與非門究竟是個什么門？

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這一期，我們聊一聊邏輯電路的那些事兒。

科技越發展，世界就被0和1這兩個數字越深刻地描述。那么，讓0和1跨越了數字邏輯與物理真實的鴻溝，聯通數字世界和物理世界的，究竟是什么呢？

邏輯門電路，是數字電路的基本構成。簡稱門電路，以高、低電平分別代表邏輯上的“真”與“假”（或二進制當中的“1”和“0” ），從而實現邏輯運算。

首先，基本的3種門電路有如下3種：

與門電路（AND）：又稱“與電路”、邏輯“積”電路。最基礎的與門有兩個輸入端，一個輸出端。當全部輸入端都是邏輯值“1”時，輸出才是邏輯值“1”；任何一個輸入端為邏輯值“0”，則輸出為邏輯值“0”。

讓我們找個生活中的案例，以帶童鎖的單出水口飲水機來說。當單按熱水鍵或是單按童鎖鍵時，都無法解鎖熱水供應功能，只有兩者都按下才會出熱水。（p.s.此處就不深究童鎖鍵和熱水鍵的先后次序了。來杠，就是你對【狗頭】）

或門電路（OR）：又稱或電路、邏輯“和”電路。最基礎的或門也是兩個輸入端，一個輸出端。只要有一個輸入端為“1”，輸出就為“1”；除非所有的輸入端全為“0”，輸出才會為“0”。

這次用無童鎖功能單口普(qiong)通(gui)飲水機來舉個例子。不管是單按熱水鍵還是單按涼水鍵，都能出水。

非門電路（NOT）：又稱非電路、邏輯否定電路，也稱反相器，簡稱非門。非門有一個輸入、一個輸出端。當其輸入端為“1”時輸出端為“0”，當其輸入端為“0”時輸出端為“1”。

非電路在日常生活中也很常見。箱式電梯的關門保護裝置就是，當人經過電梯門時，會觸發保護裝置，保證電梯門不會關閉。

基于以上3種基本門電路的組合，就可以實現相對復雜的邏輯運算，包括：

與非門（NAND, NOT-AND）：是與門和非門的結合，有多個輸入和一個輸出。與非門的關鍵是先進行“與”運算，再進行“非”運算。

或非門（NOR, NOT-OR）：是或門和非門的結合，同樣有多個輸入和一個輸出?；蚍情T先進行“或”運算，再進行“非”運算。

此外還有更為復雜的異或門（XOR, Exclusive-OR），同或門（XNOR, equivalence）。在此就先不展開啦。

門電路在物理世界中是由什么組成，又是如何實現的？

我們先回過頭來，講清門電路設計中極為關鍵的概念：高、低電平。

數字電路中，用來表示電壓高低的是邏輯電平，包括了高電平和低電平。不同的元器件形成的數字電路，電壓對應的邏輯電平也不同。一般規定低電平為0V上下，高電平為供電電壓上下。

從實際電路設計來看，繼電器、電子管、晶體管等具有導通、截止兩種狀態的元件（存在1和0兩種截然不同狀態），都可以用于門電路的實現。

下面我們基于二極管或三極管，看看與門、或門、非門等3種基本門電路是如何實現的。

首先，如下電路的外接電源電壓與高電平一致。當A、B至少有一處是低電平時，相應二極管導通，則Y與A（或B）之間的電壓就是該二極管的正向導通電壓。由于該電壓通常都很小，因而Y輸出為低電平。如果A和B都是高電平，電源與A和B之間均無電勢差，電路無電流，因而Y輸出與電源同為高電平。這就是“與電路”。

或電路的基本設計如下。其中，接地處是0V即低電平。當A（或B）有一處是高電平，電路中存在電勢差，相應二極管導通，A（或B）與Y的電勢差為二極管的導通電壓，因此Y輸出電壓與A（或B）相近，即為高電平。當A與B都是低電平，此時電路中無電勢差，Y與大地同為0V即低電平。

非電路略為麻煩，電路中包含有晶體三極管、外接高電平電源和接地。如下圖，當A為高電平，三極管飽和導通，電源與接地點之間相當于短路連接，Y與大地接通，輸出低電平；當A為低電平，三極管截止，Y與電源電壓相通，輸出高電平。

各種數字電路就是由基本單元電路──邏輯門電路所組成的。將構成門電路的元器件制作在一塊半導體芯片上，再封裝起來，便構成了集成門電路。

什么？？你說這幾個邏輯門也沒多復雜？

那你可得看看今天我們把邏輯門玩出了多復雜的運算系統！雖然單個門的邏輯并不復雜，但是現在一顆芯片里包含幾百億個門，要確保每個邏輯門的正常工作以及相互之間的關系不出錯，可就復雜了，這就需要芯片設計自動化工具EDA的加持，才能使得百億個門一同實現最佳配合（這可是咱新思科技的看家本領）。

以自動駕駛為例，汽車需要快速了解當前路況并及時做出正確反應，才能保障安全駕駛。那就需要：看得清（傳感器采集數據速度足夠快、顆粒度足夠?。?、想得明（在極短的時間內理清數據背后所反應的事實并做出正確判斷）、反應快（及時將基于判斷所形成的指令下達給執行器）。而這些背后是：海量的數據，以及超乎想象的算力和運算速度。

當前很多自動駕駛計算平臺的算力已經突破1000TOPS（1TOPS即處理器每秒鐘可進行一萬億次（10^12）運算）。而邏輯門電路正是高算力數字芯片的底層基石。得益于任何特定門電路的輸出都是電壓，該電壓又可以用來控制另一個門，如今，人類已可以通過在一個芯片中互連多達上億個邏輯門來創建極為復雜的運算系統。

與此同時，歷經幾十年的高速發展，邏輯門的計算能力已達到超乎想象的地步。據《自然》雜志報道，美國羅切斯特大學的科學家已開發出新的邏輯門，通過用激光脈沖轟擊石墨烯和黃金，能夠使新的邏輯門比現有計算機速度快上100萬倍。AMAZING(⊙?⊙)

未來，上至國家經濟測算、政策方案推導，下至自動駕駛、云計算等超大數據量的應用，都將從這種超高速運算中受益，都讓我們無比期待和振奮。屆時，我們也許真的可以推演出一只亞馬遜流域的蝴蝶扇動了翅膀，將如何掀起一場風云。然后通過干預，從而將可能產生的龍卷風消弭于無形……

每一塊芯片都是由一個個簡單的邏輯門組成的。正是這些看似并不復雜的邏輯門電路，支撐起了復雜的運算，筑成了我們今天的數字世界。當技術不斷繼續演化和升級，深入到汽車、能源、農業等各個領域，科技將讓我們看見，世界的方方面面與之碰擦出精彩的數字火花。

注：本文以正邏輯為基礎。