Нейросетевая технология защиты личных биометрических данных

725 

В  работе  рассматриваются  наиболее  широко  применяемые  в  современных  компьютерах    интегральные 

схемы  на  основе  ТТЛШ  и  КМОП  технологии,  дается  их  сравнительная  характеристика  по  основным 

параметрам:  быстродействию,  потребляемой  мощности,  степени  интеграции,  технологичности  и  др.Данная 

работа  относится  к  области  современной  технологии  изготовления  микропроцессорных  больших  и 

сверхбольших интегральных схем, на основе которых создаются высокопроизводительные суперкомпьютеры. 

Ключевые  слова:интегральные  схемы(ИС)  транзисторно-транзисторной  логики(ТТЛ),  эмиттерно-

связанной  логики(ЭСЛ),  интегрально-инжекционной  логики(ИИЛ);  ИС  биполярной  технологии,  nМОП  и 

комплементарные МОП  ИС униполярной технологии.  

 

Развитие 

микроэлектронной 

технологии 

обеспечивает 

уменьшение 

размеров 

полупроводниковых  транзисторов  и,  тем  самым,  дает  возможность  увеличить  их  количество  и 

повысить  плотность  размещения  на  кристалле  микропроцессорных(МП)больших  и  сверхбольших 

интегральных  схем(БИС  и  СБИС),  которыеиспользуются  для  реализации  новых  архитектурных  и 

структурных  решений,  позволяющих  повысить  производительность  и  расширить  фукнкциональные 

возможности  современных компьютеров.  

На рисунке 1 показаны основные виды технологии изготовления интегральных схем. 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 – Виды технологии изготовления БИС МП 

 

По виду технологии изготовления разрабатываются и выпускаются МПБИС и СБИС:  

- по биполярной технологии на основе: транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) и ТТЛШ ИС 

(ТТЛ с диодами Шоттки, Шоттки транзисторная логика);эмиттерно-связанной  

логики (ЭСЛ)и интегральной инжекционной логики (И

2

Л).  

-  по  униполярной  технологии  на  основе:  р-канальных  (рМДП-),  n-канальных  (nМДП-) 

транзисторов  и  комплементарных  (КМДП)  ИС(рис.  1).МДП-транзистор  имеет

  структуру  металл-

диэлектрик-полупроводник.

КМДП(

комплементарная 

МДП)-структура 

состоит 

из 

пары 

взаимодополняющих (комплементарных) полевых транзисторов: n-МДП и p-МДП.

 

ИС  ТТЛШ  и  ЭСЛ  имеют  высокое  быстродействие,  большую  потребляемую  мощность  и  их 

применение  для  создания  СБИС  связано  с  неэффективными  затратами  площади  кристалла  и 

сложными  технологическими  процессами  их изготовления.  nМДП  и  КМДП  ИС  по  сравнению  с  ИС 

ТТЛШ  и  ЭСЛ  более  технологичны,  имеют  малую  мощность  потребления  и  высокую  степень 

интеграции,  т.  е.  занимают  гораздо  меньшую  площадь  на  кристалле  полупроводника.  Однако  их 

быстродействие существенно меньше. 

Микросхемы  на  основе 

ТТЛШ  и  КМДП  технологии 

широко  применяются  для  построения 

различных 

цифровых 

устройств(логических 

элементов, 

дешифраторов, 

мультиплексоров, 

демультиплексоров.  триггеров,  регистров,  счетчиков  и  др.)  современных  компьютеров.  Наиболее 

распространенными  сериями  микросхем 

ТТЛШ 

являются  серии  К531(SN74S),  КМ555(SN74LS), 

КР1531  (SN74F)  и  КР1533  (SN74ALS)[1,2].  В  скобках  указаны  их  функциональные  аналоги, 

разработанные  фирмой  TexasInstruments.  Буквы    Н,    L    и    S      в      обозначениях    функциональных  

аналогов  характеризуют: H – повышенное быстродействие; L – малую потребляемую мощность; S – 

наличие в структурах транзисторов Шоттки. 

В  ИС  ТТЛШ  серии  К531  (рис.2,  а)  используются  транзисторы  Шоттки,  которые  не  входят  в 

режим насыщения и имеют высокое быстродействие. 

