В компьютерной инженерии логическое семейство — это одно из двух взаимосвязанных понятий:
До широкого распространения интегральных схем использовались различные твердотельные и ламповые логические системы, но они никогда не были столь стандартизированы и совместимы, как устройства на интегральных схемах. Наиболее распространенным семейством логики в современных полупроводниковых приборах является логика металл-оксид-полупроводник (МОП) из-за низкого энергопотребления, малых размеров транзисторов и высокой плотности транзисторов .
Список семейств упакованных логических структурных элементов можно разделить на категории, перечисленные здесь в примерно хронологическом порядке введения вместе с их обычными сокращениями:
Семейства (RTL, DTL и ECL) были получены из логических схем, используемых в ранних компьютерах, изначально реализованных с использованием дискретных компонентов . Одним из примеров является семейство логических строительных блоков Philips NORBIT .
Семейства PMOS и I 2 L-логики использовались относительно недолго, в основном в специализированных устройствах с большой интегральной схемой и, как правило, считаются устаревшими. Например, ранние цифровые часы или электронные калькуляторы могли использовать одно или несколько устройств PMOS для обеспечения большей части логики для готового продукта. Микропроцессоры F14 CADC , Intel 4004 , Intel 4040 и Intel 8008 и их вспомогательные чипы были PMOS.
Из этих семейств только ECL, TTL, NMOS, CMOS и BiCMOS в настоящее время все еще широко используются. ECL используется для очень высокоскоростных приложений из-за его цены и требований к мощности, в то время как логика NMOS в основном используется в схемах VLSI, таких как процессоры и микросхемы памяти, которые выходят за рамки этой статьи. Современные логические вентили «строительных блоков» основаны на семействах ECL, TTL, CMOS и BiCMOS.
Класс цифровых схем, построенных с использованием резисторов в качестве входной цепи и биполярных транзисторов (БПТ) в качестве коммутационных устройств.
В компьютере Атанасова–Берри использовались резисторно-связанные электронные лампы, логические схемы, похожие на RTL. Несколько ранних транзисторных компьютеров (например, IBM 1620 , 1959) использовали RTL, где он был реализован с использованием дискретных компонентов.
Семейство простых резисторно-транзисторных логических интегральных схем было разработано в Fairchild Semiconductor для бортового компьютера Apollo в 1962 году. Texas Instruments вскоре представила собственное семейство RTL. Вариант со встроенными конденсаторами, RCTL, имел более высокую скорость, но меньшую помехоустойчивость, чем RTL. Это было сделано Texas Instruments как их серия "51XX".
Класс цифровых схем, в которых логическая функция вентиля (например, И) выполняется диодной схемой, а функция усиления — транзистором.
Диодная логика использовалась с вакуумными трубками в самых ранних электронных компьютерах в 1940-х годах, включая ENIAC . Диодно-транзисторная логика (DTL) использовалась в IBM 608 , который был первым полностью транзисторным компьютером. Ранние транзисторные компьютеры были реализованы с использованием дискретных транзисторов, резисторов, диодов и конденсаторов.
Первое семейство интегральных схем на основе диодно-транзисторной логики было представлено Signetics в 1962 году. DTL также производили Fairchild и Westinghouse . Семейство интегральных схем на основе диодной логики и диодно-транзисторной логики было разработано Texas Instruments для бортового компьютера D-37C Minuteman II в 1962 году, но эти устройства не были доступны широкой публике.
Вариант DTL, называемый «логикой с высоким порогом», включал в себя диоды Зенера для создания большого смещения между уровнями напряжения логической 1 и логического 0. Эти устройства обычно работали от источника питания 15 В и использовались в промышленном управлении, где высокий дифференциал был предназначен для минимизации влияния шума. [3]
Логика МОП-транзисторов p-типа (PMOS) использует МОП-транзисторы p-канала для реализации логических вентилей и других цифровых схем . Логика МОП-транзисторы n-типа (NMOS) использует МОП-транзисторы n-канала для реализации логических вентилей и других цифровых схем.
Для устройств с одинаковой способностью управления током n-канальные МОП-транзисторы могут быть сделаны меньше, чем p-канальные МОП-транзисторы, поскольку носители заряда p-канала ( дырки ) имеют меньшую подвижность , чем носители заряда n-канала ( электроны ), и производство только одного типа МОП-транзистора на кремниевой подложке дешевле и технически проще. Это были принципы управления при проектировании логики NMOS , которая использует исключительно n-канальные МОП-транзисторы. Однако, пренебрегая током утечки , в отличие от логики CMOS, логика NMOS потребляет энергию даже тогда, когда не происходит переключения.
