Tại sao NAND Gates lại rẻ?

Trong các phòng thí nghiệm và bài giảng điện tử kỹ thuật số của tôi, chúng tôi được khuyên nên thử và làm mọi thứ từ cổng NAND, bởi vì chúng là loại cổng rẻ nhất có sẵn để mua. Tại sao lại thế này? Tại sao cổng OR / AND không rẻ nhất để mua?

Cổng NAND rẻ vì có rất nhiều trong số chúng nằm xung quanh từ những năm 1980.

Nghiêm túc mà nói, một cổng NAND là về cổng logic đơn giản nhất. Bạn có thể nghĩ về nó như một biến tần đa đầu vào. Về mặt điện, đó chính xác là những gì cổng NAND TTL. Mỗi đầu vào chỉ là một bộ phát khác được thêm vào bóng bán dẫn đầu vào. Phần còn lại của mạch chỉ là một biến tần. Nó khác với CMOS, nhưng cổng NAND vẫn rất đơn giản.

Vì các chip yêu cầu một vài bóng bán dẫn, chúng có thể nhỏ, cho phép rất nhiều trong số chúng trên mỗi wafer silicon, khiến chúng có giá rẻ.

Một trong những lý do có thể nói là trong các mạch CMOS, cổng NAND vừa nhỏ hơn, vừa có diện tích và nhanh hơn cổng NOR, trong khi cổng AND và OR yêu cầu mạch biến tần rõ ràng có kích thước tương đương với NAND / CŨNG KHÔNG. Vì vậy, trong CMOS, NAND rẻ hơn một chút.

Điều này không đúng với nMOS (nó ngược lại ở đó) và chắc chắn không áp dụng cho các cổng đóng gói như loạt 74x - chi phí khu vực hoàn toàn bị lu mờ bởi chi phí đóng gói và các chi phí khác.

Tham khảo: Thiết kế VLSI của Peter Robinson , trang 14, "Trong CMOS, cổng NAND có đặc điểm tốc độ và diện tích tốt hơn cổng NOR".

Tham khảo 2: ở đây , diễn giải: "Trong CMOS, cổng NOR có hai pMOS nối tiếp làm cho nó chậm hơn do tính di động kém của các lỗ."

Bất kỳ chức năng logic nào cũng có thể được xây dựng từ các cổng NAND (hoặc NOR), thậm chí các hệ thống hoàn chỉnh. Cổng OR và AND có giá tương đương với NAND, nhưng bạn cũng cần bộ biến tần. 1.000 cổng NAND sẽ rẻ hơn so với hỗn hợp OR, AND và biến tần.

Seymour Cray đã từng chế tạo siêu máy tính Cray của mình từ cổng ECL NOR vì lý do đó.

Một vài điểm chưa được đề cập:

1. Trong logic TTL, trước đây là loại "bình thường" trước khi logic dựa trên MOS hoàn toàn chiếm lĩnh, một cổng NAND hai đầu vào cần bốn bóng bán dẫn, một trong số đó có hai bộ phát; một cổng NOR hai đầu vào sẽ yêu cầu sáu bóng bán dẫn (mỗi bóng có một bộ phát). Tổng quát hơn, một cổng NAND đầu vào N sẽ yêu cầu bốn bóng bán dẫn, một trong số đó có N phát; một cổng NOR đầu vào N sẽ yêu cầu các bóng bán dẫn 2N + 2.
2. Trong logic NMOS, một cổng đầu vào N, cho dù là NAND, NOR hoặc một số kết hợp nào đó (chỉ có một đảo ngược duy nhất, ở cuối) sẽ yêu cầu N bóng bán dẫn và một điện trở. Trong NMOS, cổng NOR nhanh hơn một chút so với cổng NAND.
3. Trong logic CMOS, một cổng đầu vào N, cho dù là NAND, NOR hoặc một số kết hợp của chúng (chỉ có một đảo ngược duy nhất, ở cuối) thường sẽ yêu cầu các bóng bán dẫn N PMOS và bóng bán dẫn N NMOS. Một cổng NAND sẽ nhanh hơn một chút để tạo ra "cao" so với cổng NOR, với sự khác biệt sẽ rõ rệt hơn khi số lượng đầu vào tăng lên. Tuy nhiên, cổng NOR sẽ nhanh hơn một chút để tạo ra mức "thấp" so với cổng NAND. Vì công nghệ CMOS là, tất cả những thứ khác đều bằng nhau, chậm hơn một chút để phát tín hiệu cao so với tín hiệu thấp, cổng NAND có thể có thời gian đầu ra "cân bằng" hơn một chút.
4. Trong hầu hết các thiết kế CPLD, khối logic cơ bản bao gồm một loạt các cổng NAND nhiều đầu vào (trong đó các đầu vào có thể được kết nối hoặc ngắt kết nối) có đầu ra điều khiển một loạt các cổng NAND nhiều đầu vào. Lưu ý rằng tài liệu nói chung cho thấy một loạt các "VÀ" đang lái một bó "HOẶC", nhưng NAND lái NAND sẽ mang lại hành vi tương tự như các AND lái OR, nhưng với ít đảo ngược hơn, vì cổng NAND không chỉ là một một AND với đầu ra đảo ngược, nhưng hoạt động giống như OR với đầu vào đảo ngược. Con trai lấy AND và OR, đảo ngược đầu ra của AND và đầu vào của OR (điều mà người ta có thể làm, vì hai lần đảo ngược hủy bỏ), và một trái với NAND điều khiển NAND.

Bất kỳ thiết kế logic nào không mong muốn logic ba trạng thái hoặc tốc độ tối ưu đều có thể được thực hiện hoàn toàn với các cổng NAND. Điều đó không có nghĩa là cổng NAND luôn là cách thực tế nhất để thực hiện mọi thứ. Ví dụ, một cổng độc quyền sẽ lấy bốn cổng NAND hai đầu vào để xây dựng, đại diện cho tổng số mười sáu bóng bán dẫn trong CMOS. Tuy nhiên, nếu người ta xây dựng một cổng OR độc quyền CMOS trực tiếp ra khỏi bóng bán dẫn, công việc có thể được thực hiện với tám.

Tôi dường như nhớ có một sự đảo ngược tự nhiên. Vì vậy, một cổng AND sẽ cần thêm một biến tần nhưng NAND thì không. Hoặc tôi có thể sai ...

Cũng như đơn giản, cổng NAND có thể được sử dụng ở vị trí của tất cả các cổng khác, do đó, khi các công ty mua số lượng lớn, họ chỉ mua cổng NAND vì chúng có thể được sử dụng cho mọi thứ. Điều này giúp họ tiết kiệm không gian lưu trữ và rẻ hơn với số lượng lớn. Do đó, các nhà sản xuất theo xu hướng - nhiều nhu cầu hơn cho phép họ giảm giá để tăng lợi nhuận trong tương lai.