements with control signal terminals must be arranged in all paths.

このように、論理遅延の大きさを制御する性能を持った論理回路を遅延制御論理回路と呼ぶことにする。従来の技術では、論理回路の遅延を制御することに積極的な意味は見出しがたく、ただ、回路の低消費電力化を図るために、情報処理量に余裕があるときには回路全体を低い電源電圧で一律に駆動させたり、回路の待機消費電力量を低下させるために、回路全体の基板電圧を変化させたりすることの副次的効果として論理回路の遅延が変化するのであった。   A logic circuit having the performance of controlling the magnitude of the logic delay is called a delay control logic circuit. In the conventional technology, it is difficult to find a positive meaning for controlling the delay of the logic circuit. However, in order to reduce the power consumption of the circuit, the entire circuit is set to a low power supply voltage when there is a margin for information processing. Thus, the delay of the logic circuit changes as a secondary effect of changing the substrate voltage of the entire circuit in order to drive it uniformly or to reduce the standby power consumption of the circuit.

本発明では、論理遅延のばらつきを軽減するのが目的である。そのためには遅延制御論理回路は、論理遅延の大きさを制御する制御端子を持ったトランジスタを含む論理回路部分と、複数の遅延信号を生成して、論理回路部分の制御端子への入力信号とする遅延回路部分を備え、さらに、制御信号が、論理回路における信号到達の基準時刻に対して正しいタイミングで切り替わるように、論理回路部分に入力信号が与えられる時刻と、遅延回路部分に入力信号が与えられる時刻が同期するための信号入力端子を備えていればよい。
このような制御方法および回路を実現するために(上記目的を達成するために)本発明では、電界効果トランジスタもしくは二重ゲート電界効果トランジスタを利用する。
An object of the present invention is to reduce the variation in logic delay. For this purpose, the delay control logic circuit generates a plurality of delay signals by using a logic circuit portion including a transistor having a control terminal for controlling the magnitude of the logic delay, and an input signal to the control terminal of the logic circuit portion. A delay circuit portion, and a time at which the input signal is applied to the logic circuit portion so that the control signal is switched at a correct timing with respect to a reference time of signal arrival in the logic circuit, and an input signal is input to the delay circuit portion. It is only necessary to have a signal input terminal for synchronizing the given time.
In order to realize such a control method and circuit (to achieve the above object), the present invention utilizes a field effect transistor or a double gate field effect transistor.

電界効果トランジスタの素子断面構造を図10(a)に示す。図において11は基板、12はゲート電極、13および14はそれぞれソース領域およびドレイン領域である。図示されてはいないが、ゲート電極、ソース領域、ドレイン領域は回路の配線に接続されていることは当然である。15はチャネル層であり、基板の表面にゲート電極12の電界によって反転チャネル層が形成される場所である。16はゲート電極12をチャネル層15から絶縁するための絶縁層である。   FIG. 10A shows an element cross-sectional structure of the field effect transistor. In the figure, 11 is a substrate, 12 is a gate electrode, and 13 and 14 are a source region and a drain region, respectively. Although not shown, it is natural that the gate electrode, the source region, and the drain region are connected to the wiring of the circuit. A channel layer 15 is a place where an inversion channel layer is formed on the surface of the substrate by the electric field of the gate electrode 12. Reference numeral 16 denotes an insulating layer for insulating the gate electrode 12 from the channel layer 15.

基板は、N型電界効果トランジスタにおいてはp型基板を、P型電界効果トランジスタにおいてはn型基板を使用することが出来る。また、N型およびP型電界効果トランジスタを一つの基板に形成するときには、図10(b)に示すように、例えばp型基板を使用し、P型電界効果トランジスタに接する部分にn型不純物によってn型のウェル領域17を形成し、その上にトランジスタを作製することがなされている。ウェル領域に形成されたトランジスタにあっては、ウェル領域の電位制御が基板電位制御と同じ効果を持つ。この時、ウェル領域17の電極19を各トランジスタに独立して設ければ、各トランジスタに対して互いに独立した基板電位制御が可能となる。p型基板を使用してN型電界効果トランジスタを作製するときには、通常はウェル領域を必要としないが、その代わりに、基板電位制御はすべてのトランジスタで共通になってしまう。p型基板を使用してN型電界効果トランジスタを作製し、なおかつ基板電位制御を各トランジスタ毎に独立に行いたいときには、p型のウェル領域17の外に更に、n型のウェル領域18を設けて、ウェル領域17の電位を電極19によって制御すればよい。基板11およびウェル領域18にも電極を設けて、一定の電圧に制御しないと回路動作が不安定になるが、その制御は、本発明とは関係がない。各トランジスタに独立した基板電位制御を与えるための構造の実現手段には他の方法もあるが、本発明では、いずれの方法によって実現されていてもかまわない。   The substrate can be a p-type substrate in an N-type field effect transistor and an n-type substrate in a P-type field effect transistor. Further, when forming the N-type and P-type field effect transistors on one substrate, as shown in FIG. 10B, for example, a p-type substrate is used, and the portion in contact with the P-type field effect transistor is made of n-type impurities. An n-type well region 17 is formed, and a transistor is manufactured thereon. In the transistor formed in the well region, the potential control of the well region has the same effect as the substrate potential control. At this time, if the electrode 19 in the well region 17 is provided independently for each transistor, the substrate potential can be controlled independently for each transistor. When an N-type field effect transistor is manufactured using a p-type substrate, a well region is usually not required, but instead, substrate potential control is common to all transistors. When an N-type field effect transistor is manufactured using a p-type substrate and substrate potential control is to be performed independently for each transistor, an n-type well region 18 is provided in addition to the p-type well region 17. Thus, the potential of the well region 17 may be controlled by the electrode 19. If the substrate 11 and the well region 18 are also provided with electrodes and are not controlled to a constant voltage, the circuit operation becomes unstable. However, the control is not related to the present invention. There are other methods for realizing a structure for giving independent substrate potential control to each transistor, but in the present invention, any method may be used.

本発明を電界効果トランジスタによって実現するときには、ゲート電極を論理回路の入力として用い、基板電位制御電極をトランジスタ特性の制御用電極として用いる。
二重ゲート電界効果トランジスタの素子構造を図11に示す。図において基板21は素子全体を支え、素子とは絶縁性物質で接していなければならない。そのためには、基板21の素子に接する部分は絶縁体で覆われている構造を採用することが出来るし、またはpn接合などの、基板バイアス電圧によって電気的に絶縁状態を実現できる層で覆われている構造を採用することも出来る。22および23はゲート電極であり、24および25はそれぞれソース領域およびドレイン領域である。図示されてはいないが、ゲート電極、ソース領域、ドレイン領域は回路の配線に接続されていることは当然である。絶縁層26および27はそれぞれゲート電極22および23をチャネル層28から絶縁するための絶縁層である。
When the present invention is realized by a field effect transistor, a gate electrode is used as an input of a logic circuit, and a substrate potential control electrode is used as an electrode for controlling transistor characteristics.
FIG. 11 shows an element structure of the double gate field effect transistor. In the figure, the substrate 21 supports the entire element and must be in contact with the element with an insulating material. For this purpose, a structure in which the portion of the substrate 21 in contact with the element is covered with an insulator can be adopted, or it is covered with a layer such as a pn junction that can be electrically insulated by a substrate bias voltage. It is also possible to adopt the structure. 22 and 23 are gate electrodes, and 24 and 25 are a source region and a drain region, respectively. Although not shown, it is natural that the gate electrode, the source region, and the drain region are connected to the wiring of the circuit. The insulating layers 26 and 27 are insulating layers for insulating the gate electrodes 22 and 23 from the channel layer 28, respectively.

図11では二重ゲート電界効果トランジスタが水平に置かれ、下部電極を支える形で基板が配置されているが、チャネル層28をはさむ形で二つのゲート電極が設けられていれば、トランジスタ全体の姿勢や、基板の支え方はいかなるものであっても、本発明の実施に関しては問題とはならない。
本発明を二重ゲート電界効果トランジスタによって実現するときには、二つのゲート電極のうち、一方を論理回路の入力として用い、他方をトランジスタ特性の制御用電極として用いる。
本発明では、電界効果トランジスタの基板電位制御電極、または二重ゲート電界効果トランジスタの一方のゲート電極に与える電圧によって、トランジスタの特性が変化し、論理動作の遅延が制御できることを利用している。
In FIG. 11, the double gate field effect transistor is placed horizontally and the substrate is arranged to support the lower electrode. However, if two gate electrodes are provided so as to sandwich the channel layer 28, the entire transistor No matter what the posture or how the substrate is supported, there is no problem with the implementation of the present invention.
When the present invention is realized by a double gate field effect transistor, one of the two gate electrodes is used as an input of a logic circuit, and the other is used as an electrode for controlling transistor characteristics.
The present invention utilizes the fact that the characteristics of the transistor change depending on the voltage applied to the substrate potential control electrode of the field effect transistor or one gate electrode of the double gate field effect transistor, and the delay of the logic operation can be controlled.

