デジタル統合回路とは何ですか？

高速 - 現代のエレクトロニクスのペースの世界では、デジタル統合サーキット（ICS）スマートフォンやラップトップから複雑なスーパーコンピューターや産業制御システムに至るまで、あらゆることを動かす名も豊かなヒーローです。しかし、デジタル統合回路とは正確には何ですか？

ロジック積分回路とも呼ばれるデジタル統合回路は、デジタル信号を処理および操作するように設計された電子回路です。これは、バイナリ数（0Sおよび1S）を使用して情報を表すデジタルロジックの原則に基づいています。これらの回路は、通常はシリコンで作られた単一の半導体基質に製造されており、トランジスタ、抵抗器、コンデンサ、ダイオードなどの多数の相互接続された電子成分が含まれています。

デジタル統合回路の論理機能

デジタルロジック回路組み合わせロジック回路と連続ロジック回路の2つのカテゴリに分けることができます。組み合わせロジック回路では、出力は、回路の以前の作業状態ではなく、その時点での入力のみに依存します。最も一般的に使用される組み合わせロジックサーキットには、エンコーダー、デコーダー、データセレクター、デマルチプレクサー、数値コンパレータ、フル加算器、パリティチェッカーなどがあります。

Combinational Logic Circuit.jpg

図1。組み合わせロジック回路

順次ロジック回路では、出力はいつでもその時点での入力だけでなく、回路の元の状態にも依存します。したがって、シーケンシャルロジック回路にはメモリ関数が必要であり、ストレージユニット回路を含める必要があります。レジスタ、シフトレジスタ、およびカウンターは、最も一般的に使用されるシーケンシャルロジック回路です。

Sequential Logic Circuit.jpg

図2。シーケンシャルロジック回路

これら2種類のロジック回路のさまざまなアプリケーションには、通常は汎用統合回路と呼ばれる標準化されたシリアル化された統合回路製品があります。それに対応して、特定の目的で設計および製造された統合回路は、アプリケーション固有の統合回路（ASIC）と呼ばれます。

デジタル統合回路の内部設計

デジタル回路は、組み合わせロジックとレジスタ（フリップフロップ）で構成されています。基本的なゲート回路で構成される関数である組み合わせロジックには、現在の入力のみに依存する出力があります。図3の最初の図は、論理操作のみを実行する組み合わせロジックを示しています。対照的に、シーケンシャル回路には、基本的なゲート回路だけでなく、過去の情報を保持するために使用されるストレージ要素も含まれています。シーケンシャル回路の定常状態出力は、現在の入力と以前の入力によって形成された状態の両方に関連しています。 2番目の図に示すように、論理操作を実行している間、処理結果は次の操作で使用するために一時的に保存できます。
機能的には、デジタル統合回路の内部は、データパスと制御ロジックの2つの部分に分けることができます。両方の部品は、多数のシーケンシャルロジック回路を統合します。そのほとんどは同期シーケンシャル回路です。シーケンシャル回路は複数のレジスタによっていくつかのノードに分割され、これらのレジスタはクロックの制御下で同じリズムで動作し、設計プロセスを簡素化します。

Internal Structure of Digital Integrated Circuits.png

図3。デジタル統合回路の内部構造

長期的な設計慣行において、多くの標準的な汎用ユニットが開発されています。これらには、セレクター（複数の入力データから1つの出力を選択できるマルチプレクサとも呼ばれます）、コンパレータ（2つの数字の大きさを比較するために使用）、加算器、乗数、シフトレジスタなどが含まれます。これらのユニットサーキットには通常の形状があり、統合しやすいため、デジタルサーキットが統合回路でより良い開発を達成した理由でもあります。
これらのユニットは、設計要件に従ってデータパスを形成するために接続されています。処理されるデータは、このパスを介して入力端から出力端に送信され、最終処理結果が取得されます。同時に、特別に設計された制御ロジックとデータパスを制御する各コンポーネントは、それぞれの機能要件と特定のタイミング関係に従って動作する必要があります。

