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デジタルエレクトロニクスは、デジタル信号の研究と、それらを利用または生成するデバイスの設計を扱う電子工学の一分野です。論理ゲート、抵抗器、コンデンサ、増幅器、その他の電子部品を通して電気信号を伝送することで、バイナリ入力と出力の関係を扱います。デジタルエレクトロニクスは、主にアナログ信号（オン/オフの2状態バイナリ信号とは異なり、強度の異なる信号）を扱うアナログエレクトロニクスとは対照的です。しかし、その名称にもかかわらず、デジタルエレクトロニクスの設計には重要なアナログ設計上の考慮事項が含まれています。
より複雑な概念を表現するために使用される論理ゲートの大規模な集合体は、多くの場合、集積回路にパッケージ化されます。複雑なデバイスは、ブール論理関数の単純な電子表現を持つ場合があります。[ 1 ]
二進数システムはゴットフリート・ヴィルヘルム・ライプニッツによって改良され（1705年に発表）、彼はまた、二進システムを使用することで算術と論理の原理を結合できることを確立しました。私たちが知っているデジタル論理は、19世紀半ばにジョージ・ブールによって発明されました。1886年の手紙で、チャールズ・サンダース・パースは、論理演算が電気スイッチング回路によってどのように実行できるかを説明しました。[ 2 ]最終的に、論理演算にはリレーの代わりに真空管が使用されるようになりました。1907年にリー・デ・フォレストがフレミングバルブを改良したものは、ANDゲートとして使用できました。ルートヴィヒ・ヴィトゲンシュタインは、 16行真理表のバージョンを『論理哲学論考』 （1921年）の命題5.101として紹介しました。一致回路の発明者であるヴァルター・ボーテは、1924年に最初の現代的な電子ANDゲートを作成した功績により、 1954年のノーベル物理学賞を共同受賞しました。
機械式アナログコンピュータは1世紀に登場し始め、後に中世には天文学の計算に使用されました。第二次世界大戦では、機械式アナログコンピュータは魚雷の照準計算などの特殊な軍事用途に使用されました。この時期に最初の電子式デジタルコンピュータが開発され、 1942年にジョージ・スティビッツによって「デジタル」という用語が提唱されました。当初は大きな部屋ほどの大きさで、数百台の現代のPCに匹敵する電力を消費していました。[ 3 ]
クロード・シャノンは、ブール代数の電気的応用によってあらゆる論理的な数値関係を構築できることを実証し、最終的にデジタルコンピューティングとデジタル回路の基礎を1937年の修士論文で築いた。この論文は、おそらくこれまで書かれた中で最も重要な修士論文と考えられており、1939年にアルフレッド・ノーベル賞を受賞した。[ 4 ] [ 5 ]
Z3はコンラート・ツーゼによって設計された電気機械式コンピュータである。1941年に完成したこのコンピュータは、世界初の動作するプログラム可能な完全自動デジタルコンピュータであった。[ 6 ]その動作は、1904年にジョン・アンブローズ・フレミングによって発明された真空管によって容易になった。
デジタル演算がアナログ演算に取って代わったのと同時に、純粋に電子的な回路素子が、機械的および電気機械的な同等の素子に取って代わった。 1947年にベル研究所でジョン・バーディーンとウォルター・ブラッテンが点接触トランジスタを発明し、続いて1948年にベル研究所でウィリアム・ショックレーがバイポーラ接合トランジスタを発明した。 [ 7 ] [ 8 ]
マンチェスター大学では、トム・キルバーン率いるチームが、新しく開発されたトランジスタを真空管の代わりに用いた機械を設計・製作した。 [ 9 ]彼らの「トランジスタ式コンピュータ」は世界初で、1953年までに稼働し、1955年4月には同大学で第2バージョンが完成した。1955年以降、コンピュータの設計においてトランジスタが真空管に取って代わり、「第2世代」コンピュータが誕生した。真空管と比較すると、トランジスタは小型で信頼性が高く、寿命が無限であり、真空管よりも消費電力が少なかったため、発熱量が少なく、比較的コンパクトなスペースに数万個もの回路を高密度に集積することが可能になった。