図12に図10(b)のN型電界効果トランジスタの電気特性を模式的に示す。図の縦軸はドレイン電流を対数軸にして表わし、図の横軸はゲート電極12の電圧を表わしている。図に示された曲線はいずれもドレイン電圧が一定の条件で得られたものである。
図中の曲線31は基板電位を、典型的には−1V程度の負の値にしたときの特性であり、曲線32は基板電位を0Vにしたときの特性であり、曲線33は基板電位を、典型的には0.4V程度の正の値にしたときの特性である。基板11に与える負の電圧は、ソース領域13、ドレイン領域14と基板11とがブレークダウンをしない限り自由に大きくできるが、負電圧の電源を新たに回路に付け加えなければならない。基板11に与える正の電圧は0.5V程度より大きくすると、ソース領域13、ドレイン領域14と基板11との間に順方向漏れ電流が発生し、トランジスタが正常に動作しなくなる。以上述べた範囲内でならば、基板電位は自由に変えることが出来る。
FIG. 12 schematically shows the electrical characteristics of the N-type field effect transistor of FIG. The vertical axis of the figure represents the drain current as a logarithmic axis, and the horizontal axis of the figure represents the voltage of the gate electrode 12. The curves shown in the figure are all obtained under the condition that the drain voltage is constant.
A curve 31 in the figure is a characteristic when the substrate potential is a negative value, typically about −1V, a curve 32 is a characteristic when the substrate potential is 0V, and a curve 33 is the substrate potential. Typically, the characteristics are obtained when the positive value is about 0.4V. The negative voltage applied to the substrate 11 can be increased freely as long as the source region 13, the drain region 14, and the substrate 11 do not break down, but a negative voltage power source must be newly added to the circuit. If the positive voltage applied to the substrate 11 is larger than about 0.5 V, a forward leakage current is generated between the source region 13 and the drain region 14 and the substrate 11, and the transistor does not operate normally. Within the range described above, the substrate potential can be changed freely.

図に示された三本の曲線31〜33が定性的に示すように、基板電位が正の方向に変化すると、同一のゲート電圧で流れるドレイン電流が増加し、基板電位が負の方向に変化すると、同一のゲート電圧で流れるドレイン電流が減少する。ドレイン電流はドレイン領域に存在する寄生容量を充電し、さらにドレイン端子につながれた出力線の先の負荷を駆動することによって、ゲート信号によって定められた論理動作を行う。その際、同一のゲート電極電圧でより多くのドレイン電流が得られるならば、論理動作に付随する遅延時間は小さくなる。従って、電極19の電圧を制御することによって、当該トランジスタの論理遅延を変化させることが出来る。   As the three curves 31 to 33 shown in the figure qualitatively show, when the substrate potential changes in the positive direction, the drain current flowing at the same gate voltage increases, and the substrate potential changes in the negative direction. Then, the drain current flowing at the same gate voltage decreases. The drain current charges the parasitic capacitance existing in the drain region, and further drives the load ahead of the output line connected to the drain terminal, thereby performing a logic operation determined by the gate signal. At that time, if more drain current can be obtained with the same gate electrode voltage, the delay time associated with the logic operation becomes smaller. Therefore, by controlling the voltage of the electrode 19, the logic delay of the transistor can be changed.

図13に内部構造を異にする3種類のN型二重ゲート電界効果トランジスタ(図11参照)の電気特性を模式的に示す。図中の曲線はいずれもドレイン電圧およびゲート電極23の入力電圧が一定の条件で得られたものであるが、それぞれ絶縁層27の厚さが異なった素子に対応している。図の縦軸はドレイン電流を対数軸にして表わし、図の横軸はゲート電極22の入力電圧を表わしている。曲線34は絶縁層26と絶縁層27の厚さが同一の素子で得られる特性を表わし、曲線35は絶縁層27が絶縁層26の2倍の厚さの素子で得られる特性を表わし、曲線36は絶縁層27が絶縁層26の4倍の厚さの素子で得られる特性を表わしている。曲線36によって示される電気特性が、ゲート電極22の入力電圧の変化によるドレイン電流の変化が最も顕著であり、曲線34によって示される電気特性が、ゲート電極22の入力電圧の変化によるドレイン電流の変化が最も穏やかである。一般的に用いられる電界効果トランジスタの特性は曲線35によって示される特性に近い。   FIG. 13 schematically shows electrical characteristics of three types of N-type double gate field effect transistors (see FIG. 11) having different internal structures. The curves in the figure are obtained under the condition that the drain voltage and the input voltage of the gate electrode 23 are constant, and correspond to elements having different thicknesses of the insulating layer 27, respectively. The vertical axis of the figure represents the drain current as a logarithmic axis, and the horizontal axis of the figure represents the input voltage of the gate electrode 22. A curve 34 represents a characteristic obtained by an element having the same thickness of the insulating layer 26 and the insulating layer 27, and a curve 35 represents a characteristic obtained by an element having the insulating layer 27 twice as thick as the insulating layer 26. Reference numeral 36 denotes a characteristic that the insulating layer 27 is obtained by an element having a thickness four times that of the insulating layer 26. The electrical characteristic indicated by the curve 36 is most marked by the change in the drain current due to the change in the input voltage of the gate electrode 22, and the electrical characteristic indicated by the curve 34 is the change in the drain current due to the change in the input voltage of the gate electrode 22. Is the calmest. The characteristics of commonly used field effect transistors are close to those shown by curve 35.

曲線34が得られる素子は、絶縁層26と絶縁層27の厚さが等しく、素子作製上の観点からは有利である場合が多く、特に絶縁層26と絶縁層27を同時に作製するプロセスを採用した構造では著しく有利である。また、曲線34が得られる素子は、ゲート電極22とゲート電極23に同一の入力を与えることにより最も高速な論理動作が可能であるため、ゲート電極22とゲート電極23に同一の入力を与える使用法をする素子と同一プロセスで作製する場合には有利となる。ただし、ゲート電極23をトランジスタ特性制御用電極として用い、ゲート電極22のみを信号入力として使用する場合には、ゲート電極22のゲート電圧の変化によるドレイン電流の変化が穏やかであるために、一定のON/OFF電流比を得るための信号振幅が最も大きくなる。
曲線36が得られる素子は、ゲート電極22のゲート電圧の変化によるドレイン電流の変化が顕著であるために、一定のON/OFF電流比を得るための信号振幅が最も小さくなる。曲線35が得られる素子は、中間の特徴を有している。
In the element in which the curve 34 is obtained, the thicknesses of the insulating layer 26 and the insulating layer 27 are equal, and it is often advantageous from the viewpoint of manufacturing the element. In particular, a process of simultaneously manufacturing the insulating layer 26 and the insulating layer 27 is employed. This structure is extremely advantageous. In addition, since the element that obtains the curve 34 can perform the fastest logic operation by applying the same input to the gate electrode 22 and the gate electrode 23, the device that uses the same input to the gate electrode 22 and the gate electrode 23 is used. This is advantageous when the device is manufactured by the same process as the device to be processed. However, when the gate electrode 23 is used as the transistor characteristic control electrode and only the gate electrode 22 is used as the signal input, the change in the drain current due to the change in the gate voltage of the gate electrode 22 is gentle. The signal amplitude for obtaining the ON / OFF current ratio becomes the largest.
In the element from which the curve 36 is obtained, the change in the drain current due to the change in the gate voltage of the gate electrode 22 is significant, so that the signal amplitude for obtaining a constant ON / OFF current ratio is the smallest. The element from which the curve 35 is obtained has intermediate characteristics.

図14に図11に示す二重ゲート電界効果トランジスタの電気特性を、3種類のドレイン電圧条件に関して模式的に示す。図の縦軸はドレイン電流を対数軸にして表わし、図の横軸はゲート電極22の入力電圧を表わしている。図中の曲線37はゲート電極23の入力電圧を負の値にしたときの特性であり、曲線38はゲート電極23の入力電圧を0Vにしたときの特性であり、曲線39はゲート電極23の入力電圧を正の値にしたときの特性である。基板21が絶縁性の物質でトランジスタに接している場合には、ゲート電極23に与える電圧は、ソース領域、ドレイン領域と基板とがブレークダウンをしない限り正電圧、負電圧ともに自由に大きくできる。   FIG. 14 schematically shows the electrical characteristics of the double gate field effect transistor shown in FIG. 11 with respect to three types of drain voltage conditions. The vertical axis of the figure represents the drain current as a logarithmic axis, and the horizontal axis of the figure represents the input voltage of the gate electrode 22. A curve 37 in the figure is a characteristic when the input voltage of the gate electrode 23 is a negative value, a curve 38 is a characteristic when the input voltage of the gate electrode 23 is 0 V, and a curve 39 is the characteristic of the gate electrode 23. This is a characteristic when the input voltage is set to a positive value. In the case where the substrate 21 is in contact with the transistor with an insulating material, the voltage applied to the gate electrode 23 can be freely increased as long as the source region, the drain region, and the substrate do not break down.