デジタル統合チップのモデル

aのモデルデジタル統合チップ通常、3つの部分で構成されています。プレフィックス、シリアル番号、および接尾辞は、それぞれが特定の情報を伝えています。

プレフィックス：主にメーカーまたはチップが属するシリーズを表します。たとえば、「74」シリーズは、複数のメーカーが生産するTTLデジタルチップの一般的な接頭辞です。「CD40」シリーズは、Texas Instruments（TI）などのメーカーが支配するCMOSチップの典型的な接頭辞です。

シリアルナンバー：チップの特定の機能モデルを区別するために使用されます。たとえば、74LS00の「00」は、チップがクアッド2入力NANDゲートであることを示し、74HC595の「595」は8ビットシフトレジスタを表しています。

サフィックス：通常、チップのパッケージングフォームや温度範囲などのパラメーターをマークします。たとえば、「DIP」は、表面マウントデバイスパッケージのデュアルインラインパッケージ、「SMD」の略です。 "-40℃〜85℃"は、チップの動作温度範囲を示します。

このモデルネーミング方法は、設計者に便利な識別基準を提供し、チップの機能、適用可能なシナリオ、および物理的特性を迅速に判断できるようにします。

デジタル統合チップの種類

回路構造、機能、およびアプリケーションシナリオに基づいて、デジタル統合チップ次の主なタイプに分けることができます。

1。回路構造によって分類されます

TTL（Transistor-Transistorロジック）チップ：それらは双極トランジスタを中心にしており、伝導のために電子と穴の両方に依存しています。高速スイッチング速度と強力な運転能力を備えていますが、消費電力が比較的高くなっています。一般的な74シリーズ（74LS138デコーダーなど）はTTLチップに属し、初期のデジタルシステムで広く使用されていました。

CMOS（相補的な金属酸化物 - 半導体）チップ：それらは、PMOSおよびNMOSトランジスタの補完的な構造で構成され、1つのタイプのキャリアのみで電気を伝導します。彼らは、低消費電力、高入力インピーダンス、広い電源電圧範囲などの利点があり、現在のデジタルチップの主流になっています。例には、ポータブルデバイスや低電力システムで広く使用されているCD4000シリーズと74HCシリーズ（74HC04インバーターなど）が含まれます。

2。関数によって分類されます

ロジックゲートチップ：彼らは基本的な論理操作を実装し、複雑な回路の基礎です。それらには、ゲート（74LS08など）、ゲート（74LS04など）、コンポジットロジックゲート（NAND GATE 74LS00やNOR GATE 74LS02など）ではなく、ゲート（74LS08など）、ゲート（74LS32など）が含まれます。

シーケンシャルロジックチップ：それらにはストレージユニットが含まれており、その出力は、カウントやストレージなどの機能を実装するために使用される現在の入力と履歴状態の両方に依存します。例には、4ビットカウンター74LS161、8ビットレジスタ74LS373、およびシフトレジスタ74LS164が含まれます。

データ処理チップ：それらは、データの選択、エンコード、デコードなどの特定の操作に使用されます。たとえば、8対1のデータセレクター74LS151、3対8のラインデコーダー74LS138、およびBCDから7セグメントディスプレイデコーダー74LS48。

3。アプリケーションシナリオによって分類されます

汎用統合回路：標準化された機能に合わせて設計されており、複数のシナリオに適しており、汎用性と互換性があります。前述のロジックゲート、カウンター、レジスタなどはすべて、このカテゴリに分類されます。たとえば、74シリーズおよびCD4000シリーズチップは、さまざまなデジタルシステムで柔軟に使用できます。

アプリケーション固有の統合サーキット（ASIC）：スマートフォンの画像信号処理チップなど、特定のシナリオ用にカスタム設計されています。オンボードコントロールチップ自動車電子機器で。 ASICはパフォーマンスを最適化し、消費電力を最大限に削減できますが、設計コストと長いサイクルが高いため、大量生産された専用デバイスに適しています。

プログラム可能なロジックデバイス（PLD）：FPGA（フィールドプログラム可能なゲートアレイ）およびCPLD（複雑なプログラム可能なロジックデバイス）を含め、ユーザーはプログラミングを通じて論理関数をカスタマイズできます。たとえば、XilinxのSpartanシリーズFPGAは、プロトタイプ開発または小型バッチのカスタマイズシナリオで使用でき、柔軟性とパフォーマンスのバランスを取ります。

