Чому ворота NAND дешеві?

У моїх лабораторіях цифрової електроніки та лекціях нам кажуть спробувати виготовити речі з воріт NAND, оскільки вони є найдешевшим видом воріт, які можна придбати. Чому це? Чому АБО / АБО ворота не найдешевші для придбання?

Ворота NAND - дешеві, тому що їх так багато, що лежать навколо 1980-х.

Якщо серйозно, то ворота NAND - це про найпростіші логічні ворота. Ви можете думати про це як багато вхідний інвертор. Електрично саме це і є ворота TTL NAND. Кожен вхід - це лише інший випромінювач, доданий до вхідного транзистора. Решта ланцюга - це просто інвертор. У CMOS це по-різному, але ворота NAND все ще дуже прості.

Оскільки мікросхеми потребують декількох транзисторів, вони можуть бути невеликими, що дозволяє їх багато на кремнієву пластину, що робить їх дешевими.

Однією з причин цього можна сказати, що в ланцюгах CMOS затвор NAND є і меншим, по площі, і швидшим, ніж ворота NOR, тоді як ворота AND і OR вимагають явної інверторної ланцюга, порівнянної за розміром з NAND / НОР. Так що в CMOS, NAND - це трохи дешевше.

Це не стосується nMOS (це навпаки там), і, звичайно, не стосується упакованих воріт, таких як серія 74x - вартість площі повністю затьмарена витратами на упаковку та інші накладні витрати.

Довідка: VLSI Design Пітера Робінсона , стор.14, "У CMOS ворота NAND мають кращі характеристики швидкості та площі, ніж ворота NOR".

Посилання 2: тут , перефразоване: "У CMOS ворота NOR мають два серії pMOS послідовно, що робить його повільніше через погану рухливість отворів".

Будь-яка логічна функція може бути побудована з воріт NAND (або NOR), навіть повних систем. АБО і ворота AND і коштують приблизно так само, як і NAND, але вам також потрібні інвертори. 1000 воріт NAND буде дешевше, ніж суміш АБО, AND та інверторів.

З цієї причини Сеймур Крей використовував для створення своїх суперкомп'ютерів Cray із воріт ECL NOR.

Ще кілька моментів, про які ще не було сказано:

1. У логіці TTL, яка раніше була "нормальним" типом до того, як логіка на основі МОС повністю перейняла логічний затвор NAND, має два входи, один з яких має два випромінювачі; для двома вхідними воротами NOR знадобиться шість транзисторів (кожен з одним випромінювачем). Більш загально, NAND-вхідний затвор потребує чотирьох транзисторів, один з яких має N випромінювачів; N-вхідний NOR-затвор потребує 2N + 2 транзисторів.
2. У логіці NMOS, N-вхідний затвор, будь то NAND, NOR, або якась їх комбінація (з єдиною інверсією в кінці), потребує N транзисторів і одного резистора. У NMOS ворота NOR трохи швидші, ніж ворота NAND.
3. У логіці CMOS, N-вхідний затвор, будь то NAND, NOR або якась їх комбінація (з єдиною інверсією в кінці), як правило, вимагає N PMOS-транзисторів і N NMOS-транзисторів. NAND-шлюз буде трохи швидше виводити "високу", ніж NOR-ворота, при цьому різниця стає більш вираженою, оскільки кількість вводу збільшується. Ворота NOR, однак, будуть трохи швидшими, щоб вивести "низький", ніж NAND-ворота. Оскільки технологія CMOS, за інших рівних рівнів, трохи повільніше виводить високі сигнали, ніж низькі, то NAND-шлюз може мати дещо більш "збалансований" час виходу.
4. У більшості конструкцій CPLD основний логічний блок складається з безлічі вхідних воріт NAND (де входи можуть бути підключені або від'єднані), вихід яких керує купою багатозахисних воріт NAND. Зауважте, що документація, як правило, показує купу "AND", що керує купою "OR", але NANDs, що керують NANDs, матиме таку ж поведінку, що і AND, що управляє АБО, але з меншою кількістю інверсій, оскільки ворота NAND - це не тільки І з перевернутим виходом, але поводиться так само, як АБО із перевернутими входами. Син візьміть AND і ORs, інвертуйте виходи AND і входи OR, (що можна зробити, оскільки дві інверсії скасовуються), а один залишається з NANDs, що ведуть NAND.

Будь-яка логічна конструкція, яка не бажає тридержавної логіки або оптимальної швидкості, може бути повністю реалізована за допомогою воріт NAND. Це не означає, що ворота NAND - це завжди найбільш практичний спосіб втілення речей. Наприклад, ексклюзивні або ворота потребують побудови чотирьох двох вхідних NAND-воріт, що представляють загальну кількість шістнадцяти транзисторів у CMOS. Однак, якщо один побудує ворота CMOS виключно-АБО безпосередньо з транзисторів, однак цю роботу можна виконати з восьми.

Я, мабуть, пам’ятаю, що існує природна інверсія. Таким чином, ворота AND потребує додаткового інвертора, але NAND цього не робить. Або я можу помилитися ...

Як і прості, ворота NAND можуть використовуватися замість усіх інших воріт, тому, коли компанії купують оптом, вони купують лише ворота NAND, оскільки їх можна використовувати для всього. Це економить їм місця для зберігання та дешевше оптом. Тому виробники дотримуються тенденції - більший попит дозволяє знижувати ціну, щоб збільшити майбутні прибутки.