MOSFET, изобретенный в Bell Labs между 1955 и 1960 годами, имел как pMOS, так и nMOS-устройства с 20-мкм процессом . [4] [5] [6] [7] [8] Их оригинальные MOSFET-устройства имели длину затвора 20 мкм и толщину оксида затвора 100 нм . [9] Однако nMOS-устройства были непрактичными, и только pMOS-тип были практически рабочими устройствами. [8] Более практичный процесс NMOS был разработан несколько лет спустя. NMOS изначально был быстрее, чем CMOS , поэтому NMOS более широко использовался для компьютеров в 1970-х годах. [10] С развитием технологий логика CMOS вытеснила логику NMOS в середине 1980-х годов, став предпочтительным процессом для цифровых микросхем.
В ЭСЛ используется дифференциальный усилитель на биполярном транзисторе с перегрузкой, несимметричным входом и ограниченным током эмиттера.
Семейство ECL, ECL, также известное как логика токового режима (CML), было изобретено IBM как логика управления током для использования в транзисторном компьютере IBM 7030 Stretch , где оно было реализовано с использованием дискретных компонентов.
Первое семейство логических схем ECL, доступное в интегральных схемах, было представлено компанией Motorola как MECL в 1962 году. [11]
В ТТЛ-логике биполярные транзисторы выполняют логические и усилительные функции.
Первое семейство транзисторно-транзисторной логики интегральных схем было представлено компанией Sylvania как Sylvania Universal High–Level Logic (SUHL) в 1963 году. Texas Instruments представила семейство TTL серии 7400 в 1964 году. Транзисторно-транзисторная логика использует биполярные транзисторы для формирования своих интегральных схем. [12] TTL значительно изменились за эти годы, и более новые версии заменили старые типы.
Поскольку транзисторы стандартного затвора ТТЛ являются насыщенными переключателями, время хранения неосновных носителей в каждом переходе ограничивает скорость переключения устройства. Изменения базовой конструкции ТТЛ предназначены для уменьшения этих эффектов и улучшения скорости, энергопотребления или того и другого.
Немецкий физик Вальтер Х. Шоттки сформулировал теорию, предсказывающую эффект Шоттки , который привел к диоду Шоттки и позднее транзисторам Шоттки . При той же рассеиваемой мощности транзисторы Шоттки имеют более высокую скорость переключения, чем обычные транзисторы, поскольку диод Шоттки предотвращает насыщение транзистора и сохранение заряда; см. зажим Бейкера . Затворы, построенные на транзисторах Шоттки, потребляют больше энергии, чем обычные ТТЛ, и переключаются быстрее. [ необходимо разъяснение ] С маломощными Шоттки (LS) значения внутреннего сопротивления были увеличены для снижения энергопотребления и увеличения скорости переключения по сравнению с исходной версией. Введение усовершенствованного маломощного Шоттки (ALS) еще больше увеличило скорость и снизило энергопотребление. Также было представлено более быстрое семейство логики под названием FAST (Fairchild Advanced Schottky TTL) (Schottky) (F), которое было быстрее, чем обычные Шоттки TTL.
Логические вентили КМОП используют комплементарные схемы N-канального и P-канального полевого транзистора с улучшенным режимом работы . Поскольку в первых устройствах использовались изолированные оксидом металлические вентили, их называли КМОП (комплементарная металл-оксид-полупроводниковая логика). В отличие от ТТЛ, КМОП почти не потребляет энергию в статическом состоянии (то есть, когда входы не изменяются). Вентили КМОП не потребляют ток, кроме тока утечки, когда находятся в устойчивом состоянии 1 или 0. Когда вентили переключают состояния, ток потребляется от источника питания для зарядки емкости на выходе вентиля. Это означает, что потребление тока в устройствах КМОП увеличивается с частотой переключения (обычно контролируемой тактовой частотой).
Первое семейство логических интегральных схем КМОП было представлено RCA как CD4000 COS/MOS , серия 4000 , в 1968 году. Первоначально логика КМОП была медленнее, чем LS-TTL. Однако, поскольку логические пороги КМОП были пропорциональны напряжению источника питания, устройства КМОП были хорошо адаптированы к системам с батарейным питанием и простыми источниками питания. Вентили КМОП также могут выдерживать гораздо более широкие диапазоны напряжений, чем вентили ТТЛ, поскольку логические пороги (приблизительно) пропорциональны напряжению источника питания, а не фиксированным уровням, требуемым биполярными схемами.
Требуемая площадь кремния для реализации таких цифровых функций КМОП быстро сократилась. Технология СБИС, включающая миллионы базовых логических операций на одном кристалле, почти исключительно использует КМОП. Чрезвычайно малая емкость внутрикристальной проводки привела к увеличению производительности на несколько порядков. Тактовые частоты на кристалле, достигающие 4 ГГц, стали обычным явлением, что примерно в 1000 раз быстрее, чем технология к 1970 году.