1955 年、カール・フロッシュとリンカーン・デリックは二酸化ケイ素表面パッシベーション効果を発見した。[ 10 ] 1957 年、フロッシュとデリックはマスキングと事前堆積を用いて二酸化ケイ素電界効果トランジスタを製造することに成功した。これはドレインとソースが同じ表面に隣接している最初のプレーナー型トランジスタであった。[ 11 ]ベル研究所では、フロッシュとデリックの技術とトランジスタの重要性がすぐに認識された。彼らの研究成果は、1957 年に出版される前に、ベル研究所内で BTL メモの形で回覧された。ショックレー・セミコンダクターでは、ショックレーは 1956 年 12 月に、彼らの論文のプレプリントを、後にフェアチャイルド・セミコンダクター在籍中に 1959 年にプレーナー型プロセスを発明するジャン・ホーニを含むすべての上級スタッフに回覧した。[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]ベル研究所では、JR Ligenza と WG Spitzer が熱成長酸化物のメカニズムを研究し、高品質の Si/ SiO 2スタックを製造し、1960 年にその結果を発表しました。[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]ベル研究所でのこの研究に続いて、Mohamed AtallaとDawon Kahng は1959 年にシリコン MOS トランジスタを提案し[ 21 ]、1960 年にベル研究所のチームで動作する MOS デバイスの実証に成功しました。[ 22 ] [ 23 ]チームには、デバイスを製造した EE LaBate と EI Povilonis、拡散プロセスを開発した MO Thurston、LA D'Asaro、JR Ligenza、デバイスを特性評価した HK Gummel と R. Lindner が含まれていました。[ 24 ] [ 25 ]
1958年7月、テキサス・インスツルメンツで働いていたジャック・キルビーは、集積回路（IC）に関する最初のアイデアを記録し、同年9月12日に最初の動作する集積回路の実証に成功した。 [ 26 ]キルビーのチップはゲルマニウム製だった。翌年、フェアチャイルド・セミコンダクターのロバート・ノイスがシリコン集積回路を発明した。ノイスのシリコンICの基礎は、ホーニのプレーナープロセスだった。
MOSFETの利点には、高い拡張性[ 27 ]、手頃な価格[ 28 ] 、低消費電力、高トランジスタ密度[ 29 ]などがあります。また、高速なオン/オフ電子スイッチング速度により、電子デジタル信号の基礎となるパルス列[ 30 ]の生成にも最適です[ 31 ] [ 32 ]。これに対し、BJTはより低速で正弦波に似たアナログ信号を生成します[ 30 ]。これらの要因は、 MOS大規模集積回路（LSI）と相まって、MOSFETをデジタル回路の重要なスイッチングデバイスにしています[ 33 ]。MOSFETは電子産業に革命をもたらし[ 34 ] [ 35 ]、最も一般的な半導体デバイスとなっています[ 36 ] [ 37 ]。
集積回路の黎明期には、各チップに搭載できるトランジスタはごく少数に限られており、集積度が低かったため、設計プロセスは比較的単純でした。製造歩留まりも、今日の基準からするとかなり低いものでした。1970年代初頭にMOSFETトランジスタが広く普及したことで、1チップ上に1万個以上のトランジスタを搭載した最初の大規模集積回路（LSI）チップが誕生しました。 [ 38 ] MOSFETロジックの一種であるCMOSが広く普及した後、1980年代には技術の進歩に伴い、1チップ上に数百万個、そして数十億個のMOSFETを搭載できるようになり、 [ 39 ]優れた設計には綿密な計画が必要となり、新たな設計手法が生まれました。デバイスのトランジスタ数と総生産量は、かつてないほど増加しました。2018年までに生産されたトランジスタの総数は、1.3 × 10 22 (13垓)。[ 40 ]
無線革命（無線ネットワークの導入と普及）は1990年代に始まり、MOSFETベースのRFパワーアンプ（パワーMOSFETとLDMOS）とRF回路（RF CMOS）の広範な採用によって可能になった。[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]無線ネットワークにより、ケーブルを必要とせずに公共のデジタル伝送が可能になり、1990年代から2000年代にかけてデジタルテレビ、衛星放送とデジタルラジオ、GPS、無線インターネット、携帯電話が普及した。
デジタル回路のアナログ回路に対する利点は、デジタルで表現された信号はノイズによる劣化なしに伝送できることである。[ 44 ]例えば、1と0のシーケンスとして伝送される連続音声信号は、伝送中に拾われるノイズが1と0の識別を妨げるほど大きくない限り、エラーなく復元することができる。
