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與非門究竟是個什么門?

新思科技 ? 來源:新思科技 ? 作者:新思科技 ? 2023-01-13 17:50 ? 次閱讀

2022新思科技科普類短視頻欄目《了不起的芯片》全新上線!新思科技一直致力于打造“人人都能懂”的行業(yè)科普視頻,傳播更多芯片相關(guān)小知識,解答各類科技小問題。每周3分鐘,多一些“芯”知識。

這一期,我們聊一聊邏輯電路的那些事兒。

科技越發(fā)展,世界就被0和1這兩個數(shù)字越深刻地描述。那么,讓0和1跨越了數(shù)字邏輯與物理真實的鴻溝,聯(lián)通數(shù)字世界和物理世界的,究竟是什么呢?

邏輯門電路,是數(shù)字電路的基本構(gòu)成。簡稱門電路,以高、低電平分別代表邏輯上的“真”與“假”(或二進(jìn)制當(dāng)中的“1”和“0” ),從而實現(xiàn)邏輯運(yùn)算。

首先,基本的3種門電路有如下3種:

與門電路(AND):又稱“與電路”、邏輯“積”電路。最基礎(chǔ)的與門有兩個輸入端,一個輸出端。當(dāng)全部輸入端都是邏輯值“1”時,輸出才是邏輯值“1”;任何一個輸入端為邏輯值“0”,則輸出為邏輯值“0”。

讓我們找個生活中的案例,以帶童鎖的單出水口飲水機(jī)來說。當(dāng)單按熱水鍵或是單按童鎖鍵時,都無法解鎖熱水供應(yīng)功能,只有兩者都按下才會出熱水。(p.s.此處就不深究童鎖鍵和熱水鍵的先后次序了。來杠,就是你對【狗頭】)

或門電路(OR:又稱或電路、邏輯“和”電路。最基礎(chǔ)的或門也是兩個輸入端,一個輸出端。只要有一個輸入端為“1”,輸出就為“1”;除非所有的輸入端全為“0”,輸出才會為“0”。

這次用無童鎖功能單口普(qiong)通(gui)飲水機(jī)來舉個例子。不管是單按熱水鍵還是單按涼水鍵,都能出水。

非門電路(NOT):又稱非電路、邏輯否定電路,也稱反相器,簡稱非門。非門有一個輸入、一個輸出端。當(dāng)其輸入端為“1”時輸出端為“0”,當(dāng)其輸入端為“0”時輸出端為“1”。

非電路在日常生活中也很常見。箱式電梯的關(guān)門保護(hù)裝置就是,當(dāng)人經(jīng)過電梯門時,會觸發(fā)保護(hù)裝置,保證電梯門不會關(guān)閉。

基于以上3種基本門電路的組合,就可以實現(xiàn)相對復(fù)雜的邏輯運(yùn)算,包括:

與非門(NAND, NOT-AND):是與門和非門的結(jié)合,有多個輸入和一個輸出。與非門的關(guān)鍵是先進(jìn)行“與”運(yùn)算,再進(jìn)行“非”運(yùn)算。

或非門(NOR, NOT-OR):是或門和非門的結(jié)合,同樣有多個輸入和一個輸出?;蚍情T先進(jìn)行“或”運(yùn)算,再進(jìn)行“非”運(yùn)算。

此外還有更為復(fù)雜的異或門(XOR, Exclusive-OR),同或門(XNOR, equivalence)。在此就先不展開啦。

門電路在物理世界中是由什么組成,又是如何實現(xiàn)的?

我們先回過頭來,講清門電路設(shè)計中極為關(guān)鍵的概念:高、低電平。

數(shù)字電路中,用來表示電壓高低的是邏輯電平,包括了高電平和低電平。不同的元器件形成的數(shù)字電路,電壓對應(yīng)的邏輯電平也不同。一般規(guī)定低電平為0V上下,高電平為供電電壓上下。

從實際電路設(shè)計來看,繼電器、電子管、晶體管等具有導(dǎo)通、截止兩種狀態(tài)的元件(存在1和0兩種截然不同狀態(tài)),都可以用于門電路的實現(xiàn)。

下面我們基于二極管或三極管,看看與門、或門、非門等3種基本門電路是如何實現(xiàn)的。

首先,如下電路的外接電源電壓與高電平一致。當(dāng)A、B至少有一處是低電平時,相應(yīng)二極管導(dǎo)通,則Y與A(或B)之間的電壓就是該二極管的正向?qū)妷?。由于該電壓通常都很小,因而Y輸出為低電平。如果A和B都是高電平,電源與A和B之間均無電勢差,電路無電流,因而Y輸出與電源同為高電平。這就是“與電路”