図に示された三本の曲線37〜39が定性的に示すように、ゲート電極23の電圧が正の方向に変化すると、ゲート電極22における同一の入力電圧で流れるドレイン電流が増加し、ゲート電極23の電圧が負の方向に変化すると、ゲート電極22における同一の入力電圧で流れるドレイン電流が減少する。ドレイン電流はドレイン端子につながれた出力線の先の負荷を駆動することによって、ゲート信号によって定められた論理動作を行う。その際、同一のゲート電極電圧でより多くのドレイン電流が得られるならば、論理動作に付随する遅延時間は小さくなる。従って、ゲート電極23の電圧を制御することによって、当該トランジスタの論理遅延を変化させることが出来る。
ゲート電極22とゲート電極23の位置関係は動作原理に関係しないため、トランジスタ特性を制御する電極を素子上部にあるゲート電極22とし、論理動作を行う電極を素子下部にあるゲート電極23とすることも当然に可能である。
As qualitatively shown by the three curves 37 to 39 shown in the figure, when the voltage of the gate electrode 23 changes in the positive direction, the drain current flowing at the same input voltage at the gate electrode 22 increases, and the gate When the voltage at the electrode 23 changes in the negative direction, the drain current flowing at the same input voltage at the gate electrode 22 decreases. The drain current performs a logic operation determined by the gate signal by driving the load ahead of the output line connected to the drain terminal. At that time, if more drain current can be obtained with the same gate electrode voltage, the delay time associated with the logic operation becomes smaller. Therefore, by controlling the voltage of the gate electrode 23, the logic delay of the transistor can be changed.
Since the positional relationship between the gate electrode 22 and the gate electrode 23 is not related to the operation principle, the electrode for controlling the transistor characteristics is the gate electrode 22 in the upper portion of the element, and the electrode for performing the logical operation is the gate electrode 23 in the lower portion of the element. Is of course possible.

以上のように電界効果トランジスタを利用しても、また、二重ゲート電界効果トランジスタを利用しても、原理的には全く同じ効果が得られる。しかしながら、電界効果トランジスタではソース領域およびドレイン領域と基板との間のpn接合が、電極19への信号にとって負荷となるのに対し、二重ゲート電界効果トランジスタでは、ソース領域およびドレイン領域とゲート電極23とはわずかな重なり容量が存在するだけであるので、制御に要する電力量は大きく異なり、後者のほうが著しく有利である。また、電界効果トランジスタでは、制御信号の電圧範囲が正電圧側で大きく制限されるのに対し、二重ゲート電界効果トランジスタでは制限されないことも重要である。   Even if a field effect transistor is used as described above or a double gate field effect transistor is used, the same effect can be obtained in principle. However, in the field effect transistor, the pn junction between the source region and the drain region and the substrate is a load for a signal to the electrode 19, whereas in the double gate field effect transistor, the source region, the drain region, and the gate electrode Since there is only a slight overlap capacity with respect to 23, the amount of power required for control differs greatly, and the latter is significantly more advantageous. It is also important that the voltage range of the control signal is largely limited on the positive voltage side in the field effect transistor, but not limited in the double gate field effect transistor.

以上で説明した遅延時間制御は、対象がP型電界効果トランジスタまたはP型二重ゲート電界効果トランジスタであっても全く同じように成り立つ。ただし制御信号の符号は反転する。すなわち、遅延時間を短くする制御を行うためには負の方向に電極19もしくはゲート電極23の入力電圧を変化させ、遅延時間を長くする制御を行うためには正の方向に電極19もしくはゲート電極23の入力電圧を変化させれば良い。   The delay time control described above is performed in exactly the same manner even if the target is a P-type field effect transistor or a P-type double gate field effect transistor. However, the sign of the control signal is inverted. That is, in order to control to shorten the delay time, the input voltage of the electrode 19 or the gate electrode 23 is changed in the negative direction, and to control to increase the delay time, the electrode 19 or the gate electrode in the positive direction. What is necessary is just to change the input voltage of 23.

CMOS回路において同様の制御を行うためにはN型およびP型のトランジスタを同時に制御させる必要があるため、極性が互いに逆の2つの電圧信号を使用する必要がある。
図3に、以下の説明で用いるトランジスタの記号を説明する。説明では、基板電位制御端子を持った電界効果トランジスタと、二重ゲート電界効果トランジスタに関し共通の記号を用いて説明する。図3(a)はN型電界効果トランジスタもしくはN型二重ゲート電界効果トランジスタを表わす記号であり、図3(b)はP型電界効果トランジスタもしくはP型二重ゲート電界効果トランジスタを表わす記号である。図において41はソース端子、42はドレイン端子、43はゲート電極を表わす。44は電界効果トランジスタにおいては基板電位制御電極を表わし、二重ゲート電界効果トランジスタにおいてはトランジスタ特性制御用のゲート端子を表わす。
In order to perform the same control in the CMOS circuit, it is necessary to control the N-type and P-type transistors at the same time. Therefore, it is necessary to use two voltage signals having opposite polarities.
FIG. 3 illustrates transistor symbols used in the following description. In the description, a field effect transistor having a substrate potential control terminal and a double gate field effect transistor will be described using common symbols. 3A is a symbol representing an N-type field effect transistor or an N-type double gate field effect transistor, and FIG. 3B is a symbol representing a P-type field effect transistor or a P-type double gate field effect transistor. is there. In the figure, 41 represents a source terminal, 42 represents a drain terminal, and 43 represents a gate electrode. Reference numeral 44 denotes a substrate potential control electrode in a field effect transistor, and a gate terminal for controlling transistor characteristics in a double gate field effect transistor.

CMOSによるNOT回路(論理反転回路)の例を図4に示す。図において、51は入力端子、52は出力端子、53は電源端子、54は接地端子である。55はN型トランジスタ、56はP型トランジスタであるが、どちらも、電界効果トランジスタであっても、二重ゲート電界効果トランジスタであってもよい。57、58はそれぞれトランジスタ55、56に設けられた遅延制御端子であって、トランジスタが電界効果トランジスタである場合には基板電位制御電極19であり、トランジスタが二重ゲート電界効果トランジスタである場合にはゲート電極23である。   An example of a NOT circuit (logic inversion circuit) using CMOS is shown in FIG. In the figure, 51 is an input terminal, 52 is an output terminal, 53 is a power supply terminal, and 54 is a ground terminal. Although 55 is an N-type transistor and 56 is a P-type transistor, both may be field effect transistors or double gate field effect transistors. Reference numerals 57 and 58 denote delay control terminals provided in the transistors 55 and 56, respectively, which are the substrate potential control electrodes 19 when the transistors are field effect transistors, and when the transistors are double gate field effect transistors. Is a gate electrode 23.

このNOT回路の動作を図2によって説明する。図において61は遅延制御端子57の電圧の時間変化を示し、62は遅延制御端子58の電圧の時間変化を示し、63は入力端子51の電圧の時間変化を示し、64は出力端子52の電圧の時間変化を示す。電圧波形63と64の電圧振幅は論理信号の振幅であり、CMOS回路では電源電圧に等しい。電圧波形61と62は極性が反転しているが、その電圧振幅は必ずしも同一である必要はない。また電圧レベルが一致する必要もない。特に電界効果トランジスタを使用するときには、61の電圧レベルは接地電圧より負電圧の領域に設定するのが一般的であり、接地電圧より0.5V以上正電圧に振るのは多くの問題を引き起こす一方で、62の電圧レベルは電源電圧より正電圧の領域に設定するのが一般的であり、電源電圧より0.5V以上負電圧に振るのは多くの問題を引き起こすため、共通の電圧レベルの採用はできない。二重ゲート電界効果トランジスタではこのような問題はない。   The operation of this NOT circuit will be described with reference to FIG. In the figure, 61 represents the time variation of the voltage of the delay control terminal 57, 62 represents the time variation of the voltage of the delay control terminal 58, 63 represents the time variation of the voltage of the input terminal 51, and 64 represents the voltage of the output terminal 52. The time change of is shown. The voltage amplitude of the voltage waveforms 63 and 64 is the amplitude of the logic signal and is equal to the power supply voltage in the CMOS circuit. The voltage waveforms 61 and 62 are inverted in polarity, but their voltage amplitudes are not necessarily the same. Also, the voltage levels need not match. In particular, when a field effect transistor is used, the voltage level of 61 is generally set in a negative voltage region than the ground voltage, and swinging to a positive voltage of 0.5 V or more from the ground voltage causes many problems. In general, the voltage level 62 is set in the positive voltage region rather than the power supply voltage. Since a negative voltage of 0.5 V or more from the power supply voltage causes many problems, a common voltage level is adopted. I can't. There is no such problem in the double gate field effect transistor.