これらのさまざまなタイプのデジタル統合チップは、単純なロジック制御から複雑なデジタルシステムまで、あらゆるものの構築を集合的にサポートし、多様な電子設計ニーズを満たしています。

統合スケールに基づくデジタル統合回路分類

スモール - スケール統合（SSI）：SSI回路には、通常、最大10個のゲートまたは数ダースのコンポーネントが含まれています。これらの回路は、単純なデジタルシステムの基本的なロジック関数によく使用されます。たとえば、4つの入力NANDゲートを含む7400チップは、一般的なSSIデバイスです。基本的な論理操作が必要な単純な論理制御回路などのアプリケーションで使用できます。

中程度のスケール統合（MSI）：MSIサーキットには、10〜100個のゲートまたは数百コンポーネントがあります。より複雑な機能に使用されます。 4ビット同期カウンターである74161チップは、MSIデバイスの例です。カウンターは、イベントのカウント、タイミング信号の生成、一連の操作の制御などのタスクのためにデジタルシステムで広く使用されています。

大規模 - スケール統合（LSI）：LSI回路には、100〜10,000のゲートまたは数千のコンポーネントが含まれています。初期の静的ランダム - アクセスメモリ（SRAM）やシンプルなマイクロプロセッサなどのメモリチップは、LSIデバイスの例です。 LSIテクノロジーを使用して、8ビットマイクロプロセッサが実装される場合があります。一連の命令を実行し、算術操作と論理操作を実行し、デジタルシステム内のデータの流れを制御できます。

非常に - 大規模なスケール統合（VLSI）：VLSIサーキットには、10,000を超えるゲートまたは数十万から数百万のコンポーネントがあります。パーソナルコンピューターに見られるような最新のマイクロプロセッサーや大規模な容量の動的ランダム - アクセスメモリ（DRAM）は、VLSIデバイスの典型的な例です。ハイエンドデスクトップCPUには、複雑なロジックサーキットに編成された数十億のトランジスタが含まれている場合があります。

Ultra-大規模なスケール統合（ULSI）およびGIGA-スケール統合（GSI）：ULSIとは、多くの場合、数千万個のコンポーネントで、さらに高いレベルの統合を持つ回路を指します。さらに高度なステージであるGSIは、1つのチップに10億以上のコンポーネントを統合することを伴います。 state -of -the-アート携帯電話プロセッサといくつかの高性能グラフィックスプロセッシングユニット（GPU）は、このカテゴリに分類されます。これらのチップは、膨大な量のデータを処理し、高速で複雑な操作を実行することができます。高速では、高解像度のビデオ処理、リアルタイム3Dグラフィックスレンダリング、高度な人工知能アルゴリズムなどの機能を可能にします。

dイギタル私ntegratedcIrcuits	numberのgサーキットを食べました	コンポーネント数
SSIサーキット	10	＆le;100
MSIサーキット	10-100	100-1000
LSIサーキット	> 100	1,000-10,000
VLSIサーキット	> 10,000	100,000-1,000,000
ULSIサーキット	> 100,000	1,000,000-10,000,000

デジタル統合サーキットはどのように機能しますか？

デジタル統合回路バイナリシステムに基づいて動作します。回路内のトランジスタはスイッチとして機能します。トランジスタがオンになると、ロジック1（通常は高電圧レベル）を表し、オフにすると、ロジック0（通常は低電圧レベル）を表します。これらのトランジスタを介した電流の流れは、回路に適用される入力信号によって制御されます。
マイクロプロセッサなどのより複雑なデジタル統合回路では、これらの基本的なロジック要素の多くが組み合わされて階層的に編成されています。マイクロプロセッサはメモリから手順を取得し、それらを解読して実行する必要がある操作を理解し、算術ユニットとロジック単位（ALU）およびチップ内のその他の機能ブロックを使用してそれらの命令を実行します。データは、マイクロプロセッサ内の本質的に小さく、高速なメモリ要素であるレジスタに保存および操作されます。

