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WO2014097362A1 - 半導体装置及びその制御方法 - Google Patents

半導体装置及びその制御方法 Download PDF

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WO2014097362A1
WO2014097362A1 PCT/JP2012/008187 JP2012008187W WO2014097362A1 WO 2014097362 A1 WO2014097362 A1 WO 2014097362A1 JP 2012008187 W JP2012008187 W JP 2012008187W WO 2014097362 A1 WO2014097362 A1 WO 2014097362A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
temperature
frequency
reference temperature
unit
semiconductor device
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2012/008187
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
賢彦 五味
鈴木　哲也
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.)
Renesas Electronics Corp
Original Assignee
Renesas Mobile Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Renesas Mobile Corp filed Critical Renesas Mobile Corp
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Priority to CN201280077850.0A priority patent/CN104871110B/zh
Priority to JP2014552761A priority patent/JP5898342B2/ja
Priority to PCT/JP2012/008187 priority patent/WO2014097362A1/ja
Priority to TW102141667A priority patent/TWI575353B/zh
Publication of WO2014097362A1 publication Critical patent/WO2014097362A1/ja
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03L—AUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L1/00—Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply
    • H03L1/02—Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only
    • H03L1/022—Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only by indirect stabilisation, i.e. by generating an electrical correction signal which is a function of the temperature
    • H03L1/027—Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only by indirect stabilisation, i.e. by generating an electrical correction signal which is a function of the temperature by using frequency conversion means which is variable with temperature, e.g. mixer, frequency divider, pulse add/subtract logic circuit
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F1/00—Details not covered by groups G06F3/00 - G06F13/00 and G06F21/00
    • G06F1/16—Constructional details or arrangements
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    • G06F1/206—Cooling means comprising thermal management
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F1/00—Details not covered by groups G06F3/00 - G06F13/00 and G06F21/00
    • G06F1/26—Power supply means, e.g. regulation thereof
    • G06F1/28—Supervision thereof, e.g. detecting power-supply failure by out of limits supervision
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F1/00—Details not covered by groups G06F3/00 - G06F13/00 and G06F21/00
    • G06F1/26—Power supply means, e.g. regulation thereof
    • G06F1/32—Means for saving power
    • G06F1/3203—Power management, i.e. event-based initiation of a power-saving mode
    • G06F1/3234—Power saving characterised by the action undertaken
    • G06F1/324—Power saving characterised by the action undertaken by lowering clock frequency
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D10/00—Energy efficient computing, e.g. low power processors, power management or thermal management

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device and a control method thereof.
  • Patent Documents 1 to 3 disclose techniques for controlling the operating frequency (frequency of the operating clock) in accordance with the temperature of a CPU (Central Processing Unit) or processor.
  • the operating frequency is switched from the first frequency to the second frequency higher than the first frequency.
  • an electronic device such as a wireless communication terminal, for example, and a high-quality semiconductor device can be provided.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of a wireless communication device according to a first embodiment.
  • 3 is a block diagram illustrating a configuration example of an application processor 601 according to Embodiment 1.
  • FIG. 4 is a flowchart for explaining a power reduction mode control method (main routine) according to Embodiment 1;
  • 3 is a flowchart for illustrating a reference temperature calculation method (subroutine 1) according to the first embodiment.
  • 6 is a flowchart for explaining a measured temperature acquisition method (subroutine 2) according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a graph schematically showing a configuration of power consumption in a low temperature (measured temperature Ta ⁇ reference temperature Tref), that is, an idle power reduction mode, of the semiconductor device according to the example of the first embodiment.
  • 4 is a graph schematically showing a configuration of power consumption in a semiconductor device according to an example of the first embodiment at a high temperature (reference temperature Tref ⁇ measured temperature Ta), that is, in a leakage power reduction mode.
  • 3 is a graph showing temperature dependence of power consumption of a semiconductor device according to an example of the first embodiment.
  • 10 is a block diagram illustrating a configuration example of an application processor 601 according to Embodiment 2.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) for explaining leakage current.
  • MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor
  • the MOSFET shown in FIG. 1 includes a silicon substrate 90, a gate 91, a source 92, a drain 93, and a gate insulating film 94. Further, this MOSFET includes a sidewall 95 formed on the side surface of the gate 91, a gate contact 96 formed on the gate 91, a source contact 97 formed on the source 92, and a drain contact 98 formed on the drain 93. It has.
  • a subthreshold leak current I SUB a gate leak current (gate tunnel current) I GATE , and a GIDL (Gate-Induced Drain Leakage) current I GIDL .
  • the subthreshold leakage current I SUB is a current that flows between the drain 93 and the source 92 when the MOSFET is off.
  • the subthreshold leakage current I SUB tends to increase with a decrease in threshold voltage in recent MOSFETs.
  • the subthreshold leakage current I SUB has a large temperature dependence, and increases rapidly as the junction temperature (channel temperature) of the MOSFET increases.
  • the gate leakage current (gate tunneling current) I GATE is generated between the gate 91 and the silicon substrate 90 (or between the gate 91 and the source 92 or between the gate 91 and the drain) because electrons pass through the thin gate insulating film 94 by the tunnel effect. 93).
  • a GIDL (Gate-Induced Drain Leakage) current I GIDL is a current that flows through the drain 93 and the silicon substrate 90 because an electric field between the gate 91 and the drain 92 causes a tunnel phenomenon.
  • the gate leakage current I GATE and the GIDL current I GIDL increase as the gate insulating film 94 becomes thinner as the MOSFET is miniaturized. On the other hand, the temperature dependence of the gate leakage current I GATE and the GIDL current I GIDL is small.
  • FIG. 2A is a graph showing the operating frequency dependence of power consumption in a certain processing load.
  • FIG. 2B is a graph showing temperature dependence of power consumption in a certain processing load.
  • the power consumption is composed of active power P A , idle power P I , and leak power P L.
  • the active power P A a power consumed by the semiconductor device to perform the actual processing. Therefore, if the processing load is also constant active power P A becomes constant.
  • the idle power is power that is consumed when the status (operating state) of the semiconductor device is in an idle state, and is always consumed if a power supply and a clock are supplied.
  • Leakage power is power consumed by leakage current, and is always consumed when power is supplied.
  • the status of the semiconductor device will be described. There are three statuses of the semiconductor device: an active state, an idle state, and a shutdown state.
  • the active state is a state where power and a clock are supplied and processing is actually performed.
  • the semiconductor device is an application processor for a wireless communication terminal, it is in a state of actually performing processing such as wireless data communication, music playback, and video playback.
  • the active state all of the active power P A , the idle power P I and the leak power P L are generated.
  • the idle state (also referred to as a stall state) is a state in which power and a clock are supplied but processing is not actually executed (that is, a state waiting for a response from the target).
  • idle power P I and leakage power P L occurs, active power P A is not generated.
  • the shutdown state is a state where power and a clock are not supplied. In the shutdown state, none of the active power P A , the idle power P I , and the leak power P L is generated.
  • the active power P A and the leak power P L do not show operating frequency (frequency of the operating clock) dependency.
  • idle power P I increases in proportion to the operating frequency. Therefore, the overall power consumption also increases as the operating frequency increases.
  • the active power P A and the idle power P I do not show temperature dependence.
  • the leakage power P L is sharply increases with increasing temperature. Therefore, the overall power consumption also increases rapidly with increasing temperature.
  • FIG. 3 is a table summarizing the dependence on the operating frequency and temperature for each of the leakage power P L , the idle power P I , and the active power P A.
  • the leakage power P L does not depend on the operating frequency, dependent on the temperature.
  • the temperature increases as the temperature increases.
  • Idle power P I is dependent on the operating frequency, it does not depend on the temperature.
  • FIG. 2A it rises as the operating frequency rises.
  • Active power P A does not depend on any operating frequency and temperature.
  • FIG. 4A and 4B are comparative examples studied by the present inventors.
  • the power consumption of a semiconductor device in which the operating frequency is set high at low temperatures and the operating frequency is set low at high temperatures is examined.
  • FIG. 4A is a graph schematically showing a configuration of power consumption at a low temperature of the semiconductor device according to the comparative example.
  • FIG. 4B is a graph schematically showing a configuration of power consumption at a high temperature of the semiconductor device according to the comparative example.
  • FIG. 4A and FIG. 4B each show a configuration of power consumption in a certain processing load.
  • the horizontal axis represents time [s] and the vertical axis represents power consumption [W / s] per unit time.
  • the operation clock (CLOCK) and status (STATUS) are shown according to the time on the horizontal axis.
  • the leak power P L and the idle power P I per unit time are constant regardless of the idle state or the active state. Active power P A occurs only in the active state. Further, no power consumption occurs in the shutdown state.
  • the time integral value of the power consumption per unit time shown in FIGS. 4A and 4B (that is, the area of the graph shown in FIGS. 4A and 4B, that is, the number of cells) is the power consumption.
  • the inventors examined the power consumption reduction of the semiconductor device. The details will be described below.
  • FIGS. 5A and 5B are external views showing a configuration example of the wireless communication terminal 500.
  • FIG. 5A and 5B are external views showing a configuration example of the wireless communication terminal 500.
  • the wireless communication terminal 500 is a smartphone.
  • the wireless communication terminal 500 may be another wireless communication terminal such as a feature phone (for example, a foldable mobile phone terminal), a mobile game terminal, a tablet PC (Personal Computer), or a notebook PC.
  • a feature phone for example, a foldable mobile phone terminal
  • a mobile game terminal for example, a mobile game terminal
  • a tablet PC Personal Computer
  • notebook PC notebook PC
  • the semiconductor device according to this embodiment can also be applied to devices other than wireless communication terminals.
  • FIG. 5A shows one main surface (front surface) of the housing 501 forming the wireless communication terminal 500.
  • a display device 502, a touch panel 503, several operation buttons 504, and a camera device 505 are arranged on the front surface of the housing 501.
  • FIG. 5B shows the other main surface (back surface) of the housing 501.
  • a camera device 506 is disposed on the back surface of the housing 501.
  • the display device 502 is a display device such as a liquid crystal display (LCD: Liquid Crystal Display) or an organic EL display (OLED: Organic Light-Emitting Diode).
  • LCD Liquid Crystal Display
  • OLED Organic Light-Emitting Diode
  • the touch panel 503 is disposed so as to cover the display surface of the display device 502 or is disposed on the back surface side of the display device 502, and detects a contact position on the display surface by the user. That is, the user can intuitively operate the wireless communication terminal 500 by touching the display surface of the display device 502 with a finger or a dedicated pen (generally called a stylus).
  • the operation button 504 is used for an auxiliary operation on the wireless communication terminal 500. Note that such operation buttons may not be provided depending on the wireless communication terminal.
  • the camera device 505 is a sub camera arranged so that its lens unit is located on the front surface of the housing 501. Depending on the wireless communication terminal, such a sub camera may not be provided.
  • the camera device 506 is a main camera arranged so that its lens unit is located on the back surface of the housing 501.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a configuration example of radio communication apparatus 600 according to Embodiment 1.
  • the wireless communication device 600 is, for example, the internal configuration of the wireless communication terminal 500 shown in FIGS. 5A and 5B.
  • the wireless communication apparatus 600 includes an application processor (host IC) 601, a baseband processor 602, an RFIC (Radio Frequency Integrated Circuit) 603, a main memory 604, a battery 605, and a power management IC (PMIC).
  • Integrated Circuit 606, a display unit 607, a camera unit 608, an operation input unit 609, an audio IC 610, a microphone 611, and a speaker 612.
  • Application processor (host IC) 601 is a semiconductor integrated circuit that reads a program stored in main memory 604 and performs processing for realizing various functions of wireless communication apparatus 600.
  • the application processor 601 reads an OS (Operating System) program from the main memory 604 and executes it, and also executes an application program based on the OS program.
  • OS Operating System
  • the baseband processor 602 performs baseband processing including encoding (for example, error correction encoding such as convolutional code and turbo code) processing or decoding processing on data transmitted and received by the mobile communication terminal.
  • encoding for example, error correction encoding such as convolutional code and turbo code
  • the baseband processor 602 receives transmission audio data from the audio IC 610, performs an encoding process on the received transmission audio data, and transmits it to the RFIC 603.
  • the baseband processor 602 receives the received audio data from the RFIC 603, performs a decoding process on the received received audio data, and transmits it to the audio IC 610.
  • the RFIC 603 performs analog RF signal processing.
  • Analog RF signal processing includes frequency up-conversion, frequency down-conversion, amplification and the like.
  • the RFIC 603 generates a transmission RF signal from the transmission voice data modulated by the baseband processor 602, and wirelessly transmits the transmission RF signal via an antenna.
  • the RFIC 603 wirelessly receives a reception RF signal via an antenna, generates reception voice data from the reception RF signal, and transmits the reception voice data to the baseband processor 602.
  • the main memory (external memory) 604 stores programs and data used by the application processor 601.
  • a DRAM Dynamic Random Access Memory
  • the main memory 604 may be a non-volatile memory that holds stored data when the power is turned off.
  • the battery 605 is a battery and is used when the wireless communication apparatus 600 operates without depending on an external power source. Note that the wireless communication apparatus 600 may use the power supply of the battery 605 even when an external power supply is connected. As the battery 605, a secondary battery is preferably used.
  • the power management IC 606 generates an internal power supply from the battery 605 or an external power supply. This internal power supply is given to each block of the wireless communication apparatus 600. At this time, the power management IC 606 controls the voltage of the internal power supply for each block that receives the supply of the internal power supply. The power management IC 606 performs voltage control of the internal power supply based on an instruction from the application processor 601. Further, the power management IC 606 can control supply and interruption of internal power for each block. The power management IC 606 also controls charging to the battery 605 when external power is supplied.
  • the display unit 607 corresponds to the display device 502 in FIGS. 5A and 5B, and is a display device such as a liquid crystal display (LCD) or an organic EL display (OLED: Organic Light-Emitting Diode). .
  • the display unit 607 displays various images according to processing in the application processor 601.
  • the image displayed on the display unit 607 includes a user interface image, a camera image, a moving image, and the like that the user gives an operation instruction to the wireless communication apparatus 600.
  • the camera unit 608 acquires an image in accordance with an instruction from the application processor 601.
  • the camera unit 608 corresponds to the camera devices 505 and 506 in FIGS. 5A and 5B.
  • the operation input unit 609 is a user interface that is operated by a user to give an operation instruction to the wireless communication apparatus 600.
  • the operation input unit 609 corresponds to the touch panel 503 and the operation buttons 504 in FIGS. 5A and 5B.
  • the audio IC 610 converts received audio data, which is a digital signal received from the baseband processor 602, into an analog signal, and drives the speaker 612. As a result, sound is output from the speaker 612. On the other hand, the audio IC 610 performs analog / digital (A / D) conversion on the audio, which is an analog signal detected by the microphone 611, and outputs it to the baseband processor 602.
  • FIG. 7 is a block diagram illustrating a configuration example of the application processor 601 according to the first embodiment.
  • the application processor 601 according to the first embodiment includes a CPU (calculation unit), a temperature sensor TS, a power reduction mode control unit (control unit) 100, a clock generation unit CPG, and a power supply control unit PSC. ing.
  • the power reduction mode control unit 100 includes a temperature monitoring unit TM, a reference temperature calculation unit RC, a cycle measurement unit CM, a storage unit REG, a comparison unit CMP, and a mode determination unit MD.
  • a temperature monitoring unit TM a reference temperature calculation unit RC
  • a cycle measurement unit CM a storage unit REG
  • a comparison unit CMP a comparison unit CMP
  • MD mode determination unit MD.
  • thick arrows indicate data
  • thin arrows indicate various control signals and clocks.
  • the application processor 601 is provided on one semiconductor chip.
  • the power reduction mode control unit 100 controls the power reduction mode according to the chip temperature (temperature of the semiconductor chip) measured by the temperature sensor TS. Specifically, if the chip temperature exceeds a predetermined reference temperature, the power reduction mode control unit 100 selects the leakage power reduction mode (first mode), and the CPU operation clock generated by the clock generation unit CPG is selected. Set the frequency higher.
  • the power reduction mode control unit 100 selects the idle power reduction mode (second mode), and the CPU operating clock generated by the clock generation unit CPG. Set a low frequency. That is, the power reduction mode control unit 100 controls the frequency of the operation clock generated by the clock generation unit CPG.
  • the CPU operates according to the operation clock ck1 output from the clock generation unit CPG. That is, the operating frequency of the CPU is the frequency of the operating clock ck1.
  • the CPU outputs an initialization signal rst to the storage unit REG when the system is activated, and initializes various data stored in the storage unit REG. Thereafter, the CPU outputs a start request req1 for requesting the start of the subroutine 1 for calculating the reference temperature Tref to the reference temperature calculation unit RC. Details of the subroutine 1 will be described later. Further, the CPU outputs a start request req2 for requesting the temperature monitoring unit TM to start the subroutine 2 for acquiring the measured temperature Ta. Details of the subroutine 2 will be described later.
  • the temperature sensor TS is a so-called on-chip temperature sensor, and measures the chip temperature (also referred to as a junction temperature or a channel temperature) of the application processor 601.
  • the temperature monitoring unit TM starts monitoring the measured temperature Ta measured by the temperature sensor TS in response to the start request req2 of the subroutine 2 output from the CPU.
  • the temperature monitoring unit TM includes a timer inside.