Виды технологии             

      изготовления интегральных схем 

726 

 

 

Рисунок 2 – Схемы базового ЛЭ ТТЛШ серии К531 (а), логического расширителя по  

ИЛИ (б) и условные графические обозначения ЛЭ И-НЕ (в) и И-ИЛИ-НЕ(г) 

 

На рисунке 3 приведены составные части схемы ЛЭ ТТЛШ серии К531(рис.2, а). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3- Состав и компоненты схемы ЛЭ И-НЕТТЛШ серии К531 

 

Входной  каскад  с  МЭТ  Т

0

  и  резистором  R

0

  реализует  логическую  функцию  И  при 

положительной логике, когда  лог. 1 соответствует высокий уровень напряжения, а лог. 0 –  

низкий.  В  случае  отрицательной  логики,  когда  лог.  1  представляется  низким  уровнем 

напряжения, а лог. 0 – высоким, МЭТ Т

0

 вместе с R

0

 реализуют функцию ИЛИ. Фазо разделительный 

каскад обеспечивает противофазное переключение транзисторов Т

2

 и Т

3

.Составные транзисторы Т

3

 и 

Т

5

  обеспечивают  большой  выходной  ток,  благодаря  которому  повышается  быстродействие  схемы  и 

увеличивается ее нагрузочная способность. 

В  таблице  1  дается  описание  работы  схемы  ЛЭ  И-НЕТТЛШ  К531  серии  при  различных 

комбинациях входных сигналов лог. “0” и лог. “1”.  

 

Таблица 1 

Описание работы схемы базового ЛЭ И-НЕТТЛШ К531 серии 

 

А 

В 

 

 

UБТ0 (В)

 

Т

1

, Т

2

, Т

4

 

φ1  (В) 

Т

3

, Т

5

 

  С

Н

 

U вых(В) 

  Y 

0 

0 

откр 

откр 

 0,8 

закр 

 

откр 

заряж 

 

1 

0 

1 

откр 

закр 

 0,8 

закр 

 

откр 

заряж 

 

1 

1 

0 

закр 

откр 

 0,8 

закр 

 

откр 

заряж 

 

1 

1 

1 

закр 

закр 

2,4 

откр 

 

закр 

разряж 

 

0 

 

Сигналу  лог.  “0”  -  соответствует  напряжение  (0,1-0,2)  В,  а    лог.  “1”

3,5  В  (положительная 

логика).

  и

-1-й(верхний)  и  2-й(нижний)pn-переходы  транзистора  Т

0

,  которые  могут  быть 

либо  открытыми(откр),  либо  закрытыми  (закр)  под  воздействием  входных  сигналов  А  и  В;U

БТ0

-

Состав и компоненты схемы 

ЛЭ ТТЛШ серии К531 

Входнойкаскад 

 

МЭТ  Т

0

  и 

резистор  R

0

 

Фазоразделительный каскад 

 

ТранзисторыТ

1

и Т

4

 

резисторыR

1

, R

2

  и  

R  

Выходнойкаскад 

 

ТранзисторыТ

2

,Т

3

и Т

5

 резистор

r

огр

 

 

727 

потенциал  базыТ

0

;  φ1  -  потенциал  коллектора  транзистора  Т

1

,  т.  е.  потенциал  точки  “1”,    Y  – 

выходной сигнал, который может быть равным “0” или “1”. 

Используя  совместно  ЛЭ  И-НЕ  (рис.  2,  а)  с  расширителем  по  ИЛИ  (рис.  2,  б)  можно  получить 

ЛЭ И-ИЛИ-НЕ, условное обозначение которого приведено на рисунке 2, г. При этом расширитель по 

ИЛИ своими выходами присоединяется к узлам“1” и “2”базового ЛЭ ТТЛШ(рис. 2, а и рис.2, в)[2,4].  

В  ряде  цифровых  устройств,  где  несколько  блоков  работают  на  общую  нагрузку,  требуется 

монтажное соединение выходов двух и более элементов ТТЛШ. В этом случае в качестве выходного 

каскада используется тристабильная схема ТТЛШ (рис. 4),  которая кроме  двух  обычных состояний 

выхода (лог. 1 и лог. 0) имеет еще третье – высокоимпедансное (высокоомное) состояние, в котором 

элемент  не  отдает  тока  к  нагрузке  и  не  потребляет  тока  от  нее,  т.  е.  электрически  отключается  от 

нагрузки[1,2,4]. 

 

 

 

Рисунок 4 – Схема ТТЛШ с тремя состояниями выхода 

 

Если на управляющий вход U подать напряжение лог. 1, то соответствующий(нижний) переход 

Б-Э МЭТ и диод D закрыты и элемент работает как обычно, выполняя логическую функцию И – НЕ. 

