Coloro che progettano porte logiche per computer raramente ricordano come sono entrati in uso i termini utilizzati per descriverne la tecnologia: la visione di un gate che oscilla avanti e indietro non rappresenta letteralmente le strutture di un chip di silicio.
L’uso del termine “gate” o cancello per la logica del computer può essere apprezzato esaminando la sua funzione di base: controllare un flusso.
In una fattoria, i cancelli sono usati per controllare il “flusso” degli animali: in questo caso esso è costituito da una barriera fisica la cui posizione è controllata da un agricoltore, che prende una decisione sul flusso e quindi sposta la barriera fisica per consentire quello desiderato.
In un computer, un gate controlla il flusso di corrente elettrica attraverso un circuito; è costituito da transistor selezionati dal progettista del chip da due tipi base: transistor PMOS e NMOS, che si trovano nell’onnipresente CMOS (tecnologia complementare a semiconduttore di ossido di metallo).
PMOS (P-type Metal-Oxide-Semiconductor)
Un transistor PMOS è composto da un canale di tipo P (positivo) e viene attivato applicando una tensione negativa tra il gate e la sorgente. In un transistor PMOS, quando il gate ha una tensione inferiore rispetto alla sorgente, il canale conduce e permette il passaggio di corrente tra il drain e la sorgente (il flusso avviene da sorgente a drain). Quando la tensione del gate è uguale o maggiore della sorgente, il transistor si spegne, interrompendo il flusso di corrente.
NMOS (N-type Metal-Oxide-Semiconductor)
Un transistor NMOS è composto da un canale di tipo N (negativo) e viene attivato applicando una tensione positiva tra il gate e la sorgente. Quando il gate ha una tensione maggiore rispetto alla sorgente, il canale si forma e il transistor permette il passaggio di corrente dal drain alla sorgente (il flusso avviene da drain a sorgente). Quando il gate ha una tensione inferiore, il transistor si spegne.
La tecnologia CMOS combina PMOS e NMOS in modo complementare nello stesso circuito. Ogni porta logica CMOS è composta da una coppia di transistor PMOS e NMOS, con il PMOS che si accende quando il NMOS è spento e viceversa.
Questo approccio permette di ridurre al minimo il consumo di potenza, poiché la corrente scorre solo durante il cambiamento di stato del segnale, rendendo i circuiti CMOS estremamente efficienti dal punto di vista energetico. Per questo motivo, la tecnologia CMOS è ampiamente utilizzata nella realizzazione di microprocessori, memorie e molti altri dispositivi elettronici integrati.
Porta logica microchip: come si realizza
La corrente che attraversa un gate stabilisce una tensione in un punto particolare del circuito, che rappresenta un singolo “bit” di informazioni. La tensione può essere elevata (che rappresenta il valore “1”) o bassa (che rappresenta il valore ‘0’).
Per stabilire un 1 su un circuito, il flusso di corrente viene indirizzato ad esso (controllato) “accendendo” un transistor PMOS collegato tra il circuito e la tensione di alimentazione positiva, la quale ha solitamente un valore standard compreso tra 3.3 e 5.0 volt. Per il brevissimo intervallo richiesto per il passaggio di una porta logica (nell’ordine di un nanosecondo o un miliardesimo di secondo), la corrente fluirà attraverso un transistor PMOS dall’alimentatore positivo al circuito.
Il flusso di corrente che carica il nodo circuitale a 0 viene allontanato dal circuito attraverso un diverso tipo di transistor (NMOS) collegato tra il circuito e la tensione di alimentazione negativa. La corrente fluirà attraverso il transistor NMOS per un intervallo molto breve, ma per il NMOS la corrente è tra il circuito e l’alimentazione negativa.
In entrambi i casi, il flusso di corrente provoca un cambiamento nella tensione del circuito e la tensione del circuito rappresenta una certa informazione. Un gate che controlla il flusso di corrente in realtà controlla il flusso di informazioni.
Tornando all’analogia tra la fattoria e il chip del computer, è ovvio che il flusso è diverso (animali da fattoria rispetto alle informazioni) e che il gate stesso è diverso (una barriera fisica rispetto a un transistor nella tecnologia CMOS). Ma la differenza più importante è il mezzo per controllare il flusso: nella fattoria il contadino reimposta la posizione del cancello prendendo una decisione, spostando poi la barriera fisica. Un flusso di animali attraverso un complesso labirinto di porte richiederebbe un contadino per ogni cancello.
Ma in un chip di computer, il meccanismo di controllo è la tensione sul terminale di controllo di un transistor, che lo attiva cambiando le sue caratteristiche da circuito aperto (la posizione “off”) ad uno che può condurre una piccola quantità di corrente. Questa tensione di controllo, a sua volta, è già disponibile all’interno del chip come tensione in un punto di un altro circuito. Questo meccanismo di controllo rappresenta un diverso bit di informazione.