図2(a)では、遅延制御端子が回路の遅延を最も増大させる信号を与えているときに、入力端子に信号を印加した場合の出力端子の電圧変化を示していて、入力から出力までの遅延が最大になっている。図2(b)では、遅延制御端子が回路の遅延を最も減少させる信号を与えているときに、入力端子に信号を印加した場合の出力端子の電圧変化を示していて、入力から出力までの遅延が最小になっている。遅延制御端子には図2(a)および図2(b)に示された信号の中間の電圧を与えることもできるが、そのときには、入力から出力までの遅延は中間の値を示す。   FIG. 2A shows the voltage change of the output terminal when a signal is applied to the input terminal when the delay control terminal gives a signal that increases the delay of the circuit most. The delay is maximized. FIG. 2B shows the voltage change of the output terminal when a signal is applied to the input terminal when the delay control terminal gives a signal that reduces the delay of the circuit the most. Delay is minimized. An intermediate voltage of the signals shown in FIGS. 2A and 2B can be applied to the delay control terminal. At that time, the delay from the input to the output shows an intermediate value.

最大の遅延時間と最小の遅延時間との平均をTで表わし、最大の遅延時間と平均遅延時間Tとの差、もしくは、同じことであるが、平均遅延時間と最小の遅延時間との差をΔTで表わすと、図2(a)の場合には入力から出力までにT+ΔTの遅延が生じ、図2(b)の場合には入力から出力までにT−ΔTの遅延が生ずる。   The average of the maximum delay time and the minimum delay time is represented by T, and the difference between the maximum delay time and the average delay time T or the same, but the difference between the average delay time and the minimum delay time is In terms of ΔT, in the case of FIG. 2A, a delay of T + ΔT occurs from input to output, and in the case of FIG. 2B, a delay of T−ΔT occurs from input to output.

図2(c)では、NOT回路の入力信号の到達時刻がばらついている場合を示す。図の例では、遅延時間制御端子の電圧が図2(a)に示す、遅延時間が大きくなる状態から、図2(b)に示す、遅延時間が小さい状態へと変化している。その結果、入力信号が最も早く到達した場合にはT+ΔTの遅延で結果が出力に反映され、入力信号が最も遅く到達した場合にはT−ΔTの遅延で結果が出力に反映されている。従って、入力信号の時間ばらつきに比べて出力信号の時間ばらつきは2ΔTだけ小さくなり、ばらつきが縮小されている。   FIG. 2C shows a case where arrival times of the input signals of the NOT circuit vary. In the example of the figure, the voltage at the delay time control terminal changes from a state where the delay time is large as shown in FIG. 2A to a state where the delay time is small as shown in FIG. As a result, when the input signal arrives the earliest, the result is reflected in the output with a delay of T + ΔT, and when the input signal arrives the latest, the result is reflected in the output with a delay of T−ΔT. Therefore, the time variation of the output signal is reduced by 2ΔT compared to the time variation of the input signal, and the variation is reduced.

実際には、NOT回路自身も新たな遅延時間のばらつきを生じる。すなわち、入力の到達時刻がばらつきなく確定していて、遅延時間制御端子の信号が一定であっても、結果が出力される時刻には±δTのばらつきが生じえる。しかしながら、遅延時間制御端子の効果により、δTがΔTよりも小さい限り、到達時刻のばらつきは全体として軽減される。
これらのことから、遅延時間制御端子に適切な信号を与えることによって、当該回路に到達する信号の到達時刻ばらつきを軽減させうるだけでなく、当該素子が新たに発生させる遅延時間ばらつきによる、次段への信号の到達ばらつきを補償することが可能であることが分かる。
Actually, the NOT circuit itself also causes new variations in delay time. That is, even when the arrival time of the input is determined without variation and the signal at the delay time control terminal is constant, the variation in the time at which the result is output can be ± δT. However, due to the effect of the delay time control terminal, as long as δT is smaller than ΔT, the variation in arrival time is reduced as a whole.
From these, by providing an appropriate signal to the delay time control terminal, not only can the arrival time variation of the signal reaching the circuit be reduced, but also the next stage due to the delay time variation newly generated by the element. It can be seen that it is possible to compensate for the arrival variation of the signal.

以上の例では、データ入力信号が1から0へ変化する場合を説明したが、遅延時間変化の原因はトランジスタの駆動能力の変化なのであるから、データ入力信号が0から1の場合にも全く同じ効果が期待できるのは明らかである。
図1に一般的な論理回路65における遅延時間制御の効果を示した。論理回路65は、NOT回路、AND回路、OR回路、およびそれらの複合回路、更にはパストランジスタ回路など、いずれのものであっても良い。図1(a)において66はデータ入力端子、67はデータ出力端子を表わす。
In the above example, the case where the data input signal changes from 1 to 0 has been described. However, since the cause of the delay time change is a change in the driving capability of the transistor, the same is true even when the data input signal is from 0 to 1. It is clear that the effect can be expected.
FIG. 1 shows the effect of delay time control in a general logic circuit 65. The logic circuit 65 may be any one of a NOT circuit, an AND circuit, an OR circuit, a composite circuit thereof, and a pass transistor circuit. In FIG. 1A, 66 represents a data input terminal, and 67 represents a data output terminal.

図1(b)では、遅延制御端子が、回路の遅延を増大させる信号を与えているときに入力端子に信号を印加した場合の出力端子の電圧変化を示している。実際の使用状態では入力端子にデータが印加されるタイミングは、一つの入力端子においてもばらつきを生ずるし、また複数の端子相互においてもばらつきを生ずるため一定の時間幅の後に確定する。図の場合では出力端子でのばらつきは入力端子でのばらつきと同じで、新たなばらつきの要因がない場合を示している。図1(b)の場合には入力から出力までにT+ΔTの遅延が生じている。図1(c)では、遅延制御端子が、回路の遅延を減少させる信号を与えているときに入力端子に信号を印加した場合の出力端子の電圧変化を示している。入力端子および出力端子の時間ばらつきは図1(b)の場合と同じである。図1(c)の場合には入力から出力までにT−ΔTの遅延が生じている。   FIG. 1B shows the voltage change of the output terminal when a signal is applied to the input terminal when the delay control terminal gives a signal that increases the delay of the circuit. In an actual use state, the timing at which data is applied to the input terminal varies even at one input terminal, and also varies among a plurality of terminals, and thus is determined after a certain time width. In the case of the figure, the variation at the output terminal is the same as the variation at the input terminal, and there is no new cause of variation. In the case of FIG. 1B, there is a delay of T + ΔT from input to output. FIG. 1C shows a change in the voltage at the output terminal when a signal is applied to the input terminal when the delay control terminal gives a signal for reducing the delay of the circuit. The time variation of the input terminal and the output terminal is the same as in FIG. In the case of FIG. 1C, there is a delay of T-ΔT from input to output.

図1(d)では、遅延時間制御端子の電圧が図1(b)に示す、遅延時間が大きくなる状態から、図1(c)に示す、遅延時間が小さい状態へと変化している場合を示す。図1(d)の場合には、入力信号が最も早く印加された場合にはT+ΔTの遅延で結果が出力に反映され、入力信号が最も遅く印加された場合にはT−ΔTの遅延で結果が出力に反映されている。従って、入力信号の時間ばらつきに比べて出力信号の時間ばらつきは2ΔTだけ小さくなり、ばらつきが縮小されている。   In FIG. 1D, the voltage at the delay time control terminal changes from the state where the delay time is large as shown in FIG. 1B to the state where the delay time is small as shown in FIG. Indicates. In the case of FIG. 1D, the result is reflected in the output with a delay of T + ΔT when the input signal is applied earliest, and the result with a delay of T−ΔT when the input signal is applied latest. Is reflected in the output. Therefore, the time variation of the output signal is reduced by 2ΔT compared to the time variation of the input signal, and the variation is reduced.

実際には、論理回路65自身も新たな遅延時間のばらつきを生じる。すなわち、入力の到達時刻のばらつきに、新たにδTのばらつきが付け加わる。しかしながら、図2によって説明したNOT回路の場合と同じく、遅延時間制御端子の効果により、δTが2ΔTよりも小さい限り、到達時刻のばらつきは全体として軽減される。
これらのことから、遅延時間制御端子に適切な信号を与えることによって、論理回路65のデータ出力信号の時刻ばらつきを軽減させうるだけでなく、当該論理回路が新たに発生させる遅延時間ばらつきによる、次段への信号の到達ばらつきを補償することが可能であることが分かる。
In practice, the logic circuit 65 itself also causes new delay time variations. That is, the variation of ΔT is newly added to the variation of the arrival time of the input. However, as in the case of the NOT circuit described with reference to FIG. 2, due to the effect of the delay time control terminal, as long as δT is smaller than 2ΔT, the variation in arrival time is reduced as a whole.
From these facts, by giving an appropriate signal to the delay time control terminal, not only can the time variation of the data output signal of the logic circuit 65 be reduced, but also the next due to the delay time variation newly generated by the logic circuit. It can be seen that it is possible to compensate for the arrival variation of the signal to the stage.

