CMOS-логика

CMOS-логика (комплементарная структура «металл-оксид-полупроводник», от англ. Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) — это технология построения логических интегральных схем, основанная на использовании комплементарных (взаимодополняющих) пар полевых транзисторов с изолированным затвором (МОП-транзисторов) — n-канальных (nMOS) и p-канальных (pMOS). Ключевая особенность CMOS-логики заключается в том, что в статическом состоянии (при отсутствии переключения) ток через схему практически отсутствует, что обеспечивает крайне низкое энергопотребление по сравнению с другими типами логики, такими как ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика) или nМОП-логика. CMOS-технология является доминирующей в современной микроэлектронике и лежит в основе подавляющего большинства цифровых интегральных схем, включая микропроцессоры, микроконтроллеры, микросхемы памяти и программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС).

История

Разработка CMOS-логики началась в 1960-х годах, когда исследователи искали способы снижения энергопотребления цифровых схем. Первые полевые транзисторы с изолированным затвором (МОП-транзисторы) были предложены ещё в 1920-х годах, но практическая реализация стала возможной лишь с развитием технологии полупроводников.

В 1963 году американский инженер Фрэнк Ванласс (Frank Wanlass) из компании Fairchild Semiconductor впервые предложил и запатентовал концепцию комплементарной МОП-структуры. В 1968 году компания RCA выпустила первую коммерческую серию микросхем на CMOS-логике — CD4000. Эти микросхемы имели низкое быстродействие (задержки порядка 100 нс) и высокое напряжение питания (до 15 В), но отличались рекордно низким энергопотреблением, что делало их привлекательными для портативных устройств и часов.

В 1970-х годах CMOS-технология активно развивалась, но уступала по быстродействию более распространённой ТТЛ-логике. Ситуация изменилась в 1980-х годах, когда с уменьшением проектных норм (микронных размеров транзисторов) удалось существенно повысить скорость переключения CMOS-схем. К концу 1980-х годов CMOS стала основной технологией для производства микропроцессоров, а к 1990-м годам практически вытеснила другие типы логики из массового производства.

Принцип работы

Основой CMOS-логики является инвертор — простейший логический элемент, реализующий функцию НЕ. Инвертор состоит из двух транзисторов: pMOS-транзистора, включённого между шиной питания (Vdd) и выходом, и nMOS-транзистора, включённого между выходом и общим проводом (GND). Затворы обоих транзисторов соединены и образуют вход схемы.

Логические уровни

• Логический «0» (низкий уровень) — напряжение, близкое к напряжению общего провода (GND), обычно 0 В.
• Логическая «1» (высокий уровень) — напряжение, близкое к напряжению питания (Vdd), в современных схемах обычно от 1,2 до 3,3 В.

Работа инвертора

• Если на вход подан высокий уровень (логическая «1»), то nMOS-транзистор открывается, а pMOS-транзистор закрывается. Выход соединяется с GND через открытый nMOS-транзистор, и на выходе устанавливается низкий уровень (логический «0»).
• Если на вход подан низкий уровень (логический «0»), то pMOS-транзистор открывается, а nMOS-транзистор закрывается. Выход соединяется с Vdd через открытый pMOS-транзистор, и на выходе устанавливается высокий уровень (логическая «1»).

Таким образом, в любой момент времени один из транзисторов закрыт, что предотвращает протекание сквозного тока от Vdd к GND. Ток потребляется только в момент переключения, когда оба транзистора кратковременно находятся в частично открытом состоянии, а также на перезарядку паразитных ёмкостей.

Логические элементы

На основе инвертора строятся более сложные логические элементы: И-НЕ (NAND), ИЛИ-НЕ (NOR), И (AND), ИЛИ (OR), исключающее ИЛИ (XOR) и другие. В общем случае любой логический элемент в CMOS-реализации состоит из двух частей:

• Pull-up network (PUN) — сеть pMOS-транзисторов, соединяющих выход с Vdd при определённой комбинации входных сигналов.
• Pull-down network (PDN) — сеть nMOS-транзисторов, соединяющих выход с GND при противоположной комбинации входных сигналов.

PUN и PDN всегда являются взаимодополняющими: если одна сеть открыта, другая закрыта, и наоборот.

Характеристики и параметры

Энергопотребление

CMOS-логика характеризуется двумя основными составляющими энергопотребления:

• Статическое потребление — ток утечки через закрытые транзисторы. В современных субмикронных технологиях (менее 90 нм) токи утечки становятся значительными из-за квантово-механических эффектов (туннелирование через тонкий подзатворный диэлектрик).
• Динамическое потребление — ток, расходуемый на перезарядку ёмкостей при переключении. Пропорционально частоте переключения, квадрату напряжения питания и суммарной ёмкости нагрузки.