デジタルシステムでは、より多くのバイナリ数字を用いて信号を表現することで、より正確な信号表現が可能になります。これには信号処理に必要なデジタル回路の数が増えますが、各桁は同じ種類のハードウェアで処理されるため、システムの拡張性は容易です。一方、アナログシステムでは、分解能を高めるには、信号経路の各段階における線形性とノイズ特性を根本的に改善する必要があります。
コンピュータ制御のデジタルシステムでは、ソフトウェアの改訂によって新機能を追加でき、ハードウェアの変更は不要です。多くの場合、製品のソフトウェアを更新することで、工場外で対応できます。このようにして、製品が顧客の手に渡った後でも、設計上の欠陥を修正することが可能です。
デジタルシステムでは、アナログシステムよりも情報の保存が容易です。デジタルシステムはノイズ耐性が高いため、データの劣化なく保存および取得が可能です。アナログシステムでは、経年劣化や摩耗によるノイズによって保存された情報が劣化します。デジタルシステムでは、総ノイズが一定レベル以下であれば、情報を完全に復元できます。さらに大きなノイズが存在する場合でも、冗長性を用いることで、エラーが多すぎなければ元のデータを復元することが可能です。
場合によっては、デジタル回路はアナログ回路よりも同じタスクを実行するのに多くのエネルギーを消費するため、より多くの熱が発生し、ヒートシンクの組み込みなど回路の複雑さが増します。携帯型システムやバッテリー駆動システムでは、これがデジタルシステムの利用を制限する可能性があります。例えば、バッテリー駆動の携帯電話は、基地局からの無線信号を増幅および調整するために、低消費電力のアナログフロントエンドを使用することがよくあります。しかし、基地局は商用電源を使用しており、消費電力は大きいものの非常に柔軟性の高いソフトウェア無線を使用できます。このような基地局は、新しい携帯電話規格で使用される信号を処理するために容易に再プログラムできます。
多くの有用なデジタルシステムは、連続的なアナログ信号を離散的なデジタル信号に変換する必要があります。この変換によって量子化誤差が生じます。量子化誤差は、システムが信号を所望の忠実度で表現するのに十分なデジタルデータを格納すれば低減できます。ナイキスト・シャノン標本化定理は、与えられたアナログ信号を正確に表現するためにどれだけのデジタルデータが必要かを示す重要な指針となります。
デジタルデータの一部が失われたり、誤って解釈されたりした場合、システムによっては小さなエラーで済む場合もあれば、関連する大量のデータの意味が完全に変わってしまう場合もあります。例えば、線形パルス符号変調（LPCM）で直接保存された音声データに1ビットのエラーが発生した場合、最悪の場合でも、1回のクリック音が発生するだけです。しかし、ストレージ容量と伝送時間を節約するために音声圧縮を使用している場合、1ビットのエラーでもはるかに大きな障害を引き起こす可能性があります。
クリフ効果のため、特定のシステムが故障寸前なのか、それとも故障する前にさらに多くのノイズに耐えられるのかをユーザーが判断するのは難しい場合があります。デジタルシステムの脆弱性は、堅牢性を考慮して設計することで軽減できます。例えば、パリティビットやその他のエラー管理方法を信号経路に挿入することができます。これらの方式は、システムがエラーを検出し、エラーを訂正するか、データの再送信を要求するのに役立ちます。
デジタル回路は通常、論理ゲートと呼ばれる小型の電子回路で構成され、組み合わせ論理回路と順序論理回路を構築するために使用できます。各論理ゲートは、論理信号に作用する際にブール論理の機能を実行するように設計されています。論理ゲートは一般的に、1つまたは複数の電気的に制御されるスイッチ（通常はトランジスタ）で構成されますが、過去には真空管も使用されていました。論理ゲートの出力は、さらに別の論理ゲートを制御したり、入力として利用したりできます。
デジタル回路のもう一つの形態は、ルックアップテーブル（多くは「プログラマブルロジックデバイス」として販売されているが、他の種類のPLDも存在する）で構成されている。ルックアップテーブルは、論理ゲートに基づく回路と同じ機能を実行できるが、配線を変更することなく容易に再プログラムできる。つまり、設計者は配線の配置を変更することなく設計上のエラーを修正できることが多い。そのため、少量生産製品では、プログラマブルロジックデバイスがしばしば好ましいソリューションとなる。これらは通常、電子設計自動化ソフトウェアを使用してエンジニアによって設計される。
