Mengapa NAND Gates murah?

Di laboratorium dan ceramah elektronik digital saya, kami disuruh mencoba dan membuat barang-barang dari gerbang NAND, karena itu adalah gerbang termurah yang bisa dibeli. Kenapa ini? Mengapa gerbang OR / AND bukan yang termurah untuk dibeli?

Gerbang NAND murah karena ada banyak dari mereka tergeletak di sekitar tahun 1980-an.

Serius meskipun, gerbang NAND adalah tentang gerbang logika paling sederhana. Anda dapat menganggapnya sebagai inverter multi-input. Secara elektrik, itulah tepatnya gerbang TTL NAND. Setiap input hanyalah emitor yang ditambahkan ke transistor input. Sisa rangkaian hanyalah inverter. Ini berbeda dalam CMOS, tetapi gerbang NAND masih sangat sederhana.

Karena chip memerlukan beberapa transistor, mereka bisa berukuran kecil, yang memungkinkan banyak dari mereka per wafer silikon, yang membuatnya murah.

Salah satu alasan hal ini dapat dikatakan adalah bahwa dalam sirkuit CMOS, gerbang NAND keduanya lebih kecil, area-bijaksana, dan lebih cepat dari gerbang NOR, sedangkan gerbang AND dan OR membutuhkan rangkaian inverter eksplisit yang sebanding dalam ukurannya dengan NAND / MAUPUN. Jadi dalam CMOS, NAND sedikit lebih murah.

Ini tidak berlaku untuk nMOS (ini sebaliknya di sana), dan tentu saja tidak berlaku untuk gerbang paket seperti seri 74x - biaya area sepenuhnya dikalahkan oleh biaya pengemasan dan biaya overhead lainnya.

Referensi: Desain VLSI oleh Peter Robinson , hal.14, "Dalam CMOS, gerbang NAND memiliki kecepatan dan karakteristik area yang lebih baik daripada gerbang NOR".

Referensi 2: di sini , diparafrasekan: "Dalam CMOS, gerbang NOR memiliki dua pMOS secara seri yang membuatnya lebih lambat karena mobilitas lubang yang buruk."

Fungsi logis apa pun dapat dibangun dari gerbang NAND (atau NOR), bahkan sistem yang lengkap. ATAU dan DAN gerbang harganya hampir sama dengan NAND, tetapi Anda perlu inverter juga. 1.000 gerbang NAND akan lebih murah daripada campuran OR, AND, dan inverter.

Seymour Cray digunakan untuk membangun komputer super Cray-nya dari gerbang ECL NOR karena alasan itu.

Beberapa poin yang belum disebutkan:

1. Dalam logika TTL, yang dulunya merupakan tipe "normal" sebelum logika berbasis MOS benar-benar mengambil alih, gerbang NAND dua input memerlukan empat transistor, salah satunya memiliki dua emitor; gerbang NOR dua input akan membutuhkan enam transistor (masing-masing dengan satu emitor). Lebih umum, gerbang NAND input-N akan membutuhkan empat transistor, salah satunya memiliki emisi N; gerbang N-input NOR akan membutuhkan 2N + 2 transistor.
2. Dalam logika NMOS, gerbang input-N, baik NAND, NOR, atau kombinasi keduanya (dengan hanya satu inversi, pada akhirnya) akan membutuhkan N transistor dan satu resistor. Di NMOS, gerbang NOR sedikit lebih cepat dari gerbang NAND.
3. Dalam logika CMOS, gerbang input-N, baik NAND, NOR, atau kombinasi keduanya (dengan hanya satu inversi, pada akhirnya) umumnya akan memerlukan transistor N PMOS dan transistor N NMOS. Gerbang NAND akan sedikit lebih cepat untuk menghasilkan "tinggi" daripada gerbang NOR, dengan perbedaan menjadi lebih jelas ketika jumlah input meningkat. Gerbang NOR, bagaimanapun, akan sedikit lebih cepat untuk menghasilkan "rendah" daripada gerbang NAND. Karena teknologi CMOS, semuanya sama, sedikit lebih lambat untuk menghasilkan sinyal tinggi daripada yang rendah, gerbang NAND mungkin memiliki waktu keluaran yang agak lebih "seimbang".
4. Dalam sebagian besar desain CPLD, blok logika dasar terdiri dari sekelompok gerbang NAND banyak-input (di mana input mungkin terhubung atau terputus) yang outputnya mendorong sekelompok gerbang NAND banyak-input. Perhatikan bahwa dokumentasi umumnya menunjukkan sekelompok "DAN" yang menggerakkan sekelompok "ATAU", tetapi NAND yang menggerakkan NAND akan menghasilkan perilaku yang sama dengan AND yang mengendarai OR, tetapi dengan inversi yang lebih sedikit, karena gerbang NAND bukan hanya sebuah DAN dengan output terbalik, tetapi berperilaku sama dengan OR dengan input terbalik. Son mengambil AND dan OR, membalikkan output AND dan input dari OR (yang dapat dilakukan, karena dua inversi membatalkan), dan satu tersisa dengan NAND yang menggerakkan NAND.

Desain logika apa pun yang tidak menginginkan logika tiga-negara atau kecepatan optimal dapat diimplementasikan sepenuhnya dengan gerbang NAND. Itu bukan berarti bahwa gerbang NAND selalu merupakan cara paling praktis untuk mengimplementasikan berbagai hal. Sebuah gerbang eksklusif atau, misalnya, akan membutuhkan empat gerbang NAND dua input untuk dibangun, yang mewakili total enam belas transistor dalam CMOS. Jika seseorang membangun gerbang CMOS eksklusif-ATAU langsung dari transistor, pekerjaan dapat dilakukan dengan delapan.

Sepertinya saya ingat ada inversi alami. Jadi gerbang AND akan membutuhkan inverter tambahan tetapi NAND tidak. Atau saya bisa saja salah ...

Selain sederhana, gerbang NAND dapat digunakan sebagai pengganti semua gerbang lainnya, oleh karena itu, ketika perusahaan membeli dalam jumlah besar, mereka hanya membeli gerbang NAND karena mereka dapat digunakan untuk semuanya. Ini menghemat ruang penyimpanan dan lebih murah dalam jumlah besar. Oleh karena itu, produsen mengikuti tren - lebih banyak permintaan memungkinkan mereka menurunkan harga untuk meningkatkan laba di masa depan.