От транзистора к вентилю: как рождается логика

В симуляторе вентили — это готовые кирпичики: перетащил NAND, соединил провода, всё работает. Но за каждым таким кирпичиком в реальной микросхеме стоят транзисторы — крошечные электронные выключатели. Эта статья показывает путь от одного выключателя до логического вентиля: те самые «магические» таблицы истинности оказываются просто электрической цепью, которая либо проводит ток, либо нет.

Транзистор — это выключатель, который щёлкает сам

Обычный выключатель щёлкает палец. Транзистор щёлкает напряжением: подал высокое напряжение на управляющий вывод (затвор) — канал открылся, ток пошёл; снял напряжение — канал закрылся, ток остановился. Переключение занимает наносекунды, «щелчок» почти не расходует энергии — именно поэтому транзисторов в процессоре миллиарды.

Ключевая условность всей цифровой техники: высокое напряжение мы называем 1, низкое — 0. Всё остальное — вопрос соединения выключателей.

Из выключателей — вентиль НЕ

Инвертор NOT собирается из двух транзисторов разного типа: верхний (pMOS) открывается от нуля, нижний (nMOS) — от единицы. Они работают перекрёстно:

— На входе 0: верхний ключ открыт, нижний закрыт. Выход соединён с питанием — на выходе 1.
— На входе 1: верхний закрыт, нижний открыт. Выход соединён с землёй — на выходе 0.

Третьего состояния не бывает: один из ключей всегда открыт. Цепь физически реализует таблицу истинности NOT — и никакой «магии логики» в ней нет, только два выключателя и два провода.

NAND: двухэтажный выключатель

Теперь усложним: поставим внизу два nMOS-транзистора последовательно (один над другим), а вверху — два pMOS параллельно. Получится вентиль, который тянет выход к нулю, только когда открыты оба нижних ключа, то есть когда A = 1 и B = 1. Во всех остальных случаях хоть один верхний ключ открыт и выход прижат к единице.

Это и есть NAND — И, за которым стоит НЕ. Четыре транзистора дают целую строку таблицы истинности. Точно так же NOR — это два nMOS параллельно и два pMOS последовательно.

Почему вся техника стоит на NAND

CMOS-производство заточено под пары «верхний ключ + нижний ключ», поэтому NAND и NOR дешевле прочих вентилей. А как показывает статья про законы де Моргана и универсальность NAND, из одних NAND собирается любая схема: NOT — это NAND с замкнутыми входами, AND — NAND плюс инвертор, OR — инверторы на входах NAND.

Именно поэтому в курсе первым «настоящим» вентилем проходит NAND, а уровень 3 «Идеальная пара» предлагает собрать AND из того, что уже есть. Так вы повторяете путь, который реальная схемотехника прошла за полвека: от выключателя — к вычислению.