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(shí)，解答各類科技小問(wèn)題。每周3分鐘，多一些“芯”知識(shí)。

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(gè)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(shí)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(jiǎn)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(shí)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(gè)輸入端，一個(gè)輸出端。當(dāng)全部輸入端都是邏輯值“1”時(shí)，輸出才是邏輯值“1”；任何一個(gè)輸入端為邏輯值“0”，則輸出為邏輯值“0”。

讓我們找個(gè)生活中的案例，以帶童鎖的單出水口飲水機(jī)來(lái)說(shuō)。當(dāng)單按熱水鍵或是單按童鎖鍵時(shí)，都無(wú)法解鎖熱水供應(yīng)功能，只有兩者都按下才會(huì)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(lái)杠，就是你對(duì)【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(gè)輸入端，一個(gè)輸出端。只要有一個(gè)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(huì)為“0”。

這次用無(wú)童鎖功能單口普(qiong)通(gui)飲水機(jī)來(lái)舉個(gè)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(jiǎn)稱非門。非門有一個(gè)輸入、一個(gè)輸出端。當(dāng)其輸入端為“1”時(shí)輸出端為“0”，當(dāng)其輸入端為“0”時(shí)輸出端為“1”。

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

基于以上3種基本門電路的組合，就可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)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(gè)輸入和一個(gè)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(gè)輸入和一個(gè)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(kāi)啦。

門電路在物理世界中是由什么組成，又是如何實(shí)現(xiàn)的？

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

數(shù)字電路中，用來(lái)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(duì)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(shí)際電路設(shè)計(jì)來(lái)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(shí)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(shí)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(shí)，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)妷骸Ｓ捎谠撾妷和ǔ６己苄?，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(wú)電勢(shì)差，電路無(wú)電流，因而Y輸出與電源同為高電平。這就是“與電路”。

或電路的基本設(shè)計(jì)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(shì)差，相應(yīng)二極管導(dǎo)通，A（或B）與Y的電勢(shì)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(shí)電路中無(wú)電勢(shì)差，Y與大地同為0V即低電平。

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(diǎn)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。

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(lái)，便構(gòu)成了集成門電路。

什么？？你說(shuō)這幾個(gè)邏輯門也沒(méi)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(gè)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(gè)門，要確保每個(gè)邏輯門的正常工作以及相互之間的關(guān)系不出錯(cuò)，可就復(fù)雜了，這就需要芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具EDA的加持，才能使得百億個(gè)門一同實(shí)現(xiàn)最佳配合（這可是咱新思科技的看家本領(lǐng)）。

以自動(dòng)駕駛為例，汽車需要快速了解當(dāng)前路況并及時(shí)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、顆粒度足夠小）、想得明（在極短的時(shí)間內(nèi)理清數(shù)據(jù)背后所反應(yīng)的事實(shí)并做出正確判斷）、反應(yīng)快（及時(shí)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(dòng)駕駛計(jì)算平臺(tái)的算力已經(jīng)突破1000TOPS（1TOPS即處理器每秒鐘可進(jìn)行一萬(wàn)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(lái)控制另一個(gè)門，如今，人類已可以通過(guò)在一個(gè)芯片中互連多達(dá)上億個(gè)邏輯門來(lái)創(chuàng)建極為復(fù)雜的運(yùn)算系統(tǒng)。

與此同時(shí)，歷經(jīng)幾十年的高速發(fā)展，邏輯門的計(jì)算能力已達(dá)到超乎想象的地步。據(jù)《自然》雜志報(bào)道，美國(guó)羅切斯特大學(xué)的科學(xué)家已開(kāi)發(fā)出新的邏輯門，通過(guò)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(jì)算機(jī)速度快上100萬(wàn)倍。AMAZING(⊙?⊙)

未來(lái)，上至國(guó)家經(jīng)濟(jì)測(cè)算、政策方案推導(dǎo)，下至自動(dòng)駕駛、云計(jì)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(wú)比期待和振奮。屆時(shí)，我們也許真的可以推演出一只亞馬遜流域的蝴蝶扇動(dòng)了翅膀，將如何掀起一場(chǎng)風(fēng)云。然后通過(guò)干預(yù)，從而將可能產(chǎn)生的龍卷風(fēng)消弭于無(wú)形……

每一塊芯片都是由一個(gè)個(gè)簡(jiǎn)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(jí)，深入到汽車、能源、農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，科技將讓我們看見(jiàn)，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)。