【了不起的芯片】与非门究竟是个什么门？

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这一期，我们聊一聊逻辑电路的那些事儿。

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科技越发展，世界就被0和1这两个数字越深刻地描述。那么，让0和1跨越了数字逻辑与物理真实的鸿沟，联通数字世界和物理世界的，究竟是什么呢？

逻辑门电路，是数字电路的基本构成。简称门电路，以高、低电平分别代表逻辑上的“真”与“假”（或二进制当中的“1”和“0” ），从而实现逻辑运算。

首先，基本的3种门电路有如下3种：

与门电路（AND）：又称“与电路”、逻辑“积”电路。最基础的与门有两个输入端，一个输出端。当全部输入端都是逻辑值“1”时，输出才是逻辑值“1”；任何一个输入端为逻辑值“0”，则输出为逻辑值“0”。

让我们找个生活中的案例，以带童锁的单出水口饮水机来说。当单按热水键或是单按童锁键时，都无法解锁热水供应功能，只有两者都按下才会出热水。（p.s.此处就不深究童锁键和热水键的先后次序了。来杠，就是你对【狗头】）

或门电路（OR）：又称或电路、逻辑“和”电路。最基础的或门也是两个输入端，一个输出端。只要有一个输入端为“1”，输出就为“1”；除非所有的输入端全为“0”，输出才会为“0”。

这次用无童锁功能单口普(qiong)通(gui)饮水机来举个例子。不管是单按热水键还是单按凉水键，都能出水。

非门电路（NOT）：又称非电路、逻辑否定电路，也称反相器，简称非门。非门有一个输入、一个输出端。当其输入端为“1”时输出端为“0”，当其输入端为“0”时输出端为“1”。

非电路在日常生活中也很常见。箱式电梯的关门保护装置就是，当人经过电梯门时，会触发保护装置，保证电梯门不会关闭。

基于以上3种基本门电路的组合，就可以实现相对复杂的逻辑运算，包括：

与非门（NAND, NOT-AND）：是与门和非门的结合，有多个输入和一个输出。与非门的关键是先进行“与”运算，再进行“非”运算。

或非门（NOR, NOT-OR）：是或门和非门的结合，同样有多个输入和一个输出。或非门先进行“或”运算，再进行“非”运算。

此外还有更为复杂的异或门（XOR, Exclusive-OR），同或门（XNOR, equivalence）。在此就先不展开啦。

门电路在物理世界中是由什么组成，又是如何实现的？

我们先回过头来，讲清门电路设计中极为关键的概念：高、低电平。

数字电路中，用来表示电压高低的是逻辑电平，包括了高电平和低电平。不同的元器件形成的数字电路，电压对应的逻辑电平也不同。一般规定低电平为0V上下，高电平为供电电压上下。

从实际电路设计来看，继电器、电子管、晶体管等具有导通、截止两种状态的元件（存在1和0两种截然不同状态），都可以用于门电路的实现。

下面我们基于二极管或三极管，看看与门、或门、非门等3种基本门电路是如何实现的。

首先，如下电路的外接电源电压与高电平一致。当A、B至少有一处是低电平时，相应二极管导通，则Y与A（或B）之间的电压就是该二极管的正向导通电压。由于该电压通常都很小，因而Y输出为低电平。如果A和B都是高电平，电源与A和B之间均无电势差，电路无电流，因而Y输出与电源同为高电平。这就是“与电路”。

或电路的基本设计如下。其中，接地处是0V即低电平。当A（或B）有一处是高电平，电路中存在电势差，相应二极管导通，A（或B）与Y的电势差为二极管的导通电压，因此Y输出电压与A（或B）相近，即为高电平。当A与B都是低电平，此时电路中无电势差，Y与大地同为0V即低电平。

非电路略为麻烦，电路中包含有晶体三极管、外接高电平电源和接地。如下图，当A为高电平，三极管饱和导通，电源与接地点之间相当于短路连接，Y与大地接通，输出低电平；当A为低电平，三极管截止，Y与电源电压相通，输出高电平。

各种数字电路就是由基本单元电路──逻辑门电路所组成的。将构成门电路的元器件制作在一块半导体芯片上，再封装起来，便构成了集成门电路。

什么？？你说这几个逻辑门也没多复杂？

那你可得看看今天我们把逻辑门玩出了多复杂的运算系统！虽然单个门的逻辑并不复杂，但是现在一颗芯片里包含几百亿个门，要确保每个逻辑门的正常工作以及相互之间的关系不出错，可就复杂了，这就需要芯片设计自动化工具EDA的加持，才能使得百亿个门一同实现最佳配合（这可是咱新思科技的看家本领）。

以自动驾驶为例，汽车需要快速了解当前路况并及时做出正确反应，才能保障安全驾驶。那就需要：看得清（传感器采集数据速度足够快、颗粒度足够小）、想得明（在极短的时间内理清数据背后所反应的事实并做出正确判断）、反应快（及时将基于判断所形成的指令下达给执行器）。而这些背后是：海量的数据，以及超乎想象的算力和运算速度。

当前很多自动驾驶计算平台的算力已经突破1000TOPS（1TOPS即处理器每秒钟可进行一万亿次（10^12）运算）。而逻辑门电路正是高算力数字芯片的底层基石。得益于任何特定门电路的输出都是电压，该电压又可以用来控制另一个门，如今，人类已可以通过在一个芯片中互连多达上亿个逻辑门来创建极为复杂的运算系统。

与此同时，历经几十年的高速发展，逻辑门的计算能力已达到超乎想象的地步。据《自然》杂志报道，美国罗切斯特大学的科学家已开发出新的逻辑门，通过用激光脉冲轰击石墨烯和黄金，能够使新的逻辑门比现有计算机速度快上100万倍。AMAZING(⊙ˍ⊙)

未来，上至国家经济测算、政策方案推导，下至自动驾驶、云计算等超大数据量的应用，都将从这种超高速运算中受益，都让我们无比期待和振奋。届时，我们也许真的可以推演出一只亚马逊流域的蝴蝶扇动了翅膀，将如何掀起一场风云。然后通过干预，从而将可能产生的龙卷风消弭于无形……

每一块芯片都是由一个个简单的逻辑门组成的。正是这些看似并不复杂的逻辑门电路，支撑起了复杂的运算，筑成了我们今天的数字世界。当技术不断继续演化和升级，深入到汽车、能源、农业等各个领域，科技将让我们看见，世界的方方面面与之碰擦出精彩的数字火花。

注：本文以正逻辑为基础。

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