  • the timer is a counter, for example.
  • the timer repeats counting up from 0 to the maximum value.
  • the temperature monitoring unit TM outputs a measurement request req5 to the temperature sensor TS at the timing when the timer reaches the maximum value, and acquires the measurement temperature Ta from the temperature sensor TS. That is, the temperature monitoring unit TM repeatedly acquires the measured temperature Ta from the temperature sensor TS. Then, the temperature monitoring unit TM outputs the measured temperature Ta acquired from the temperature sensor TS to the mode determination unit MD.
  • the maximum value (limit value) of the timer is stored in the storage unit REG, for example.
  • the configuration of the timer is not limited to the above.
  • the reference temperature calculation unit RC starts calculating the reference temperature Tref in response to the start request req1 of the subroutine 1 output from the CPU.
  • the reference temperature calculation unit RC includes a timer inside. This timer has the same configuration as the timer of the temperature monitoring unit TM.
  • the temperature monitoring unit TM outputs a measurement request req3 such as an active cycle ac1 to the cycle measurement unit CM, for example, at the timing when the timer reaches the maximum value. That is, the reference temperature calculation unit RC repeatedly outputs a measurement request req3 to the cycle measurement unit CM.
  • the maximum value (limit value) of the timer is stored in the storage unit REG, for example.
  • the active cycle ac1 [Hz] is the total number of cycles of the operation clock per unit time in which the status is active.
  • the reference temperature calculation unit RC When the reference temperature calculation unit RC receives the reference change request req4 output from the comparison unit CMP, the reference temperature calculation unit RC acquires the calculation basic data d1 from the storage unit REG and also acquires the calculation measurement data d2 from the cycle measurement unit CM. . Then, the reference temperature calculation unit RC calculates the reference temperature Tref using the obtained calculation basic data d1 and calculation measurement data d2, and outputs the reference temperature Tref to the mode determination unit MD.
  • the basic data for calculation d1 includes a reference temperature calculation formula and element idle power.
  • the reference temperature calculation formula is a calculation formula for calculating the reference temperature Tref.
  • the element idle power [W / Hz] is the idle power P I per operating frequency (the slope of the idle power P I in FIG. 2A).
  • the measurement data for calculation d2 includes an idle cycle C I and a shutdown ratio r.
  • the idle cycle C I [Hz] is the total number of cycles of the operation clock per unit time in which the status is in the idle state.
  • the shutdown ratio r is a ratio per unit time at which the status becomes the shutdown state.
  • the cycle measurement unit CM measures the active cycle ac1, the idle cycle C I , and the shutdown ratio r according to the measurement request req3 output from the reference temperature calculation unit RC. Then, the cycle measurement unit CM outputs the acquired active cycle ac1 to the comparison unit CMP. Furthermore, the cycle measurement unit CM stores the acquired active cycle ac1 in the storage unit REG as a new reference active cycle ac2 in response to the reference change request req4 output from the comparison unit CMP. On the other hand, the cycle measuring unit CM is output to the reference temperature calculation section RC the measured idle cycles C I and shutdown ratio r as computed measurement data d2.
  • the storage unit REG is a register that holds various data.
  • the storage unit REG according to the present embodiment holds a limit value of a timer provided in the temperature monitoring unit TM and the reference temperature calculation unit RC, basic data for calculation d1, and a reference active cycle ac2.
  • Various data stored in the storage unit REG is initialized according to an initialization signal rst output from the CPU when the system is started.
  • the comparison unit CMP compares the active cycle ac1 acquired from the cycle measurement unit CM with the reference active cycle ac2 held in the storage unit REG.
  • the comparison unit CMP outputs a reference change request req4 for changing the reference temperature Tref to the reference temperature calculation unit RC if the change of the active cycle ac1 with respect to the reference active cycle ac2 is large.
  • the comparison unit CMP does not output the reference change request req4 to the reference temperature calculation unit RC if the change of the active cycle ac1 with respect to the reference active cycle ac2 is small.
  • the reference change request req4 is not output, and if ac2 ⁇ 0.9 ⁇ ac1 ⁇ ac2 ⁇ 1.1 is not satisfied, The reference change request req4 is output.
  • the reference change request req4 output from the comparison unit CMP is also input to the cycle measurement unit CM. Then, the cycle measuring unit CM stores the acquired active cycle ac1 in the storage unit REG as a new reference active cycle ac2.
  • the comparison unit CMP outputs the reference change request req4
  • the active cycle ac1 compared by the comparison unit CMP may be stored in the storage unit REG as a new reference active cycle ac2.
  • the mode determination unit MD compares the reference temperature Tref acquired from the reference temperature calculation unit RC and the measured temperature Ta acquired from the temperature monitoring unit TM to determine the power reduction mode. Specifically, for example, when Ta ⁇ Tref is satisfied, the idle power reduction mode is selected, and when Ta ⁇ Tref is not satisfied, the leakage power reduction mode is selected.
  • the mode determination unit MD outputs a mode signal (control signal) mod corresponding to the determination result to the clock generation unit CPG.
  • the clock generation unit CPG generates an operation clock ck1 of the CPU according to the mode signal mod output from the mode determination unit MD. Specifically, in the idle power reduction mode, the clock generation unit CPG sets the frequency (operation frequency) of the operation clock ck1 to be output low, and in the leak power reduction mode, the frequency of the operation clock ck1 to be output is increased. Set.
  • the power controller PSC outputs a power enable signal psen1 for controlling on / off of the power supply switch SW1 connected to the CPU.
  • ON / OFF of the power supply switch SW1 is controlled according to the state of the CPU. Specifically, when the CPU state is the active state or the idle state, the power supply switch SW1 is turned on, and the power supply voltage is supplied to the CPU. On the other hand, when the CPU state is the shutdown state, the power supply switch SW1 is turned off, and the supply of the power supply voltage to the CPU is stopped.
  • the power supply switch SW1 is composed of, for example, a MOSFET, and a power enable signal psen1 is input to its gate terminal (control terminal).
  • FIG. 8 is a flowchart for explaining the power reduction mode control method (main routine) according to the first embodiment.
  • the CPU starts the main routine. As shown in FIG. 8, first, the CPU outputs an initialization signal rst to the storage unit REG, and various data stored in the storage unit REG (limit values of timers provided in the temperature monitoring unit TM and the reference temperature calculation unit RC). , Basic data for calculation d1, reference active cycle ac2) is initialized (step S1).
  • the CPU outputs a start request req1 of the subroutine 1 for calculating the reference temperature Tref to the reference temperature calculation unit RC.
  • the reference temperature calculation unit RC starts the subroutine 1 (step S2). Details of the subroutine 1 will be described later.
  • step S3 the CPU outputs a start request req2 of a subroutine 2 for acquiring the measured temperature Ta to the temperature monitoring unit TM.
  • the temperature monitoring unit TM starts the subroutine 2 (step S3). Details of the subroutine 2 will be described later. Note that the order of step S2 and step S3 may be reversed.
  • the reference temperature calculation unit RC sets the reference temperature Tref acquired by the subroutine 1 in the mode determination unit MD (step S4). Furthermore, the temperature monitoring unit TM sets the measured temperature Ta acquired by the subroutine 2 in the mode determination unit MD (step S5). Note that the order of step S4 and step S5 may be reversed.
  • the mode determination unit MD compares the measured temperature Ta with the reference temperature Tref and determines whether Ta ⁇ Tref is satisfied (step S6).
  • the mode determination unit MD selects the idle power reduction mode, and the clock generation unit CPG sets the frequency of the operation clock ck1 of the CPU to be low (step S7). For example, the lowest frequency at which the CPU can operate without hindering the processing is set. Then, it returns to step S4 and repeats mode determination.
  • step S6 NO when Ta ⁇ Tref is not satisfied (step S6 NO), the mode determination unit MD selects the leakage power reduction mode, and the clock generation unit CPG sets the frequency of the operation clock ck1 of the CPU high (step S8). For example, the maximum frequency at which the CPU can operate is set. Then, it returns to step S4 and repeats mode determination.
  • FIG. 9 is a flowchart for explaining the reference temperature calculation method (subroutine 1) according to the first embodiment.
  • the reference temperature calculation unit RC In response to the start request req1 of the subroutine 1 from the CPU, the reference temperature calculation unit RC starts the subroutine 1. First, the reference temperature calculation unit RC resets the value of a timer provided therein (step S11).
  • the reference temperature calculation unit RC outputs the measurement request req3 of the active cycle ac1 to the cycle measurement unit CM (step S12).
  • the cycle measurement unit CM measures the active cycle ac1 and outputs it to the comparison unit CMP (step S13).
  • the cycle measuring unit CM also measures the idle cycle C I [Hz] and the shutdown ratio r.
  • the comparison unit CMP compares the active cycle ac1 acquired from the cycle measurement unit CM with the reference active cycle ac2 stored in the storage unit REG. Specifically, for example, it is determined whether or not ac2 ⁇ 0.9 ⁇ ac1 ⁇ ac2 ⁇ 1.1 is satisfied (step S14). That is, it is determined whether or not the change of the active cycle ac1 with respect to the reference active cycle ac2 is less than 10%.
  • the numerical value of 10% is merely an example, and can be appropriately set according to the purpose, application, and the like.
  • step S14 If ac2 ⁇ 0.9 ⁇ ac1 ⁇ ac2 ⁇ 1.1 is satisfied (YES in step S14), the comparison unit CMP returns to step S11 without outputting the reference change request req4 to the reference temperature calculation unit RC. That is, when the change of the active cycle ac1 with respect to the reference active cycle ac2 is small, the comparison unit CMP does not output the reference change request req4 to the reference temperature calculation unit RC.
  • a reference change request req4 is output to the reference temperature calculation unit RC (step S15). That is, when the change of the active cycle ac1 with respect to the reference active cycle ac2 is large, the comparison unit CMP outputs a reference change request req4 to the reference temperature calculation unit RC. The reference change request req4 is also input to the cycle measurement unit CM.
  • the cycle measurement unit CM stores the active cycle ac1 as a new reference active cycle ac2 in the storage unit REG (step S16). That is, when the reference temperature Tref is updated, the reference active cycle ac2 is also updated.
  • the reference temperature calculation unit RC responds to the reference change request req4, and the element idle power E I [W / Hz] stored in the storage unit REG and the idle cycle C I [Hz] acquired from the cycle measurement unit CM.
  • the reference temperature calculation unit RC calculates the reference temperature Tref using the reference temperature calculation formula and the shutdown ratio stored in the storage unit REG (Step S18). Thereafter, the process returns to step S11, and the flow of steps S11 to S18 is repeated.
  • the leakage current i L [A] per transistor has a coefficient ⁇ [A / nm], a gate width W [nm], a threshold voltage V T [V], a subthreshold coefficient n, and a temperature voltage Ut [V].
  • ⁇ [A / nm]
  • W gate width
  • V T threshold voltage
  • n subthreshold coefficient
  • Ut temperature voltage
  • the coefficient ⁇ and the subthreshold coefficient n can be obtained from experiments.
  • i L ⁇ ⁇ W ⁇ exp ⁇ V T / (n ⁇ Ut) ⁇ (Formula 1)
  • Ut kT / q (Formula 2)
  • the leakage current I L [A] of the semiconductor device can be expressed by the following Equation 3 from Equation 1, Equation 2 using the number N of transistors constituting the semiconductor device and the shutdown ratio r.
  • I L ⁇ ⁇ W ⁇ exp ⁇ V T ⁇ q / (n ⁇ kT) ⁇ ⁇ N ⁇ (1-r) ... (Formula 3)
  • T ( ⁇ V T ⁇ q) / (n ⁇ k) / ln [I L / ⁇ ⁇ W ⁇ N ⁇ (1-r) ⁇ ] ... (Formula 4)
  • T C ( ⁇ V T ⁇ q) / (n ⁇ k) / ln [I L / ⁇ ⁇ W ⁇ N ⁇ (1 ⁇ r) ⁇ ] ⁇ T 0 ... (Formula 5)
  • This reference temperature Tref [° C.] can be expressed by the following equation 6 from equation 5.
  • the value of m may be determined as appropriate, and is set to about 10, for example.
  • This formula 6 becomes a reference temperature calculation formula.
  • FIG. 10 is a flowchart for explaining the measured temperature acquisition method (subroutine 2) according to the first embodiment.
  • the temperature monitoring unit TM starts the subroutine 2.
  • the temperature monitoring unit TM resets the value of a timer provided therein (step S21).
  • the temperature monitoring unit TM outputs a temperature measurement request req5 to the temperature sensor TS (step S22).
  • the temperature monitoring unit TM acquires the measurement temperature Ta output from the temperature sensor TS in response to the measurement request req5 (step S23). Thereafter, the process returns to step S21, and the flow of steps S21 to S23 is repeated.
  • FIG. 11A is a graph schematically showing a configuration of power consumption in the semiconductor device according to the example of the first embodiment at low temperature (measurement temperature Ta ⁇ reference temperature Tref), that is, in the idle power reduction mode.
  • FIG. 11B is a graph schematically showing a configuration of power consumption in the semiconductor device according to the example of the first embodiment at a high temperature (reference temperature Tref ⁇ measured temperature Ta), that is, in a leakage power reduction mode.
  • FIGS. 11A and 11B are graphs of the same type as FIGS. 4A and 4B according to the comparative example.
  • the horizontal axis represents time [s]
  • the vertical axis represents power consumption [W / s] per unit time.
  • the operation clock (CLOCK) and status (STATUS) are shown according to the time on the horizontal axis.
  • the leakage power P L and the idle power P I per unit time regardless of the idle state and an active state, is constant. Active power P A occurs only in the active state. Further, no power consumption occurs in the shutdown state.
  • FIG. 11B The time integral value of the power consumption per unit time shown in FIGS. 11A and 11B (that is, the area of the graph shown in FIGS. 11A and 11B, that is, the number of cells) is the power consumption.
  • FIG. 12 is a graph showing the temperature dependence of the power consumption of the semiconductor device according to the example of the first embodiment shown in FIGS. 11A and 11B.
  • the horizontal axis is the temperature [° C.]
  • the vertical axis is the power consumption [mW]
  • the power consumption of the embodiment is indicated by a solid line.
  • the power consumption of the semiconductor device according to the comparative example shown in FIGS. 4A and 4B is also indicated by broken lines.
  • the operation frequency when the temperature is lower than the reference temperature Tref, the operation frequency is decreased, and when the temperature is higher than the reference temperature Tref, the operation frequency is increased.
  • control is performed such that the operating frequency is increased when the temperature is lower than the reference temperature Tref, and the operating frequency is decreased when the temperature is higher than the reference temperature Tref.
  • the power consumption of the example is smaller than that of the comparative example.
  • the difference in power consumption between the example and the comparative example is small.
  • the difference increases as the temperature becomes higher or lower than the reference temperature Tref.
  • the effect of reducing leakage power in a high temperature range is great.
  • the semiconductor device As described above, in the semiconductor device according to the present embodiment, among the leakage power P L that increases rapidly with idle power P I and the temperature rise which increases in proportion to the operating frequency, is to reduce any It is judged by comparing the reference temperature Tref and the measured temperature Ta whether it contributes to the power consumption reduction as a whole. And based on this comparison result, power consumption is reduced by appropriately controlling the operating frequency.
  • the measured temperature Ta is less than the reference temperature Tref, when the leakage power P L is small, the power reduction mode controller (controller) 100 controls to lower the operating frequency. This reduces idle power P I is able to reduce power consumption as a whole.
  • the measured temperature Ta is higher than the reference temperature Tref, when the leakage power P L is large, the power reduction mode controller (controller) 100 controls so as to increase the operating frequency. That is, by a short time the active state (prolonged shutdown state), reduces leakage power P L is, it is possible to reduce power consumption as a whole.
  • FIG. 13 is a block diagram illustrating a configuration example of the application processor 601 according to the second embodiment.
  • the application processor 601 according to the second embodiment includes an image processing unit IPU and an audio processing unit VPU in addition to the configuration of the application processor 601 according to the first embodiment shown in FIG. .
  • thick arrows indicate data
  • thin arrows indicate various control signals and clocks.
  • the image processing unit IPU is a processor dedicated to image processing, and includes, for example, a DSP (Digital Signal Processor).
  • the operation clock ck2 output from the clock generation unit CPG is input to the image processing unit IPU.
  • the image processing unit IPU executes processing in a use case that requires image processing such as moving image reproduction, and the status is always in use case that does not require image processing.
  • the shutdown state is entered.
  • the voice processing unit VPU is a processor dedicated to voice processing, and is composed of, for example, a DSP (Digital Signal Processor).
  • the operation clock ck3 output from the clock generation unit CPG is input to the audio processing unit VPU.
  • the voice processing unit VPU executes processing in a use case that requires voice processing such as music playback, and the status is always in use case that does not require voice processing.
  • the shutdown state is entered.
  • the power controller PSC outputs a power enable signal psen1 for controlling on / off of the power supply switch SW1 connected to the CPU. Further, the power control unit PSC outputs a power enable signal psen2 for controlling on / off of the power supply switch SW2 connected to the image processing unit IPU. Further, the power control unit PSC outputs a power enable signal psen3 for controlling on / off of the power supply switch SW3 connected to the audio processing unit VPU.
  • the power supply switches SW1 to SW3 are made of, for example, MOSFETs, and power enable signals psen1 to psen3 are input to their gate terminals (control terminals), respectively.