デジタル統合回路の使用と適用

マイクロプロセッサ：マイクロプロセッサは、コンピューターシステムの脳です。メモリに保存された一連の命令を実行して、算術操作、データ操作、システム内の他のコンポーネントの制御などのタスクを実行します。たとえば、デスクトップおよびラップトップコンピューターで使用されるIntelコアシリーズプロセッサは、1秒あたり数十億の指示を実行できます。これらは非常に用途が広くなるように設計されており、ワードプロセッシングやWebブラウジングから複雑な科学シミュレーションやゲームまで、幅広いアプリケーションを処理するようにプログラムできます。

メモリIC：メモリ統合回路データとプログラムの保存に使用されます。 2つの主なタイプがあります。読み取り - メモリのみ（ROM）とランダムアクセスメモリ（RAM）。 ROMはデータを永続的に保存し、スタートアップの指示を含むコンピューターに基本的な入出力システム（BIOS）を保持するために使用されます。一方、RAMは、コンピューターが現在取り組んでいるデータを一時的に保存するために使用される揮発性メモリです。ダイナミックランダム - アクセスメモリ（DRAM）は、ストレージ容量と比較的低コストのためにコンピューターで一般的に使用されますが、静的ランダムアクセスメモリ（SRAM）はより速く、より高価であり、データアクセスを高速化するためにキャッシュメモリでよく使用されます。

論理IC：論理ICは、さまざまな論理操作を実行するために使用されます。前述のように、それらは単純なロジックゲートであるか、より複雑な組み合わせおよび連続ロジック回路です。マルチプレクサ（出力にルーティングされるいくつかの入力信号のいずれかを選択する）やデコーダ（バイナリコードを出力信号のセットに変換する）などの組み合わせロジック回路は、現在の入力値のみに依存する出力を持っています。フリップ - フロップやカウンターなどのシーケンシャルロジック回路には、現在の入力だけでなく、回路の前の状態にも依存する出力があります。これらのサーキットは、デジタルシステムでのデータストレージ、検索、処理などのタスクにとって重要です。

アプリケーション - 特定の統合回路（ASIC）：ASICは、特定のアプリケーション用のカスタム設計統合回路です。たとえば、デジタルカメラでは、画像処理専用に設計されたASICがある場合があります。このチップは、イメージセンサー制御、色補正、圧縮などのタスクを実行するために最適化されています。 ASICは、一般的な目的ICを使用するのと比較して、設計された特定のアプリケーションのサイズが小さい、電力消費量の削減、より高いパフォーマンスなどの利点を提供します。

フィールド - プログラム可能なゲートアレイ（FPGA）：FPGAは、ユーザーが製造後にチップのロジック関数を構成できるようにするプログラム可能なロジックデバイスです。これらには、多数のプログラム可能なロジックブロックと相互接続が含まれています。 FPGAは、新しいデジタルデザインのプロトタイピングなど、柔軟性が必要なアプリケーションで使用されます。たとえば、新しい通信プロトコルの開発では、FPGAをプログラムしてプロトコルのロジックを実装し、設計が進化するにつれて簡単に再構成できます。また、特定のアルゴリズムに対してハードウェアを実際にカスタマイズできるため、ハードウェアを実際にカスタマイズする機能が大幅な速度を上げることができるいくつかのハイパフォーマンスコンピューティングアプリケーションでも使用されています。

デジタル統合回路の重要性

デジタル統合回路エレクトロニクスの分野に革命をもたらしました。彼らの小型、低消費電力、高い信頼性、および高速で複雑な操作を実行する能力により、現代のテクノロジーでは不可欠になりました。手首の小さなウェアラブルフィットネストラッカーから、インターネットを運営する強力なサーバーまで、電子デバイスの小型化を可能にしました。デジタル統合サーキットの開発は、電気通信、ヘルスケア（医療イメージングデバイスや患者監視システムなど）などの産業の進歩、自動車（エンジン制御やドライバー - 支援システムなど）、航空宇宙（アビオニクスと衛星通信用）の重要な推進力でもあります。要するに、デジタル統合サーキットはデジタル時代の礎石であり、私たちが頼ってきたテクノロジー - 主導のライフスタイルを可能にします。