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electrónica digital
Una señal digital tiene dos o más formas de onda distinguibles, en este ejemplo, voltaje alto y voltaje bajo, cada una de las cuales se puede asignar a un dígito.
Un controlador digital industrial

La electrónica digital es un campo de la electrónica que estudia las señales digitales y diseña dispositivos que las utilizan o generan. Se ocupa de la relación entre entradas y salidas binarias mediante el paso de señales eléctricas a través de compuertas lógicas , resistencias , condensadores , amplificadores y otros componentes electrónicos . La electrónica digital se diferencia de la electrónica analógica , que trabaja principalmente con señales analógicas (señales con diferentes grados de intensidad, a diferencia de las señales binarias de dos estados: encendido/apagado). A pesar de su nombre, los diseños de electrónica digital incluyen importantes consideraciones de diseño analógico.

Los grandes conjuntos de puertas lógicas , utilizados para representar ideas más complejas, suelen estar integrados en circuitos . Los dispositivos complejos pueden tener representaciones electrónicas simples de funciones lógicas booleanas . [ 1 ]

Historia

El sistema numérico binario fue perfeccionado por Gottfried Wilhelm Leibniz (publicado en 1705) y también estableció que, mediante el uso del sistema binario, se podían unir los principios de la aritmética y la lógica. La lógica digital, tal como la conocemos, fue inventada por George Boole a mediados del siglo XIX. En una carta de 1886, Charles Sanders Peirce describió cómo se podían realizar operaciones lógicas mediante circuitos de conmutación eléctrica. [ 2 ] Con el tiempo, los tubos de vacío reemplazaron a los relés para las operaciones lógicas. La modificación de la válvula de Fleming realizada por Lee De Forest en 1907 podía utilizarse como una puerta AND . Ludwig Wittgenstein introdujo una versión de la tabla de verdad de 16 filas como proposición 5.101 del Tractatus Logico-Philosophicus (1921). Walther Bothe , inventor del circuito de coincidencia , compartió el Premio Nobel de Física de 1954 por crear la primera puerta AND electrónica moderna en 1924.

Las computadoras analógicas mecánicas comenzaron a aparecer en el siglo I y posteriormente se utilizaron en la Edad Media para cálculos astronómicos. Durante la Segunda Guerra Mundial , se emplearon en aplicaciones militares especializadas, como el cálculo de la puntería de torpedos. En esta época se desarrollaron las primeras computadoras digitales electrónicas , término que George Stibitz propuso en 1942. Originalmente, ocupaban el tamaño de una habitación grande y consumían tanta energía como varios cientos de PC modernas . [ 3 ]

Claude Shannon , al demostrar que las aplicaciones eléctricas del álgebra booleana podían construir cualquier relación numérica lógica, sentó las bases de la computación digital y los circuitos digitales en su tesis de maestría de 1937, considerada posiblemente la tesis de maestría más importante jamás escrita, y que le valió el Premio Alfred Noble de 1939. [ 4 ] [ 5 ]

La Z3 fue una computadora electromecánica diseñada por Konrad Zuse . Terminada en 1941, fue la primera computadora digital totalmente automática y programable del mundo. [ 6 ] Su funcionamiento se vio facilitado por la invención del tubo de vacío en 1904 por John Ambrose Fleming .

Al mismo tiempo que el cálculo digital reemplazaba al analógico, los elementos de circuitos puramente electrónicos pronto sustituyeron a sus equivalentes mecánicos y electromecánicos. John Bardeen y Walter Brattain inventaron el transistor de contacto puntual en los Laboratorios Bell en 1947, seguidos por William Shockley, quien inventó el transistor de unión bipolar también en los Laboratorios Bell en 1948. [ 7 ] [ 8 ]

En la Universidad de Manchester , un equipo liderado por Tom Kilburn diseñó y construyó una máquina que utilizaba transistores, de reciente desarrollo , en lugar de tubos de vacío. [ 9 ] Su " ordenador transistorizado ", el primero del mundo, entró en funcionamiento en 1953 , y una segunda versión se completó allí en abril de 1955. A partir de 1955, los transistores sustituyeron a los tubos de vacío en el diseño de ordenadores, dando lugar a la "segunda generación" de ordenadores. En comparación con los tubos de vacío, los transistores eran más pequeños, más fiables, tenían una vida útil indefinida y requerían menos energía, lo que generaba menos calor y permitía concentraciones mucho más densas de circuitos, hasta decenas de miles en un espacio relativamente compacto.

En 1955, Carl Frosch y Lincoln Derick descubrieron los efectos de pasivación de la superficie del dióxido de silicio. [ 10 ] En 1957, Frosch y Derick, utilizando máscaras y predeposición, pudieron fabricar transistores de efecto de campo de dióxido de silicio; los primeros transistores planares, en los que el drenador y la fuente estaban adyacentes en la misma superficie. [ 11 ] En Bell Labs, la importancia de la técnica y los transistores de Frosch y Derick se reconoció de inmediato. Los resultados de su trabajo circularon por Bell Labs en forma de memorandos BTL antes de ser publicados en 1957. En Shockley Semiconductor , Shockley había distribuido la preimpresión de su artículo en diciembre de 1956 a todo su personal superior, incluido Jean Hoerni , [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] quien más tarde inventaría el proceso planar en 1959 mientras estaba en Fairchild Semiconductor . [ 16 ] [ 17 ] En Bell Labs, JR Ligenza y WG Spitzer estudiaron el mecanismo de óxidos crecidos térmicamente, fabricaron una pila Si/ SiO 2 de alta calidad y publicaron sus resultados en 1960. [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] Tras esta investigación en Bell Labs, Mohamed Atalla y Dawon Kahng propusieron un transistor MOS de silicio en 1959 [ 21 ] y demostraron con éxito un dispositivo MOS funcional con su equipo de Bell Labs en 1960. [ 22 ] [ 23 ] El equipo incluía a EE LaBate y EI Povilonis, quienes fabricaron el dispositivo; MO Thurston, LA D'Asaro y JR Ligenza, quienes desarrollaron los procesos de difusión, y HK Gummel y R. Lindner, quienes caracterizaron el dispositivo. [ 24 ] [ 25 ]

Mientras trabajaba en Texas Instruments en julio de 1958, Jack Kilby registró sus ideas iniciales sobre el circuito integrado (CI), y luego demostró con éxito el primer circuito integrado funcional el 12 de septiembre de 1958. [ 26 ] El chip de Kilby estaba hecho de germanio . Al año siguiente, Robert Noyce en Fairchild Semiconductor inventó el circuito integrado de silicio . La base para el CI de silicio de Noyce fue el proceso planar de Hoerni .

Las ventajas del MOSFET incluyen alta escalabilidad , [ 27 ] asequibilidad, [ 28 ] bajo consumo de energía y alta densidad de transistores . [ 29 ] Su rápida velocidad de conmutación electrónica de encendido-apagado también lo hace ideal para generar trenes de pulsos , [ 30 ] la base de las señales digitales electrónicas , [ 31 ] [ 32 ] en contraste con los BJT que, más lentamente, generan señales analógicas que se asemejan a ondas sinusoidales . [ 30 ] Junto con la integración a gran escala (LSI) de MOS, estos factores hacen del MOSFET un dispositivo de conmutación importante para circuitos digitales . [ 33 ] El MOSFET revolucionó la industria electrónica , [ 34 ] [ 35 ] y es el dispositivo semiconductor más común . [ 36 ] [ 37 ]

En los inicios de los circuitos integrados , cada chip se limitaba a unos pocos transistores, y el bajo grado de integración implicaba que el proceso de diseño era relativamente sencillo. Los rendimientos de fabricación también eran bastante bajos para los estándares actuales. La amplia adopción del transistor MOSFET a principios de la década de 1970 dio lugar a los primeros chips de integración a gran escala (LSI) con más de 10 000 transistores en un solo chip. [ 38 ] Tras la amplia adopción de CMOS , un tipo de lógica MOSFET, en la década de 1980, se podían colocar millones y luego miles de millones de MOSFET en un solo chip a medida que la tecnología progresaba, [ 39 ] y los buenos diseños requerían una planificación minuciosa, lo que dio lugar a nuevos métodos de diseño . El número de transistores de los dispositivos y la producción total alcanzaron cotas sin precedentes. Se estima que la cantidad total de transistores producidos hasta 2018 fue de1,3 × 10²² (13 sextillones ) . [ 40 ] 

La revolución inalámbrica (la introducción y proliferación de redes inalámbricas ) comenzó en la década de 1990 y fue posible gracias a la amplia adopción de amplificadores de potencia de RF basados ​​en MOSFET ( MOSFET de potencia y LDMOS ) y circuitos de RF ( CMOS de RF ). [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] Las redes inalámbricas permitieron la transmisión digital pública sin necesidad de cables, lo que dio lugar a la televisión digital , la radio satelital y digital , el GPS , Internet inalámbrico y los teléfonos móviles durante las décadas de 1990 y 2000.

Propiedades

Una ventaja de los circuitos digitales en comparación con los circuitos analógicos es que las señales representadas digitalmente pueden transmitirse sin degradación causada por el ruido . [ 44 ] Por ejemplo, una señal de audio continua, transmitida como una secuencia de 1s y 0s, puede reconstruirse sin error, siempre que el ruido captado en la transmisión no sea suficiente para impedir la identificación de los 1s y 0s.

En un sistema digital, se puede obtener una representación más precisa de una señal utilizando más dígitos binarios. Si bien esto requiere más circuitos digitales para procesar las señales, cada dígito es gestionado por el mismo tipo de hardware, lo que da como resultado un sistema fácilmente escalable . En un sistema analógico, una mayor resolución requiere mejoras fundamentales en la linealidad y las características de ruido de cada paso de la cadena de señal .

Con los sistemas digitales controlados por ordenador, se pueden añadir nuevas funciones mediante la revisión del software, sin necesidad de modificar el hardware. A menudo, esto se puede realizar fuera de la fábrica actualizando el software del producto. De esta forma, se pueden corregir los errores de diseño incluso después de que el producto esté en manos del cliente.

El almacenamiento de información puede ser más sencillo en sistemas digitales que en analógicos. La inmunidad al ruido de los sistemas digitales permite almacenar y recuperar datos sin degradación. En un sistema analógico, el ruido derivado del envejecimiento y el desgaste degrada la información almacenada. En un sistema digital, siempre que el ruido total se mantenga por debajo de cierto nivel, la información puede recuperarse perfectamente. Incluso con un ruido significativo, el uso de redundancia permite recuperar los datos originales, siempre que no se produzcan demasiados errores.

En algunos casos, los circuitos digitales consumen más energía que los analógicos para realizar las mismas tareas, generando así más calor, lo que aumenta la complejidad de los circuitos, como la necesidad de incluir disipadores de calor. En sistemas portátiles o alimentados por batería, esto puede limitar el uso de sistemas digitales. Por ejemplo, los teléfonos celulares con batería suelen usar un preamplificador analógico de bajo consumo para amplificar y sintonizar las señales de radio de la estación base. Sin embargo, una estación base recibe energía de la red eléctrica y puede usar radios definidas por software , que consumen mucha energía pero son muy flexibles . Estas estaciones base se pueden reprogramar fácilmente para procesar las señales utilizadas en los nuevos estándares celulares.

Muchos sistemas digitales útiles deben convertir señales analógicas continuas en señales digitales discretas. Esto provoca errores de cuantificación . Estos errores pueden reducirse si el sistema almacena suficientes datos digitales para representar la señal con el grado de fidelidad deseado . El teorema de muestreo de Nyquist-Shannon proporciona una guía importante sobre la cantidad de datos digitales necesarios para representar con precisión una señal analógica determinada.

Si se pierde o se malinterpreta un solo dato digital, en algunos sistemas solo se produce un pequeño error, mientras que en otros el significado de grandes bloques de datos relacionados puede cambiar por completo. Por ejemplo, un error de un solo bit en datos de audio almacenados directamente como modulación por impulsos codificados lineal provoca, en el peor de los casos, un único clic audible. Pero al utilizar compresión de audio para ahorrar espacio de almacenamiento y tiempo de transmisión, un error de un solo bit puede causar una interrupción mucho mayor.

Debido al efecto de umbral , a los usuarios les puede resultar difícil determinar si un sistema está a punto de fallar o si puede tolerar mucho más ruido antes de hacerlo. La fragilidad digital se puede reducir diseñando un sistema digital robusto . Por ejemplo, se puede insertar un bit de paridad u otro método de gestión de errores en la ruta de la señal. Estos esquemas ayudan al sistema a detectar errores y, posteriormente , corregirlos o solicitar la retransmisión de los datos.

Construcción

Un reloj binario , cableado a mano en placas de prototipos.

A digital circuit is typically constructed from small electronic circuits called logic gates that can be used to create combinational logic and sequential logic. Each logic gate is designed to perform a function of Boolean logic when acting on logic signals. A logic gate is generally created from one or more electrically controlled switches, usually transistors, but thermionic valves have seen historic use. The output of a logic gate can, in turn, control or feed into more logic gates.

Another form of digital circuit is constructed from lookup tables (many sold as "programmable logic devices", though other kinds of PLDs exist). Lookup tables can perform the same functions as machines based on logic gates, but can be easily reprogrammed without changing the wiring. This means that a designer can often repair design errors without changing the arrangement of wires. Therefore, in small-volume products, programmable logic devices are often the preferred solution. They are usually designed by engineers using electronic design automation software.

Integrated circuits consist of multiple transistors on one silicon chip and are the least expensive way to make a large number of interconnected logic gates. Integrated circuits are usually interconnected on a printed circuit board, which is a board that holds electrical components and connects them together with copper traces.

Design

Engineers use many methods to minimize logic redundancy in order to reduce the circuit complexity. Reduced complexity reduces component count and potential errors and therefore typically reduces cost. Logic redundancy can be removed by several well-known techniques, such as binary decision diagrams, Boolean algebra, Karnaugh maps, the Quine–McCluskey algorithm, and the heuristic computer method. These operations are typically performed within a computer-aided design system.

Embedded systems with microcontrollers and programmable logic controllers are often used to implement digital logic for complex systems that do not require optimal performance. These systems are usually programmed by software engineers or by electricians, using ladder logic.

Representation

La relación de entrada-salida de un circuito digital se puede representar como una tabla de verdad . Un circuito equivalente de alto nivel utiliza puertas lógicas , cada una representada por una forma diferente (estandarizada por IEEE / ANSI 91–1984). [ 45 ] Una representación de bajo nivel utiliza un circuito equivalente de interruptores electrónicos (generalmente transistores ).

La mayoría de los sistemas digitales se dividen en sistemas combinacionales y secuenciales. La salida de un sistema combinacional depende únicamente de las entradas actuales. En cambio, en un sistema secuencial, algunas de sus salidas se realimentan como entradas, por lo que su salida puede depender tanto de entradas pasadas como presentes, para producir una secuencia de operaciones. Las representaciones simplificadas de su comportamiento, denominadas máquinas de estados, facilitan el diseño y las pruebas.

Los sistemas secuenciales se dividen en dos subcategorías. Los sistemas secuenciales "síncronos" cambian de estado simultáneamente cuando cambia la señal de reloj . Los sistemas secuenciales "asíncronos" propagan los cambios cuando cambian las entradas. Los sistemas secuenciales síncronos se construyen utilizando biestables que almacenan los voltajes de entrada como un bit solo cuando cambia el reloj.

Sistemas síncronos

Un contador de anillo de 4 bits que utiliza biestables tipo D es un ejemplo de lógica síncrona. Cada dispositivo está conectado a la señal de reloj y se actualizan simultáneamente.

La forma habitual de implementar una máquina de estados secuencial síncrona consiste en dividirla en una unidad de lógica combinacional y un conjunto de biestables denominado registro de estado . El registro de estado representa el estado como un número binario. La lógica combinacional genera la representación binaria del siguiente estado. En cada ciclo de reloj, el registro de estado captura la retroalimentación generada por el estado anterior de la lógica combinacional y la realimenta como una entrada constante a la parte combinacional de la máquina de estados. La frecuencia de reloj está limitada por el cálculo lógico que consume más tiempo en la unidad de lógica combinacional.

Sistemas asíncronos

La mayoría de la lógica digital es síncrona porque es más fácil crear y verificar un diseño síncrono. Sin embargo, la lógica asíncrona tiene la ventaja de que su velocidad no está limitada por un reloj arbitrario; en cambio, funciona a la velocidad máxima de sus puertas lógicas. [ a ]

No obstante, la mayoría de los sistemas necesitan aceptar señales externas no sincronizadas en sus circuitos lógicos síncronos. Esta interfaz es inherentemente asíncrona y debe analizarse como tal. Algunos ejemplos de circuitos asíncronos de uso común son los flip-flops sincronizadores, los eliminadores de rebotes de interruptores y los árbitros .

Los componentes lógicos asíncronos pueden ser difíciles de diseñar, ya que deben considerarse todos los estados posibles, en todas las temporizaciones posibles. El método habitual consiste en construir una tabla con el tiempo mínimo y máximo de existencia de cada estado y, a continuación, ajustar el circuito para minimizar el número de dichos estados. El diseñador debe forzar al circuito a esperar periódicamente a que todos sus componentes alcancen un estado compatible (esto se denomina "autorresincronización"). Sin un diseño cuidadoso, es fácil producir accidentalmente lógica asíncrona inestable; es decir, los dispositivos electrónicos reales tendrán resultados impredecibles debido a los retrasos acumulativos causados ​​por pequeñas variaciones en los valores de los componentes electrónicos.

Sistemas de transferencia de registros

Ejemplo de un circuito simple con una salida conmutada. El inversor constituye la lógica combinacional de este circuito, y el registro almacena el estado.

Muchos sistemas digitales son máquinas de flujo de datos . Estos suelen diseñarse utilizando lógica de transferencia de registros síncrona y se escriben con lenguajes de descripción de hardware como VHDL o Verilog .

En la lógica de transferencia de registros, los números binarios se almacenan en grupos de biestables llamados registros . Una máquina de estados secuencial controla cuándo cada registro acepta nuevos datos de su entrada. Las salidas de cada registro son un conjunto de cables llamado bus que transporta ese número a otros cálculos. Un cálculo es simplemente una operación lógica combinacional. Cada cálculo también tiene un bus de salida, y estos pueden estar conectados a las entradas de varios registros. A veces , un registro tendrá un multiplexor en su entrada para que pueda almacenar un número de cualquiera de varios buses.

Los sistemas de transferencia de registros asíncronos (como las computadoras) cuentan con una solución general. En la década de 1980, algunos investigadores descubrieron que casi todas las máquinas de transferencia de registros síncronas podían convertirse a diseños asíncronos mediante la lógica de sincronización FIFO (primero en entrar, primero en salir). En este esquema, la máquina digital se caracteriza como un conjunto de flujos de datos. En cada paso del flujo, un circuito de sincronización determina cuándo son válidas las salidas de ese paso e indica a la siguiente etapa cuándo utilizar dichas salidas.

Diseño informático

Microprocesador Intel 80486DX2

La máquina lógica de transferencia de registros de propósito general más común es una computadora . Básicamente, se trata de un ábaco binario automático . La unidad de control de una computadora suele diseñarse como un microprograma ejecutado por un microsecuenciador . Un microprograma es muy similar a un rollo de pianola. Cada entrada de la tabla del microprograma controla el estado de cada bit que controla la computadora. El secuenciador cuenta, y este conteo accede a la memoria o a la máquina lógica combinacional que contiene el microprograma. Los bits del microprograma controlan la unidad aritmético-lógica , la memoria y otras partes de la computadora, incluido el propio microsecuenciador. De esta manera, la compleja tarea de diseñar los controles de una computadora se reduce a la tarea más sencilla de programar un conjunto de máquinas lógicas mucho más simples.

Casi todos los ordenadores son síncronos. Sin embargo, también se han construido ordenadores asíncronos . Un ejemplo es el núcleo ASPIDA DLX . [ 47 ] Otro fue ofrecido por ARM Holdings . [ 48 ] No obstante, no presentan ventajas de velocidad, ya que los diseños de ordenadores modernos ya funcionan a la velocidad de su componente más lento, generalmente la memoria. Sí consumen algo menos de energía porque no se necesita una red de distribución de reloj. Una ventaja inesperada es que los ordenadores asíncronos no producen ruido de radio espectralmente puro. Se utilizan en algunos controladores de estaciones base de telefonía móvil sensibles a la radio. Pueden ser más seguros en aplicaciones criptográficas porque sus emisiones eléctricas y de radio pueden ser más difíciles de decodificar. [ 48 ]

Arquitectura de computadoras

La arquitectura de computadoras es una actividad de ingeniería especializada que busca organizar los registros, la lógica de cálculo, los buses y demás componentes de la computadora de la mejor manera posible para un propósito específico. Los arquitectos de computadoras han dedicado mucho esfuerzo a reducir el costo y aumentar la velocidad de las computadoras, además de mejorar su resistencia a los errores de programación. Un objetivo cada vez más común de los arquitectos de computadoras es reducir el consumo de energía en sistemas informáticos alimentados por batería, como los teléfonos inteligentes .

Problemas de diseño en circuitos digitales

Digital circuits are made from analog components. The design must ensure that the analog nature of the components does not dominate the desired digital behavior. Digital systems must manage noise and timing margins, parasitic inductances and capacitances.

Bad designs have intermittent problems such as glitches, vanishingly fast pulses that may trigger some logic but not others, runt pulses that do not reach valid threshold voltages.

Additionally, where clocked digital systems interface to analog systems or systems that are driven from a different clock, the digital system can be subject to metastability where a change to the input violates the setup time for a digital input latch.

Since digital circuits are made from analog components, digital circuits calculate more slowly than low-precision analog circuits that use a similar amount of space and power. However, the digital circuit will calculate more repeatably, because of its high noise immunity.

Automated design tools

Much of the effort of designing large logic machines has been automated through the application of electronic design automation (EDA).

Simple truth table-style descriptions of logic are often optimized with EDA that automatically produces reduced systems of logic gates or smaller lookup tables that still produce the desired outputs. The most common example of this kind of software is the Espresso heuristic logic minimizer. Optimizing large logic systems may be done using the Quine–McCluskey algorithm or binary decision diagrams. There are promising experiments with genetic algorithms and annealing optimizations.

To automate costly engineering processes, some EDA can take state tables that describe state machines and automatically produce a truth table or a function table for the combinational logic of a state machine. The state table is a piece of text that lists each state, together with the conditions controlling the transitions between them and their associated output signals.

A menudo, los sistemas lógicos reales se diseñan como una serie de subproyectos que se combinan mediante un flujo de herramientas . Este flujo se controla generalmente con un lenguaje de scripting , un lenguaje informático simplificado que permite invocar las herramientas de diseño de software en el orden correcto. Los flujos de herramientas para sistemas lógicos complejos, como los microprocesadores, pueden constar de miles de comandos y requieren el trabajo de cientos de ingenieros. La escritura y depuración de flujos de herramientas es una especialidad de ingeniería consolidada en las empresas que producen diseños digitales. El flujo de herramientas suele culminar en un archivo informático detallado o un conjunto de archivos que describen cómo construir físicamente la lógica. A menudo, consiste en instrucciones sobre cómo dibujar los transistores y los cables en un circuito integrado o una placa de circuito impreso .

Las partes de los flujos de herramientas se depuran verificando las salidas de la lógica simulada con respecto a las entradas esperadas. Las herramientas de prueba toman archivos informáticos con conjuntos de entradas y salidas y resaltan las discrepancias entre el comportamiento simulado y el esperado. Una vez que se considera que los datos de entrada son correctos, el diseño en sí debe verificarse. Algunos flujos de herramientas verifican los diseños generando primero un diseño y luego analizándolo para producir datos de entrada compatibles. Si los datos analizados coinciden con los datos de entrada, es probable que el flujo de herramientas no haya introducido errores.

Los datos de verificación funcional se denominan habitualmente vectores de prueba . Estos vectores pueden conservarse y utilizarse en fábrica para comprobar el correcto funcionamiento de la lógica recién construida. Sin embargo, los patrones de prueba funcionales no detectan todos los fallos de fabricación. Las pruebas de producción suelen diseñarse mediante herramientas de software de generación automática de patrones de prueba . Estas herramientas generan vectores de prueba analizando la estructura lógica y generando sistemáticamente pruebas dirigidas a fallos potenciales específicos. De este modo, la cobertura de fallos puede aproximarse al 100 %, siempre que el diseño sea suficientemente comprobable (véase la siguiente sección).

Una vez que existe un diseño, se verifica y se puede probar, a menudo es necesario procesarlo para que también sea fabricable. Los circuitos integrados modernos tienen características más pequeñas que la longitud de onda de la luz utilizada para exponer la fotorresina. El software diseñado para la fabricación añade patrones de interferencia a las máscaras de exposición para eliminar circuitos abiertos y mejorar el contraste de las máscaras.

Diseño para la comprobabilidad

Existen varias razones para probar un circuito lógico. Al desarrollar el circuito por primera vez, es necesario verificar que el diseño cumpla con las especificaciones funcionales y de temporización requeridas. Al fabricar múltiples copias de un circuito correctamente diseñado, es fundamental probar cada copia para asegurar que el proceso de fabricación no haya introducido ningún defecto. [ 49 ]

Una máquina lógica de gran tamaño (por ejemplo, con más de cien variables lógicas) puede tener una cantidad astronómica de estados posibles. Obviamente, probar cada estado de una máquina así en una fábrica es inviable, pues incluso si probar cada estado solo tomara un microsegundo, ¡hay más estados posibles que microsegundos transcurridos desde el inicio del universo!

Las máquinas lógicas de gran tamaño casi siempre se diseñan como conjuntos de máquinas lógicas más pequeñas. Para ahorrar tiempo, las submáquinas más pequeñas se aíslan mediante circuitos de prueba instalados permanentemente y se prueban de forma independiente. Un esquema de prueba común proporciona un modo de prueba que fuerza a alguna parte de la máquina lógica a entrar en un ciclo de prueba . Este ciclo de prueba suele poner a prueba grandes partes independientes de la máquina.

El escaneo de límites es un esquema de prueba común que utiliza comunicación serial con equipos de prueba externos a través de uno o más registros de desplazamiento conocidos como cadenas de escaneo . Los escaneos seriales solo tienen uno o dos cables para transportar los datos, lo que minimiza el tamaño físico y el costo de la lógica de prueba, que se usa con poca frecuencia. Una vez que todos los bits de datos de prueba están en su lugar, el diseño se reconfigura al modo normal y se aplican uno o más pulsos de reloj para detectar fallas (por ejemplo, atascado en bajo o atascado en alto) y capturar el resultado de la prueba en biestables o pestillos en el o los registros de desplazamiento de escaneo. Finalmente, el resultado de la prueba se desplaza al límite del bloque y se compara con el resultado correcto previsto de la máquina .

En un entorno de prueba de placas, las pruebas de serie a paralelo se han formalizado como el estándar JTAG .

Compensaciones

Costo

Dado que un sistema digital puede utilizar muchas puertas lógicas, el costo total de construir una computadora está estrechamente relacionado con el costo de una puerta lógica. En la década de 1930, los primeros sistemas lógicos digitales se construyeron con relés telefónicos, ya que estos eran económicos y relativamente confiables.

Los primeros circuitos integrados se construyeron para ahorrar peso y permitir que la computadora de guía del programa Apolo controlara un sistema de guiado inercial para una nave espacial. Las primeras compuertas lógicas de circuitos integrados costaban casi 50 dólares estadounidenses, lo que en 2025 equivaldría a 544 dólares . Las compuertas producidas en masa en circuitos integrados se convirtieron en el método menos costoso para construir lógica digital.

Con el auge de los circuitos integrados , reducir el número absoluto de chips utilizados representó otra forma de ahorrar costes. El objetivo del diseñador no es simplemente crear el circuito más sencillo, sino minimizar la cantidad de componentes. A veces, esto conlleva diseños más complejos en cuanto a la lógica digital subyacente, pero aun así reduce el número de componentes, el tamaño de la placa e incluso el consumo de energía.

Fiabilidad

Otro motivo importante para reducir el número de componentes en las placas de circuitos impresos es disminuir la tasa de defectos de fabricación debido a conexiones soldadas defectuosas y aumentar la fiabilidad. Las tasas de defectos y fallos tienden a aumentar con el número total de pines de los componentes.

El fallo de una sola puerta lógica puede provocar el fallo de una máquina digital. Cuando se requiere mayor fiabilidad, se puede implementar lógica redundante. La redundancia incrementa el coste y el consumo energético en comparación con un sistema no redundante.

La fiabilidad de una puerta lógica se puede describir mediante su tiempo medio entre fallos (MTBF). Las máquinas digitales se volvieron útiles por primera vez cuando el MTBF de un interruptor superó los cientos de horas. Aun así, muchas de estas máquinas tenían procedimientos de reparación complejos y bien ensayados, y podían quedar inoperativas durante horas porque se quemaba un tubo o una polilla se atascaba en un relé. Las puertas lógicas de circuitos integrados transistorizados modernos tienen MTBF superiores a 82 mil millones de horas (8,2 × 10 10  h ). [ 50 ] Este nivel de fiabilidad es necesario porque los circuitos integrados tienen muchas puertas lógicas.

Abarrotar

El factor de ramificación (fan-out) describe cuántas entradas lógicas puede controlar una sola salida lógica sin exceder la capacidad de corriente eléctrica de las salidas de la compuerta. [ 51 ] El factor de ramificación mínimo práctico es de aproximadamente cinco. Las compuertas lógicas electrónicas modernas que utilizan transistores CMOS para interruptores tienen factores de ramificación más altos.

Velocidad

La velocidad de conmutación describe cuánto tiempo tarda una salida lógica en cambiar de verdadero a falso o viceversa. Una lógica más rápida puede realizar más operaciones en menos tiempo. La lógica digital electrónica moderna conmuta habitualmente a5 GHz  y algunos sistemas de laboratorio conmutan a más de1 THz  . .

Familias lógicas

El diseño digital comenzó con la lógica de relés , que es lenta. Ocasionalmente, se producía una falla mecánica. El número de ramificaciones (fan-outs) solía ser de aproximadamente 10, limitado por la resistencia de las bobinas y el arco eléctrico en los contactos debido a los altos voltajes.

Posteriormente, se utilizaron tubos de vacío . Estos eran muy rápidos, pero generaban calor y resultaban poco fiables debido a que los filamentos se quemaban. El factor de ramificación (fan-out) solía ser de 5 a 7, limitado por el calentamiento producido por la corriente de los tubos. En la década de 1950, se desarrollaron tubos de computadora especiales con filamentos que no contenían elementos volátiles como el silicio. Estos tubos funcionaban durante cientos de miles de horas.

La primera familia de lógica de semiconductores fue la lógica de transistores-resistencia . Esta era mil veces más fiable que las válvulas, se calentaba menos y consumía menos energía, pero tenía un factor de carga muy bajo, de 3. La lógica de diodos-transistores mejoró el factor de carga hasta aproximadamente 7 y redujo el consumo de energía. Algunos diseños de lógica de diodos-transistores utilizaban dos fuentes de alimentación con capas alternas de transistores NPN y PNP para aumentar el factor de carga.

La lógica transistor-transistor (TTL) supuso una gran mejora. En los primeros dispositivos, el factor de ramificación (fan-out) mejoró hasta 10, y las versiones posteriores alcanzaron de forma fiable los 20. La TTL también era rápida, con algunas variantes que lograban tiempos de conmutación de tan solo 20  ns. La TTL todavía se utiliza en algunos diseños.

La lógica de acoplamiento de emisor es muy rápida, pero consume mucha energía. Se utilizó ampliamente en ordenadores de alto rendimiento, como el Illiac IV , compuesto por numerosos componentes de tamaño medio.

Los circuitos integrados digitales más comunes que se fabrican hoy en día utilizan lógica CMOS , que es rápida, ofrece una alta densidad de circuitos y un bajo consumo de energía por puerta lógica. Esta tecnología se utiliza incluso en ordenadores grandes y rápidos, como el IBM System z .

Novedades recientes

En 2009, los investigadores descubrieron que los memristores pueden implementar un almacenamiento de estado booleano y proporcionan una familia lógica completa con cantidades muy pequeñas de espacio y energía, utilizando procesos de semiconductores CMOS conocidos. [ 52 ]

El descubrimiento de la superconductividad ha permitido el desarrollo de la tecnología de circuitos de flujo cuántico único rápido (RSFQ), que utiliza uniones Josephson en lugar de transistores. Más recientemente, se están realizando intentos para construir sistemas de computación puramente ópticos capaces de procesar información digital utilizando elementos ópticos no lineales .

Véase también

Notas

  1. ↑ Un ejemplo de una computadora digital asíncrona temprana fue la Jaincomp-B1 fabricada por Jacobs Instrument Company en 1951. [ 46 ]
  2. ↑ Alternativamente, las salidas de varios elementos pueden conectarse a un bus a través de búferes que pueden apagar la salida de todos los dispositivos excepto uno.

Referencias

  1. ↑ Null, Linda; Lobur, Julia (2006). Los fundamentos de la organización y arquitectura de computadoras . Jones & Bartlett Publishers. pág . 121. ISBN  978-0-7637-3769-6Podemos construir diagramas lógicos (que a su vez dan lugar a circuitos digitales) para cualquier expresión booleana...
  2. ↑ Peirce, CS, "Carta de Peirce a A. Marquand ", fechada en 1886, Writings of Charles S. Peirce , vol. 5, 1993, pp. 541–3. Vista previa de Google . Véase Burks, Arthur W. , "Reseña: Charles S. Peirce, The new elements of mathematics ", Bulletin of the American Mathematical Society , vol. 84, n.º 5 (1978), pp. 913–18, véase 917. PDF Eprint .
  3. ↑ En 1946, el ENIAC requería aproximadamente 174 kW. En comparación, un ordenador portátil moderno puede consumir alrededor de 30 W; casi seis mil veces menos. «Consumo aproximado de energía de ordenadores de sobremesa y portátiles» . Universidad de Pensilvania. Archivado del original el 3 de junio de 2009. Consultado el 20 de junio de 2009 .
  4. ↑ Kennedy, Noah (2018). La industrialización de la inteligencia: mente y máquina en la era moderna . Londres Nueva York: Routledge, Taylor & Francis Group. págs. 87–89 . ISBN  978-0-8153-4954-9.
  5. ↑ Chow, Rony (5 de junio de 2021). "Claude Shannon: El padre de la teoría de la información" . Historia de la ciencia de datos . Recuperado el 5 de noviembre de 2024 .
  6. ↑ "Un pionero de la informática redescubierto 50 años después" . The New York Times . 20 de abril de 1994.
  7. ↑ Lee, Thomas H. (2003). El diseño de circuitos integrados de radiofrecuencia CMOS (PDF) . Cambridge University Press . ISBN 9781139643771Archivado (PDF) del original el 09/10/2022 .
  8. ^ Puers, Robert; Baldí, Livio; Voorde, Marcel Van de; Nooten, Sebastiaan E. van (2017). Nanoelectrónica: materiales, dispositivos, aplicaciones, 2 volúmenes . John Wiley e hijos . pag. 14.ISBN​  9783527340538.
  9. ↑ Lavington, Simon (1998), A History of Manchester Computers (2.ª ed.), Swindon: The British Computer Society, págs . 34–35  
  10. ↑ US2802760A , Lincoln, Derick y Frosch, Carl J., "Oxidación de superficies semiconductoras para difusión controlada", publicado el 13 de agosto de 1957 
  11. ↑ Frosch, CJ; Derick, L (1957). "Protección de superficie y enmascaramiento selectivo durante la difusión en silicio" . Journal of the Electrochemical Society . 104 (9): 547. doi : 10.1149/1.2428650 .
  12. ↑ Moskowitz, Sanford L. (2016). Innovación en materiales avanzados: Gestión de la tecnología global en el siglo XXI . John Wiley & Sons . pág. 168. ISBN  978-0-470-50892-3.
  13. ↑ Christophe Lécuyer; David C. Brook; Jay Last (2010). Makers of the Microchip: A Documentary History of Fairchild Semiconductor . MIT Press. págs. 62–63 . ISBN  978-0-262-01424-3.
  14. ↑ Claeys, Cor L. (2003). ULSI Process Integration III: Actas del Simposio Internacional . The Electrochemical Society . págs. 27–30 . ISBN  978-1-56677-376-8.
  15. ↑ Lojek, Bo (2007). Historia de la ingeniería de semiconductores . Springer Science & Business Media . pág. 120. ISBN  9783540342588.
  16. ↑ US 3025589 Hoerni, JA: "Método de fabricación de dispositivos semiconductores", presentado el 1 de mayo de 1959. 
  17. ↑ US 3064167 Hoerni, JA: "Dispositivo semiconductor" presentado el 15 de mayo de 1960 
  18. ↑ Ligenza, JR; Spitzer, WG (1960-07-01). "Los mecanismos de oxidación del silicio en vapor y oxígeno" . Journal of Physics and Chemistry of Solids . 14 : 131–136 . Bibcode : 1960JPCS...14..131L . doi : 10.1016/0022-3697(60)90219-5 . ISSN 0022-3697 . 
  19. ↑ Deal, Bruce E. (1998). "Aspectos destacados de la tecnología de oxidación térmica del silicio" . Ciencia y tecnología de los materiales de silicio . The Electrochemical Society . pág. 183. ISBN  978-1566771931.
  20. ↑ Lojek, Bo (2007). Historia de la ingeniería de semiconductores . Springer Science & Business Media. pág. 322. ISBN  978-3540342588.
  21. ↑ Bassett, Ross Knox (2007). Hacia la era digital: laboratorios de investigación, empresas emergentes y el auge de la tecnología MOS . Johns Hopkins University Press . págs. 22–23 . ISBN  978-0-8018-8639-3.
  22. ↑ Atalla, M. ; Kahng, D. (1960). "Dispositivos de superficie inducidos por campo de silicio-dióxido de silicio". Conferencia de investigación de dispositivos de estado sólido IRE-AIEE .
  23. ↑ "1960 – Demostración del transistor semiconductor de óxido metálico (MOS)" . The Silicon Engine . Museo de Historia de la Computación . Consultado el 16 de enero de 2023 .
  24. ↑ KAHNG, D. (1961). "Dispositivo de superficie de dióxido de silicio-silicio" . Memorando técnico de los Laboratorios Bell : 583–596 . doi : 10.1142/9789814503464_0076 . ISBN 978-981-02-0209-5.{{cite journal}}: Incompatibilidad de ISBN/Fecha ( ayuda )
  25. ↑ Lojek, Bo (2007). Historia de la ingeniería de semiconductores . Berlín, Heidelberg: Springer-Verlag Berlin Heidelberg. pág. 321. ISBN  978-3-540-34258-8.
  26. ↑ "El chip que construyó Jack" . Texas Instruments. 2008. Consultado el 29 de mayo de 2008 .
  27. ↑ Motoyoshi, M. (2009). "Through-Silicon Via (TSV)". Proceedings of the IEEE . 97 (1): 43– 48. doi : 10.1109/JPROC.2008.2007462 . ISSN 0018-9219 . S2CID 29105721 .  
  28. ↑ "La tortuga de los transistores gana la carrera: la revolución CHM" . Museo de Historia de la Computación . Consultado el 22 de julio de 2019 .
