芯片中的逻辑门是如何工作的呢?

门似乎是必须打开和关闭摆动的设备,但是芯片被蚀刻到没有移动部件的硅晶片上。那么如何打开和关闭门呢?

  为什么计算机只能读懂1和0?

  从小到大,我们被告知的都是,计算机只能读懂1和0,但为什么计算机它就能够读懂1和0呢,它是怎么读懂的?读懂后,又是怎样进行工作的呢?最最基本原始的那个工作原理是什么呢?

  最基本原始的那个工作原理甚至都和电无关,是数学原理——布尔代数。任何可以改变状态传递信息的技术都可以拿来实现布尔逻辑,而实现了布尔逻辑,就离计算机不远了。

  起初, 科学家创造计算机,就表示要先有逻辑门,然后就用真空二极管实现了逻辑门。

  电子计算机的原理就是利用通电、断电(或曰高电平、低电平)这两个状态来表示布尔代数中的逻辑真和逻辑假从而实现布尔运算,由于这个原因,设逻辑真为1和逻辑假为0,这样就可以用计算机表示二进制的数字了。

  实际上,任何两种不同的东西经过一定的组合都可以代表任何种类的信息,摩尔斯密码的“点、划”与布尔代数的“0、1”没有本质上的区别。

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  所以说起来,现代电子计算机的实现,是物理原理,计算理论,数学原理。

  布尔代数

  在电子工程领域和计算机科学领域,布尔代数也叫做布尔逻辑(Boolean algebra)。

  布尔逻辑得名于乔治·布尔,他是爱尔兰科克的皇后学院的英国数学家,他在十九世纪中叶首次定义了逻辑的代数系统。现在,布尔逻辑在电子学、计算机硬件和软件中有很多应用。在1937年,克劳德·艾尔伍德·香农展示了布尔逻辑如何在电子学中使用。

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  基本的逻辑门有三种,AND(与)、OR(或)、NOT(非)。

  与门在电路图中的符号:

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  当A=1,B=1时,L=1;(1代表高电平,0代表低电平)

  当A=1,B=0时,L=0;

  当A=0,B=1时,L=0;

  当A=0,B=0时,L=0;

  或门在电路图中的符号:

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  当A=1,B=1时,L=1;

  当A=1,B=0时,L=1;

  当A=0,B=1时,L=1;

  当A=0,B=0时,L=0;

  非门在电路图中的符号:

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  当A=1时,L=0;

  当A=0时,L=1;

  在与或非基础下延伸出的复杂些的逻辑门还有或非,异或,同或,与非门。然后我们就可以用这些门电路相互组合去实现复杂的逻辑功能了。

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  逻辑门电路的物理实现

  电路中,二极管和三极管都可以实现布尔代数中的逻辑操作——逻辑门。

  二极管的性质是只有一个方向可以通电,反向不通电。三极管(还有一种性质相似的场效应管FET)的性质是b通电ec通,b断电ec断。如果继续深挖,二极管和FET的技术原理是PN结和NPN结,是原子、电子层面的原理。

  下面分别是与或非(AND、OR、NOT)三种逻辑门的电路实现。

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图源:程序猿

  有了这三种逻辑门电路,就可以实现任意逻辑门了,比如与非门、或非门、异或门、同或门(异或非门)。

  实际应用中,电路并不是凭空想的,是通过布尔逻辑运算得到一个最简逻辑表达式,然后按照这个表达式来组装电路。且多以与非门(NAND(Not AND) gate)为基础原件来构建电路,因为其他所有门电路都可以用与非门构建。

  硅芯片中的逻辑门

  通过二极管和三极管,实现了逻辑门电路后,计算机的模型就出来了。

  1946年,在美国诞生的世界上第一台电子计算机。但它是一个占地150平方米、重达30吨的庞然大物,里面的电路使用了17468只电子管、7200只电阻、10000只电容、50万条线,耗电量150千瓦。

  但无疑过于庞大、无法移动是计算机最直观且突出的问题,为了解决这个问题,集成电路诞生了。

  集成电路采用氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等半导体制造工艺,把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起,制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上,然后封装在一个管壳内,成为具有所需电路功能的微型结构,即芯片。

  如今,一个小小的芯片能容纳数以亿计的晶体管、电阻和电容等元件,但它却只有指甲盖大小。这是如何实现的呢?在硅芯片里,可以通过特定区域扩散形成扩散电阻,特定区域制作pn结形成pn结电容(反偏形成势垒电容)等。

  而这些元件之间的逻辑运算关系,则需要用到逻辑门。逻辑门的功能是把输入的一串0和1,变成输出的另一串0和1,把设计好的组合逻辑电路变成物理实现,得到想要的功能。

  但是,芯片中的逻辑门如何工作的呢?

  门似乎是必须打开和关闭摆动的设备,但是芯片被蚀刻到没有移动部件的硅晶片上。那么如何打开和关闭门呢?

  事实上,开关门、来回摆动的景象显然并不能从字面上代表硅芯片上的结构。在硅芯片上,是通过控制流来实现逻辑门的。

  逻辑门由特定的晶体管排列组成,一般是PMOS晶体管或NMOS晶体管。流经栅极的电流会在电路的特定点建立电压,该电压表示单个“信息”,可能高电平(代表值“ 1”)或低电平(代表值“ 0”)。

  如果我们要在电路上建立1,可通过“接通”连接在电路和正电源电压之间的PMOS晶体管将电流引导到电路。这个过程在电路中只需非常短的间隔(大约十亿分之一秒或十亿分之一秒)。

  同理,如果我们要在电路中建立0,只需要通过连接电路负电源电压或接地的另一种晶体管(NMOS),把电流引向电路。

  在任何一种情况下,电流都会导致电路电压发生变化,并且电路电压代表了一些信息(0或1)。逻辑门控制着电路电流,实际上是控制着信息流。

  在芯片中,控制逻辑门的机制是通过控制晶体管端子上的电压来“开、关”逻辑门。

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  如今,逻辑门的计算能力已发展到压倒性强大的地步。这得益于任何特定门的输出都是电压,该电压又可以用来控制另一个门。因此,可以设计计算机芯片来对内部的信息流做出复杂的决定。这种能力可以通过在一个芯片中互连多达一百万个逻辑门来创建复杂的系统,整个过程无需人为逐个启动,也没有任何活动部件。

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枭枭

集成电路设计行业资深记者,传感器专家网专栏编辑。