集積回路は、1枚のシリコンチップ上に複数のトランジスタを搭載したもので、多数の論理ゲートを相互接続する最も安価な方法です。集積回路は通常、プリント基板上で相互接続されます。プリント基板とは、電気部品を搭載し、銅配線でそれらを接続した基板のことです。
エンジニアは、回路の複雑さを軽減するために、論理冗長性を最小限に抑える様々な手法を用います。複雑さが軽減されると、部品点数と潜在的なエラーが減り、結果としてコスト削減につながります。論理冗長性は、二分決定図、ブール代数、カルノー図、クワイン・マクラスキーアルゴリズム、ヒューリスティックなコンピュータ手法など、いくつかのよく知られた手法によって除去できます。これらの操作は通常、コンピュータ支援設計システム内で実行されます。
マイクロコントローラやプログラマブルロジックコントローラを用いた組み込みシステムは、最適な性能を必要としない複雑なシステムのデジタルロジックを実装するためによく用いられます。これらのシステムは通常、ソフトウェアエンジニアまたは電気技師によってラダーロジックを用いてプログラミングされます。
デジタル回路の入出力関係は真理値表で表すことができます。等価な高レベル回路は論理ゲートを使用し、それぞれが異なる形状で表されます（IEEE / ANSI 91–1984 で標準化されています）。[ 45 ]低レベル表現では、電子スイッチ（通常はトランジスタ）の等価回路を使用します。
ほとんどのデジタルシステムは、組み合わせ回路システムと順序回路システムに分けられます。組み合わせ回路システムの出力は、現在の入力のみに依存します。一方、順序回路システムでは、出力の一部が入力としてフィードバックされるため、出力は現在の入力に加えて過去の入力にも依存し、一連の動作を生成します。これらの動作を簡略化した表現であるステートマシンは、設計とテストを容易にします。
順序回路はさらに2つのサブカテゴリに分類されます。「同期」順序回路は、クロック信号の状態が変化すると、すべての回路の状態が同時に変化します。「非同期」順序回路は、入力が変化するたびに変化を伝播します。同期順序回路は、クロック信号が変化したときにのみ入力電圧をビットとして記憶するフリップフロップを使用して構成されます。
同期式シーケンシャルステートマシンを実装する一般的な方法は、それを組み合わせ論理回路と、ステートレジスタと呼ばれるフリップフロップのセットに分割することです。ステートレジスタは、状態をバイナリ数で表します。組み合わせ論理回路は、次の状態のバイナリ表現を生成します。クロックサイクルごとに、ステートレジスタは組み合わせ論理回路の前の状態で生成されたフィードバックをキャプチャし、それをステートマシンの組み合わせ部分への不変の入力としてフィードバックします。クロックレートは、組み合わせ論理回路の中で最も時間のかかる論理演算によって制限されます。
ほとんどのデジタルロジックは同期式です。同期設計の方が作成や検証が容易だからです。しかし、非同期ロジックは、任意のクロックに速度が制限されないという利点があります。非同期ロジックは、ロジックゲートの最大速度で動作します。[ a ]
しかしながら、ほとんどのシステムは、同期論理回路に外部の非同期信号を受け入れる必要があります。このインターフェースは本質的に非同期であり、そのように分析する必要があります。広く使用されている非同期回路の例としては、シンクロナイザフリップフロップ、スイッチデバウンサ、アービタなどがあります。
非同期ロジック部品の設計は、考えられるすべての状態とすべてのタイミングを考慮する必要があるため、困難を伴います。一般的な方法は、各状態が存在しうる最小時間と最大時間の表を作成し、回路を調整してそのような状態の数を最小限に抑えることです。設計者は、回路のすべての部品が互換性のある状態に入るまで定期的に待機するように回路を強制する必要があります（これを「自己再同期」と呼びます）。慎重な設計を行わないと、不安定な非同期ロジックを誤って生成してしまう可能性があります。つまり、電子部品の値のわずかな変動によって生じる累積的な遅延のために、実際の電子機器では予測不可能な結果が生じることになります。
多くのデジタルシステムはデータフローマシンです。これらは通常、同期レジスタ転送ロジックを使用して設計され、 VHDLやVerilogなどのハードウェア記述言語で記述されます。