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或電路的基本設(shè)計如下。其中,接地處是0V即低電平。當(dāng)A(或B)有一處是高電平,電路中存在電勢差,相應(yīng)二極管導(dǎo)通,A(或B)與Y的電勢差為二極管的導(dǎo)通電壓,因此Y輸出電壓與A(或B)相近,即為高電平。當(dāng)A與B都是低電平,此時電路中無電勢差,Y與大地同為0V即低電平。

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非電路略為麻煩,電路中包含有晶體三極管、外接高電平電源和接地。如下圖,當(dāng)A為高電平,三極管飽和導(dǎo)通,電源與接地點之間相當(dāng)于短路連接,Y與大地接通,輸出低電平;當(dāng)A為低電平,三極管截止,Y與電源電壓相通,輸出高電平。

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各種數(shù)字電路就是由基本單元電路──邏輯門電路所組成的。將構(gòu)成門電路的元器件制作在一塊半導(dǎo)體芯片上,再封裝起來,便構(gòu)成了集成門電路。

什么??你說這幾個邏輯門也沒多復(fù)雜?

那你可得看看今天我們把邏輯門玩出了多復(fù)雜的運(yùn)算系統(tǒng)!雖然單個門的邏輯并不復(fù)雜,但是現(xiàn)在一顆芯片里包含幾百億個門,要確保每個邏輯門的正常工作以及相互之間的關(guān)系不出錯,可就復(fù)雜了,這就需要芯片設(shè)計自動化工具EDA的加持,才能使得百億個門一同實現(xiàn)最佳配合(這可是咱新思科技的看家本領(lǐng))。

自動駕駛為例,汽車需要快速了解當(dāng)前路況并及時做出正確反應(yīng),才能保障安全駕駛。那就需要:看得清(傳感器采集數(shù)據(jù)速度足夠快、顆粒度足夠?。?、想得明(在極短的時間內(nèi)理清數(shù)據(jù)背后所反應(yīng)的事實并做出正確判斷)、反應(yīng)快(及時將基于判斷所形成的指令下達(dá)給執(zhí)行器)。而這些背后是:海量的數(shù)據(jù),以及超乎想象的算力和運(yùn)算速度。

當(dāng)前很多自動駕駛計算平臺的算力已經(jīng)突破1000TOPS(1TOPS即處理器每秒鐘可進(jìn)行一萬億次(10^12)運(yùn)算)。而邏輯門電路正是高算力數(shù)字芯片的底層基石。得益于任何特定門電路的輸出都是電壓,該電壓又可以用來控制另一個門,如今,人類已可以通過在一個芯片中互連多達(dá)上億個邏輯門來創(chuàng)建極為復(fù)雜的運(yùn)算系統(tǒng)。

與此同時,歷經(jīng)幾十年的高速發(fā)展,邏輯門的計算能力已達(dá)到超乎想象的地步。據(jù)《自然》雜志報道,美國羅切斯特大學(xué)的科學(xué)家已開發(fā)出新的邏輯門,通過用激光脈沖轟擊石墨烯和黃金,能夠使新的邏輯門比現(xiàn)有計算機(jī)速度快上100萬倍。AMAZING(⊙?⊙)

未來,上至國家經(jīng)濟(jì)測算、政策方案推導(dǎo),下至自動駕駛、云計算等超大數(shù)據(jù)量的應(yīng)用,都將從這種超高速運(yùn)算中受益,都讓我們無比期待和振奮。屆時,我們也許真的可以推演出一只亞馬遜流域的蝴蝶扇動了翅膀,將如何掀起一場風(fēng)云。然后通過干預(yù),從而將可能產(chǎn)生的龍卷風(fēng)消弭于無形……

每一塊芯片都是由一個個簡單的邏輯門組成的。正是這些看似并不復(fù)雜的邏輯門電路,支撐起了復(fù)雜的運(yùn)算,筑成了我們今天的數(shù)字世界。當(dāng)技術(shù)不斷繼續(xù)演化和升級,深入到汽車、能源、農(nóng)業(yè)等各個領(lǐng)域,科技將讓我們看見,世界的方方面面與之碰擦出精彩的數(shù)字火花。

注:本文以正邏輯為基礎(chǔ)。

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原文標(biāo)題:【了不起的芯片】與非門究竟是個什么門?

文章出處:【微信號:Synopsys_CN,微信公眾號:新思科技】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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