آشنایی با مدارهای منطقی:

مدارهای منطقی (Logic Circuit)، مدارهایی هستند که کامپیوترها از آن‌ها ساخته می‌شوند. امروزه درک صحیحی از مدارهای منطقی برای هر مهندس برق و کامپیوتر ضروری است. این مدارها عنصر اصلی کامپیوترها و بسیاری از وسایل دیگر نظیر: دستگاه‌های ضبط و پخش موسیقی و تصویر، بازی‌های الکترونیک، ساعت‌های دیجیتال، دوربین‌های فیلمبرداری، گیرنده‌های تلویزیون، چاپگرها و بسیاری از لوازم خانگی و همچنین در سیستم‌های بزرگ مانند شبکه‌های تلفن، تجهیزات اینترنت، ایستگاه‌های پخش رادیویی و تلویزیونی، کارخانه‌های صنعتی و تجهیزات پزشکی. هستند. مشخص است که مدارهای منطقی یکی از اجزای بسیار مهم در زندگی امروزی ما محسوب می‌شوند.

هدف درس مدار منطقی آشنا کردن شما با فرایند طراحی مدارهای منطقی است. روند آموزش در درس مدار منطقی به اینصورت است که ابتدا ایده‌های کلیدی و عناصر پایه‌ی مدارهای منطقی با مثال‌های ساده تشریح می‌شود، سپس آموزش داده می‌شود که چگونه می‌توان با این عناصر پایه مدارهای بسیار پیچیده خلق کرد.

مدارهای منطقی روی تراشه‌های نیمه‌رسانا و با استفاده از ترانزیستور و سایر عناصر الکترونیکی پیاده‌سازی می‌شود. اغلب تراشه‌های امروزی (از جمله پردازنده‌های کامپیوتری) بیش از یک میلیارد ترانزیستور دارند. شناخت اجرای سازنده‌ی این مدارها به سادگی امکان‌پذیر است، ولی مداری با بیش از یک میلیارد ترانزیستور را اصلاً نمی‌توان چیز ساده‌ای دانست پیچیدگی ذاتی چنین مدارهایی را فقط به کمک روش‌های طراحی بسیار سازمان‌یافته می‌توان تحت کنترل درآورد. در زیر کمی درباره‌ی فناوری‌های سخت‌افزاری مورد استفاده در ساخت و تولید مدارهای منطقی صحبت خواهیم کرد.

ساخت و تولید مدارهای منطقی:

از مدارهای منطقی برای ساخت سخت‌افزار کامپیوتر و بسیاری محصولات دیگر استفاده می‌شود، که همگی آن‌ها را تحت نام سخت‌افزار دیجیتال (Digital Hardware) طبقه‌بندی می‌کنیم. نام دیجیتال از روش نمایش اطلاعات در کامپیوترها گرفته شده است، که در آن‌ها سیگنال‌های الکترونیکی به عنوان عدد تعبیر می‌شود.

فناوری ساخت و تولید سخت‌افزارهای دیجیتال در طول چند دهه‌ی گذشته به شدت دچار تحول شده است تا اواسط دهه‌ی 1960 مدارهای منطقی با مونتاژ کردن قطعات حجیم و منفصل، مانند ترانزیستورها و مقاومت‌های مجزا، ساخته می‌شدند. با اختراع مدارهای مجمع (Integrated Circuit- IC) امکان قرار دادن تعداد زیادی ترانزیستور (و بنابراین یک مدار کامل) روی یک تراشه‌ی نیمه هادی فراهم شد.

در ابتدا این مدارها چند ده ترانزیستور بیشتر نداشتند، ولی با تکامل فناوری ساخت IC آن‌ها هم به سمت پیچیده‌تر شدن رفتند. تراشه‌های مدار مجتمع روی یک قرص سیلیکونی ساخته می‌شوند.

بعد از تولید تعداد زیادی تراشه روی یک قرص، این تراشه‌ها را می‌بُرند و به صورت ICهای مجزا بسته‌ بندی می‌کنند. تا اوایل دهه‌ی 1970 فناوری تولید تراشه چنان پیشرفت کرد که قرار دادن تمامی مدارهای الکترونیکی یک ریزپردازنده‌ی کامل روی یک تراشه ممکن شد. اگر چه قدرت پردازش ریزپردازنده‌های اولیه با استانداردهای امروزی بسیار ناچیز و خنده‌دار می‌نماید. اما آن‌ها راه را برای انقلاب عصر اطلاعات، یعنی تولید کامپیوترهای شخصی ارزان‌قیمت، باز کردند.

حدود 30 سال پیش، گوردون مور (رئیس هیأت مدیره‌ی شرکت اینتل) با مشاهده‌ی رشد حیرت‌ آور فناوری مدارهای مجتمع به این نتیجه رسید که تعداد ترانزیستورهای کاشته شده روی یک تراشه هر دو سال تقریباً دو برابر می‌شود. این پدیده، که به قانونر مور (Moore’s law) معروف شده، تا به امروز نیز همچنان به قوت خود باقی است. بنابراین، ریزپردازنده‌های اوایل دهه‌ی 1990 که فقط چند میلیون ترانزیستور داشتند، در آخر همین دهه به تراشه‌های با نزدیک به صد میلیون ترانزیستور تبدیل شدند. امروزه فناوری مدارهای مجتمع می‌تواند تراشه‌هایی با چند میلیارد ترانزیستور تولید کند.

البته آشکار است که قانون مور نمی‌تواند برای مدتی طولانی معتبر باقی بماند (چون به هر حال یک ترانزیستور که نمی‌تواند از یک اتم کوچک‌ تر باشد!). چندی پیش، گروهی از شرکت‌های تولید مدارهای مجتمع دست به پیش‌بینی آینده‌ی این فناوری زدند. این پیش‌بینی که با نام نقشه‌ی راه بین‌المللی فناوری نیمه هادی (ITRS=International Technology Roadmap For Semiconductors) شناخته می‌شود، بسیاری از جنبه‌های این فناوری، از جمله حداکثر تعداد ترانزیستورهایی که می‌توان روی یک تراشه کاشت، مورد بررسی قرار داده است. شکل زیر یکی از داده‌های ITRS را نشان می‌دهد. همان‌طور که می‌بینید، این نمودار از 2430 میلیون ترانزیستور بر تراشه در سال 2006 شروع شده، به تراشه‌های امروزی با چند میلیارد ترانزیستور می‌رسد، و پیش‌بینی می‌کند که تا سال 2022 بتوانیم تراشه‌هایی با 100 میلیارد ترانزیستور تولید کنیم. تردیدی نیست که این فناوری می‌تواند تمامی جنبه‌های زندگی ما را به شدت تحت تأثیر خود قرار دهد.