Если  на  вход  U  подать  напряжение  лог.  0,  то  потенциалы  точек  “1”  и  “2”одновременно  будут 

низкими и в результате этого транзисторы Т

1

– Т

5

 

оказываются закрытыми и элемент переходит в третье высокоомное состояние. 

ВМДП(металл-диэлектрик-полупроводник)-транзисторе  роль  диэлектрика  выполняет  двуокись 

кремния  SiO

2

,  поэтому  такой  транзистор  также  обозначают  аббревиатурой  МОП  (металл–окисел–

полупроводник).  МОП-транзистор  характеризуется  очень  большим  входным  сопротивлением  (10

14

 

Ом) и, следовательно, малым входным током.  

Поэтому такой транзистор  управляется не током (как биполярный транзистор), а напряжением. 

В зависимости от типа проводимости канала различают pМОП- и nМОП-транзисторы. На их основе 

строятpМОП-,  nМОП- и комплементарные МОП (КМОП или CMOS) интегральные схемы, которые 

по сравнению с биполярными ИС ТТЛШ и ЭСЛ конструктивно просты, более технологичны, имеют 

высокую помехоустойчивость и малую мощность  потребления, а также занимают гораздо меньшую 

площадь на кристалле полупроводника.  

Однако их быстродействие существенно меньше. В настоящее время известны следующие серии 

и  семейства  логических  КМОП  (CMOS)  интегральных  микросхем  производства  России: 

1564(соответствует  серии  74HC)-высокоскоростные;  1594(74АСТ)-улучшенное  CMOS,  совместимо 

по выходам с ТТЛШ схемами; 5564(74HCT)- улучшенное высокоскоростные CMOS, совместимо по 

выходам  с  ТТЛШ  схемами;  5584(74VHC)-сверхвысокоскоростные  CMOS,  по  быстродействию 

сравнимо  с  ТТЛШ  ИС;  74BCT  –  BiCMOS,  ТТL-совместимые  входы,  используются  для  буферов; 

74АВТ  –  улучшенное  BiMOS-семейство,  ТТЛ-совместимые  входы,  быстрее  АСТ  и  ВСТ[2,3,5].  В 

скобках указаны зарубежные аналоги серии КМОП интегральных микросхем. 

На  рисунке  5  показаны  схемы  nМОПЛЭ    И-НЕ  и  ИЛИ-НЕ,  где  транзистор  Т

0

выполняет  роль 

нагрузки,  а  Т

1

  и  Т

2

  являются  переключательными  транзисторами.  В  таблице  2  приведено  описание 

принципов  работы  nМОП-схем  И-НЕ  и  ИЛИ-НЕ  (рис.  5)  при  положительной  логике,  когда  сигналу 

лог.  1  соответствует  высокий  уровень  ( 4  В),  а  лог.  0  –  низкий  уровень  (0,1  В)    положительного 

напряжения. 

 

 

 

728 

 

а)  

 

 

 

  б) 

 

Рисунок5 – Электрические схемы ЛЭ И-НЕ (а) и ИЛИ-НЕ  (б)на nМОП-транзисторах 

 

Таблица 2 

Описание принципов работы nМОП-схем И-НЕ и ИЛИ-НЕ 

 

А 

В 

Т

1

 

Т

2

 

 С

Н

 

F

1

 

F

2

 

0 

0 

закр 

закр 

заряж 

1 

1 

0 

1 

закр 

откр 

заряж 

1 

0 

1 

0 

откр 

закр 

заряж 

1 

0 

1 

1 

откр 

откр 

разряж 

0 

0 

 

В  схеме  nМОП  ЛЭ  И-НЕ  (рис.  5,  а)  транзисторы  Т

1

  и Т

2

  соединены  последовательно.  Поэтому 

для получения на выходе схемы напряжения низкого уровня (сигнала лог. 0) на затворы транзисторов 

Т

1

 и Т

2

(на входы А и В) необходимо подать напряжение высокого уровня( сигналы лог. 1). При этом 

оба транзисторы Т

1

 и Т

2

 будут открытыми. Если податьсигнал лог. 0 хотя бы на один из входов схемы 

А или В, тогда соответствующий транзистор Т

1

 или Т

2

закрывается и на выходе схемы  будет сигнал 

лог.1.Максимальное число переключательных транзисторов (коэффициент объединения по входу m

и

) 

равно  4.  Увеличение  числа  входных  транзисторов  в  схеме  И 

 НЕ усложняет топологию и снижает 

помехоустойчивость за счет увеличения уровня напряжения лог. 0. 