Чипы CMOS часто работают с более широким диапазоном напряжений питания, чем другие логические семейства. Ранние микросхемы TTL требовали напряжения питания 5 В , но ранние CMOS могли использовать от 3 до 15 В. [13] Снижение напряжения питания уменьшает заряд, хранящийся на любых емкостях, и, следовательно, уменьшает энергию, необходимую для логического перехода. Снижение энергии подразумевает меньшее рассеивание тепла. Энергия, хранящаяся в емкости C и изменяющая V вольт, составляет ½ CV 2 . При снижении напряжения питания с 5 В до 3,3 В коммутационная мощность была снижена почти на 60 процентов ( рассеиваемая мощность пропорциональна квадрату напряжения питания). Многие материнские платы имеют модуль регулятора напряжения для обеспечения еще более низких напряжений питания, требуемых многими ЦП.
Из-за несовместимости серии чипов CD4000 с предыдущим семейством TTL появился новый стандарт, который объединил лучшее из семейства TTL с преимуществами семейства CD4000. Он был известен как 74HC (который использовал источники питания от 3,3 В до 5 В (и использовал логические уровни относительно источника питания)), и с устройствами, которые использовали источники питания 5 В и логические уровни TTL .
Для соединения любых двух логических семейств часто требовались специальные методы, такие как дополнительные подтягивающие резисторы или специально разработанные интерфейсные схемы, поскольку логические семейства могут использовать разные уровни напряжения для представления состояний 1 и 0 и могут иметь другие требования к интерфейсу, которые выполняются только в пределах логического семейства.
Логические уровни TTL отличаются от уровней CMOS – обычно выход TTL не поднимается достаточно высоко, чтобы быть надежно распознанным как логическая 1 входом CMOS. Эта проблема была решена изобретением семейства устройств 74HCT, которое использует технологию CMOS, но входные логические уровни TTL. Эти устройства работают только с источником питания 5 В. Они образуют замену TTL, хотя HCT медленнее оригинального TTL (логика HC имеет примерно такую же скорость, как и оригинальный TTL).
Другие семейства схем КМОП в интегральных схемах включают логику переключения напряжения каскода (CVSL) и логику проходного транзистора (PTL) различных видов. Они обычно используются "на кристалле" и не поставляются как строительные блоки средних или малых интегральных схем. [14] [15]
Одним из основных усовершенствований было объединение входов CMOS и драйверов TTL для формирования нового типа логических устройств, называемых BiCMOS-логикой , из которых наиболее важными являются семейства логики LVT и ALVT. Семейство BiCMOS имеет много членов, включая логику ABT, логику ALB, логику ALVT, логику BCT и логику LVT.
С конкуренцией на рынке HC и HCT логики и LS-TTL логики стало ясно, что необходимы дальнейшие усовершенствования для создания идеального логического устройства, которое сочетало бы высокую скорость с низким рассеиванием мощности и совместимостью со старыми логическими семействами. Появился целый ряд новых семейств, использующих технологию CMOS. Краткий список наиболее важных обозначений семейств этих новых устройств включает:
Существует множество других схем, включая логику AC/ACT, логику AHC/AHCT, логику ALVC, логику AUC, логику AVC, логику CBT, логику CBTLV, логику FCT и логику LVC ( LVCMOS ).
Интегрированная инжекционная логика (IIL или I 2 L) использует биполярные транзисторы в схеме управления током для реализации логических функций. [16] Она использовалась в некоторых интегральных схемах, но сейчас считается устаревшей. [17]
Следующие логические семейства либо использовались для построения систем из функциональных блоков, таких как триггеры, счетчики и вентили, либо использовались в качестве «связующей» логики для соединения очень больших интеграционных устройств, таких как память и процессоры. Не показаны некоторые ранние малоизвестные логические семейства начала 1960-х годов, такие как DCTL (транзисторная логика с прямой связью), которые не стали широко доступными.
Задержка распространения — это время, необходимое для того, чтобы двухвходовой вентиль NAND выдал результат после изменения состояния на его входах. Скорость переключения представляет собой самую высокую скорость, с которой может работать JK-триггер. Мощность на вентиль указана для отдельного двухвходового вентиля NAND; обычно на корпус ИС приходится более одного вентиля. Значения весьма типичны и могут немного отличаться в зависимости от условий применения, производителя, температуры и конкретного типа логической схемы. Год введения — это год, когда по крайней мере некоторые устройства семейства были доступны в больших объемах для гражданского использования. Некоторые военные приложения появились раньше, чем гражданское использование. [18] [19]
Несколько методов и стилей проектирования в основном используются при проектировании больших однокристальных специализированных интегральных схем (ASIC) и процессоров, а не универсальных логических семейств, предназначенных для использования в многокристальных приложениях.
Эти стили проектирования обычно можно разделить на две основные категории: статические методы и синхронизированные динамические методы . (См. раздел статическая и динамическая логика для обсуждения преимуществ и недостатков каждой категории).