Быстродействие

Быстродействие CMOS-схем определяется временем задержки распространения сигнала, которое зависит от ёмкостей затворов и межсоединений, а также от тока, который могут обеспечить транзисторы. С уменьшением проектных норм быстродействие растёт, но возрастает сложность обеспечения целостности сигналов и управления тепловыделением.

Помехоустойчивость

CMOS-схемы обладают высокой помехоустойчивостью благодаря большому запасу по напряжению между логическими уровнями. Однако с уменьшением напряжения питания запас помехоустойчивости снижается.

Классификация и семейства

Существует несколько поколений и семейств CMOS-логики, различающихся напряжением питания, быстродействием и технологией изготовления:

• CD4000 (RCA, 1968) — первое коммерческое семейство, напряжение питания 3–15 В, низкое быстродействие.
• 74HC (High-speed CMOS) — высокоскоростное семейство, совместимое по выводам с ТТЛ, напряжение питания 2–6 В, быстродействие до 100 МГц.
• 74HCT (High-speed CMOS, TTL-compatible) — вариант 74HC с входными уровнями, совместимыми с ТТЛ.
• 74AC (Advanced CMOS) — улучшенное быстродействие, напряжение питания 1,5–5,5 В.
• 74AHC (Advanced High-speed CMOS) — ещё более высокое быстродействие, низкое энергопотребление.
• 74LVC (Low-Voltage CMOS) — для работы при пониженном напряжении (1,65–3,6 В), широко используется в современных устройствах.
• 74ALVC (Advanced Low-Voltage CMOS) — сверхбыстродействующее низковольтное семейство.

Применение

CMOS-логика является основой для:

• Микропроцессоров и микроконтроллеров — все современные процессоры (Intel, AMD, ARM, RISC-V) производятся по CMOS-технологии.
• Микросхем памяти — статическая память (SRAM), динамическая память (DRAM) и флеш-память.
• Программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) — FPGA и CPLD.
• Цифровых сигнальных процессоров (DSP).
• Интерфейсных микросхем — USB, Ethernet, HDMI, PCI Express.
• Аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (в гибридных схемах).
• Портативных устройств — смартфоны, планшеты, ноутбуки, часы, медицинские имплантаты — благодаря низкому энергопотреблению.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Очень низкое статическое энергопотребление (в идеале — нулевое).
• Высокая помехоустойчивость.
• Широкий диапазон напряжений питания (в зависимости от семейства).
• Высокая плотность упаковки транзисторов на кристалле.
• Хорошая масштабируемость (возможность уменьшения размеров транзисторов).

Недостатки

• Более сложный технологический процесс по сравнению с nМОП-логикой (требуется формирование как n-, так и p-канальных транзисторов).
• Возможность возникновения тиристорного эффекта (latch-up) — паразитного замыкания, которое может привести к выходу схемы из строя.
• С ростом частоты динамическое энергопотребление становится значительным.
• Токи утечки в субмикронных технологиях снижают преимущество по статическому потреблению.

Перспективы развития

Современная CMOS-технология продолжает развиваться в направлении уменьшения проектных норм (в 2024 году массово используются техпроцессы 3–5 нм, ведутся разработки 2 нм и менее). Основные проблемы, с которыми сталкиваются разработчики:

• Увеличение токов утечки.
• Трудности с теплоотводом.
• Квантовые эффекты (туннелирование, квантовое ограничение).
• Рост стоимости масок и оборудования для литографии.

Для преодоления этих ограничений исследуются альтернативные технологии: транзисторы с вертикальным каналом (FinFET), транзисторы на нанотрубках, туннельные полевые транзисторы (TFET) и квантовые вычисления. Однако на ближайшие десятилетия CMOS-логика остаётся основой цифровой электроники.

Источники

• Wanlass, F. M., Sah, C. T. «Nanowatt logic using field-effect metal-oxide semiconductor triodes». — 1963 IEEE International Solid-State Circuits Conference.
• Рабаи, Дж. М., Чандракасан, А., Николич, Б. «Цифровые интегральные схемы. Методология проектирования». — 2-е изд., 2003.
• Хоровиц, П., Хилл, У. «Искусство схемотехники». — 7-е изд., 2019.
• Спецификации семейств логических микросхем 74HC, 74LVC, 74AC (Texas Instruments, NXP, ON Semiconductor).
• ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) — ежегодные отчёты.