論理回路65から出力される信号の出力時刻ばらつきを軽減させることのみが目的であるならば、δTが2ΔTよりも小さくなる必要はない。すなわち、入力信号が最も早く印加される時刻には、論理遅延が大きくなる制御信号を与え、入力信号が最も遅く印加される時刻には、論理遅延が小さくなる制御信号を与え、両者の時刻の中間の時点で制御信号を切替えるようにすれば、出力信号の出力時刻ばらつきは、制御信号を変えないときよりも必ず軽減され、目的は達成できる。
一方で論理回路65から出力される信号の出力時刻ばらつきが、入力信号の入力時刻ばらつきよりも大きくならないことを目的とするならば、δTは2ΔTよりも小さくなる必要がある。
If the purpose is only to reduce the output time variation of the signal output from the logic circuit 65, δT does not need to be smaller than 2ΔT. That is, at the time when the input signal is applied earliest, a control signal that increases the logic delay is given, and at the time when the input signal is applied latest, the control signal that gives a smaller logic delay is given. If the control signal is switched at an intermediate point, the output time variation of the output signal is surely reduced as compared with the case where the control signal is not changed, and the object can be achieved.
On the other hand, if it is intended that the output time variation of the signal output from the logic circuit 65 does not become larger than the input time variation of the input signal, δT needs to be smaller than 2ΔT.

実際の使用においては、論理回路65に相当する回路が多段に接続されている。その場合には、各段の制御信号を協調させて印加すれば、各論理回路65で同じ効果を得ることができる。具体的には、各段の目標遅延時間を算出し、特定の論理回路65の目標遅延時間がTであるならば、その論理回路の出力信号を入力とする後続の論理回路65では、制御信号の切り替え時刻が特定の論理回路65に比べてTだけ遅れるように協調すればよい。   In actual use, circuits corresponding to the logic circuit 65 are connected in multiple stages. In that case, the same effect can be obtained in each logic circuit 65 if the control signals of each stage are applied in a coordinated manner. Specifically, the target delay time of each stage is calculated, and if the target delay time of a specific logic circuit 65 is T, the subsequent logic circuit 65 that receives the output signal of that logic circuit receives the control signal. It is only necessary to cooperate so that the switching time is delayed by T compared to the specific logic circuit 65.

目標遅延時間Tとしては、平均遅延時間を採用することができるが、平均遅延時間に正確に合わせなくても、論理遅延が大きくなる制御信号を与えたときの最も大きな遅延時間よりは小さく、論理遅延が小さくなる制御信号を与えたときの最も小さな遅延時間よりは大きくなるように選べば、制御信号の切替え時刻は最も早く入力が印加される時刻よりは遅く、最も遅く入力が印加される時刻よりは早くなることが保障される。   As the target delay time T, an average delay time can be adopted, but the target delay time T is smaller than the largest delay time when a control signal that increases the logical delay is given without being precisely matched to the average delay time. If the control signal is selected to be greater than the smallest delay time when a control signal with a small delay is given, the control signal switching time is later than the earliest input application time and latest input application time. Is guaranteed to be faster.

このように、大規模な論理回路に本発明を適用し、論理回路における信号の伝播遅延のばらつきを小さくさせる遅延制御論理回路を構成するためには、従来の論理回路の中の論理素子を全部もしくは必要に応じて一部を、遅延制御端子を持ったトランジスタに置き換えるだけでなく、各トランジスタに適切なタイミングで制御信号を与えるために、目標遅延時間を模擬する遅延回路を構成して、各制御信号間のタイミングを調整すればよい。また、論理回路に入力される信号の入力タイミングと、遅延回路の動作開始タイミングを同期させるためには、初段の論理回路の入力端子に信号を印加するタイミングを制御する信号と、遅延回路の動作開始を制御する信号は、同一の信号であるか、共通の信号で制御されるものにすればよい。   Thus, in order to apply the present invention to a large-scale logic circuit and configure a delay control logic circuit that reduces variations in signal propagation delay in the logic circuit, all the logic elements in the conventional logic circuit are configured. Or, if necessary, not only replace a part with a transistor having a delay control terminal, but also configure a delay circuit that simulates a target delay time in order to give a control signal to each transistor at an appropriate timing. The timing between the control signals may be adjusted. In addition, in order to synchronize the input timing of the signal input to the logic circuit and the operation start timing of the delay circuit, the signal for controlling the timing of applying the signal to the input terminal of the first stage logic circuit and the operation of the delay circuit The signals for controlling the start may be the same signal or controlled by a common signal.

論理遅延の大きさを制御する制御端子を持ったトランジスタを含む論理回路と、複数の遅延信号を生成し、上記制御端子への入力信号とする遅延回路と、論理回路の入力信号タイミングと遅延回路の動作開始タイミングを同期する信号入力端子がある遅延制御論理回路では、信号の伝播遅延のばらつきが小さくなり、また、論理遅延の大きさの制御幅が論理遅延のばらつきの発生量よりも大きくなるように設計をすれば、任意の数の段数を信号が伝播した後でも信号の伝播遅延ばらつきは一定の範囲内に収まるため、信号の伝播遅延ばらつきを取り除く目的で設けられるラッチ回路をことごとく省略することが可能となる。   A logic circuit including a transistor having a control terminal for controlling the magnitude of the logic delay; a delay circuit that generates a plurality of delay signals and inputs them to the control terminal; and an input signal timing of the logic circuit and a delay circuit In the delay control logic circuit having a signal input terminal that synchronizes the operation start timing of the signal, the variation in the propagation delay of the signal is reduced, and the control width of the magnitude of the logic delay is larger than the generation amount of the variation in the logic delay. In this way, even after the signal has propagated through an arbitrary number of stages, the signal propagation delay variation remains within a certain range, so all the latch circuits provided for the purpose of eliminating the signal propagation delay variation are omitted. It becomes possible.

本発明においては、基板電位制御電極を有する電界効果トランジスタもしくは、二重ゲート電界効果トランジスタ、またはそれら両者を用いて論理回路を構成し、電界効果トランジスタの場合には基板電位制御電極を、また、二重ゲート電界効果トランジスタの場合には該トランジスタの一方の電極を遅延時間制御用の端子として、論理回路における信号の伝播遅延のばらつきを小さくさせる効果がある。
本発明による遅延制御論理回路では、従来の論理回路に遅延制御端子を付加し、遅延回路等による遅延制御信号発生回路を設けて、遅延制御端子に供給する信号を生成する必要があるが、従来データ処理の同期に必要とされていた一時記憶回路のうち、対象となる論理回路と外部回路とのインターフェース部分に存在する一時記憶回路2および5を別にして、当該論理回路の中に設けられていた一時記憶回路7は省略することができる。
In the present invention, a logic circuit is configured using a field effect transistor having a substrate potential control electrode, a double gate field effect transistor, or both, and in the case of a field effect transistor, the substrate potential control electrode is In the case of a double gate field effect transistor, one electrode of the transistor is used as a terminal for delay time control, and there is an effect of reducing variation in signal propagation delay in the logic circuit.
In the delay control logic circuit according to the present invention, it is necessary to add a delay control terminal to a conventional logic circuit and provide a delay control signal generation circuit such as a delay circuit to generate a signal to be supplied to the delay control terminal. Of the temporary storage circuits required for data processing synchronization, the temporary storage circuits 2 and 5 existing in the interface portion between the target logic circuit and the external circuit are provided in the logic circuit. The temporary storage circuit 7 that has been used can be omitted.

本発明の実施の形態を以下図に基づいて詳細に説明する。   Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

図5に本発明の実施の一例を示す。図5において部分論理回路71は論理回路を少数の論理段にわけ、複数の信号線で直列につないだものである。部分論理回路71の内部構成はたとえば図5(b)のように互いに論理信号線では結ばれていない論理回路の集合であってかまわない。部分論理回路6に比べて部分論理回路71は、論理段数が一段もしくは極めて少ない段数の論理顔路からなる。72は遅延回路であり、クロック信号線3から供給された信号をもとに、各部分論理回路での目標遅延時間を与える。遅延回路72の遅延時間は、対応する部分論理回路71の目標伝播遅延時間に応じて、各段別個に設計される。図5(c)に示すように、本実施例ではNOT回路の直列接続により目標遅延時間を創出しているが、もちろん他の方法であっても良い。73は遅延回路から供給される信号を増幅する回路である。増幅回路73は部分論理回路71の中の素子の遅延時間制御端子57および58を駆動するための駆動能力を与えると同時に、電圧のレベル調整を行う。電圧のレベル調整が必要なく、また駆動能力の増大も必要ない場合には省略できる。遅延制御端子57に与える信号と遅延制御端子58に与える信号にはNOT回路一段分の時間差があるが、極端に小さい遅延時間ばらつきを目標としない限りこれは放置しても構わないし、また増幅回路73で調整しても良い。増幅回路73が反転増幅器であるように回路を構成することも当然に可能である。遅延時間制御信号は、部分論理回路71内のすべての論理素子に作用させても良いし、信号伝播時刻のばらつきが激しく、それを収束させる必要のある点のみに作用させても良い。   FIG. 5 shows an example of implementation of the present invention. In FIG. 5, a partial logic circuit 71 is obtained by dividing a logic circuit into a small number of logic stages and connecting them in series with a plurality of signal lines. The internal configuration of the partial logic circuit 71 may be a set of logic circuits that are not connected to each other by logic signal lines as shown in FIG. 5B, for example. Compared to the partial logic circuit 6, the partial logic circuit 71 is composed of a logical face having one or a very small number of logical stages. Reference numeral 72 denotes a delay circuit which gives a target delay time in each partial logic circuit based on the signal supplied from the clock signal line 3. The delay time of the delay circuit 72 is designed separately for each stage according to the target propagation delay time of the corresponding partial logic circuit 71. As shown in FIG. 5C, in this embodiment, the target delay time is created by the serial connection of NOT circuits, but other methods may of course be used. A circuit 73 amplifies the signal supplied from the delay circuit. The amplifying circuit 73 provides a driving capability for driving the delay time control terminals 57 and 58 of the elements in the partial logic circuit 71 and at the same time adjusts the voltage level. This can be omitted if voltage level adjustment is not necessary and drive capability does not need to be increased. The signal applied to the delay control terminal 57 and the signal applied to the delay control terminal 58 have a time difference corresponding to one stage of the NOT circuit. However, this may be left as long as extremely small delay time variations are not targeted, and the amplifier circuit. You may adjust by 73. It is naturally possible to configure the circuit so that the amplifier circuit 73 is an inverting amplifier. The delay time control signal may be applied to all the logic elements in the partial logic circuit 71, or may be applied only to a point where the signal propagation time varies greatly and needs to be converged.