  • ON / OFF of the power supply switch SW1 is controlled according to the state of the CPU. Specifically, when the CPU state is an active state or an idle state, the power supply switch SW1 is turned on. On the other hand, when the CPU state is the shutdown state, the power supply switch SW1 is turned off.
  • the power supply switch SW2 is controlled according to the state of the image processing unit IPU. Specifically, when the state of the image processing unit IPU is an active state or an idle state, the power supply switch SW2 is turned on. On the other hand, when the state of the image processing unit IPU is the shutdown state, the power supply switch SW2 is turned off.
  • the power supply switch SW3 is controlled according to the state of the audio processing unit VPU. Specifically, when the state of the voice processing unit VPU is an active state or an idle state, the power supply switch SW3 is turned on. On the other hand, when the state of the voice processing unit VPU is the shutdown state, the power supply switch SW3 is turned off. Since other configurations are the same as those of the semiconductor device according to the first embodiment, detailed description thereof is omitted.
  • FIG. 14A to FIG. 14E are sequence diagrams for explaining details of the power reduction mode control method according to actual use cases (music playback and video playback). Numbers from ⁇ 1> to ⁇ 11> are shown at the left end of FIGS. 14A to 14E. A description will be given in order along this number.
  • ⁇ 1> Operation at System Startup When the system is started up, the CPU starts a main routine. First, as shown in FIG. 14A, the CPU outputs an initialization signal rst to the storage unit REG, and various data stored in the storage unit REG (limit values of timers provided in the temperature monitoring unit TM and the reference temperature calculation unit RC). , Basic data for calculation d1, reference active cycle ac2) are initialized. Note that the chip temperature at startup is 20 ° C., and the use case after startup is music playback.
  • the CPU outputs a start request req1 for requesting the reference temperature calculation unit RC to start the subroutine 1 for calculating the reference temperature Tref.
  • the CPU outputs a start request req2 for requesting the temperature monitoring unit TM to start the subroutine 2 for acquiring the measured temperature Ta.
  • Reference temperature calculation (subroutine 1) and measurement temperature acquisition (subroutine 2)
  • the reference temperature calculation unit RC resets the internal timer, and outputs a measurement request req3 of various measurement data to the cycle measurement unit CM when the timer expires.
  • the cycle measuring unit CM measures the active cycle ac1 and calculation measurement data d2 (idle cycle C I and shutdown ratio r). Subsequently, the cycle measurement unit CM sends the active cycle ac1 acquired by the comparison unit to the comparison unit CMP.
  • the comparison unit CMP compares the active cycle ac1 sent from the cycle measurement unit CM with the reference active cycle ac2 stored in the storage unit REG. Specifically, for example, it is determined whether or not ac2 ⁇ 0.9 ⁇ ac1 ⁇ ac2 ⁇ 1.1 is satisfied. That is, it is determined whether or not the change of the active cycle ac1 with respect to the reference active cycle ac2 is less than 10%. As described above, the numerical value of 10% is merely an example.
  • the comparison unit CMP outputs a reference change request req4 for changing the reference temperature Tref to the reference temperature calculation unit RC.
  • the reference change request req4 is an enable signal, for example, and outputting the reference change request req4 means that the value of the enable signal is 1.
  • the reference change request req4 is also input to the cycle measurement unit CM.
  • the cycle measurement unit CM sends the active cycle ac1 to the storage unit REG as a new reference active cycle ac2 (not shown in FIG. 14A, but corresponds to step S16 in FIG. 9). .
  • reference temperature calculation unit RC requests the sending of calculation measurement data d2 (idle cycle C I and shutdown ratio r) with respect to the cycle measuring unit CM.
  • the cycle measurement unit CM sends the calculation measurement data d2 to the reference temperature calculation unit RC.
  • the reference temperature calculation unit RC requests the storage unit REG to send basic data for calculation d1 (reference temperature calculation formula and element idle power).
  • the storage unit REG sends the calculation basic data d1 to the reference temperature calculation unit RC.
  • the temperature monitoring unit TM resets the internal timer and outputs a temperature measurement request req5 to the temperature sensor TS when the timer expires.
  • the temperature sensor TS acquires the measurement temperature Ta and sends it to the temperature monitoring unit TM.
  • Ta 22 ° C.
  • the temperature monitoring unit TM sends the measured temperature Ta acquired from the temperature sensor TS to the mode determination unit MD.
  • the mode determination unit MD compares the measured temperature Ta with the reference temperature Tref and determines whether Ta ⁇ Tref is satisfied.
  • the mode determination unit MD selects the idle power reduction mode. Therefore, the clock generation unit CPG changes the frequency of the operation clock ck1 to be output (CPU operation frequency) from the maximum frequency fmax [Hz] to the idle power reduction mode frequency f1 [Hz].
  • the reference temperature calculation unit RC resets the internal timer after sending the reference temperature Tref to the mode determination unit MD.
  • the reference temperature calculation unit RC outputs a measurement request req3 for various measurement data to the cycle measurement unit CM when the timer expires.
  • the cycle measuring unit CM measures the active cycle ac1 and calculation measurement data d2 (idle cycle C I and shutdown ratio r). Subsequently, the cycle measurement unit CM sends the active cycle ac1 acquired by the comparison unit to the comparison unit CMP.
  • the comparison unit CMP compares the active cycle ac1 sent from the cycle measurement unit CM with the reference active cycle ac2 stored in the storage unit REG. Specifically, for example, it is determined whether or not ac2 ⁇ 0.9 ⁇ ac1 ⁇ ac2 ⁇ 1.1 is satisfied. Here, since the use case remains music reproduction, it satisfies ac2 ⁇ 0.9 ⁇ ac1 ⁇ ac2 ⁇ 1.1. Therefore, the comparison unit CMP does not output the reference change request req4 for changing the reference temperature Tref to the reference temperature calculation unit RC. If this reference change request req4 is the enable signal, not outputting the reference change request req4 means that the value of the enable signal is 0.
  • the temperature monitoring unit TM resets the internal timer after sending the measured temperature Ta to the mode determining unit MD, and outputs a temperature measurement request req5 to the temperature sensor TS when the timer expires.
  • the temperature sensor TS acquires the measurement temperature Ta and sends it to the temperature monitoring unit TM.
  • Ta 23 ° C.
  • the temperature monitoring unit TM sends the measured temperature Ta acquired from the temperature sensor TS to the mode determination unit MD.
  • the mode determination unit MD compares the measured temperature Ta with the reference temperature Tref and determines whether Ta ⁇ Tref is satisfied.
  • the mode determination unit MD selects the idle power reduction mode.
  • the operating frequency of the CPU is already the idle power reduction mode frequency f1 [Hz]. Therefore, the clock generation unit CPG does not switch the frequency of the operation clock ck1 to be output.
  • the comparison unit CMP compares the active cycle ac1 sent from the cycle measurement unit CM with the reference active cycle ac2 stored in the storage unit REG. Specifically, for example, it is determined whether or not ac2 ⁇ 0.9 ⁇ ac1 ⁇ ac2 ⁇ 1.1 is satisfied. Here, since the use case is changed from music playback to video playback, ac2 ⁇ 0.9 ⁇ ac1 ⁇ ac2 ⁇ 1.1 is not satisfied. Therefore, the comparison unit CMP outputs a reference change request req4 for changing the reference temperature Tref to the reference temperature calculation unit RC.
  • This reference change request req4 is also input to the cycle measurement unit CM, and in response to this reference change request req4, the cycle measurement unit CM sends the active cycle ac1 to the storage unit REG as a new reference active cycle ac2 (FIG. 14C). Is not shown in FIG. 9, but corresponds to step S16 in FIG. 9).
  • reference temperature calculation unit RC requests the sending of calculation measurement data d2 (idle cycle C I and shutdown ratio r) with respect to the cycle measuring unit CM.
  • the cycle measurement unit CM sends the calculation measurement data d2 to the reference temperature calculation unit RC.
  • the reference temperature calculation unit RC requests the storage unit REG to send basic data for calculation d1 (reference temperature calculation formula and element idle power).
  • the storage unit REG sends the calculation basic data d1 to the reference temperature calculation unit RC.
  • the temperature monitoring unit TM resets the internal timer after sending the measured temperature Ta to the mode determining unit MD, and outputs a temperature measurement request req5 to the temperature sensor TS when the timer expires.
  • the temperature sensor TS acquires the measurement temperature Ta and sends it to the temperature monitoring unit TM.
  • Ta 44 ° C.
  • the temperature monitoring unit TM sends the measured temperature Ta acquired from the temperature sensor TS to the mode determination unit MD.
  • the mode determination unit MD compares the measured temperature Ta with the reference temperature Tref and determines whether Ta ⁇ Tref is satisfied.
  • the mode determination unit MD selects the idle power reduction mode.
  • the operating frequency of the CPU is the idle power reduction mode frequency f1 [Hz] in music playback. Therefore, the clock generation unit CPG switches the frequency of the operation clock ck1 to be output to the idle power reduction mode frequency f2 [Hz] in moving image reproduction.
  • the reference temperature calculation unit RC resets the internal timer after sending the reference temperature Tref to the mode determination unit MD.
  • the reference temperature calculation unit RC outputs a measurement request req3 for various measurement data to the cycle measurement unit CM when the timer expires.
  • the cycle measuring unit CM measures the active cycle ac1 and calculation measurement data d2 (idle cycle C I and shutdown ratio r). Subsequently, the cycle measurement unit CM sends the active cycle ac1 acquired by the comparison unit to the comparison unit CMP.
  • the comparison unit CMP compares the active cycle ac1 sent from the cycle measurement unit CM with the reference active cycle ac2 stored in the storage unit REG. Specifically, for example, it is determined whether or not ac2 ⁇ 0.9 ⁇ ac1 ⁇ ac2 ⁇ 1.1 is satisfied. Here, since the use case is still a moving image reproduction, ac2 ⁇ 0.9 ⁇ ac1 ⁇ ac2 ⁇ 1.1 is satisfied. Therefore, the comparison unit CMP does not output the reference change request req4 for changing the reference temperature Tref to the reference temperature calculation unit RC.
  • the temperature monitoring unit TM resets the internal timer after sending the measured temperature Ta to the mode determining unit MD, and outputs a temperature measurement request req5 to the temperature sensor TS when the timer expires.
  • the temperature sensor TS acquires the measurement temperature Ta and sends it to the temperature monitoring unit TM.
  • Ta 70 ° C.
  • the temperature monitoring unit TM sends the measured temperature Ta acquired from the temperature sensor TS to the mode determination unit MD.
  • the comparison unit CMP compares the active cycle ac1 sent from the cycle measurement unit CM with the reference active cycle ac2 stored in the storage unit REG. Specifically, for example, it is determined whether or not ac2 ⁇ 0.9 ⁇ ac1 ⁇ ac2 ⁇ 1.1 is satisfied. Here, since the use case is still a moving image reproduction, ac2 ⁇ 0.9 ⁇ ac1 ⁇ ac2 ⁇ 1.1 is satisfied. Therefore, the comparison unit CMP does not output the reference change request req4 for changing the reference temperature Tref to the reference temperature calculation unit RC.
  • the temperature monitoring unit TM resets the internal timer after sending the measured temperature Ta to the mode determining unit MD, and outputs a temperature measurement request req5 to the temperature sensor TS when the timer expires.
  • the temperature sensor TS acquires the measurement temperature Ta and sends it to the temperature monitoring unit TM.
  • Ta 60 ° C.
  • the temperature monitoring unit TM sends the measured temperature Ta acquired from the temperature sensor TS to the mode determination unit MD.
  • the semiconductor device As described above, in the semiconductor device according to the present embodiment, among the leakage power P L that increases rapidly with idle power P I and the temperature rise which increases in proportion to the operating frequency, is to reduce any It is judged by comparing the reference temperature Tref and the measured temperature Ta whether it contributes to the power consumption reduction as a whole. And based on this comparison result, power consumption is reduced by appropriately controlling the operating frequency.
  • the measured temperature Ta is less than the reference temperature Tref, when the leakage power P L is small, to reduce the idle power P I by lowering the operating frequency, to reduce power consumption as a whole.
  • the measurement temperature Ta is the reference temperature Tref or more, if the leakage power P L is large, reduce increasing the operating frequency, by a short period of time the active state (for a long time the shutdown state), the leakage power P L As a whole, power consumption is reduced.
  • FIG. 15 is a flowchart for explaining the power reduction mode control method (main routine) according to the third embodiment.
  • the configuration of the semiconductor device according to the third embodiment is the same as that of the semiconductor device according to the first embodiment shown in FIG. 7, but the determination method in mode determination unit MD is different.
  • Steps S1 to S5 in FIG. 15 are the same as steps S1 to S5 in FIG.
  • the mode determination unit MD selects the leakage power reduction mode, and the clock generation unit CPG sets the frequency of the operation clock ck1 of the CPU high (step S8). For example, the maximum frequency at which the CPU can operate is set. Then, it returns to step S4 and repeats mode determination.
  • step S62 when Ta> Tref ⁇ 1.2 is not satisfied (NO in step S62), the mode determination unit MD does not select any mode, and the clock generation unit CPG does not change the frequency of the operation clock ck1 of the CPU. That is, it returns to step S4 as it is and repeats the mode determination.
  • the mode determination unit MD selects the leakage power reduction mode when the measured temperature Ta exceeds the upper limit reference temperature (Tref ⁇ 1.2 in FIG. 15), and the measured temperature Ta is set to the lower limit reference temperature (in FIG. 15). When it falls below (Tref ⁇ 0.8), the idle power reduction mode is selected. On the other hand, if the measured temperature Ta is not less than the lower limit reference temperature and not more than the upper limit reference temperature (in FIG. 15, Tref ⁇ 0.8 ⁇ Ta ⁇ Tref ⁇ 1.2), no mode is selected. That is, the clock generation unit CPG does not change the operating frequency.
  • the upper limit reference temperature and the lower limit reference temperature are determined from the reference temperature Tref, but may be determined separately. As a matter of course, any of steps S61 and S62 may be executed first.
  • FIG. 16A is a graph for explaining the temperature dependence of the power consumption when the temperature of the semiconductor device according to the example of the embodiment 3 rises.
  • the horizontal axis is the temperature [° C.]
  • the vertical axis is the power consumption [mW]
  • the power consumption of the embodiment is indicated by a solid line.
  • the power consumption of the semiconductor device according to the comparative example is also indicated by a broken line (same as the comparative example of FIG. 12).
  • FIG. 16A in the embodiment, when the temperature is lower than the lower limit reference temperature Tref ⁇ 0.8, the operation frequency is lowered, and when the temperature is higher than the upper limit reference temperature Tref ⁇ 1.2, the operation frequency is controlled to be increased. is doing.
  • the operating frequency when the temperature rises, the operating frequency is low in the temperature range equal to or lower than the upper reference temperature, and when the temperature exceeds the upper reference temperature, the operating frequency is switched to a higher operating frequency. Therefore, power consumption is comparable to that in the comparative example between the reference temperature Tref and the upper limit reference temperature Tref ⁇ 1.2.
  • the power consumption of the comparative example is not so high in this temperature range, and the power consumption is smaller than that of the comparative example as in the first embodiment as a whole.
  • FIG. 16B is a graph for explaining the temperature dependence of the power consumption when the temperature of the semiconductor device according to the example of Embodiment 3 falls.
  • the horizontal axis is the temperature [° C.]
  • the vertical axis is the power consumption [mW]
  • the power consumption of the embodiment is indicated by a solid line.
  • the power consumption of the semiconductor device according to the comparative example is also indicated by a broken line (same as the comparative example of FIG. 12).
  • FIG. 16B in the embodiment, when the temperature is lower than the lower limit reference temperature Tref ⁇ 0.8, the operation frequency is lowered, and when the temperature is higher than the upper limit reference temperature Tref ⁇ 1.2, the operation frequency is increased. is doing.
  • the operating frequency when the temperature drops, the operating frequency is high in the temperature range equal to or higher than the lower limit reference temperature, and when the temperature falls below the lower limit reference temperature, the operating frequency is switched to a lower operating frequency. Therefore, power consumption is comparable to that in the comparative example between the reference temperature Tref and the lower limit reference temperature Tref ⁇ 0.8.
  • the power consumption of the comparative example is not so high in this temperature range, and the power consumption is smaller than that of the comparative example as in the first embodiment as a whole.
  • the power consumption is effectively reduced while stabilizing the operation of the semiconductor device by reducing the number of times of switching of the operating frequency as compared with the semiconductor device according to the first embodiment. Can be reduced.
  • the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiments.
  • the present invention is not limited to the embodiments already described, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. It goes without saying that it is possible.
  • the operating voltage may be changed based on the comparison result between the reference temperature Tref and the measured temperature Ta.