レジスタ転送ロジックでは、バイナリ数はレジスタと呼ばれるフリップフロップのグループに格納されます。各レジスタが入力から新しいデータを受け入れるタイミングは、シーケンシャルステートマシンによって制御されます。各レジスタの出力は、その数値を他の計算に伝えるバスと呼ばれるワイヤの束です。計算とは、単なる組み合わせ論理回路のことです。各計算には出力バスもあり、これらは複数のレジスタの入力に接続されている場合があります。レジスタの入力にマルチプレクサが接続されている場合、複数のバスのいずれかから数値を格納できます。[ b ]
非同期レジスタ転送システム（コンピュータなど）には、一般的な解決策が存在する。1980年代、一部の研究者は、先入れ先出し（FIFO）同期ロジックを用いることで、ほぼすべての同期レジスタ転送マシンを非同期設計に変換できることを発見した。この方式では、デジタルマシンは一連のデータフローとして特徴づけられる。フローの各ステップにおいて、同期回路はそのステップの出力が有効となるタイミングを判定し、次のステージにこれらの出力を使用するタイミングを指示する。
最も汎用的なレジスタ転送論理マシンはコンピュータです。これは基本的に自動バイナリそろばんです。コンピュータの制御装置は通常、マイクロシーケンサによって実行されるマイクロプログラムとして設計されます。マイクロプログラムは、自動ピアノのロールによく似ています。マイクロプログラムの各テーブルエントリは、コンピュータを制御するすべてのビットの状態を指示します。シーケンサはカウントを行い、そのカウントによってマイクロプログラムを含むメモリまたは組み合わせ論理マシンがアドレス指定されます。マイクロプログラムのビットは、算術論理ユニット、メモリ、およびマイクロシーケンサ自体を含むコンピュータの他の部分を制御します。このようにして、コンピュータの制御を設計するという複雑な作業は、はるかに単純な論理マシンの集合をプログラミングするというより単純な作業に簡略化されます。
ほぼすべてのコンピュータは同期式です。しかし、非同期コンピュータも開発されています。ASPIDA DLXコアはその一例です。[ 47 ] ARM Holdingsも別の例を提供しています。[ 48 ]ただし、現代のコンピュータ設計では既に最も遅いコンポーネント（通常はメモリ）の速度で動作しているため、非同期コンピュータには速度面での利点はありません。クロック分配ネットワークが不要なため、消費電力はやや少なくなります。意外な利点として、非同期コンピュータはスペクトル的に純粋な無線ノイズを生成しません。無線に敏感な携帯電話基地局コントローラの一部で使用されています。電気的および無線放射が解読しにくいため、暗号化アプリケーションではより安全になる可能性があります。[ 48 ]
コンピュータアーキテクチャとは、特定の目的に合わせてレジスタ、演算ロジック、バス、その他のコンピュータ部品を最適な方法で配置しようとする専門的なエンジニアリング活動です。コンピュータアーキテクトは、プログラミングエラーに対する耐性を高めるだけでなく、コンピュータのコスト削減と速度向上にも多大な努力を払ってきました。近年、スマートフォンなどのバッテリー駆動型コンピュータシステムの消費電力削減も、コンピュータアーキテクトの目標としてますます一般的になっています。
デジタル回路はアナログ部品から構成される。設計においては、アナログ部品の特性がデジタル回路の望ましい動作を支配しないようにする必要がある。デジタルシステムは、ノイズやタイミングの余裕、寄生インダクタンスや寄生容量を適切に管理しなければならない。
設計不良には、グリッチ、一部のロジックをトリガーするものの他のロジックをトリガーしない極めて高速なパルス、有効なしきい値電圧に達しないランパルスなどの断続的な問題があります。
さらに、クロック駆動のデジタルシステムがアナログシステムや異なるクロックで駆動されるシステムとインターフェースする場合、入力の変化によってデジタル入力ラッチのセットアップ時間が侵害されると、デジタルシステムはメタステーブル状態になる可能性がある。
デジタル回路はアナログ部品から構成されているため、同程度のスペースと消費電力を使用する低精度のアナログ回路よりも計算速度は遅くなります。しかし、デジタル回路はノイズ耐性が高いため、より再現性の高い計算結果を得ることができます。
大型論理回路の設計作業の多くは、電子設計自動化（EDA）の応用によって自動化されてきた。