一時記憶回路2より供給された信号は部分論理回路71を伝播して情報処理が行われるが、いずれの段においても、目標時刻より早く到達した信号は、遅延回路72より供給された遅延時間制御信号の作用によって、論理遅延の大きい状態で情報処理をしなければならない。一方で、目標時刻より遅く到達した信号は、遅延回路72より供給された遅延時間制御信号の作用によって、論理遅延の小さい論理回路で情報処理をすることになる。それにより、論理回路を伝播する信号は、遅延回路72で規定された目標伝播速度から大きくずれることがなくなる。   The signal supplied from the temporary storage circuit 2 propagates through the partial logic circuit 71 to perform information processing. In any stage, the signal that arrives earlier than the target time is controlled by the delay time control supplied from the delay circuit 72. Information must be processed with a large logic delay by the action of the signal. On the other hand, a signal that arrives later than the target time is processed by a logic circuit with a small logic delay by the action of the delay time control signal supplied from the delay circuit 72. Thereby, the signal propagating through the logic circuit does not deviate greatly from the target propagation speed defined by the delay circuit 72.

遅延回路73を伝播する信号もまた、伝播に従って、周期的な信号からずれることが考えられるが、遅延回路は負荷の一定したNOT回路で構成されるために、そのばらつきは部分論理回路71の直列接続が持つ本来のばらつきよりははるかに小さく、そのため、遅延時間のばらつきは大きく改善される。   The signal propagating through the delay circuit 73 may also deviate from a periodic signal according to the propagation. However, since the delay circuit is configured by a NOT circuit with a constant load, the variation is in series with the partial logic circuit 71. It is much smaller than the original variation of the connection, so the variation in delay time is greatly improved.

図6は本発明の別の実施例2である。図5の構成要素と同じものは同じ番号を付けて説明する。図において、74は多相クロック発生回路であり、一時記憶回路2に供給するクロックのほかに、位相のずれた複数のクロック信号を生成する。各クロック信号は、増幅回路73によって、図6の実施例と同じく、増幅、電圧レベル調整、および微細なタイミングに調整がなされる。図では3相のクロック回路が示されているが、クロックの相数は自由に増加させることが出来る。   FIG. 6 shows another embodiment 2 of the present invention. The same components as those in FIG. 5 will be described with the same numbers. In the figure, reference numeral 74 denotes a multi-phase clock generation circuit, which generates a plurality of clock signals whose phases are shifted in addition to the clock supplied to the temporary storage circuit 2. Each clock signal is amplified, adjusted in voltage level, and finely adjusted by the amplifier circuit 73 as in the embodiment of FIG. Although a three-phase clock circuit is shown in the figure, the number of clock phases can be freely increased.

本実施例では、各段での遅延時間が制御されるだけでなく、一時記憶回路5への到達時刻が、一時記憶回路5を駆動するクロックと同期するため。一時記憶回路5の内容更新が確実に行えるだけでなく、クロック周期によって規定された総伝播時間を無駄なく各段に分配できる。図6では、一時記憶回路2と同相のクロックが途中の二つの論理段にも供給されている。このような場合には、論理回路の総遅延時間の三分の一の長さまでクロック周期を短縮することが出来る。   In this embodiment, not only the delay time at each stage is controlled, but also the arrival time at the temporary storage circuit 5 is synchronized with the clock for driving the temporary storage circuit 5. Not only can the contents of the temporary storage circuit 5 be updated reliably, but the total propagation time defined by the clock cycle can be distributed to each stage without waste. In FIG. 6, a clock having the same phase as that of the temporary storage circuit 2 is also supplied to two intermediate logic stages. In such a case, the clock cycle can be shortened to one third of the total delay time of the logic circuit.

図7は本発明を、段数の異なるパイプラインが平行している場合に適用した実施例3である。図6の構成要素と同じものは同じ番号を付けて説明する。図ではA、B、Cと符号付けされている信号線の対が、互いに結線されているものとする。図中の各部分論理回路71の内部構成は、図5(b)に示したように互いに論理信号線では結ばれていない論理回路の集合であってかまわない。
本実施例では、一時記憶回路2から一時記憶回路5へ、クロック3周期分の遅延で信号が処理される経路と、クロック2周期分の遅延で信号が処理される経路が平行している。したがって、両経路が合流する所ではクロック1周期分のずれが生じるため、合流した後の部分論理回路はその事情を考慮した構成になっている必要がある。
FIG. 7 shows a third embodiment in which the present invention is applied when pipelines having different numbers of stages are parallel. The same components as those in FIG. 6 will be described with the same numbers. In the figure, it is assumed that a pair of signal lines labeled A, B, and C are connected to each other. The internal configuration of each partial logic circuit 71 in the drawing may be a set of logic circuits that are not connected to each other by logic signal lines as shown in FIG. 5B.
In this embodiment, a path for processing a signal with a delay of three clock cycles and a path for processing a signal with a delay of two clock cycles are parallel from the temporary storage circuit 2 to the temporary storage circuit 5. Therefore, since a shift of one clock cycle occurs at the place where both paths merge, it is necessary that the partial logic circuit after the merge be configured in consideration of the circumstances.

このようなパイプライン構成は、計算量の異なる処理、例えば比較的短いパイプラインで処理が可能な整数の加算処理と、比較的長いパイプラインが必要な整数の乗算処理が平行して実施される場合に生ずる。両経路は同時に使用しても良いし、特定の時刻には常に片方を選択する使用方法でも良い。
本発明は、そのようなパイプラインの場合にも応用が可能である。
In such a pipeline configuration, processing with different calculation amounts, for example, integer addition processing that can be processed with a relatively short pipeline, and integer multiplication processing that requires a relatively long pipeline are performed in parallel. Occurs in some cases. Both routes may be used at the same time, or a usage method in which one route is always selected at a specific time.
The present invention can also be applied to such a pipeline.

図8は本発明を、フィードバックループが存在するパイプライン回路に適用した実施例4である。図7の構成要素と同じものは同じ番号を付けて説明する。本図においてもA、B、Cと符号付けされている信号線の対が、互いに結線されているものとする。図中の各部分論理回路71の内部構成は、図5(b)に示したように互いに論理信号線では結ばれていない論理回路の集合であってかまわない。   FIG. 8 shows a fourth embodiment in which the present invention is applied to a pipeline circuit having a feedback loop. The same components as those in FIG. 7 will be described with the same numbers. In this figure, it is assumed that a pair of signal lines labeled A, B, and C are connected to each other. The internal configuration of each partial logic circuit 71 in the drawing may be a set of logic circuits that are not connected to each other by logic signal lines as shown in FIG. 5B.

本実施例では、部分論理回路からなるパイプラインの流れの途中から分岐した回路が、パイプラインの上流に合流してフィードバックループを形成している。このような回路構成は繰り返し情報処理を必要とする場合や、分岐予測、投機実行などの予測にもとづく処理の取消しをする場合に使われる。図から明らかなように、このようなループが存在する場合でも分岐点、合流点における一時記憶回路を省略してパイプラインを構成することが可能となる。
実施例2、実施例3における回路構成も考慮すると、本発明における回路構成では、従来のパイプラインで必要とされていた一時記憶回路7が、本発明によらない回路構成を用いた他の回路とのインターフェースを除けば、殆どの場合で省略可能となり、ウェーブ・パイプラインが目的としていた高い情報処理能力を極めて容易に実現できることが分かる。
In this embodiment, a circuit branched from the middle of the pipeline flow composed of partial logic circuits joins upstream of the pipeline to form a feedback loop. Such a circuit configuration is used when iterative information processing is required or when canceling processing based on prediction such as branch prediction or speculative execution. As is apparent from the figure, even when such a loop exists, it is possible to configure the pipeline by omitting the temporary storage circuit at the branch point and the junction.
Considering the circuit configurations in the second and third embodiments, in the circuit configuration in the present invention, the temporary storage circuit 7 required in the conventional pipeline is replaced with another circuit using a circuit configuration not according to the present invention. Except for the interface, it can be omitted in most cases, and it can be seen that the high information processing capability that the wave pipeline has aimed for can be realized very easily.

遅延時間制御端子を備えた論理回路の動作を説明する図である。It is a figure explaining operation | movement of the logic circuit provided with the delay time control terminal. 遅延時間制御端子を備えたNOT回路の動作を説明する図である。It is a figure explaining operation | movement of the NOT circuit provided with the delay time control terminal. トランジスタの回路記号を説明する図である。It is a figure explaining the circuit symbol of a transistor. 遅延時間制御端子を備えたCMOSによるNOT回路の図である。It is a figure of the NOT circuit by CMOS provided with the delay time control terminal. 遅延制御論理回路の(遅延時間制御信号の生成に遅延回路を使用した)実施例の図である。FIG. 6 is a diagram of an embodiment of a delay control logic circuit (using a delay circuit to generate a delay time control signal). (遅延時間制御信号の生成に)多相クロック回路を使用した遅延制御論理回路の実施例の図である。FIG. 6 is a diagram of an embodiment of a delay control logic circuit that uses a multiphase clock circuit (for generating a delay time control signal). 経路長の異なるパイプライン(に適用した)を含む遅延制御論理回路の実施例の図である。FIG. 6 is a diagram of an embodiment of a delay control logic circuit including (applied to) pipelines with different path lengths. フィードバックループを含む(回路に適用した)遅延制御論理回路の実施例の図である。FIG. 4 is a diagram of an example of a delay control logic circuit (applied to a circuit) including a feedback loop. クロック同期式論理回路を表わす図である。It is a figure showing a clock synchronous logic circuit. 電界効果トランジスタの断面構造を表わす図である。It is a figure showing the cross-section of a field effect transistor. 二重ゲート電界効果トランジスタの断面を表わす図である。It is a figure showing the cross section of a double gate field effect transistor. 電界効果トランジスタの基板電位制御の効果を表わす図である。It is a figure showing the effect of substrate potential control of a field effect transistor. 二重ゲート電界効果トランジスタの一方のゲート電極を固定したときのトランジスタ特性を表わす図である。It is a figure showing the transistor characteristic when one gate electrode of a double gate field effect transistor is fixed. 二重ゲート電界効果トランジスタの一方のゲート電極によるトランジスタ特性制御の効果を表わす図である。It is a figure showing the effect of the transistor characteristic control by one gate electrode of a double gate field effect transistor.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・論理回路
2・・・論理回路1にデータを供給する一時記憶回路
3・・・クロック信号線
4・・・複数のデータ線
5・・・論理回路1から結果データを受け取る一時記憶回路であって
一時記憶回路2と同一または別であるもの
6・・・論理回路1を区画することにより得られた部分論理回路
7・・・論理回路1を分割した境界に挿入した一時記憶回路
11・・基板
12・・ゲート電極
13・・ソース領域
14・・ドレイン領域
15・・チャネル層
16・・絶縁層
17・・ウェル構造を持つときのウェル領域
18・・二重ウェル構造を持つときの外側ウェル領域
19・・ウェル領域17に設けられた電極
21・・二重ゲート電界効果トランジスタの基板
22・・二重ゲート電界効果トランジスタの上部ゲート電極
23・・二重ゲート電界効果トランジスタの下部ゲート電極
24・・ソース領域
25・・ドレイン領域
26・・ゲート電極22の絶縁層
27・・ゲート電極23の絶縁層
28・・二重ゲート電界効果トランジスタのチャネル層
31・・基板電位を負の値にしたときの電気特性
32・・基板電位をOVにしたときの電気特性
33・・基板電位を正の値にしたときの電気特性
34・・絶縁層26と絶縁層27の厚さが同一の素子で得られる電気特性
35・・絶縁層27が絶縁層26の2倍の厚さの素子で得られる電気特性
36・・絶縁層27が絶縁層26の4倍の厚さの素子で得られる電気特性
37・・ゲート電極23を負の電圧にしたときの電気特性
38・・ゲート電極23をOVにしたときの電気特性
39・・ゲート電極23を正の電圧にしたときの電気特性
41・・ソース端子
42・・ドレイン端子
43・・ゲート電極
44・・電界効果トランジスタの基板電位制御電極もしくは二重ゲート電界効果トランジスタの遅延時間制御用ゲート端子
51・・入力端子
52・・出力端子
53・・電源端子
54・・接地端子
55・・N型電界効果トランジスタもしくはN型二重ゲート電界効果トランジスタ
56・・P型電界効果トランジスタもしくはP型二重ゲート電界効果トランジスタ
57・・トランジスタ55の遅延時間制御端子
58・・トランジスタ56の遅延時間制御端子
61・・遅延時間制御端子57の電圧の時間変化
62・・遅延時間制御端子58の電圧の時間変化
63・・入力端子51の電圧の時間変化
64・・出力端子52の電圧の時間変化
65・・論理回路
66・・データ入力端子
67・・データ出力端子
68・・データ入力端子66の状態の時間変化
69・・データ入力端子67の状態の時間変化
71・・少数の論理段に分けて分割した部分論理回路
72・・遅延回路
73・・増幅回路
74・・多相クロック回路
A・・・互いに結線されている制御信号の対
B・・・互いに結線されている制御信号の対
C・・・互いに結線されている制御信号の対
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Logic circuit 2 ... Temporary memory circuit 3 which supplies data to the logic circuit 1 ... Clock signal line 4 ... Multiple data lines 5 ... Temporary memory which receives result data from the logic circuit 1 Circuit that is the same as or different from the temporary storage circuit 2 6... Partial logic circuit 7 obtained by partitioning the logic circuit 1... Temporary storage circuit inserted at the boundary where the logic circuit 1 is divided 11. substrate 12 gate electrode 13 source region 14 drain region 15 channel layer 16 insulating layer 17 well region 18 having a well structure double well structure Outer well region 19... Electrode 21 provided in well region 17... Substrate 22 of double gate field effect transistor... Upper gate electrode 23 of double gate field effect transistor. Lower gate electrode 24 of effect transistor, source region 25, drain region 26, insulating layer 27 of gate electrode 22, insulating layer 28 of gate electrode 23, channel layer 31 of double gate field effect transistor, substrate Electrical characteristics 32 when the potential is set to a negative value ... Electrical characteristics 33 when the substrate potential is set to OV ... Electrical characteristics 34 when the substrate potential is set to a positive value 34 ... The insulating layer 26 and the insulating layer 27 Electrical characteristics obtained with elements having the same thickness 35... Electrical characteristics obtained with elements whose insulating layer 27 is twice as thick as the insulating layer 26... Insulating layer 27 is four times as thick as the insulating layer 26 Electrical characteristics 37 obtained by the element of FIG. 37. Electrical characteristics 38 when the gate electrode 23 is set to a negative voltage 38 Electrical characteristics 39 when the gate electrode 23 is set to OV When the gate electrode 23 is set to a positive voltage Electrical characteristics of 41 ・Source terminal 42 ..Drain terminal 43 ..Gate electrode 44 ..Substrate potential control electrode of field effect transistor or gate terminal 51 for delay time control of double gate field effect transistor ..Input terminal 52 ..Output terminal 53. Power terminal 54 .. Ground terminal 55.. N-type field effect transistor or N-type double gate field effect transistor 56... P-type field effect transistor or P-type double gate field effect transistor 57. Terminal 58 .. delay time control terminal 61 of transistor 56 .. time change 62 of voltage at delay time control terminal 57 .. time change 63 of voltage at delay time control terminal 58 .. time change 64 of voltage at input terminal 51. The time change 65 of the voltage of the output terminal 52. The logic circuit 66. The data input terminal 67. Time change 69 of the state of the output terminal 68... Time change 71 of the state of the data input terminal 67... Partial logic circuit 72 divided into a small number of logic stages. Circuit 74... Multiphase clock circuit A... Control signal pair B connected to each other. Control signal pair C connected to each other. Control signal pair connected to each other.

Claims (12)

論理遅延の大きさを制御する制御端子を持ったトランジスタを含む論理回路の制御方法において、入力信号が早く到達する時刻には、前記制御端子に論理遅延が大きくなる制御信号が与えられ、入力信号が遅く到達する時刻には、該制御端子に論理遅延が小さくなる制御信号が与えられることを特徴とする論理回路の制御方法。   In a method for controlling a logic circuit including a transistor having a control terminal for controlling the magnitude of the logic delay, at the time when the input signal arrives earlier, a control signal for increasing the logic delay is given to the control terminal, and the input signal A control method for a logic circuit, wherein a control signal that reduces a logic delay is given to the control terminal at a time when the signal arrives late. 請求項1に記載した論理回路の制御方法において、論理遅延が大きくなる制御信号から論理遅延が小さくなる制御信号への遷移時刻が、論理段が進むにしたがって遅れるように、論理遅延の大きさを制御する前記制御端子を持った複数のトランジスタに、制御信号を印加することを特徴とする論理回路の制御方法。   The logic circuit control method according to claim 1, wherein the magnitude of the logic delay is set so that the transition time from the control signal in which the logic delay increases to the control signal in which the logic delay decreases is delayed as the logic stage advances. A control method of a logic circuit, wherein a control signal is applied to a plurality of transistors having the control terminal to be controlled. 請求項2に記載した論理回路の制御方法において、任意の論理段における、論理遅延が大きくなる制御信号から論理遅延が小さくなる制御信号への遷移時刻から、次の論理段における、論理遅延が大きくなる制御信号から論理遅延が小さくなる制御信号への遷移時刻までの時間が、論理遅延が大きくなる制御信号下での前記任意の論理段から次の論理段までの最大伝播遅延時間よりは小さく、論理遅延が小さくなる制御信号下での前記任意の論理段から次の論理段までの最小伝播遅延時間よりは大きくなるように、前記二つの制御信号および前記二つの論理段間の遷移時刻のずれを設定することを特徴とする論理回路の制御方法。   3. The method of controlling a logic circuit according to claim 2, wherein a logic delay in a next logic stage is large from a transition time from a control signal in which a logic delay is large to a control signal in which a logic delay is small in an arbitrary logic stage. The time from the control signal to the transition time to the control signal where the logic delay becomes smaller is smaller than the maximum propagation delay time from the arbitrary logic stage to the next logic stage under the control signal where the logic delay becomes larger, Deviation in transition time between the two control signals and the two logic stages so as to be larger than the minimum propagation delay time from the arbitrary logic stage to the next logic stage under the control signal where the logic delay becomes small A method for controlling a logic circuit, characterized by: 請求項2または3に記載した論理回路の制御方法において、論理遅延が大きくなる制御信号から論理遅延が小さくなる制御信号への遷移時刻が、論理段が進むにしたがって遅れるように印加される信号系列を、複数の論理段だけ離れた位置において同時に生じさせ、それによって複数の論理演算を、同一回路内で同時に行うことを特徴とする論理回路の制御方法。   4. The method of controlling a logic circuit according to claim 2, wherein a transition time from a control signal having a large logic delay to a control signal having a small logic delay is applied so that the transition time is delayed as the logic stage advances. Are simultaneously generated at positions separated by a plurality of logic stages, whereby a plurality of logic operations are simultaneously performed in the same circuit. 請求項1乃至4のいずれか1項記載の論理回路の制御方法において、論理遅延の大きさを制御する制御端子を持ったトランジスタとして、基板電位制御電極を有する電界効果トランジスタを用い、該基板電位制御電極を論理遅延の大きさを制御する制御端子として用いることを特徴とする論理回路の制御方法。   5. The method of controlling a logic circuit according to claim 1, wherein a field effect transistor having a substrate potential control electrode is used as a transistor having a control terminal for controlling the magnitude of logic delay, and the substrate potential is controlled. A method for controlling a logic circuit, wherein the control electrode is used as a control terminal for controlling the magnitude of logic delay. 請求項1乃至4のいずれか1項記載の論理回路の制御方法において、論理遅延の大きさを制御する制御端子を持ったトランジスタとして、二重ゲート電界効果トランジスタを用い、二つのゲート電極のうちの一つを論理遅延の大きさを制御する制御端子として用いることを特徴とする論理回路の制御方法。   5. The method of controlling a logic circuit according to claim 1, wherein a double gate field effect transistor is used as a transistor having a control terminal for controlling the magnitude of the logic delay, and two of the two gate electrodes are used. One of the above is used as a control terminal for controlling the magnitude of the logic delay. 論理遅延の大きさを制御する制御端子を持ったトランジスタを含む論理回路と、複数の遅延信号を生成し、前記制御端子への入力信号とする遅延回路と、論理回路に入力信号が与えられる時刻と、前記遅延回路に入力信号が与えられる時刻を同期する信号入力端子を備えることを特徴とする遅延制御論理回路。   A logic circuit including a transistor having a control terminal for controlling the magnitude of the logic delay; a delay circuit that generates a plurality of delay signals and inputs the signals to the control terminal; and a time at which the input signal is given to the logic circuit And a signal input terminal for synchronizing a time at which an input signal is given to the delay circuit. 請求項7に記載した遅延制御論理回路において、遅延制御論理回路の任意の論理段における論理遅延の大きさを制御する前記制御端子を持ったトランジスタに対し、入力信号が早く到達する時刻には、前記制御端子に論理遅延が大きくなる制御信号が与えられ、入力信号が遅く到達する時刻には、前記制御端子に論理遅延が小さくなる制御信号が与えられるように、前記遅延制御論理回路における前記制御信号の遅延量を選んだことを特徴とする遅延制御論理回路。   The delay control logic circuit according to claim 7, wherein the input signal arrives early at a time when the transistor having the control terminal for controlling the magnitude of the logic delay in an arbitrary logic stage of the delay control logic circuit is reached. The control in the delay control logic circuit is provided such that a control signal for increasing the logic delay is applied to the control terminal, and a control signal for decreasing the logic delay is applied to the control terminal at a time when the input signal arrives late. A delay control logic circuit characterized by selecting a delay amount of a signal. 請求項8に記載した遅延制御論理回路において、前記遅延制御論理回路の任意の論理段における、論理遅延が大きくなる制御信号から論理遅延が小さくなる制御信号への遷移時刻から、次の論理段における、論理遅延が大きくなる制御信号から論理遅延が小さくなる制御信号への遷移時刻までの時間が、論理遅延が大きくなる制御信号下での前記任意の論理段から次の論理段までの最大伝播遅延時間よりは小さく、論理遅延が小さくなる制御信号下での前記任意の論理段から次の論理段までの最小伝播遅延時間よりは大きくなるように、前記二つの制御信号および前記二つの論理段間の遅延量を選んだことを特徴とする遅延制御論理回路。   9. The delay control logic circuit according to claim 8, wherein, in an arbitrary logic stage of the delay control logic circuit, from a transition time from a control signal with a large logic delay to a control signal with a small logic delay, in a next logic stage. The maximum propagation delay from the arbitrary logical stage to the next logical stage under the control signal where the logic delay increases is the time from the control signal where the logical delay increases to the control signal where the logic delay decreases Between the two control signals and the two logic stages so as to be greater than the minimum propagation delay time from the arbitrary logic stage to the next logic stage under a control signal that is smaller than the time and has a smaller logic delay. A delay control logic circuit characterized by selecting a delay amount. 請求項9に記載した遅延制御論理回路において、論理遅延が大きくなる制御信号から論理遅延が小さくなる制御信号への遷移時刻が、論理段が進むにしたがって遅れるように印加される信号系列を、複数の論理段だけ離れた位置において同時に生じさせ、それによって複数の論理演算を、同一回路内で同時に行うことを特徴とする遅延制御論理回路。   10. The delay control logic circuit according to claim 9, wherein a plurality of signal sequences are applied so that a transition time from a control signal with a large logic delay to a control signal with a small logic delay is delayed as the logic stage advances. The delay control logic circuit is characterized in that a plurality of logic operations are simultaneously performed in the same circuit by causing them to occur simultaneously at positions separated by the logic stage. 請求項7乃至10のいずれか1項記載の遅延制御論理回路において、論理遅延の大きさを制御する制御端子を持ったトランジスタとして、基板電位制御電極を有する電界効果トランジスタを用い、前記基板電位制御電極を論理遅延の大きさを制御する制御端子として用いることを特徴とする遅延制御論理回路。   11. The delay control logic circuit according to claim 7, wherein a field effect transistor having a substrate potential control electrode is used as a transistor having a control terminal for controlling the magnitude of the logic delay, and the substrate potential control is performed. A delay control logic circuit characterized in that an electrode is used as a control terminal for controlling the magnitude of a logic delay. 請求項7乃至10のいずれか1項記載の論理回路の制御方法において、論理遅延の大きさを制御する制御端子を持ったトランジスタとして、二重ゲート電界効果トランジスタを用い、二つのゲート電極のうちの一つを論理遅延の大きさを制御する制御端子として用いることを特徴とする遅延制御論理回路。   11. The method of controlling a logic circuit according to claim 7, wherein a double gate field effect transistor is used as a transistor having a control terminal for controlling the magnitude of the logic delay, and two of the gate electrodes are used. One of these is used as a control terminal for controlling the magnitude of the logic delay.
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JP2013077816A (en) * 2011-09-14 2013-04-25 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Protection circuit and semiconductor device
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