В  схеме  ИЛИ-НЕ  (рис.  5,  б)  транзисторы  Т

1

  и  Т

2

  включены  параллельно,  поэтому  при  подаче 

хотя бы на один из входов схемы сигнала лог. 1, соответствующий транзистор Т

1

 или Т

2

 открывается 

и на ее выходе будет сформирован сигнал лог. 0.  Для получения на выходе схемы сигнала лог. 1  на 

входы А и В необходимо подать сигнал лог. 0. При этом оба транзисторы Т

1

 и Т

2

 будут закрытыми. 

Коэффициент объединения по входу  m

или

 равен 10. Благодаря высокому входному сопротивлению и 

существенно  малому  значению  тока  утечки  МОП-транзисторов  цифровые  ИС,  построенные  на  их 

основе, имеют высокую нагрузочную способность (n = 10–15). 

Комплементарная  МОП  (КМОП)-структура  представляет  собой  схему  инвертора  (рис.  6,  а), 

составленную  из  nМОП-и pМОП-транзисторов.КМОП  ИС  отличаются  от  nМОПИС  малой 

мощностью  потребления,  относительно  высоким  быстродействием,  высокой  нагрузочной 

способностью  (n



15–20)  и  хорошей  помехоустойчивостью  за  счет  большего  перепада  уровней 

сигналов лог. 1 и лог. 0 (низкий уровень ближе к нулю, высокий – к напряжению стокового питания). 

 

 

 

Рисунок 6 – Схемы КМОП элементов: инвертора (а), И – НЕ (б) и ИЛИ – НЕ (в) 

 

729 

В  таблице  3  описаны  принципы  работы  КМОП  ЛЭ  И-НЕ  и  ИЛИ-НЕ  в  режиме  положительной 

логики. В этом режиме высокому уровню напряжения соответствует сигнал лог. 1, а низкому уровню 

– сигнал лог. 0. 

 

 Таблица 3 

Описание принципов работы КМОП ЛЭ И-НЕ и ИЛИ-НЕ 

 

А 

В 

Т1 

Т2 

  Т3 

  Т4 

 С

Н

 

F

1

 

F

2

 

0 

0 

закр 

закр 

откр 

откр 

заряж 

1 

1 

0 

1 

закр 

откр 

откр 

закр 

заряж 

1 

0 

1 

0 

откр 

закр 

закр 

откр 

заряж 

1 

0 

1 

1 

откр 

откр 

закр 

закр 

разряж 

0 

0 

 

Из  рис.  6,  б  видно,  что  для  реализации  логической  функции  И-НЕ  nМОП-транзисторы 

включаются  последовательно,  а  pМОП-транзисторы  –  параллельно.  Для  реализации  функции  ИЛИ-

НЕ  параллельно  включаются  nМОП-транзисторы,  а  последовательно  –  pМОП-транзисторы.  Кроме 

того,  затворы  каждой  пары  транзисторов    nМОП  и  pМОП,  образующих  КМОП-структуру, 

соединяются  между  собой  и  являются  входами  элементов  КМОП.  При  подаче  на  вход  A  КМОП-

элемента  И-НЕ  сигнала  лог.  0  закрывается  nМОП-транзистор  Т

1

,  а  связанный  с  ним  по  затвору 

pМОП-  транзистор  Т

3

  открывается.  В  результате  на  выходе  элемента  (независимо  от  значения 

сигнала на входе B) формируется уровень лог. 1 (см. таблицу 3). При подаче на входы A и B сигнала 

лог.  1  nМОП-транзисторы  Т

1

  и  Т

2

  открываются,  а  nМОП-транзисторы  Т

3

  и  Т

4

  закрываются,  что 

приводит к формированию на выходе элемента сигнала лог. 0. При этом емкость нагрузки C

н1

 всегда 

перезаряжается  через  открытый  nМОП-  или  pМОП-транзистор,  в  результате  чего  КМОП-элемент 

переключается быстрее, в отличие от аналогичных nМОП-элементов. 

КМОП  элементы  ИЛИ-НЕ  (рис.  6,  в)  работают  так  же,  но  на  ее  выходе  сигнал  лог.  1 

формируется  только  при  одновременной  подаче  на  входы  A  и  B  сигналов  лог.  0.  Обычно 

коэффициент  объединения  по  входу  элементов  КМОП  не  превышает  4  (m 



  4).  Сверхмалая 

потребляемая  мощность  и  высокое  быстродействие  обеспечивают  широкое  применение  элементов 

КМОП, особенно в разработках сверхбольших интегральных схем(СБИС).   