  • Wireless communication terminal 501 Housing 502 Display device 503 Touch panel 504 Operation button 505 506 Camera device 600 Wireless communication apparatus 601 Application processor (host IC) 602 Baseband processor 603 RFIC 604 Main memory 605 Battery 606 PMIC 607 Display unit 608 Camera unit 609 Operation input unit 610 Audio IC 611 Microphone 612 Speaker CM Cycle measurement unit CMP Comparison unit CPG Clock generation unit CPU CPU IPU image processing unit MD mode determination unit PSC power supply control unit RC reference temperature calculation unit REG storage unit SW1 to SW3 power supply switch Ta measurement temperature TM temperature monitoring unit Tref reference temperature TS temperature sensor VPU audio processing unit

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Abstract

　一実施の形態に係る半導体装置（６０１）は、半導体チップに設けられた演算部（ＣＰＵ）及び半導体チップの温度を測定する温度センサ温度センサ（ＴＳ）を備え、温度センサ温度センサ（ＴＳ）により測定された測定温度（Ｔａ）を予め定められた基準温度（Ｔｒｅｆ）と比較し、測定温度（Ｔａ）が基準温度（Ｔｒｅｆ）よりも高い場合、演算部（ＣＰＵ）へ供給する動作クロックの周波数を第１の周波数から当該第１の周波数よりも高い第２の周波数へ切り換える。

Description

半導体装置及びその制御方法
　本発明は半導体装置及びその制御方法に関する。
　近年、半導体装置の微細化に伴い、高機能化、高性能化などが進む一方、消費電力に占めるリーク電力（リーク電流によって消費される電力）の割合は増加する傾向にある。このリーク電力は、温度により急激に変化することが知られている。
　ところで、特許文献１～３には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やプロセッサの温度に応じて動作周波数（動作クロックの周波数）を制御する技術が開示されている。
特開２０００－１８７５２３号公報 特開２００９－２３０６７０号公報 特開平７－１６０３６７号公報
　発明者らは、通信端末等に用いられる半導体装置の開発に際し、様々な課題を見出した。本願で開示される各実施の形態は、例えば通信端末等に好適な半導体装置を提供する。
　その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
　一実施の形態に係る半導体装置では、測定温度が予め定められた基準温度よりも高い場合、動作周波数を第１の周波数から当該第１の周波数よりも高い第２の周波数へ切り換える。
　一実施の形態によれば、例えば無線通信端末等の電子装置に好適であって、良質な半導体装置を提供することができる。
リーク電流を説明するためのＭＯＳＦＥＴの断面図である。 ある一定の処理負荷における消費電力の動作周波数依存性を示すグラフである。 ある一定の処理負荷における消費電力の温度依存性を示すグラフである。 リーク電力ＰＬ、アイドル電力ＰＩ、アクティブ電力ＰＡのそれぞれについて、動作周波数及び温度に対する依存性をまとめた一覧表である。 比較例に係る半導体装置の低温時における消費電力の構成を模式的に示すグラフである。 比較例に係る半導体装置の高温時における消費電力の構成を模式的に示すグラフである。 無線通信端末の構成例を示す外観図である。 無線通信端末の構成例を示す外観図である。 実施の形態１に係る無線通信装置の構成例を示すブロック図である。 実施の形態１に係るアプリケーションプロセッサ６０１の構成例を示すブロック図である。 実施の形態１に係る電力削減モード制御方法（メインルーチン）を説明するためのフローチャートである。 実施の形態１に係る基準温度算出方法（サブルーチン１）を説明するためのフローチャートである。 実施の形態１に係る測定温度取得方法（サブルーチン２）を説明するためのフローチャートである。 実施の形態１の実施例に係る半導体装置の低温時（測定温度Ｔａ＜基準温度Ｔｒｅｆ）すなわちアイドル電力削減モードにおける消費電力の構成を模式的に示すグラフである。 実施の形態１の実施例に係る半導体装置の高温時（基準温度Ｔｒｅｆ＜測定温度Ｔａ）すなわちリーク電力削減モードにおける消費電力の構成を模式的に示すグラフである。 実施の形態１の実施例に係る半導体装置の消費電力の温度依存性を示すグラフである。 実施の形態２に係るアプリケーションプロセッサ６０１の構成例を示すブロック図である。 実際のユースケース（音楽再生及び動画再生）に則した電力削減モード制御方法の詳細を説明するためのシーケンス図である。 実際のユースケース（音楽再生及び動画再生）に則した電力削減モード制御方法の詳細を説明するためのシーケンス図である。 実際のユースケース（音楽再生及び動画再生）に則した電力削減モード制御方法の詳細を説明するためのシーケンス図である。 実際のユースケース（音楽再生及び動画再生）に則した電力削減モード制御方法の詳細を説明するためのシーケンス図である。 実際のユースケース（音楽再生及び動画再生）に則した電力削減モード制御方法の詳細を説明するためのシーケンス図である。 実施の形態３に係る電力削減モード制御方法（メインルーチン）を説明するためのフローチャートである。 実施の形態３の実施例に係る半導体装置の温度上昇時における消費電力の温度依存性を説明するためのグラフである。 実施の形態３の実施例に係る半導体装置の温度降下時における消費電力の温度依存性を説明するためのグラフである。
　以下、具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜簡略化されている。
＜事前検討事項＞
＜リーク電力の原因＞
　まず、発明者らによる事前検討事項について説明する。
　上述の通り、半導体装置の微細化により、消費電力におけるリーク電力の増加が問題となっている。ここで、図１を参照してリーク電力の原因となるリーク電流について説明する。図１は、リーク電流を説明するためのＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）の断面図である。
　図１に示されたＭＯＳＦＥＴは、シリコン基板９０、ゲート９１、ソース９２、ドレイン９３、ゲート絶縁膜９４を備えている。さらに、このＭＯＳＦＥＴは、ゲート９１の側面に形成されたサイドウォール９５、ゲート９１上に形成されたゲートコンタクト９６、ソース９２上に形成されたソースコンタクト９７、ドレイン９３上に形成されたドレインコンタクト９８を備えている。
　図１に示すように、主なリーク電流には、サブスレッショルド・リーク電流ＩＳＵＢ、ゲートリーク電流（ゲートトンネル電流）ＩＧＡＴＥ、及びＧＩＤＬ（Gate-Induced Drain Leakage）電流ＩＧＩＤＬの３つがある。
　サブスレッショルド・リーク電流ＩＳＵＢは、ＭＯＳＦＥＴがオフであるときにドレイン９３とソース９２の間を流れる電流である。サブスレッショルド・リーク電流ＩＳＵＢは、近年のＭＯＳＦＥＴにおける閾値電圧の低下とともに増加する傾向にある。サブスレッショルド・リーク電流ＩＳＵＢは温度依存性が大きく、ＭＯＳＦＥＴのジャンクション温度（チャネル温度）の上昇とともに急激に増加する。
　ゲートリーク電流（ゲートトンネル電流）ＩＧＡＴＥは、電子が薄いゲート絶縁膜９４をトンネル効果によって通過するためにゲート９１とシリコン基板９０の間（又はゲート９１とソース９２の間、若しくはゲート９１とドレイン９３の間）を流れる電流である。
　ＧＩＤＬ（Gate-Induced Drain Leakage）電流ＩＧＩＤＬは、ゲート９１とドレイン９２の間の電界がトンネル現象を引き起こすために、ドレイン９３とシリコン基板９０を流れる電流である。
　ゲートリーク電流ＩＧＡＴＥ及びＧＩＤＬ電流ＩＧＩＤＬは、ＭＯＳＦＥＴの微細化に伴うゲート絶縁膜９４の薄膜化により増加する。一方、ゲートリーク電流ＩＧＡＴＥ及びＧＩＤＬ電流ＩＧＩＤＬの温度依存性はともに小さい。
＜消費電力の構成並びにそれらの動作周波数依存性及び温度依存性＞
　次に、図２Ａ、図２Ｂを参照して消費電力の動作周波数依存性及び温度依存性について説明する。図２Ａは、ある一定の処理負荷における消費電力の動作周波数依存性を示すグラフである。図２Ｂは、ある一定の処理負荷における消費電力の温度依存性を示すグラフである。
　図２Ａ、図２Ｂに示すように、消費電力は、アクティブ電力ＰＡ、アイドル電力ＰＩ、リーク電力ＰＬから構成されている。アクティブ電力ＰＡとは、半導体装置が実際に処理を実行することにより消費される電力である。そのため、処理負荷が一定であればアクティブ電力ＰＡも一定となる。アイドル電力とは、半導体装置のステータス（動作状態）がアイドル状態において消費される電力であって、電源及びクロックが供給されていれば常に消費されるものである。リーク電力とは、リーク電流により消費される電力であって、電源が供給されていれば常に消費されるものである。
　ここで、半導体装置のステータスについて説明する。半導体装置のステータスには、アクティブ状態、アイドル状態、シャットダウン状態の３つがある。
　アクティブ状態とは、電源及びクロックが供給され、かつ、実際に処理を行っている状態である。例えば、半導体装置が無線通信端末向けアプリケーションプロセッサの場合、無線データ通信、音楽再生、動画再生などの処理を実際に行っている状態である。アクティブ状態では、アクティブ電力ＰＡ、アイドル電力ＰＩ、リーク電力ＰＬの全てが発生する。
　アイドル状態（ストール状態とも呼ばれる）とは、電源及びクロックは供給されているが、実際には処理を実行していない状態（すなわち、ターゲットからの応答を待っている状態）である。アイドル状態では、アイドル電力ＰＩ及びリーク電力ＰＬが発生し、アクティブ電力ＰＡは発生しない。
　シャットダウン状態とは、電源及びクロックが供給されていない状態である。シャットダウン状態では、アクティブ電力ＰＡ、アイドル電力ＰＩ、リーク電力ＰＬのいずれも発生しない。
　図２Ａに示すように、アクティブ電力ＰＡ及びリーク電力ＰＬは、動作周波数（動作クロックの周波数）依存性を示さない。ここで、動作周波数が上昇すれば、単位時間当たりのアクティブ電力も上昇するが、処理負荷が一定であるため、処理時間が短くなる。そのため、処理に要するアクティブ電力ＰＡ（＝単位時間当たりのアクティブ電力×処理時間）は動作周波数によらず一定となる。一方、アイドル電力ＰＩは、動作周波数に比例して上昇する。従って、消費電力全体も動作周波数の上昇とともに上昇する。
　図２Ｂに示すように、アクティブ電力ＰＡ及びアイドル電力ＰＩは、温度依存性を示さない。一方、リーク電力ＰＬは、温度の上昇とともに急激に上昇する。従って、消費電力全体も温度の上昇とともに急激に上昇する。
　図３は、リーク電力ＰＬ、アイドル電力ＰＩ、アクティブ電力ＰＡのそれぞれについて、動作周波数及び温度に対する依存性をまとめた一覧表である。図３に示すように、リーク電力ＰＬは、動作周波数には依存しないが、温度には依存する。具体的には、図２Ｂに示したように、温度の上昇とともに上昇する。アイドル電力ＰＩは、動作周波数には依存するが、温度には依存しない。具体的には、図２Ａに示したように、動作周波数の上昇とともに上昇する。アクティブ電力ＰＡは、動作周波数及び温度のいずれにも依存しない。
＜比較例及びその問題点＞
　図４Ａ、図４Ｂは本発明者らが検討した比較例である。ここでは、低温時に動作周波数を高く、高温時には動作周波数を低く設定した半導体装置の消費電力を検討している。図４Ａは、比較例に係る半導体装置の低温時における消費電力の構成を模式的に示すグラフである。図４Ｂは、比較例に係る半導体装置の高温時における消費電力の構成を模式的に示すグラフである。図４Ａ、図４Ｂは、いずれもある一定の処理負荷における消費電力の構成を示している。
　図４Ａ、図４Ｂのグラフにおいて横軸は時間［ｓ］、縦軸は単位時間当たりの消費電力［Ｗ／ｓ］である。横軸の時間に合わせ、動作クロック（ＣＬＯＣＫ）及びステータス（ＳＴＡＴＵＳ）が示されている。図４Ａに示すように、単位時間当たりのリーク電力ＰＬ及びアイドル電力ＰＩは、アイドル状態であるかアクティブ状態であるかによらず、一定である。アクティブ電力ＰＡは、アクティブ状態のみにおいて発生する。また、シャットダウン状態では消費電力は発生しない。図４Ｂにおいても同様である。図４Ａ及び図４Ｂに示した単位時間当たりの消費電力の時間積分値（つまり図４Ａ及び図４Ｂに示したグラフの面積すなわちマスの数）が消費電力となる。
　図４Ｂでは図４Ａに比べ、動作周波数が１／２になっているため、単位時間当たりのアイドル電力ＰＩも１／２になっている。他方、図４Ｂでは図４Ａに比べ、温度の上昇により、単位時間当たりのリーク電力ＰＬは８倍になっている。ここで、図４Ａ及び図４Ｂにおける処理負荷は一定であるため、処理に要するアクティブ電力ＰＡの合計は、図４Ａ及び図４Ｂにおいて同じである。しかし、図４Ｂでは図４Ａに比べ、動作周波数が１／２になっているため、処理に要する時間が２倍となっている。結果として、比較例では、高温時にシャットダウン状態の時間が短くなり、リーク電力ＰＬが増加してしまう問題があった。
　発明者らは、半導体装置の消費電力低減について検討を行った。以下にその詳細について説明する。
（実施の形態１）
＜無線通信端末の概要＞
　まず、図５Ａ、図５Ｂを参照して、本実施の形態に係る半導体装置が適用される電子装置として好適な無線通信端末の概要について説明する。図５Ａ及び図５Ｂは、無線通信端末５００の構成例を示す外観図である。
　なお、図５Ａ、図５Ｂでは、無線通信端末５００がスマートフォンである場合について示している。しかしながら、無線通信端末５００は、フィーチャーフォン(例えば、折り畳み式の携帯電話端末)、携帯ゲーム端末、タブレットＰＣ(Personal Computer)、ノートＰＣ等のその他の無線通信端末であってもよい。また、当然のことながら、本実施の形態に係る半導体装置は、無線通信端末以外に適用することも可能である。
　図５Ａは、無線通信端末５００を形成する筐体５０１の一方の主面(前面)を示している。筐体５０１の前面には、ディスプレイデバイス５０２と、タッチパネル５０３と、幾つかの操作ボタン５０４と、カメラデバイス５０５とが配置されている。一方、図５Ｂは、筐体５０１の他方の主面(背面)を示している。筐体５０１の背面には、カメラデバイス５０６が配置されている。
　ディスプレイデバイス５０２は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）や有機ＥＬディスプレイ（ＯＬＥＤ：Organic Light-Emitting Diode）等の表示装置である。ディスプレイデバイス５０２は、表示面が筐体５０１の前面に位置するように配置されている。
　タッチパネル５０３は、ディスプレイデバイス５０２の表示面を覆うように配置されるか、或いはディスプレイデバイス５０２の裏面側に配置され、ユーザーによる表示面への接触位置を検知する。つまり、ユーザーは、指や専用のペン(一般に、スタイラスと呼称される)等でディスプレイデバイス５０２の表示面に触れることで、無線通信端末５００を直感的に操作することができる。
　操作ボタン５０４は、無線通信端末５００に対する補助的な操作に用いられる。なお、無線通信端末によっては、このような操作ボタンが設けられないこともある。
　カメラデバイス５０５は、そのレンズユニットが筐体５０１の前面に位置するように配置されたサブカメラである。なお、無線通信端末によっては、このようなサブカメラが設けられないこともある。
　カメラデバイス５０６は、そのレンズユニットが筐体５０１の背面に位置するように配置されたメインカメラである。
＜無線通信装置の構成＞
　図６を参照して、本実施の形態に係る半導体装置が搭載される無線通信装置６００の構成について説明する。図６は、実施の形態１に係る無線通信装置６００の構成例を示すブロック図である。無線通信装置６００は、例えば、図５Ａ、図５Ｂに示した無線通信端末５００の内部構成である。
　図６に示すように、無線通信装置６００は、アプリケーションプロセッサ（ホストＩＣ）６０１、ベースバンドプロセッサ６０２、ＲＦＩＣ（Radio Frequency Integrated Circuit）６０３、メインメモリ６０４、バッテリ６０５、パワーマネジメントＩＣ（ＰＭＩＣ：Power Management Integrated Circuit）６０６、表示部６０７、カメラ部６０８、操作入力部６０９、オーディオＩＣ６１０、マイク６１１、スピーカ６１２を含む。
　アプリケーションプロセッサ（ホストＩＣ）６０１は、メインメモリ６０４に格納されたプログラムを読み出して、無線通信装置６００の各種機能を実現するための処理を行う半導体集積回路である。例えば、アプリケーションプロセッサ６０１は、メインメモリ６０４からＯＳ（Operating System）プログラムを読み出して実行すると共に、このＯＳプログラムを動作基盤とするアプリケーションプログラムを実行する。
　ベースバンドプロセッサ６０２は、携帯通信端末が送受信するデータに対して符号化（例えば、畳み込み符号やターボ符号等の誤り訂正符号化）処理又は復号化処理等を含むベースバンド処理を行う。例えば音声データの場合、ベースバンドプロセッサ６０２は、送信音声データをオーディオＩＣ６１０から受け取り、受け取った送信音声データに対して符号化処理を施して、ＲＦＩＣ６０３に送信する。他方、ベースバンドプロセッサ６０２は、ＲＦＩＣ６０３から受信音声データを受け取り、受け取った受信音声データに対して復号化処理を施してオーディオＩＣ６１０に送信する。
　ＲＦＩＣ６０３は、アナログＲＦ信号処理を行う。アナログＲＦ信号処理は、周波数アップコンバージョン、周波数ダウンコンバージョン、増幅などを含む。例えば音声データの場合、ＲＦＩＣ６０３は、ベースバンドプロセッサ６０２によって変調された送信音声データから送信ＲＦ信号を生成し、アンテナを介してこの送信ＲＦ信号を無線送信する。他方、ＲＦＩＣ６０３は、アンテナを介して受信ＲＦ信号を無線受信し、受信ＲＦ信号から受信音声データを生成し、この受信音声データをベースバンドプロセッサ６０２に送信する。
　メインメモリ（外部メモリ）６０４は、アプリケーションプロセッサ６０１により利用されるプログラム及びデータを格納している。メインメモリ６０４としては、電源遮断時に記憶データが消去される揮発性メモリであるＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）を用いる場合が多い。もちろん、メインメモリ６０４として、電源遮断時に記憶データが保持される不揮発性メモリを用いてもよい。
　バッテリ６０５は、電池であり、無線通信装置６００が外部電源によらずに動作する場合に利用される。なお、無線通信装置６００は、外部電源が接続されている場合においてもバッテリ６０５の電源を利用してもよい。また、バッテリ６０５としては、二次電池を利用することが好ましい。
　パワーマネジメントＩＣ６０６は、バッテリ６０５又は外部電源から内部電源を生成する。この内部電源は、無線通信装置６００の各ブロックに与えられる。このとき、パワーマネジメントＩＣ６０６は、内部電源の供給を受けるブロック毎に内部電源の電圧を制御する。パワーマネジメントＩＣ６０６は、アプリケーションプロセッサ６０１からの指示に基づき内部電源の電圧制御を行う。さらに、パワーマネジメントＩＣ６０６は、ブロック毎に内部電源の供給と遮断とを制御することもできる。また、パワーマネジメントＩＣ６０６は、外部電源の供給がある場合、バッテリ６０５への充電制御も行う。
　表示部６０７は、図５Ａ、図５Ｂにおけるディスプレイデバイス５０２に相当するものであって、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）や有機ＥＬディスプレイ（ＯＬＥＤ：Organic Light-Emitting Diode）等の表示装置である。表示部６０７は、アプリケーションプロセッサ６０１における処理に従い様々な画像を表示する。表示部６０７において表示される画像には、ユーザーが無線通信装置６００に動作指示を与えるユーザーインタフェース画像、カメラ画像、動画等が含まれる。
　カメラ部６０８は、アプリケーションプロセッサ６０１からの指示に従い、画像を取得する。カメラ部６０８は、図５Ａ、図５Ｂにおけるカメラデバイス５０５、５０６に相当するものである。
　操作入力部６０９は、ユーザーが操作して無線通信装置６００に操作指示を与えるユーザーインタフェースである。操作入力部６０９は、図５Ａ、図５Ｂにおけるタッチパネル５０３、操作ボタン５０４に相当するものである。
　オーディオＩＣ６１０は、ベースバンドプロセッサ６０２から受け取ったデジタル信号である受信音声データをアナログ信号に変換し、スピーカ６１２を駆動する。これにより、スピーカ６１２から音声が出力される。他方、オーディオＩＣ６１０は、マイク６１１で検出したアナログ信号である音声をアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換して、ベースバンドプロセッサ６０２に出力する。
＜実施の形態１に係る半導体装置の構成＞
　図７を参照して、実施の形態１に係る半導体装置であるアプリケーションプロセッサ６０１の構成について説明する。図７は、実施の形態１に係るアプリケーションプロセッサ６０１の構成例を示すブロック図である。図７に示すように、実施の形態１に係るアプリケーションプロセッサ６０１は、ＣＰＵ（演算部）、温度センサＴＳ、電力削減モード制御部（制御部）１００、クロック生成部ＣＰＧ、電源制御部ＰＳＣを備えている。ここで、電力削減モード制御部１００は、温度監視部ＴＭ、基準温度算出部ＲＣ、サイクル測定部ＣＭ、記憶部ＲＥＧ、比較部ＣＭＰ、モード判定部ＭＤを備えている。図７において、太い矢印はデータを示し、細い矢印は各種制御信号やクロックを示している。
　実施の形態１に係るアプリケーションプロセッサ６０１は、１つの半導体チップ上に設けられている。アプリケーションプロセッサ６０１では、温度センサＴＳにより測定されたチップ温度（半導体チップの温度）に応じて、電力削減モード制御部１００が電力削減モードを制御する。具体的には、チップ温度が所定の基準温度を超えれば、電力削減モード制御部１００はリーク電力削減モード（第１のモード）を選択し、クロック生成部ＣＰＧにより生成されるＣＰＵの動作クロックの周波数を高く設定する。
　一方、アプリケーションプロセッサ６０１のチップ温度が所定の基準温度を下回れば、電力削減モード制御部１００はアイドル電力削減モード（第２のモード）を選択し、クロック生成部ＣＰＧにより生成されるＣＰＵの動作クロックの周波数を低く設定する。すなわち、電力削減モード制御部１００は、クロック生成部ＣＰＧにより生成される動作クロックの周波数を制御している。
　ＣＰＵは、クロック生成部ＣＰＧが出力する動作クロックｃｋ１に応じて動作する。つまり、ＣＰＵの動作周波数は、動作クロックｃｋ１の周波数である。ＣＰＵは、システム起動時に記憶部ＲＥＧに対して初期化信号ｒｓｔを出力し、記憶部ＲＥＧに格納された各種データを初期化する。その後、ＣＰＵは、基準温度算出部ＲＣに対し、基準温度Ｔｒｅｆを算出するためのサブルーチン１の開始を要求する開始要求ｒｅｑ１を出力する。サブルーチン１の詳細については後述する。さらに、ＣＰＵは、温度監視部ＴＭに対し、測定温度Ｔａを取得するためのサブルーチン２の開始を要求する開始要求ｒｅｑ２を出力する。サブルーチン２の詳細については後述する。
　温度センサＴＳは、いわゆるオンチップ温度センサであり、アプリケーションプロセッサ６０１のチップ温度（ジャンクション温度又はチャネル温度と言うこともできる）を計測する。
　温度監視部ＴＭは、ＣＰＵから出力されたサブルーチン２の開始要求ｒｅｑ２に応じて、温度センサＴＳにより測定された測定温度Ｔａの監視を開始する。温度監視部ＴＭは、内部にタイマを備えている。タイマは、例えばカウンタである。タイマは、例えば０から最大値までのカウントアップを繰り返す。温度監視部ＴＭは、例えばタイマが最大値になったタイミングで、温度センサＴＳに対し測定要求ｒｅｑ５を出力し、温度センサＴＳから測定温度Ｔａを取得する。すなわち、温度監視部ＴＭは、温度センサＴＳから繰り返し測定温度Ｔａを取得する。そして、温度監視部ＴＭは、温度センサＴＳから取得した測定温度Ｔａをモード判定部ＭＤへ出力する。タイマの最大値（リミット値）は、例えば記憶部ＲＥＧに格納されている。もちろん、タイマの構成は上記に限定されるものではない。
　基準温度算出部ＲＣは、ＣＰＵから出力されたサブルーチン１の開始要求ｒｅｑ１に応じて、基準温度Ｔｒｅｆの算出を開始する。基準温度算出部ＲＣは、内部にタイマを備えている。このタイマは、温度監視部ＴＭのタイマと同様の構成を有している。温度監視部ＴＭは、例えばタイマが最大値になったタイミングで、サイクル測定部ＣＭに対し、アクティブサイクルａｃ１などの測定要求ｒｅｑ３を出力する。すなわち、基準温度算出部ＲＣは、サイクル測定部ＣＭに対し繰り返し測定要求ｒｅｑ３を出力する。タイマの最大値（リミット値）は、例えば記憶部ＲＥＧに格納されている。ここで、アクティブサイクルａｃ１［Ｈｚ］とは、ステータスがアクティブ状態である単位時間当たりの動作クロックのサイクル数の総和である。
　また、基準温度算出部ＲＣは、比較部ＣＭＰが出力する基準変更要求ｒｅｑ４を受け取ると、記憶部ＲＥＧから計算用基礎データｄ１を取得するとともに、サイクル測定部ＣＭから計算用測定データｄ２を取得する。そして、基準温度算出部ＲＣは、取得した計算用基礎データｄ１及び計算用測定データｄ２を使用して、基準温度Ｔｒｅｆを算出し、モード判定部ＭＤへ出力する。
　計算用基礎データｄ１は、基準温度計算式及び要素アイドル電力を含む。基準温度計算式とは、基準温度Ｔｒｅｆを算出するための計算式である。要素アイドル電力［Ｗ／Ｈｚ］とは、動作周波数当たりのアイドル電力ＰＩ（図２Ａにおけるアイドル電力ＰＩの傾き）である。
　計算用測定データｄ２は、アイドルサイクルＣＩ、シャットダウン比率ｒを含む。アイドルサイクルＣＩ［Ｈｚ］とは、ステータスがアイドル状態である単位時間当たりの動作クロックのサイクル数の総和である。シャットダウン比率ｒとは、ステータスがシャットダウン状態となる単位時間当たりの比率である。シャットダウン比率ｒは０～１までの数値であって、例えばシャットダウン比率ｒ＝０．２であれば、シャットダウン比率が２０％ということである。
　サイクル測定部ＣＭは、基準温度算出部ＲＣから出力された測定要求ｒｅｑ３に応じて、アクティブサイクルａｃ１、アイドルサイクルＣＩ、シャットダウン比率ｒを測定する。そして、サイクル測定部ＣＭは、取得したアクティブサイクルａｃ１を比較部ＣＭＰへ出力する。さらに、サイクル測定部ＣＭは、比較部ＣＭＰから出力された基準変更要求ｒｅｑ４に応じて、取得したアクティブサイクルａｃ１を新たな基準アクティブサイクルａｃ２として記憶部ＲＥＧに格納する。他方、サイクル測定部ＣＭは、測定したアイドルサイクルＣＩ及びシャットダウン比率ｒを計算用測定データｄ２として基準温度算出部ＲＣへ出力する。
　記憶部ＲＥＧは、各種データを保持するレジスタである。本実施の形態に係る記憶部ＲＥＧは、温度監視部ＴＭ及び基準温度算出部ＲＣが備えるタイマのリミット値、計算用基礎データｄ１、基準アクティブサイクルａｃ２を保持している。記憶部ＲＥＧの保持する各種データは、システム起動時には、ＣＰＵから出力される初期化信号ｒｓｔに応じて初期化される。
　比較部ＣＭＰは、サイクル測定部ＣＭから取得したアクティブサイクルａｃ１と記憶部ＲＥＧに保持された基準アクティブサイクルａｃ２とを比較する。比較部ＣＭＰは、アクティブサイクルａｃ１の基準アクティブサイクルａｃ２に対する変化が大きければ、基準温度Ｔｒｅｆを変更するための基準変更要求ｒｅｑ４を基準温度算出部ＲＣに対し出力する。他方、比較部ＣＭＰは、アクティブサイクルａｃ１の基準アクティブサイクルａｃ２に対する変化が小さければ、基準変更要求ｒｅｑ４を基準温度算出部ＲＣに対し出力しない。
　具体的には、例えばａｃ２×０．９＜ａｃ１＜ａｃ２×１．１を満たせば、基準変更要求ｒｅｑ４を出力せず、ａｃ２×０．９＜ａｃ１＜ａｃ２×１．１を満たさなければ、基準変更要求ｒｅｑ４を出力する。なお、上述の通り、比較部ＣＭＰから出力された基準変更要求ｒｅｑ４は、サイクル測定部ＣＭにも入力される。そして、サイクル測定部ＣＭが、取得したアクティブサイクルａｃ１を新たな基準アクティブサイクルａｃ２として記憶部ＲＥＧに格納する。しかしながら、比較部ＣＭＰが基準変更要求ｒｅｑ４を出力した際、比較部ＣＭＰが比較したアクティブサイクルａｃ１を新たな基準アクティブサイクルａｃ２として記憶部ＲＥＧに格納するような構成としてもよい。
　モード判定部ＭＤは、基準温度算出部ＲＣから取得した基準温度Ｔｒｅｆと温度監視部ＴＭから取得した測定温度Ｔａとを比較して、電力削減のモードを判定する。具体的には、例えばＴａ＜Ｔｒｅｆを満たせば、アイドル電力削減モードを選択し、Ｔａ＜Ｔｒｅｆを満たさなければ、リーク電力削減モードを選択する。モード判定部ＭＤは、判定結果に応じたモード信号（制御信号）ｍｏｄをクロック生成部ＣＰＧに対して出力する。
　クロック生成部ＣＰＧは、モード判定部ＭＤから出力されたモード信号ｍｏｄに応じて、ＣＰＵの動作クロックｃｋ１を生成する。具体的には、アイドル電力削減モードの場合、クロック生成部ＣＰＧは、出力する動作クロックｃｋ１の周波数（動作周波数）を低く設定し、リーク電力削減モードの場合、出力する動作クロックｃｋ１の周波数を高く設定する。
　電源制御部ＰＳＣは、ＣＰＵに接続された電源供給スイッチＳＷ１のオンオフを制御する電源イネーブル信号ｐｓｅｎ１を出力する。ここで、電源供給スイッチＳＷ１のオンオフは、ＣＰＵのステートに応じて制御される。具体的には、ＣＰＵのステートがアクティブ状態又はアイドル状態の場合、電源供給スイッチＳＷ１はオンとなり、ＣＰＵへ電源電圧が供給される。一方、ＣＰＵのステートがシャットダウン状態の場合、電源供給スイッチＳＷ１はオフとなり、ＣＰＵへの電源電圧の供給が停止される。電源供給スイッチＳＷ１は、例えばＭＯＳＦＥＴから構成され、そのゲート端子（制御端子）に電源イネーブル信号ｐｓｅｎ１が入力される。
＜電力削減モード制御方法（メインルーチン）＞