  29. ↑ "Los transistores mantienen viva la ley de Moore" . EETimes . 12 de diciembre de 2018. Consultado el 18 de julio de 2019 .
  30. 1 2 "Aplicación de MOSFETs a los diseños de conmutación de potencia actuales" . Diseño electrónico . 23 de mayo de 2016. Consultado el 10 de agosto de 2019 .
  31. ↑ B. SOMANATHAN NAIR (2002). Electrónica digital y diseño lógico . PHI Learning Pvt. Ltd. pág. 289. ISBN  9788120319561Las señales digitales son pulsos de ancho fijo, que ocupan solo uno de dos niveles de amplitud .
  32. ↑ Joseph Migga Kizza (2005). Seguridad en redes informáticas . Springer Science & Business Media. ISBN 9780387204734.
  33. ↑ 2000 Problemas resueltos en electrónica digital . Tata McGraw-Hill Education . 2005. pág. 151. ISBN  978-0-07-058831-8.
  34. ↑ Chan, Yi-Jen (1992). Estudios de FET de heteroestructura InAlAs/InGaAs y GaInP/GaAs para aplicaciones de alta velocidad . Universidad de Michigan . pág. 1. El MOSFET de Si ha revolucionado la industria electrónica y, como resultado, impacta nuestra vida diaria de casi todas las maneras imaginables. 
  35. ↑ Grant, Duncan Andrew; Gowar, John (1989). Power MOSFETs: teoría y aplicaciones . Wiley . pág. 1. ISBN  9780471828679El transistor de efecto de campo de óxido metálico-semiconductor (MOSFET) es el componente activo más utilizado en la integración a muy gran escala de circuitos integrados digitales (VLSI). Durante la década de 1970, estos componentes revolucionaron el procesamiento de señales electrónicas, los sistemas de control y las computadoras .
  36. ↑ "¿Quién inventó el transistor?" . Museo de Historia de la Computación . 4 de diciembre de 2013 . Consultado el 20 de julio de 2019 .
  37. ↑ Golio, Mike; Golio, Janet (2018). Tecnologías pasivas y activas de RF y microondas . CRC Press . págs. 18–12 . ISBN  9781420006728.
  38. ↑ Hittinger, William C. (1973). "Tecnología de semiconductores de óxido metálico". Scientific American . 229 (2): 48– 59. Bibcode : 1973SciAm.229b..48H . doi : 10.1038/scientificamerican0873-48 . ISSN 0036-8733 . JSTOR 24923169 .  
  39. ↑ Peter Clarke (14 de octubre de 2005). "Intel entra en la era de los procesadores de mil millones de transistores" . EE Times .
  40. ↑ "13 sextillones y contando: El largo y sinuoso camino hacia el artefacto humano más frecuentemente fabricado en la historia" . Museo de Historia de la Computación . 2 de abril de 2018. Consultado el 12 de octubre de 2020 .
  41. ↑ Golio, Mike; Golio, Janet (2018). Tecnologías pasivas y activas de RF y microondas . CRC Press . págs. ix, I-1, 18–2 . ISBN  9781420006728.
  42. ↑ Rappaport, TS (noviembre de 1991). "La revolución inalámbrica". IEEE Communications Magazine . 29 (11): 52– 71. Bibcode : 1991IComM..29k..52R . doi : 10.1109/35.109666 . S2CID 46573735 . 
  43. ↑ "La revolución inalámbrica" . The Economist . 21 de enero de 1999. Consultado el 12 de septiembre de 2019 .
  44. ↑ Paul Horowitz y Winfield Hill, El arte de la electrónica, 2.ª ed. Cambridge University Press, Cambridge, 1989 ISBN 0-521-37095-7página 471
  45. ↑ Maini. AK (2007). Principios, dispositivos y aplicaciones de la electrónica digital. Chichester, Inglaterra.: John Wiley & Sons Ltd.
  46. ↑ Simposio del Pentágono: Computadoras electrónicas digitales de propósito general disponibles comercialmente a precio moderado , Washington, DC, 14 de mayo de 1952
  47. ↑ "ASODA sync/async DLX Core" . OpenCores.org . Consultado el 5 de septiembre de 2014 .
  48. 1 2 Clarke, Peter. "ARM ofrece el primer núcleo de procesador sin reloj" . eetimes.com . UBM Tech (Universal Business Media) . Consultado el 5 de septiembre de 2014 .
  49. ↑ Brown S y Vranesic Z. (2009). Fundamentos de lógica digital con diseño VHDL. 3.ª ed. Nueva York, NY: Mc Graw Hill.
  50. ↑ Aviso 2, sección 5.3 de MIL-HDBK-217F, para circuitos integrados comerciales CMOS de 0,8 micrómetros y 100.000 compuertas a 40 °C; las tasas de fallos en 2010 son mejores, porque los tamaños de línea se han reducido a 0,045 micrómetros y se necesitan menos conexiones externas por compuerta.
  51. ↑ Kleitz, William. (2002). Fundamentos digitales y de microprocesadores: teoría y aplicación. 4.ª ed. Upper Saddler Reviver, NJ: Pearson/Prentice Hall
  52. ↑ Lehtonen, Eero; Laiho, Mika (2009). Lógica de implicación con estado mediante memristores . Simposio Internacional IEEE/ACM de Arquitecturas a Nanoescala de 2009. págs. 33–36 . doi : 10.1109/NANOARCH.2009.5226356 . ISBN  978-1-4244-4957-6.

Lecturas adicionales

  • Douglas Lewin, Diseño lógico de circuitos de conmutación , Nelson, 1974.
  • RH Katz, Diseño lógico contemporáneo , The Benjamin/Cummings Publishing Company, 1994.
  • PK Lala, Diseño y prueba de lógica digital práctica , Prentice Hall, 1996.
  • YK Chan y SY Lim, Progreso en la investigación electromagnética B, vol. 1, 269–290, 2008, "Generación de señales de radar de apertura sintética (SAR), Facultad de Ingeniería y Tecnología, Universidad Multimedia, Jalan Ayer Keroh Lama, Bukit Beruang, Melaka 75450, Malasia.
  • Proyectos de circuitos digitales: Una visión general de los circuitos digitales mediante la implementación de circuitos integrados (2014)
  • Lecciones de circuitos eléctricos - Volumen IV (Digital) en Wayback Machine (archivado el 27/11/2012)
  • Materiales del curso de introducción al diseño digital de MIT OpenCourseWare ("6.004: Estructuras de computación")
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