Основні цифрові логічні схеми Інтегральні схеми
Вентилі виробляються і продаються не по окремості, а в модулях, що називаються інтегральними схемами (ІС) або мікросхемами. Інтегральна схема – це квадратний шматочок кремнію розміром приблизно 5x5 мм, на якому знаходиться кілька вентилів. Маленькі інтегральні схеми звичайно містяться в прямокутні пластикові або керамічні корпуси розміром від 5 до 15 мм у ширину і від 20 до 50 мм у довжину. Уздовж довгих боків розташовується два паралельних ряди виводів близько 5 мм у довжину, які можна вставляти в роз’єми або впаювати в друковану плату. Кожен вивід з'єднується з входом або виходом деякого вентиля, або з джерелом живлення, або з «землею». Корпус із двома рядами виводів зовні й інтегральними схемами усередині офіційно називається дворядним корпусом (Dual Inline Package, скорочено DIP), але всі називають його мікросхемою, стираючи розходження між шматком кремнію і корпусом, у який він міститься. Більшість корпусів мають 14, 16, 18, 20, 22, 24, 28,40, 64 або 68 виводів. Для великих мікросхем часто використовуються корпуси, у яких виводи розташовані з усіх чотирьох боків або знизу.
Мікросхеми можна розділити на кілька класів з погляду кількість вентилів, що вони містять. Ця класифікація, звичайно, дуже груба, але іноді вона може бути корисна:
- МІС (мала інтегральна схема): від 1 до 10 вентилів.
- СІС (середня інтегральна схема): від 1 до 100 вентилів.
- БІС (велика інтегральна схема): від 100 до 100 000 вентилів.
- НБІС (надвелика інтегральна схема): більше 100 000 вентилів.
Ці схеми мають різні властивості і використовуються для різних цілей.
МІС звичайно містить від двох до шести незалежних вентилів, кожний з яких може використовуватися окремо. На рис. 4.9 зображена звичайна мікросхема МІС, що містить чотири вентилі НЕ-І. Кожний з цих вентилів має два входи й один вихід, що вимагає наявності 12 виводів. Крім того, мікросхемі потрібне живлення (Vcc) і «земля» (GND). Вони розділяються усіма вентилями. На корпусі поруч з виводом 1, як правило, є паз, щоб можна було визначити, що це вивід 1. Щоб уникнути плутанини на діаграмі, за згодою не показуються невикористані вентилі, джерело живлення і «земля».
Подібні мікросхеми коштують кілька центів. Кожна мікросхема МІС містить кілька вентилів і приблизно до 20 виводів. У 70-і роки комп'ютери конструювалися з великої кількості таких мікросхем, але в даний час на одну мікросхему містять цілий центральний процесор і істотну частину пам'яті (кеш-пам'яті).
Рис. 4.9 - Мікросхема МІС, що містить 4 вентилі
Для зручності приймається, що у вентиля з'являються зміни на виході, як тільки з'являються зміни на вході. Насправді існує визначена затримка вентиля, яка складається з часу проходження сигналу через мікросхему і час перемикання. Час затримки звичайно складає від 1 до 10 нс.
В даний час стало можливим розміщувати до 100 млн транзисторів на одну мікросхему (ядро процесора Реntium IV містить 42 млн транзисторів). Внаслідок того, що будь-яка схема може бути сконструйована з вентилів НЕ-І, може створитися враження, що виробник здатний виготовити мікросхему, що містить 5 млн вентилів НЕ-І. Але для створення такої мікросхеми буде потрібно 15 000 002 виводів. Оскільки стандартний вивід займає 0,1 дюйм, мікросхема буде більше 18 км у довжину, що негативно позначиться на купівельній спроможності. Тому щоб використовувати переваги даної технології, потрібно розробити такі схеми, у яких кількість вентилів сильно перевищує кількість виводів.