　次に、図８を参照して、実施の形態１に係る半導体装置における電力削減モード制御方法（メインルーチン）について説明する。図８は、実施の形態１に係る電力削減モード制御方法（メインルーチン）を説明するためのフローチャートである。
　システムが起動すると、ＣＰＵがメインルーチンを開始する。図８に示すように、まず、ＣＰＵが記憶部ＲＥＧに対し初期化信号ｒｓｔを出力し、記憶部ＲＥＧに格納された各種データ（温度監視部ＴＭ及び基準温度算出部ＲＣが備えるタイマのリミット値、計算用基礎データｄ１、基準アクティブサイクルａｃ２）を初期化する（ステップＳ１）。
　次に、ＣＰＵは、基準温度算出部ＲＣに対し、基準温度Ｔｒｅｆを算出するためのサブルーチン１の開始要求ｒｅｑ１を出力する。開始要求ｒｅｑ１に応じ、基準温度算出部ＲＣは、サブルーチン１を開始する（ステップＳ２）。サブルーチン１の詳細については後述する。
　次に、ＣＰＵは、温度監視部ＴＭに対し、測定温度Ｔａを取得するためのサブルーチン２の開始要求ｒｅｑ２を出力する。開始要求ｒｅｑ２に応じ、温度監視部ＴＭは、サブルーチン２を開始する（ステップＳ３）。サブルーチン２の詳細については後述する。なお、ステップＳ２とステップＳ３の順序は逆でもよい。
　次に、基準温度算出部ＲＣは、サブルーチン１によって取得した基準温度Ｔｒｅｆをモード判定部ＭＤに設定する（ステップＳ４）。さらに、温度監視部ＴＭは、サブルーチン２によって取得した測定温度Ｔａをモード判定部ＭＤに設定する（ステップＳ５）。なお、ステップＳ４とステップＳ５の順序は逆でもよい。
　次に、モード判定部ＭＤは、測定温度Ｔａと基準温度Ｔｒｅｆとを比較し、Ｔａ＜Ｔｒｅｆを満たすか否かを判定する（ステップＳ６）。Ｔａ＜Ｔｒｅｆを満たす場合（ステップＳ６ＹＥＳ）、モード判定部ＭＤはアイドル電力削減モードを選択し、クロック生成部ＣＰＧはＣＰＵの動作クロックｃｋ１の周波数を低く設定する（ステップＳ７）。例えば、処理に支障をきたさずにＣＰＵが動作可能な最低の周波数に設定する。その後、ステップＳ４に戻り、モード判定を繰り返す。
　一方、Ｔａ＜Ｔｒｅｆを満たさない場合（ステップＳ６ＮＯ）、モード判定部ＭＤはリーク電力削減モードを選択し、クロック生成部ＣＰＧはＣＰＵの動作クロックｃｋ１の周波数を高く設定する（ステップＳ８）。例えば、ＣＰＵが動作可能な最高周波数に設定する。その後、ステップＳ４に戻り、モード判定を繰り返す。
＜基準温度算出方法（サブルーチン１）＞
　次に、図９を参照して、実施の形態１に係る半導体装置における基準温度Ｔｒｅｆの算出方法（サブルーチン１）について説明する。図９は、実施の形態１に係る基準温度算出方法（サブルーチン１）を説明するためのフローチャートである。
　ＣＰＵからのサブルーチン１の開始要求ｒｅｑ１に応じ、基準温度算出部ＲＣは、サブルーチン１を開始する。
　まず、基準温度算出部ＲＣは、内部に備えたタイマの値をリセットする（ステップＳ１１）。
　次に、タイマがリミット値に到達したら（すなわちタイマ満了時）、基準温度算出部ＲＣは、サイクル測定部ＣＭへアクティブサイクルａｃ１の測定要求ｒｅｑ３を出力する（ステップＳ１２）。
　次に、基準温度算出部ＲＣからの測定要求ｒｅｑ３に応じ、サイクル測定部ＣＭはアクティブサイクルａｃ１を測定し、比較部ＣＭＰへ出力する（ステップＳ１３）。ここで、サイクル測定部ＣＭは、アイドルサイクルＣＩ［Ｈｚ］、シャットダウン比率ｒも併せて測定する。
　次に、比較部ＣＭＰは、サイクル測定部ＣＭから取得したアクティブサイクルａｃ１と記憶部ＲＥＧに格納されている基準アクティブサイクルａｃ２とを比較する。具体的には、例えばａｃ２×０．９＜ａｃ１＜ａｃ２×１．１を満足しているか否か判定する（ステップＳ１４）。すなわち、アクティブサイクルａｃ１の基準アクティブサイクルａｃ２に対する変化が１０％未満か否かを判定する。ここで、１０％という数値はあくまでも一例であって、目的、用途等に応じて適宜設定することができる。
　ａｃ２×０．９＜ａｃ１＜ａｃ２×１．１を満たせば（ステップＳ１４ＹＥＳ）、比較部ＣＭＰは、基準温度算出部ＲＣへ基準変更要求ｒｅｑ４を出力せずに、ステップＳ１１に戻る。すなわち、アクティブサイクルａｃ１の基準アクティブサイクルａｃ２に対する変化が小さい場合、比較部ＣＭＰは基準変更要求ｒｅｑ４を基準温度算出部ＲＣに対し出力しない。
　一方、ａｃ２×０．９＜ａｃ１＜ａｃ２×１．１を満たさなければ（ステップＳ１４ＮＯ）、基準温度算出部ＲＣへ基準変更要求ｒｅｑ４を出力する（ステップＳ１５）。すなわち、アクティブサイクルａｃ１の基準アクティブサイクルａｃ２に対する変化が大きい場合、比較部ＣＭＰは基準変更要求ｒｅｑ４を基準温度算出部ＲＣに対し出力する。なお、基準変更要求ｒｅｑ４は、サイクル測定部ＣＭへも入力される。
　次に、サイクル測定部ＣＭは、基準変更要求ｒｅｑ４に応じて、アクティブサイクルａｃ１を新たな基準アクティブサイクルａｃ２として記憶部ＲＥＧに格納する（ステップＳ１６）。すなわち、基準温度Ｔｒｅｆが更新される場合、基準アクティブサイクルａｃ２も更新される。
　次に、基準温度算出部ＲＣは、基準変更要求ｒｅｑ４に応じて、記憶部ＲＥＧに格納された要素アイドル電力ＥＩ［Ｗ／Ｈｚ］及びサイクル測定部ＣＭから取得したアイドルサイクルＣＩ［Ｈｚ］を用いて、アイドル電力ＰＩ［Ｗ］を算出する（ステップＳ１７）。具体的には、ＰＩ［Ｗ］＝ＥＩ［Ｗ／Ｈｚ］×ＣＩ［Ｈｚ］の式からアイドル電力ＰＩ［Ｗ］が算出される。
　続けて、基準温度算出部ＲＣは、記憶部ＲＥＧに格納された基準温度計算式及びシャットダウン比率を用いて、基準温度Ｔｒｅｆを算出する（ステップＳ１８）。その後、ステップＳ１１へ戻り、ステップＳ１１～Ｓ１８のフローを繰り返す。
　以下に、基準温度Ｔｒｅｆを算出するために用いる基準温度計算式の一例を示す。
　まず、トランジスタ１個当たりのリーク電流ｉＬ［Ａ］は、係数α［Ａ／ｎｍ］、ゲート幅Ｗ［ｎｍ］、閾値電圧ＶT［Ｖ］、サブスレッショルド係数ｎ、温度電圧Ｕｔ［Ｖ］を用いて、次式１で表すことができる。ここで、係数α及びサブスレッショルド係数ｎは実験などから求めることができる。
　ｉＬ＝α×Ｗ×ｅｘｐ｛－ＶＴ／（ｎ×Ｕｔ）｝・・・（式１）
　ここで、温度電圧Ｕｔ［Ｖ］は、ボルツマン定数ｋ＝１．３８×１０－２３［Ｊ／Ｋ］、絶対温度Ｔ［Ｋ］、電気素量ｑ＝１．６×１０－１９［Ｃ］を用いて、次式２で表すことができる。
　Ｕｔ＝ｋＴ／ｑ・・・（式２）
　ここで、半導体装置のリーク電流ＩＬ［Ａ］は、半導体装置を構成するトランジスタ数Ｎ［個］及びシャットダウン比率ｒを用いて、式１、式２から次式３により表すことができる。
　ＩＬ＝α×Ｗ×ｅｘｐ｛－ＶＴ×ｑ／（ｎ×ｋＴ）｝×Ｎ×（１－ｒ）
・・・（式３）
　式３から絶対温度Ｔ［Ｋ］は次式４により表すことができる。
　Ｔ＝（－ＶＴ×ｑ）／（ｎ×ｋ）／ｌｎ［ＩＬ／｛α×Ｗ×Ｎ×（１－ｒ）｝］
・・・（式４）
　そして、式４の絶対温度Ｔ［Ｋ］は、次式５により摂氏温度ＴＣ［℃］（＝Ｔ-Ｔ０）として表すことができる。ここで、０℃の絶対温度Ｔ０＝２７３．１５［Ｋ］である。
　ＴＣ＝（－ＶＴ×ｑ）／（ｎ×ｋ）／ｌｎ［ＩＬ／｛α×Ｗ×Ｎ×（１－ｒ）｝］－Ｔ０
・・・（式５）
　アイドル電力ＰＩ［Ｗ］（＝アイドル電流ＩＩ［Ａ］×動作電圧Ｖ［Ｖ］）とリーク電力ＰＬ［Ｗ］（＝リーク電流ＩＬ［Ａ］×動作電圧Ｖ［Ｖ］）の比が１：ｍすなわちＩＬ＝ｍ×ＩＩ＝ｍ×ＰＩ／Ｖのときの温度を基準温度Ｔｒｅｆ［℃］とする。この基準温度Ｔｒｅｆ［℃］は、式５から次式６により表すことができる。ｍの値は適宜決定すればよいが、例えば１０程度とする。
　Ｔｒｅｆ
＝（－ＶＴ×ｑ）／（ｎ×ｋ）／ｌｎ［（ｍ×ＰＩ／Ｖ）／｛α×Ｗ×Ｎ×（１－ｒ）｝］－Ｔ０
・・・（式６）
　この式６が基準温度計算式となる。この式６に、ステップＳ１７において算出されたアイドル電力ＰＩ［Ｗ］及びサイクル測定部ＣＭから取得されたシャットダウン比率ｒを代入することにより、基準温度Ｔｒｅｆ［℃］が得られる。
＜測定温度取得方法（サブルーチン２）＞
　次に、図１０を参照して、実施の形態１に係る半導体装置における測定温度Ｔａの取得方法（サブルーチン２）について説明する。図１０は、実施の形態１に係る測定温度取得方法（サブルーチン２）を説明するためのフローチャートである。
　ＣＰＵからのサブルーチン２の開始要求ｒｅｑ２に応じ、温度監視部ＴＭは、サブルーチン２を開始する。
　まず、温度監視部ＴＭは、内部に備えたタイマの値をリセットする（ステップＳ２１）。
　次に、タイマがリミット値に到達したら（すなわちタイマ満了時）、温度監視部ＴＭは、温度センサＴＳへ温度の測定要求ｒｅｑ５を出力する（ステップＳ２２）。
　次に、温度監視部ＴＭは、測定要求ｒｅｑ５に応じて温度センサＴＳから出力された測定温度Ｔａを取得する（ステップＳ２３）。その後、ステップＳ２１へ戻り、ステップＳ２１～Ｓ２３のフローを繰り返す。
＜消費電力削減効果の説明＞
　次に、図１１Ａ、図１１Ｂを参照して、本実施の形態に係る半導体装置の消費電力削減効果について説明する。図１１Ａは、実施の形態１の実施例に係る半導体装置の低温時（測定温度Ｔａ＜基準温度Ｔｒｅｆ）すなわちアイドル電力削減モードにおける消費電力の構成を模式的に示すグラフである。図１１Ｂは、実施の形態１の実施例に係る半導体装置の高温時（基準温度Ｔｒｅｆ＜測定温度Ｔａ）すなわちリーク電力削減モードにおける消費電力の構成を模式的に示すグラフである。ここで、図１１Ａ、図１１Ｂは、比較例に係る図４Ａ、図４Ｂと同種のグラフである。
　図１１Ａ、図１１Ｂのグラフにおいて横軸は時間［ｓ］、縦軸は単位時間当たりの消費電力［Ｗ／ｓ］である。横軸の時間に合わせ、動作クロック（ＣＬＯＣＫ）及びステータス（ＳＴＡＴＵＳ）が示されている。図１１Ａに示すように、単位時間当たりのリーク電力ＰＬ及びアイドル電力ＰＩは、アイドル状態及びアクティブ状態によらず、一定である。アクティブ電力ＰＡは、アクティブ状態のみにおいて発生する。また、シャットダウン状態では消費電力は発生しない。図１１Ｂにおいても同様である。図１１Ａ及び図１１Ｂに示した単位時間当たりの消費電力の時間積分値（つまり図１１Ａ及び図１１Ｂに示したグラフの面積すなわちマスの数）が消費電力となる。
　図１１Ｂでは図１１Ａに比べ、動作周波数が２倍になっているため、単位時間当たりのアイドル電力ＰＩも２倍になっている。他方、図１１Ｂでは図１１Ａに比べ、温度の上昇により、単位時間当たりのリーク電力ＰＬは８倍になっている。ここで、処理に要するアクティブ電力ＰＡの合計は、図１１Ａ及び図１１Ｂにおいて同じである。そのため、図１１Ｂでは図１１Ａに比べ、アクティブ状態が短時間化（シャットダウン状態が長時間化）している。
　実施例に係る図１１Ａを比較例に係る図４Ａと比較することにより、アイドル電力削減モードにおける消費電力削減効果について説明する。図１１Ａでは図４Ａに比べ、動作周波数が１／２になっているため、単位時間当たりのアイドル電力ＰＩは１／２になる。一方、処理に要するアクティブ電力ＰＡの合計は同じであるため、処理に要する時間（アクティブ状態の時間）は２倍となる。なお、温度は同じであるため、単位時間当たりのリーク電力ＰＬは同じである。
　図１１Ａでは図４Ａに比べ、アクティブ状態の時間は２倍になり、リーク電力ＰＬは増える。しかしながら、低温で単位時間当たりのリーク電力ＰＬが小さいため、単位時間当たりのアイドル電力ＰＩが１／２となるアイドル電力削減効果の方が大きい。そのため、全体として消費電力を削減することができる。より具体的には、図１１Ａでは図４Ａに比べ、リーク電力ＰＬが２マス分増えているが、アイドル電力ＰＩが４マス分減っており、全体として２マス分の消費電力を削減することができる。
　次に、実施例に係る図１１Ｂを比較例に係る図４Ｂと比較することにより、リーク電力削減モードにおける消費電力削減効果について説明する。図１１Ｂでは図４Ｂに比べ、動作周波数が２倍になっているため、単位時間当たりのアイドル電力ＰＩは２倍になる。一方、処理に要するアクティブ電力ＰＡの合計は同じであるため、処理に要する時間（アクティブ状態の時間）は１／２となる。なお、温度は同じであるため、単位時間当たりのリーク電力ＰＬは同じである。
　図１１Ｂでは図４Ｂに比べ、単位時間当たりのアイドル電力ＰＩは２倍になる。しかしながら、高温で単位時間当たりのリーク電力ＰＬが大きいため、アクティブ状態の短時間化（シャットダウン状態の長時間化）によるリーク電力削減効果の方が大きい。そのため、全体として消費電力を削減することができる。より具体的には、図１１Ｂでは図４Ｂに比べ、アイドル電力ＰＩが４マス分増えているが、リーク電力ＰＬが１６マス分減っており、全体として１２マス分の消費電力を削減することができる。
　図１２は、図１１Ａ、図１１Ｂに示した実施の形態１の実施例に係る半導体装置の消費電力の温度依存性を示すグラフである。横軸が温度［℃］、縦軸が消費電力［ｍＷ］であり、実施例の消費電力が実線で示されている。また、図１２には、図４Ａ、図４Ｂに示した比較例に係る半導体装置の消費電力も破線で示されている。
　実施例では、基準温度Ｔｒｅｆよりも温度が低い場合、動作周波数を下げ、基準温度Ｔｒｅｆよりも温度が高い場合、動作周波数を上げるように制御している。反対に、比較例では、基準温度Ｔｒｅｆよりも温度が低い場合、動作周波数を上げ、基準温度Ｔｒｅｆよりも温度が高い場合、動作周波数を下げるように制御している。
　図１２に示すように、全温度域において、比較例よりも実施例の方が消費電力は小さい。ここで、温度が基準温度Ｔｒｅｆ近傍であれば、実施例と比較例との消費電力の差は小さい。しかしながら、温度が基準温度Ｔｒｅｆよりも高くあるいは低くなる程、その差は大きくなる。特に、高温域でのリーク電力削減効果が大きい。
　以上説明したように、本実施の形態に係る半導体装置では、動作周波数に比例して増加するアイドル電力ＰＩと温度上昇とともに急激に増加するリーク電力ＰＬとのうち、いずれを削減するのが全体としての消費電力削減に寄与するのかを基準温度Ｔｒｅｆと測定温度Ｔａとを比較することにより判断している。そして、この比較結果に基づいて、動作周波数を適切に制御することにより、消費電力を削減している。
　具体的には、測定温度Ｔａが基準温度Ｔｒｅｆよりも小さく、リーク電力ＰＬが小さい場合、電力削減モード制御部（制御部）１００は、動作周波数を低くするように制御する。これにより、アイドル電力ＰＩが削減され、全体として消費電力を削減することができる。他方、測定温度Ｔａが基準温度Ｔｒｅｆより大きく、リーク電力ＰＬが大きい場合、電力削減モード制御部（制御部）１００は、動作周波数を高くするように制御する。すなわち、アクティブ状態を短時間化（シャットダウン状態を長時間化）することにより、リーク電力ＰＬが削減され、全体として消費電力を削減することができる。
　さらに、消費電力の削減に伴い、半導体装置から発生する熱も抑制することができる。そのため、チップ温度の上昇による半導体装置の熱暴走を抑制することができる。すなわち、半導体装置の信頼性も向上する。
（実施の形態２）
＜実施の形態２に係る半導体装置の構成＞
　図１３を参照して、実施の形態２に係る半導体装置であるアプリケーションプロセッサ６０１の構成について説明する。図１３は、実施の形態２に係るアプリケーションプロセッサ６０１の構成例を示すブロック図である。図１３に示すように、実施の形態２に係るアプリケーションプロセッサ６０１は、図７に示した実施の形態１に係るアプリケーションプロセッサ６０１の構成に加え、画像処理部ＩＰＵ及び音声処理部ＶＰＵを備えている。図１３において、太い矢印はデータを示し、細い矢印は各種制御信号やクロックを示している。
　画像処理部ＩＰＵは、画像処理専用のプロセッサであって、例えばＤＳＰ（Digital Signal Processor）から構成される。画像処理部ＩＰＵには、クロック生成部ＣＰＧから出力される動作クロックｃｋ２が入力される。本実施の形態に係る半導体装置では、画像処理部ＩＰＵは、例えば、動画再生などの画像処理を必要とするユースケースの場合に処理を実行し、画像処理を必要としないユースケースではステータスが常時シャットダウン状態となる。
　音声処理部ＶＰＵは、音声処理専用のプロセッサであって、例えばＤＳＰ（Digital Signal Processor）から構成される。音声処理部ＶＰＵには、クロック生成部ＣＰＧから出力される動作クロックｃｋ３が入力される。本実施の形態に係る半導体装置では、音声処理部ＶＰＵは、例えば、音楽再生などの音声処理を必要とするユースケースの場合に処理を実行し、音声処理を必要としないユースケースではステータスが常時シャットダウン状態となる。
　電源制御部ＰＳＣは、ＣＰＵに接続された電源供給スイッチＳＷ１のオンオフを制御する電源イネーブル信号ｐｓｅｎ１を出力する。また、電源制御部ＰＳＣは、画像処理部ＩＰＵに接続された電源供給スイッチＳＷ２のオンオフを制御する電源イネーブル信号ｐｓｅｎ２を出力する。さらに、電源制御部ＰＳＣは、音声処理部ＶＰＵに接続された電源供給スイッチＳＷ３のオンオフを制御する電源イネーブル信号ｐｓｅｎ３を出力する。電源供給スイッチＳＷ１～ＳＷ３は、例えばＭＯＳＦＥＴから構成され、それらのゲート端子（制御端子）に電源イネーブル信号ｐｓｅｎ１～ｐｓｅｎ３がそれぞれ入力される。
　ここで、電源供給スイッチＳＷ１のオンオフは、ＣＰＵのステートに応じて制御される。具体的には、ＣＰＵのステートがアクティブ状態又はアイドル状態の場合、電源供給スイッチＳＷ１はオンとなる。一方、ＣＰＵのステートがシャットダウン状態の場合、電源供給スイッチＳＷ１はオフとなる。
　同様に、電源供給スイッチＳＷ２のオンオフは、画像処理部ＩＰＵのステートに応じて制御される。具体的には、画像処理部ＩＰＵのステートがアクティブ状態又はアイドル状態の場合、電源供給スイッチＳＷ２はオンとなる。一方、画像処理部ＩＰＵのステートがシャットダウン状態の場合、電源供給スイッチＳＷ２はオフとなる。
　同様に、電源供給スイッチＳＷ３のオンオフは、音声処理部ＶＰＵのステートに応じて制御される。具体的には、音声処理部ＶＰＵのステートがアクティブ状態又はアイドル状態の場合、電源供給スイッチＳＷ３はオンとなる。一方、音声処理部ＶＰＵのステートがシャットダウン状態の場合、電源供給スイッチＳＷ３はオフとなる。
　その他の構成は、実施の形態１に係る半導体装置と同様であるため、詳細な説明は省略する。
＜実施の形態２に係る半導体装置の動作の詳細＞
　次に、図１４Ａ～図１４Ｅを用いて、実施の形態２に係る半導体装置の動作の詳細について説明する。図１４Ａ～図１４Ｅは、実際のユースケース（音楽再生及び動画再生）に則した電力削減モード制御方法の詳細を説明するためのシーケンス図である。図１４Ａ～図１４Ｅの左端に＜１＞～＜１１＞までの番号を示している。この番号に沿って、順に説明する。
＜１＞システム起動時の動作
　システムが起動すると、ＣＰＵがメインルーチンを開始する。まず、図１４Ａに示すように、ＣＰＵが記憶部ＲＥＧに対し初期化信号ｒｓｔを出力し、記憶部ＲＥＧに格納された各種データ（温度監視部ＴＭ及び基準温度算出部ＲＣが備えるタイマのリミット値、計算用基礎データｄ１、基準アクティブサイクルａｃ２）を初期化する。なお、起動時のチップ温度は２０℃であって、起動後のユースケースは音楽再生である。
　次に、ＣＰＵは、基準温度算出部ＲＣに対し、基準温度Ｔｒｅｆを算出するためのサブルーチン１の開始を要求する開始要求ｒｅｑ１を出力する。また、ＣＰＵは、温度監視部ＴＭに対し、測定温度Ｔａを取得するためのサブルーチン２の開始を要求する開始要求ｒｅｑ２を出力する。
＜２＞基準温度算出（サブルーチン１）及び測定温度取得（サブルーチン２）
　サブルーチン１の開始要求ｒｅｑ１に応じ、基準温度算出部ＲＣは内部のタイマをリセットし、タイマ満了時にサイクル測定部ＣＭに対し、各種測定データの測定要求ｒｅｑ３を出力する。この測定要求ｒｅｑ３に応じ、サイクル測定部ＣＭは、アクティブサイクルａｃ１及び計算用測定データｄ２（アイドルサイクルＣＩ及びシャットダウン比率ｒ）を測定する。続けて、サイクル測定部ＣＭは、比較部取得したアクティブサイクルａｃ１を比較部ＣＭＰへ送付する。
　比較部ＣＭＰは、サイクル測定部ＣＭから送付されたアクティブサイクルａｃ１と記憶部ＲＥＧに格納されている基準アクティブサイクルａｃ２とを比較する。具体的には、例えばａｃ２×０．９＜ａｃ１＜ａｃ２×１．１を満足しているか否か判定する。すなわち、アクティブサイクルａｃ１の基準アクティブサイクルａｃ２に対する変化が１０％未満か否かを判定する。上述の通り、１０％という数値はあくまでも一例である。
　ここで、システム起動後最初の判定であるため、ａｃ２×０．９＜ａｃ１＜ａｃ２×１．１を満足しない。そのため、比較部ＣＭＰは、基準温度算出部ＲＣに対し、基準温度Ｔｒｅｆを変更するための基準変更要求ｒｅｑ４を出力する。この基準変更要求ｒｅｑ４は例えばイネーブル信号であって、基準変更要求ｒｅｑ４を出力するとは、当該イネーブル信号の値が１であることを意味する。
　基準変更要求ｒｅｑ４は、サイクル測定部ＣＭにも入力される。基準変更要求ｒｅｑ４に応じて、サイクル測定部ＣＭはアクティブサイクルａｃ１を新たな基準アクティブサイクルａｃ２として記憶部ＲＥＧへ送付する（図１４Ａには示されていないが、図９のステップＳ１６に相当する）。
　基準変更要求ｒｅｑ４に応じ、基準温度算出部ＲＣは、サイクル測定部ＣＭに対し計算用測定データｄ２（アイドルサイクルＣＩ及びシャットダウン比率ｒ）の送付を要求する。この要求に応じて、サイクル測定部ＣＭは、基準温度算出部ＲＣへ計算用測定データｄ２を送付する。
　また、基準温度算出部ＲＣは、記憶部ＲＥＧに対し計算用基礎データｄ１（基準温度計算式及び要素アイドル電力）の送付を要求する。この要求に応じて、記憶部ＲＥＧは基準温度算出部ＲＣへ計算用基礎データｄ１を送付する。
　基準温度算出部ＲＣは、記憶部ＲＥＧから取得した要素アイドル電力ＥＩ［Ｗ／Ｈｚ］及びサイクル測定部ＣＭから取得したアイドルサイクルＣＩ［Ｈｚ］を用いて、アイドル電力ＰＩ［Ｗ］を算出する。具体的には、ＰＩ［Ｗ］＝ＥＩ［Ｗ／Ｈｚ］×ＣＩ［Ｈｚ］の式からアイドル電力ＰＩ［Ｗ］を算出する。
　続けて、基準温度算出部ＲＣは、自身が算出したアイドル電力ＰＩ、サイクル測定部ＣＭから取得したシャットダウン比率ｒ、及び記憶部ＲＥＧから取得した基準温度計算式を用いて、基準温度Ｔｒｅｆを算出する。ここでは、Ｔｒｅｆ＝６３．３℃とする。基準温度算出部ＲＣは、この算出された基準温度Ｔｒｅｆをモード判定部ＭＤへ送付する。
　一方、サブルーチン２の開始要求ｒｅｑ２に応じ、温度監視部ＴＭは、内部のタイマをリセットし、タイマ満了時に温度センサＴＳへ温度の測定要求ｒｅｑ５を出力する。測定要求ｒｅｑ５に応じ、温度センサＴＳは測定温度Ｔａを取得し、温度監視部ＴＭへ送付する。ここでは、Ｔａ＝２２℃である。温度監視部ＴＭは、温度センサＴＳから取得した測定温度Ｔａをモード判定部ＭＤへ送付する。
＜３＞モード判定
　モード判定部ＭＤは、測定温度Ｔａと基準温度Ｔｒｅｆとを比較し、Ｔａ＜Ｔｒｅｆを満たすか否かを判定する。ここで、測定温度Ｔａ＝２２℃、基準温度Ｔｒｅｆ＝６３．３℃であるため、Ｔａ＜Ｔｒｅｆを満たす。従って、モード判定部ＭＤは、アイドル電力削減モードを選択する。そのため、クロック生成部ＣＰＧは、出力する動作クロックｃｋ１の周波数（ＣＰＵの動作周波数）を最大周波数ｆｍａｘ［Ｈｚ］からアイドル電力削減モード周波数ｆ１［Ｈｚ］へ変更する。
＜４＞基準温度算出（サブルーチン１）及び測定温度取得（サブルーチン２）
　次に、図１４Ｂを参照して説明する。
　基準温度算出部ＲＣは、基準温度Ｔｒｅｆをモード判定部ＭＤへ送付した後、内部のタイマをリセットする。そして、基準温度算出部ＲＣは、タイマ満了時にサイクル測定部ＣＭに対し、各種測定データの測定要求ｒｅｑ３を出力する。この測定要求ｒｅｑ３に応じ、サイクル測定部ＣＭは、アクティブサイクルａｃ１及び計算用測定データｄ２（アイドルサイクルＣＩ及びシャットダウン比率ｒ）を測定する。続けて、サイクル測定部ＣＭは、比較部取得したアクティブサイクルａｃ１を比較部ＣＭＰへ送付する。
　比較部ＣＭＰは、サイクル測定部ＣＭから送付されたアクティブサイクルａｃ１と記憶部ＲＥＧに格納されている基準アクティブサイクルａｃ２とを比較する。具体的には、例えばａｃ２×０．９＜ａｃ１＜ａｃ２×１．１を満足しているか否か判定する。ここで、ユースケースは音楽再生のままであるため、ａｃ２×０．９＜ａｃ１＜ａｃ２×１．１を満足する。そのため、比較部ＣＭＰは、基準温度算出部ＲＣに対し、基準温度Ｔｒｅｆを変更するための基準変更要求ｒｅｑ４を出力しない。この基準変更要求ｒｅｑ４が上記イネーブル信号であれば、基準変更要求ｒｅｑ４を出力しないとは、当該イネーブル信号の値が０であることを意味する。
　一方、温度監視部ＴＭは、測定温度Ｔａをモード判定部ＭＤへ送付した後、内部のタイマをリセットし、タイマ満了時に温度センサＴＳへ温度の測定要求ｒｅｑ５を出力する。測定要求ｒｅｑ５に応じ、温度センサＴＳは測定温度Ｔａを取得し、温度監視部ＴＭへ送付する。ここでは、Ｔａ＝２３℃である。温度監視部ＴＭは、温度センサＴＳから取得した測定温度Ｔａをモード判定部ＭＤへ送付する。
＜５＞モード判定
　モード判定部ＭＤは、測定温度Ｔａと基準温度Ｔｒｅｆとを比較し、Ｔａ＜Ｔｒｅｆを満たすか否かを判定する。ここで、測定温度Ｔａ＝２３℃、基準温度Ｔｒｅｆ＝６３．３℃であるため、Ｔａ＜Ｔｒｅｆを満たす。従って、モード判定部ＭＤは、アイドル電力削減モードを選択する。ここで、ＣＰＵの動作周波数は既にアイドル電力削減モード周波数ｆ１［Ｈｚ］である。そのため、クロック生成部ＣＰＧは出力する動作クロックｃｋ１の周波数を切り換えない。
＜６＞基準温度算出（サブルーチン１）及び測定温度取得（サブルーチン２）
　次に、図１４Ｃを参照して説明する。
　基準温度算出部ＲＣは、比較部ＣＭＰからの基準変更要求ｒｅｑ４がない場合、内部のタイマをリセットする。そして、基準温度算出部ＲＣは、タイマ満了時にサイクル測定部ＣＭに対し、各種測定データの測定要求ｒｅｑ３を出力する。この測定要求ｒｅｑ３に応じ、サイクル測定部ＣＭは、アクティブサイクルａｃ１及び計算用測定データｄ２（アイドルサイクルＣＩ及びシャットダウン比率ｒ）を測定する。続けて、サイクル測定部ＣＭは、比較部取得したアクティブサイクルａｃ１を比較部ＣＭＰへ送付する。
　比較部ＣＭＰは、サイクル測定部ＣＭから送付されたアクティブサイクルａｃ１と記憶部ＲＥＧに格納されている基準アクティブサイクルａｃ２とを比較する。具体的には、例えばａｃ２×０．９＜ａｃ１＜ａｃ２×１．１を満足しているか否か判定する。ここで、ユースケースが音楽再生から動画再生へ変更されているため、ａｃ２×０．９＜ａｃ１＜ａｃ２×１．１を満足しない。そのため、比較部ＣＭＰは、基準温度算出部ＲＣに対し、基準温度Ｔｒｅｆを変更するための基準変更要求ｒｅｑ４を出力する。
　この基準変更要求ｒｅｑ４は、サイクル測定部ＣＭにも入力され、この基準変更要求ｒｅｑ４に応じて、サイクル測定部ＣＭはアクティブサイクルａｃ１を新たな基準アクティブサイクルａｃ２として記憶部ＲＥＧへ送付する（図１４Ｃには示されていないが、図９のステップＳ１６に相当する）。
　基準変更要求ｒｅｑ４に応じ、基準温度算出部ＲＣは、サイクル測定部ＣＭに対し計算用測定データｄ２（アイドルサイクルＣＩ及びシャットダウン比率ｒ）の送付を要求する。この要求に応じて、サイクル測定部ＣＭは、基準温度算出部ＲＣへ計算用測定データｄ２を送付する。
　また、基準温度算出部ＲＣは、記憶部ＲＥＧに対し計算用基礎データｄ１（基準温度計算式及び要素アイドル電力）の送付を要求する。この要求に応じて、記憶部ＲＥＧは基準温度算出部ＲＣへ計算用基礎データｄ１を送付する。
　基準温度算出部ＲＣは、記憶部ＲＥＧから取得した要素アイドル電力ＥＩ［Ｗ／Ｈｚ］及びサイクル測定部ＣＭから取得したアイドルサイクルＣＩ［Ｈｚ］を用いて、アイドル電力ＰＩ［Ｗ］を算出する。続けて、基準温度算出部ＲＣは、自身が算出したアイドル電力ＰＩ、サイクル測定部ＣＭから取得したシャットダウン比率ｒ、及び記憶部ＲＥＧから取得した基準温度計算式を用いて、基準温度Ｔｒｅｆを算出する。ここでは、Ｔｒｅｆ＝６４．４℃とする。基準温度算出部ＲＣは、この算出された基準温度Ｔｒｅｆをモード判定部ＭＤへ送付する。
　一方、温度監視部ＴＭは、測定温度Ｔａをモード判定部ＭＤへ送付した後、内部のタイマをリセットし、タイマ満了時に温度センサＴＳへ温度の測定要求ｒｅｑ５を出力する。測定要求ｒｅｑ５に応じ、温度センサＴＳは測定温度Ｔａを取得し、温度監視部ＴＭへ送付する。ここでは、Ｔａ＝４４℃である。温度監視部ＴＭは、温度センサＴＳから取得した測定温度Ｔａをモード判定部ＭＤへ送付する。
＜７＞モード判定
　モード判定部ＭＤは、測定温度Ｔａと基準温度Ｔｒｅｆとを比較し、Ｔａ＜Ｔｒｅｆを満たすか否かを判定する。ここで、測定温度Ｔａ＝４４℃、基準温度Ｔｒｅｆ＝６４．４℃であるため、Ｔａ＜Ｔｒｅｆを満たす。従って、モード判定部ＭＤは、アイドル電力削減モードを選択する。この時点において、ＣＰＵの動作周波数は、音楽再生でのアイドル電力削減モード周波数ｆ１［Ｈｚ］である。そのため、クロック生成部ＣＰＧは、出力する動作クロックｃｋ１の周波数を動画再生でのアイドル電力削減モード周波数ｆ２［Ｈｚ］へ切り換える。ここで、動画再生では音楽再生よりも高速動作が要求されるため、通常ｆ１＜ｆ２である。
＜８＞基準温度算出（サブルーチン１）及び測定温度取得（サブルーチン２）
　次に、図１４Ｄを参照して説明する。
　基準温度算出部ＲＣは、基準温度Ｔｒｅｆをモード判定部ＭＤへ送付した後、内部のタイマをリセットする。そして、基準温度算出部ＲＣは、タイマ満了時にサイクル測定部ＣＭに対し、各種測定データの測定要求ｒｅｑ３を出力する。この測定要求ｒｅｑ３に応じ、サイクル測定部ＣＭは、アクティブサイクルａｃ１及び計算用測定データｄ２（アイドルサイクルＣＩ及びシャットダウン比率ｒ）を測定する。続けて、サイクル測定部ＣＭは、比較部取得したアクティブサイクルａｃ１を比較部ＣＭＰへ送付する。
　比較部ＣＭＰは、サイクル測定部ＣＭから送付されたアクティブサイクルａｃ１と記憶部ＲＥＧに格納されている基準アクティブサイクルａｃ２とを比較する。具体的には、例えばａｃ２×０．９＜ａｃ１＜ａｃ２×１．１を満足しているか否か判定する。ここで、ユースケースは動画再生のままであるため、ａｃ２×０．９＜ａｃ１＜ａｃ２×１．１を満足する。そのため、比較部ＣＭＰは、基準温度算出部ＲＣに対し、基準温度Ｔｒｅｆを変更するための基準変更要求ｒｅｑ４を出力しない。
　一方、温度監視部ＴＭは、測定温度Ｔａをモード判定部ＭＤへ送付した後、内部のタイマをリセットし、タイマ満了時に温度センサＴＳへ温度の測定要求ｒｅｑ５を出力する。測定要求ｒｅｑ５に応じ、温度センサＴＳは測定温度Ｔａを取得し、温度監視部ＴＭへ送付する。ここでは、Ｔａ＝７０℃である。温度監視部ＴＭは、温度センサＴＳから取得した測定温度Ｔａをモード判定部ＭＤへ送付する。
＜９＞モード判定
　モード判定部ＭＤは、測定温度Ｔａと基準温度Ｔｒｅｆとを比較し、Ｔａ＜Ｔｒｅｆを満たすか否かを判定する。ここで、測定温度Ｔａ＝７０℃、基準温度Ｔｒｅｆ＝６４．４℃であるため、Ｔａ＜Ｔｒｅｆを満たさない。従って、モード判定部ＭＤは、リーク電力削減モードを選択する。そのため、クロック生成部ＣＰＧは、出力する動作クロックｃｋ１の周波数をアイドル電力削減モード周波数ｆ２［Ｈｚ］から最大周波数ｆｍａｘへ切り換える。
＜１０＞基準温度算出（サブルーチン１）及び測定温度取得（サブルーチン２）
　次に、図１４Ｅを参照して説明する。
　基準温度算出部ＲＣは、比較部ＣＭＰからの基準変更要求ｒｅｑ４がない場合、内部のタイマをリセットする。そして、基準温度算出部ＲＣは、タイマ満了時にサイクル測定部ＣＭに対し、各種測定データの測定要求ｒｅｑ３を出力する。この測定要求ｒｅｑ３に応じ、サイクル測定部ＣＭは、アクティブサイクルａｃ１及び計算用測定データｄ２（アイドルサイクルＣＩ及びシャットダウン比率ｒ）を測定する。続けて、サイクル測定部ＣＭは、比較部取得したアクティブサイクルａｃ１を比較部ＣＭＰへ送付する。
　比較部ＣＭＰは、サイクル測定部ＣＭから送付されたアクティブサイクルａｃ１と記憶部ＲＥＧに格納されている基準アクティブサイクルａｃ２とを比較する。具体的には、例えばａｃ２×０．９＜ａｃ１＜ａｃ２×１．１を満足しているか否か判定する。ここで、ユースケースは動画再生のままであるため、ａｃ２×０．９＜ａｃ１＜ａｃ２×１．１を満足する。そのため、比較部ＣＭＰは、基準温度算出部ＲＣに対し、基準温度Ｔｒｅｆを変更するための基準変更要求ｒｅｑ４を出力しない。
　一方、温度監視部ＴＭは、測定温度Ｔａをモード判定部ＭＤへ送付した後、内部のタイマをリセットし、タイマ満了時に温度センサＴＳへ温度の測定要求ｒｅｑ５を出力する。測定要求ｒｅｑ５に応じ、温度センサＴＳは測定温度Ｔａを取得し、温度監視部ＴＭへ送付する。ここでは、Ｔａ＝６０℃である。温度監視部ＴＭは、温度センサＴＳから取得した測定温度Ｔａをモード判定部ＭＤへ送付する。
＜１１＞モード判定
　モード判定部ＭＤは、測定温度Ｔａと基準温度Ｔｒｅｆとを比較し、Ｔａ＜Ｔｒｅｆを満たすか否かを判定する。ここで、測定温度Ｔａ＝６０℃、基準温度Ｔｒｅｆ＝６４．４℃であるため、Ｔａ＜Ｔｒｅｆを満たす。従って、モード判定部ＭＤは、アイドル電力削減モードを選択する。そのため、クロック生成部ＣＰＧは、出力する動作クロックｃｋ１の周波数を最大周波数ｆｍａｘからアイドル電力削減モード周波数ｆ２［Ｈｚ］へ切り換える。
　以上説明したように、本実施の形態に係る半導体装置では、動作周波数に比例して増加するアイドル電力ＰＩと温度上昇とともに急激に増加するリーク電力ＰＬとのうち、いずれを削減するのが全体としての消費電力削減に寄与するのかを基準温度Ｔｒｅｆと測定温度Ｔａとを比較することにより判断している。そして、この比較結果に基づいて、動作周波数を適切に制御することにより、消費電力を削減している。
　具体的には、測定温度Ｔａが基準温度Ｔｒｅｆよりも小さく、リーク電力ＰＬが小さい場合、動作周波数を下げることによりアイドル電力ＰＩを削減し、全体として消費電力を削減する。他方、測定温度Ｔａが基準温度Ｔｒｅｆ以上で、リーク電力ＰＬが大きい場合、動作周波数を上げ、アクティブ状態を短時間化する（シャットダウン状態を長時間化する）ことにより、リーク電力ＰＬを削減し、全体として消費電力を削減する。
　さらに、消費電力の削減に伴い、半導体装置から発生する熱も抑制することができる。そのため、チップ温度の上昇による半導体装置の熱暴走を抑制することができる。すなわち、半導体装置の信頼性も向上する。
（実施の形態３）
＜電力削減モード制御方法（メインルーチン）＞
　次に、図１５を参照して、実施の形態３に係る半導体装置における電力削減モード制御方法（メインルーチン）について説明する。図１５は、実施の形態３に係る電力削減モード制御方法（メインルーチン）を説明するためのフローチャートである。実施の形態３に係る半導体装置の構成は、図７に示した実施の形態１に係る半導体装置と同様であるが、モード判定部ＭＤにおける判定方法が異なる。
　図１５におけるステップＳ１～Ｓ５は、図８におけるステップＳ１～Ｓ５と同じであるため、説明を省略する。
　ステップＳ５の後、モード判定部ＭＤは、測定温度Ｔａと下限基準温度（第１の基準温度）＝Ｔｒｅｆ×０．８とを比較し、Ｔａ＜Ｔｒｅｆ×０．８を満たすか否かを判定する（ステップＳ６１）。Ｔａ＜Ｔｒｅｆ×０．８を満たす場合（ステップＳ６１ＹＥＳ）、モード判定部ＭＤはアイドル電力削減モードを選択し、クロック生成部ＣＰＧはＣＰＵの動作クロックｃｋ１の周波数を低く設定する（ステップＳ７）。例えば、処理に支障をきたさずにＣＰＵが動作可能な最低の周波数に設定する。その後、ステップＳ４に戻り、モード判定を繰り返す。
　一方、Ｔａ＜Ｔｒｅｆ×０．８を満たさない場合（ステップＳ６１ＮＯ）、モード判定部ＭＤは、測定温度Ｔａと上限基準温度（第２の基準温度）＝Ｔｒｅｆ×１．２とを比較し、Ｔａ＞Ｔｒｅｆ×１．２を満たすか否かを判定する（ステップＳ６２）。Ｔａ＞Ｔｒｅｆ×１．２を満たす場合（ステップＳ６２ＹＥＳ）、モード判定部ＭＤはリーク電力削減モードを選択し、クロック生成部ＣＰＧはＣＰＵの動作クロックｃｋ１の周波数を高く設定する（ステップＳ８）。例えば、ＣＰＵが動作可能な最高周波数に設定する。その後、ステップＳ４に戻り、モード判定を繰り返す。
　一方、Ｔａ＞Ｔｒｅｆ×１．２を満たさない場合（ステップＳ６２ＮＯ）、モード判定部ＭＤはいずれのモードも選択せず、クロック生成部ＣＰＧはＣＰＵの動作クロックｃｋ１の周波数を変更しない。つまり、そのままステップＳ４に戻り、モード判定を繰り返す。
　すなわち、モード判定部ＭＤは、測定温度Ｔａが上限基準温度（図１５ではＴｒｅｆ×１．２）を超えた場合に、リーク電力削減モードを選択し、測定温度Ｔａが下限基準温度（図１５ではＴｒｅｆ×０．８）を下回った場合に、アイドル電力削減モードを選択する。他方、測定温度Ｔａが下限基準温度以上、上限基準温度以下（図１５ではＴｒｅｆ×０．８≦Ｔａ≦Ｔｒｅｆ×１．２）であれば、いずれのモードも選択しない。すなわち、クロック生成部ＣＰＧは動作周波数を変更しない。
　なお、図１５の例では、上限基準温度＝Ｔｒｅｆ×１．２、下限基準温度＝Ｔｒｅｆ×０．８であるが、上限基準温度及び下限基準温度は適宜決定することができる。また、図１５の例では、上限基準温度及び下限基準温度を基準温度Ｔｒｅｆから決定しているが、別々に決定してもよい。また、当然のことながら、ステップＳ６１、Ｓ６２については、いずれを先に実行してもかまわない。
　図１６Ａは、実施の形態３の実施例に係る半導体装置の温度上昇時における消費電力の温度依存性を説明するためのグラフである。横軸が温度［℃］、縦軸が消費電力［ｍＷ］であり、実施例の消費電力が実線で示されている。また、図１６Ａには、比較例に係る半導体装置の消費電力も破線で示されている（図１２の比較例に同じ）。
　図１６Ａでは、実施例において、下限基準温度Ｔｒｅｆ×０．８よりも温度が低い場合、動作周波数を下げ、上限基準温度Ｔｒｅｆ×１．２よりも温度が高い場合、動作周波数を上げるように制御している。図１６Ａに示すように、温度上昇時には、上限基準温度以下の温度域では低い動作周波数であって、上限基準温度を超えると高い動作周波数へ切り換わる。そのため、基準温度Ｔｒｅｆから上限基準温度Ｔｒｅｆ×１．２までの間では比較例と同程度の消費電力となる。但し、この温度域では比較例の消費電力もさほど高くなく、全体として実施の形態１とほぼ同様に比較例よりも消費電力が小さくなる。
　図１６Ｂは、実施の形態３の実施例に係る半導体装置の温度降下時における消費電力の温度依存性を説明するためのグラフである。横軸が温度［℃］、縦軸が消費電力［ｍＷ］であり、実施例の消費電力が実線で示されている。また、図１６Ｂにも、比較例に係る半導体装置の消費電力も破線で示されている（図１２の比較例に同じ）。
　図１６Ｂでも、実施例において、下限基準温度Ｔｒｅｆ×０．８よりも温度が低い場合、動作周波数を下げ、上限基準温度Ｔｒｅｆ×１．２よりも温度が高い場合、動作周波数を上げるように制御している。図１６Ｂに示すように、温度降下時には、下限基準温度以上の温度域では高い動作周波数であって、下限基準温度を下回ると低い動作周波数へ切り換わる。そのため、基準温度Ｔｒｅｆから下限基準温度Ｔｒｅｆ×０．８までの間では比較例と同程度の消費電力となる。但し、この温度域では比較例の消費電力もさほど高くなく、全体として実施の形態１とほぼ同様に比較例よりも消費電力が小さくなる。
　このように、実施の形態３に係る半導体装置では、実施の形態１に係る半導体装置に比べ、動作周波数の切換回数を減らすことにより、半導体装置の動作を安定させつつ、効果的に消費電力を低減することができる。
＜変更例等＞
　以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。
　例えば、基準温度Ｔｒｅｆと測定温度Ｔａとの比較結果に基づいて、動作周波数を変更することに加え、動作電圧も変更するようにしてもよい。
９０　シリコン基板
９１　ゲート
９２　ソース
９２　ドレイン
９３　ドレイン
９４　ゲート絶縁膜
９５　サイドウォール
９６　ゲートコンタクト
９７　ソースコンタクト
９８　ドレインコンタクト
１００　電力削減モード制御部
５００　無線通信端末
５０１　筐体
５０２　ディスプレイデバイス
５０３　タッチパネル
５０４　操作ボタン
５０５、５０６　カメラデバイス
６００　無線通信装置
６０１　アプリケーションプロセッサ（ホストＩＣ）
６０２　ベースバンドプロセッサ
６０３　ＲＦＩＣ
６０４　メインメモリ
６０５　バッテリ
６０６　ＰＭＩＣ
６０７　表示部
６０８　カメラ部
６０９　操作入力部
６１０　オーディオＩＣ
６１１　マイク
６１２　スピーカ
ＣＭ　サイクル測定部
ＣＭＰ　比較部
ＣＰＧ　クロック生成部
ＣＰＵ　ＣＰＵ
ＩＰＵ　画像処理部
ＭＤ　モード判定部
ＰＳＣ　電源制御部
ＲＣ　基準温度算出部
ＲＥＧ　記憶部
ＳＷ１～ＳＷ３　電源供給スイッチ
Ｔａ　測定温度
ＴＭ　温度監視部
Ｔｒｅｆ　基準温度
ＴＳ　温度センサ
ＶＰＵ　音声処理部

Claims (20)

  1. 　以下を含む半導体装置：
    （ａ）半導体チップに設けられた演算部；
    （ｂ）前記半導体チップの温度を測定する温度センサ；
    （ｃ）前記温度センサにより測定された測定温度を予め定められた基準温度と比較し、比較結果に基づいて、制御信号を出力する制御部；
    （ｄ）前記制御信号に基づいて、前記演算部へ供給する動作クロックを生成するクロック生成部、
    　ここで前記制御部は、前記測定温度が前記基準温度よりも高い場合、前記動作クロックの周波数を第１の周波数から当該第１の周波数よりも高い第２の周波数へ切り換えるように前記クロック生成部を制御可能とする。
  2. 　前記制御部は、前記測定温度が前記基準温度よりも低い場合、前記動作クロックの周波数を前記第２の周波数から前記第１の周波数へ切り換えるように前記クロック生成部を制御可能とする、
    請求項１に記載の半導体装置。
  3. 　前記制御部は、前記基準温度を算出する基準温度算出部を備えている、
    請求項１に記載の半導体装置。
  4. 　前記基準温度算出部は、予め定められたアイドル電流とリーク電流との比に基づいて、前記基準温度を算出する、
    請求項３に記載の半導体装置。
  5. 　前記基準温度算出部は、前記演算部がアクティブ状態での前記動作クロックのサイクル数の変化に応じて、前記基準温度を更新する、
    請求項３に記載の半導体装置。
  6. 　前記動作クロックの周波数が前記第１の周波数である第１のモードは、前記動作クロックの周波数が前記第２の周波数である第２のモードに比べ、前記演算部への電源電圧の供給を停止するシャットダウン状態の比率が小さい、
    請求項１に記載の半導体装置。
  7. 　前記演算部への前記電源電圧の供給を制御する電源制御部をさらに備える、
    請求項６に記載の半導体装置。
  8. 　以下を含む半導体装置：
    （ａ）半導体チップに設けられた演算部；
    （ｂ）前記半導体チップの温度を測定する温度センサ；
    （ｃ）前記温度センサにより測定された測定温度を予め定められた第１の基準温度及び前記第１の基準温度よりも高い第２の基準温度と比較し、比較結果に基づいて、制御信号を出力する制御部；
    （ｄ）前記制御信号に基づいて、前記演算部へ供給する動作クロックを生成するクロック生成部、
    　ここで前記制御部は、前記測定温度が前記第２の基準温度よりも高い場合、前記動作クロックの周波数を第１の周波数から当該第１の周波数よりも高い第２の周波数へ切り換えるように前記クロック生成部を制御する。
  9. 　前記制御部は、前記測定温度が前記第１の基準温度よりも低い場合、前記動作クロックの周波数を前記第２の周波数から前記第１の周波数へ切り換えるように前記クロック生成部を制御する、
    請求項８に記載の半導体装置。
  10. 　前記制御部は、前記測定温度が前記第１の基準温度よりも高く前記第２の基準温度よりも低い場合、前記動作クロックの周波数を切り換えないように前記クロック生成部を制御する、
    請求項８に記載の半導体装置。
  11. 　前記制御部は、前記第１の基準温度及び前記第２の基準温度を算出する基準温度算出部を備えている、
    請求項８に記載の半導体装置。
  12. 　前記基準温度算出部は、予め定められたアイドル電流とリーク電流との比に基づいて、前記第１の基準温度及び前記第２の基準温度を算出する、
    請求項１１に記載の半導体装置。
  13. 　前記基準温度算出部は、前記演算部がアクティブ状態での前記動作クロックのサイクル数の変化に応じて、前記第１の基準温度及び前記第２の基準温度を更新する、
    請求項１１に記載の半導体装置。
  14. 　前記動作クロックの周波数が前記第１の周波数である第１のモードは、前記動作クロックの周波数が前記第２の周波数である第２のモードに比べ、前記演算部への電源電圧の供給を停止するシャットダウン状態の比率が小さい、
    請求項８に記載の半導体装置。
  15. 　前記演算部への前記電源電圧の供給を制御する電源制御部をさらに備える、
    請求項１４に記載の半導体装置。
  16. 　以下の工程を含む半導体装置の制御方法：
    （ａ）半導体チップの温度を測定する工程；
    （ｂ）測定温度を予め定められた基準温度と比較する工程；
    （ｃ）前記測定温度が前記基準温度よりも高い場合、前記半導体チップに形成された演算部へ供給する動作クロックの周波数を第１の周波数から当該第１の周波数よりも高い第２の周波数へ切り換える工程。
  17. 　さらに、前記測定温度が前記基準温度よりも低い場合、前記動作クロックの周波数を前記第２の周波数から前記第１の周波数へ切り換える工程を含む、
    請求項１６に記載の半導体装置の制御方法。
  18. 　以下の工程を含む半導体装置の制御方法：
    （ａ）半導体チップの温度を測定する工程；
    （ｂ）測定温度を予め定められた第１の基準温度及び前記第１の基準温度よりも高い第２の基準温度と比較する工程；
    （ｃ）前記測定温度が前記第２の基準温度よりも高い場合、前記半導体チップに形成された演算部へ供給する動作クロックの周波数を第１の周波数から当該第１の周波数よりも高い第２の周波数へ切り換える工程。
  19. 　さらに、前記測定温度が前記第１の基準温度よりも低い場合、前記動作クロックの周波数を前記第２の周波数から前記第１の周波数へ切り換える工程を含む、
    請求項１８に記載の半導体装置の制御方法。
  20. 　さらに、前記測定温度が前記第１の基準温度よりも高く前記第２の基準温度よりも低い場合、前記動作クロックの周波数を切り換えない工程を含む、
    請求項１８に記載の半導体装置の制御方法。
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