집적회로소자개론 [10] Logic Devices

집적회로소자개론 [9] MOSFET

 

1. Memory Hierarchy

 앞에서 MOSFET -> Logic gate -> 연산까지 배웠다면, 이제 자연스럽게 드는 질문이 있다. '메모리는 어디에 저장할까?' 이때 등장하는 것이 바로 메모리 구조이다.

 

컴퓨터는 하나의 메모리만 쓰는 것이 아닌 여러 종류를 계층적으로 사용한다. 

 

2. MOSFET as Switches : Logic ( Inventer + NAND )

연산을 실제로 어떻게 구현할까? MOSFET을 스위치로 사용해보자

 

 MOSFET은 스위치이다. 위의 것을 이용하면, 전류 경로를 만들거나 끊을 수 있고, 그 결과를 0 또는 1 출력을 만들 수 있다. 

 

2-1. Inventer

입력이 0 -> 출력이 1, 입력이 1 -> 출력이 0인 구조이다. 즉, 항상 하나만 켜지도록 설계된 구조이다.

 

2-2. NAND

 

 앞 슬라이드에서 inventer, NAND를 봤으면 이제 전체 논리 게이트를 정리해보자.

 

여기서 나온 De Morgan 법칙은 다음과 같다.

(A·B)' = A' + B'
(A + B)' = A'·B'

 

3. Half Adder

1비트 + 1비트 계산기

 

 2진수 덧셈을 구현하는 가장 간단한 회로가 바로 half Adder이다. 입력값이 X, Y일때 출력값이 Sum, Carry이다. 이때 Sum은 XOR이고, Carry는 AND이다. 

 

이걸 회로로 만든 것이 Half Adder이다.

 

4. Basic Logic Gates 

 출력이 0이 되는 조건은 NMOS가 연결되는 조건이다.

4-1. Inventer 

 CMOS inventer는 단 2개의 트랜지스터로 구성된다. 위의 PMOS, 아래는 NMOS이다.

 

4-2. NAND

 NAND는 PMOS는 병렬구조이고, NMOS가 직렬구조이다. 이때 둘다 1일 때만 GND가 연결되고 0이 출력된다. NAND는 기본 Building Block으로 AND, OR, NOT을 다 구현할 수 있다.

4-3. NOR

 PMOS가 직렬이고, NMOS가 병렬이다. 하나라도 1이면 GND가 연결되며 0을 출력한다. 

 

4-4. AND

AND = NAND + NOT

 

4-5. OR

NOR + NOT

4-6. XOR

XOR= A′B+AB′

 

XOR는 Adder를 만들려면 반드시 필요하다. 이때, 서로 다르면 1이다.

 

원래대로라면 드모르간의 법칙을 이용하여 다음과 같이 만들어야 한다. 하지만, 이렇게 될 경우 트랜지스터가 약 22개가 필요하기 때문에 트랜지스터가 너무 많다는 문제가 생긴다. 이때 CMOS의 특징을 이용하여 최적화를 통해 구현할 수 있다.

 

4-7. CMOS를 쓰는 이유

왜 굳이 NMOS + PMOS를 같이 쓸까?

 

 

 NMOS만 존재할 경우, 항상 전류 흐름(I)이 존재하기 때문에 전력이 계속 소비된다. CMOS의 경우 Steady state에서 전류가 거의 없다. 따라서, 전력의 효율이 좋고 속도가 빠르다.

 

5. Half Adder - XOR and AND

 

 우리는 XOR을 Adder를 만들기 위해 배웠다.

Half Adder (18Tr)
- Sum = XOR (12Tr)
- Carry = AND (6Tr)