 

В заключение приведем некоторые параметры кристаллов СБИС (таблица 4)  современных 

четырехядерных микропроцессоров фирмы Intel(Сorei5 и i7) [3,5]. 

 

Таблица 4 

Параметры кристаллов СБИС четырехядерных микропроцессоров фирмы Intel 

 

 

SandyBridge 

IvyBridge 

Haswell 

Техпроцесс, нм 

32 

22 

22 

Транзисторы, млрд. шт 

1,16 

1,4 (+21%) 

1,6 (+14%) 

Площадь, мм

2

 

216 

1,60 (-26%) 

177 (+11%) 

Мощность потребления, Вт 

95 

77 (-19%) 

84 (+9%) 

Тактовая частота, ГГц 

3,1 

3,2 

3.3 

 

Как видим из таблицы 4, из-за малой проектной нормы(32 и 22 нм), используемой в техпроцессе 

изготовления  КМДП  элементов  количество  транзисторов  на  кристаллемикропроцессорных  СБИС 

составляет  более  одного  миллиарда  единиц,  а  площади,  занимаемые  на  кристалле  и  мощности 

потребления имеют относительно малые значения. 

В  настоящее  время  появляются  терагерцовые  и  трехзатворныеnМДП  транзисторы[3,5]. 

Технология изготовления таких транзисторов с проектной нормой до 14 нм позволяет  увеличить их 

число на кристалле микропроцессорных СБИС более1 миллиарда единиц, что позволит существенно 

расширить функциональные возможности суперкомпьютеров. 

 

 

 

 

730 

Выводы:  

Вид  технологии  изготовления  СБИС  во  многом  определяет  степень  интеграции  микросхем, 

быстродействие,  энергопотребление  и  стоимость  МП.  По  комплексу  этих  признаков  можно  отдать 

предпочтение  микропроцессорам,  выполненным  по  nМОП  и  КМОП  технологиям,  обеспечивающих 

малую  потребляемую  мощность,  высокую  плотность  компоновки  и  относительно  малую  стоимость. 

ЭСЛ и ТТЛШ технологии обеспечивают самое высокое быстродействие МП, но микропроцессорные 

БИС при этом отличаются низкой плотностью компоновки и высоким энергопотреблением.  

Развитие  суперкомпьютеров  с  сверхвысокой  производительностью    тесно  связано  с  новейшими 

технологическими  достижениями,  в  первую  очередь  в  области  микроэлектроникии  схемотехники.  Рост 

производительности  вычислительных  систем  достигается  путем  повышения  быстродействия  логических 

элементов, повышения степени параллелизма за счет объединения в системе большого числа одновременно 

работающих вычислительных  и  запоминающих  устройств,  а  также  путем  совершенствования алгоритмов 

решения прикладных задач и повышения эффективности программного обеспечения. 

 

ЛИТЕРАТУРА 

1.  Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника. Учебное пособие. – Спб.:  «БХВ-Санкт-Петербург», 2000. - 528 с.  

2.  Никитин В.А. Схемотехника интегральных схем ТТЛ, ТТЛШ и КМОП. – М.: НИЯУ МИФИ, 2010. - 164 с. 

3.  Ракитин В. В. Интегральные схемы на КМОП-транзисторах. Учебное пособие  – М.:МФТИ, 2007. – 308 с. 

4.  Джурунтаев Д.З.  Схемотехника. Учебник. – Алматы: Эверо, 2005. – 276 с. 

5.  Baker R.J. CMOS Circuit Desing, Layout, And Simulatio. – Wiley-IEEE,2005. 

 

REFERENCES 

1. Ugryumov E. P. Digital circuitry. Manual. – SPb.: "BHV-St. Petersburg", 2000. - 528 pages.  

2. Nikitin V.A. Skhemotekhnika of integrated schemes TTL, TTLSh and KMOP. – M.: NIYaU MEPhI, 2010. - 

164 pages. 

3. Rakitin V. V. Integrated schemes on KMOP-transistors. The manual – M.: MIPT, 2007. – 308 pages. 

4. Dzhuruntayev of D.Z. Skhemotekhnik. Textbook. – Almaty: Evero, 2005. – 276 pages. 

5. Baker R.J. CMOS Circuit Desing, Layout, And Simulatio. – Wiley-IEEE, 2005. 

 

Заурбек А., Карякин В.П., Джурунтаев Д.З. 

жүктеу/скачать 19,96 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: