不挥发性逻辑技术 没有电源供应也能够保持信息的电路 启动时处理时间为零 待机时功率消耗为零

ROHM世界首次在被称为LSI内部寄存器*1 的数据存储领域,成功开发了编入不挥发性逻辑电路的LSI。这是ROHM自世界首家开始量产FeRAM( Ferroelectric Random Access Memory : 强电介体*2 存储器)之后,将这一技术进一步发展,从而完成的没有电源也能保持LSI内部运算处理状况的“不挥发性逻辑技术”。

従来のロジック回路

阻挡机器高性能化发展的障碍

一般而言,机器高性能化发展进程中,为实现高速化而消耗更多的电力。因此,我们从以下观点探讨了如何做到省电化。例如,用电脑进行对话型输入处理(一边思考一边输入文章等)时,如果不进行其他处理,相当于CPU不在工作。这时,如果截断CPU的电源,即可做到具有非常节能效果的系统。

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为了保持LSI数据,寄存器不能缺少电源

CPU所代表的逻辑类LSI具有被称作寄存器的运算处理状况保持电路,用来暂时性保持关于各种处理的经过以及关于结果的信息、以及保持或变更LSI和周边设备的工作状态。现在一般使用的逻辑类LSI,一经断电,寄存器所保持的运算处理状况便会消失,所以不能切断保持电路的电源。

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通过寄存器的不挥发化来解决问题

我们一直致力于不挥发性逻辑电路的技术研发,即在逻辑电路的寄存器部分,安装具有无电源也不会丢失数据特性 (称为不挥发性*3) 的强电介体元件。

虽然至今一直通过强电介体元件来实现LSI寄存器的不挥发化,但是因为发生电力负荷增大以及信号延迟问题,几乎没有被使用。

ROHM再次开发了强电介体分离式构造,一举解决了这些问题,在不破坏LSI逻辑性能和可靠性的前提下,实现了寄存器的不挥发化。

拥有这一技术,即使关闭电源也不会丢失数据,因此在不进行运算处理的电路中,寄存器也能够切断电源。

图片1 不挥发性CPU的芯片图片(放大)
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图片1 不挥发性CPU的芯片图片(放大)

图片2 采用不发挥性逻辑技术的CPU (不挥发性CPU) 的试制例
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图片2 采用不发挥性逻辑技术的CPU (不挥发性CPU) 的试制例

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攻破以往低功耗化技术

以往的低功耗化技术,包括被称为“Clock Gating”的方法 (即不进行运算处理时停止电路时钟) ,以及被称为“Power Gating”的方法 (即不进行运算处理时切断电路电源) 等等。但是,在“Clock Gating”方法中,因为不能阻止电路内部的漏泄电流,从而在精细工序中有漏泄电流增加趋势,所以存在效果变小的问题。另外,在“Power Gating”方法中,通过切断电源可以阻止大部分漏泄电流,但是不能切断寄存器电源,因此存在不少漏泄电流被消耗掉的问题。针对这些问题,不挥发性逻辑技术能够切断包括寄存器在内的电路电源,将不进行运算处理的电路功耗(待机功耗)完全降至零。

比较

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将游戏机的CPU功耗削减70%

在使用这一不挥发性逻辑技术时 (例如,假定置换游戏机的CPU),即使在游戏启动中,频繁发生的CPU待机时间的功耗也为零,因此可确认将CPU的功耗减少约70% (图1) 。

另外,在CPU工作时,除信息写入/读出的模块外,如果进行切断电源等设计变更,我们认为可以将CPU的功耗减少85%以上。而且,如果精细控制这一模块内部寄存器和运算电路的电源关启,可望减少95%以上的CPU功耗 (图2) 。


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图1 不挥发性CPU工作例

图2 基本的CPU处理模块图 (左) 和不挥发性CPU的电源控制例 (右)

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可以如同开启电视机一样轻松启动电脑

如果将此项技术应用于电脑,可以大幅缩短原本数十秒的启动时间,可以提供如同开启电视机一样轻松自如的使用环境。在家电产品中,为了保持机器内部的数据,有不少产品即使电源关闭时也会处于通电状态而持续耗电 (待机功耗) 。据ROHM估测,仅在日本就有150亿kWh/年(《待机功耗调查报告书》((财)节能中心)推定)的电量被白白消耗掉。如果将不挥发性技术应用于电子产品广泛使用的逻辑LSI中,可望推进整个电子市场节能化发展。

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不挥发性逻辑技术的应用例

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术语解说

*1 寄存器
在数字处理 (逻辑) 电路中,用来暂存运算途中的数据或运算处理状况,以及保存工作状态的存储部件。一般分散配置于逻辑电路中。

*2 强电介体
电介体的一种,通过加入电场强制改变信息的物质。具有因利用电分极的状态,可以在低电压下高速改变信息的特点。

*3 挥发性,不挥发性
描述用于记录运算处理的中途结果数据等的电路及元件的性能的术语,关闭电源时数据消失的存储电路及元件为挥发性,关闭电源也能够保持数据的存储电路及元件为不挥发性。


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最新版 vol. 4 / 2009.01

Cover Story 1
没有电源供应也能够保持信息的电路
不挥发性逻辑技术

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