論理の単純な真理値表形式の記述は、多くの場合、EDA（探索的データ分析）によって最適化されます。EDAは、必要な出力を生成する縮小された論理ゲートシステムやより小さなルックアップテーブルを自動的に生成します。この種のソフトウェアの最も一般的な例は、ヒューリスティック論理最小化ツールであるEspressoです。大規模な論理システムの最適化は、Quine–McCluskeyアルゴリズムや二分決定図を使用して行うことができます。遺伝的アルゴリズムや焼きなまし法による最適化に関する有望な実験も行われています。
コストのかかるエンジニアリングプロセスを自動化するために、一部のEDA（電子設計自動化）ツールは、状態機械を記述した状態テーブルを入力として受け取り、状態機械の組み合わせ論理回路の真理値表または関数表を自動的に生成することができます。状態テーブルとは、各状態、状態間の遷移を制御する条件、およびそれらに関連する出力信号を一覧にしたテキストです。
実際の論理システムは、多くの場合、ツールフローを使用して結合される一連のサブプロジェクトとして設計されます。ツールフローは通常、スクリプト言語、つまりソフトウェア設計ツールを適切な順序で呼び出すことができる簡略化されたコンピュータ言語によって制御されます。マイクロプロセッサなどの大規模な論理システムのツールフローは、数千のコマンドに及ぶことがあり、数百人のエンジニアの作業が組み合わされます。ツールフローの作成とデバッグは、デジタル設計を行う企業において確立されたエンジニアリングの専門分野です。ツールフローは通常、論理を物理的に構築する方法を記述した詳細なコンピュータファイルまたはファイルセットで終了します。多くの場合、集積回路またはプリント基板上にトランジスタと配線を描く方法に関する指示で構成されています。
ツールフローの一部は、シミュレーションされたロジックの出力と期待される入力を照合することでデバッグされます。テストツールは、入力と出力のセットを含むコンピュータファイルを入力として受け取り、シミュレーションされた動作と期待される動作との間の不一致を強調表示します。入力データが正しいと判断された後も、設計自体の正当性を検証する必要があります。ツールフローによっては、まず設計を作成し、次にその設計をスキャンしてツールフローと互換性のある入力データを生成することで設計を検証するものもあります。スキャンされたデータが入力データと一致する場合、ツールフローにエラーは発生していない可能性が高いと言えます。
機能検証データは通常、テストベクトルと呼ばれます。機能テストベクトルは保存され、工場で新しく構築されたロジックが正しく動作するかどうかをテストするために使用されます。ただし、機能テストパターンではすべての製造上の欠陥を検出できるわけではありません。生産テストは、多くの場合、自動テストパターン生成ソフトウェアツールによって設計されます。これらのツールは、ロジックの構造を調べ、特定の潜在的な欠陥を対象としたテストを体系的に生成することで、テストベクトルを生成します。このようにして、設計が適切にテスト可能であれば（次のセクションを参照）、欠陥検出率を100%に近づけることができます。
設計が完了し、検証およびテストが可能になったとしても、多くの場合、製造可能な状態にするための処理が必要となります。現代の集積回路は、フォトレジストを露光するために使用される光の波長よりも小さな特徴を備えています。製造性を考慮して設計されたソフトウェアは、露光マスクに干渉パターンを追加することで、断線を解消し、マスクのコントラストを高めます。
論理回路をテストする理由はいくつかあります。回路が最初に開発されたとき、設計回路が要求される機能仕様とタイミング仕様を満たしていることを確認する必要があります。正しく設計された回路の複数のコピーが製造される場合、製造プロセスで欠陥が生じていないことを確認するために、各コピーをテストすることが不可欠です。[ 49 ]
大規模な論理回路（例えば、100個以上の論理変数を持つもの）は、天文学的な数の状態を取り得る。当然ながら、このような回路のすべての状態を工場でテストすることは非現実的である。なぜなら、各状態のテストにわずか1マイクロ秒しかかからなかったとしても、宇宙が始まってからのマイクロ秒数よりも多くの状態が存在するからである。
大型論理回路は、ほとんどの場合、小型論理回路の集合体として設計されます。時間を節約するため、小型のサブ回路は、テスト用に常設された回路によって分離され、個別にテストされます。一般的なテスト方式の一つとして、論理回路の一部をテストサイクルに強制的に移行させるテストモードがあります。このテストサイクルでは、通常、回路の大きな独立した部分がテストされます。
バウンダリスキャンは、スキャンチェーンと呼ばれる1つ以上のシフトレジスタを介して外部テスト機器とシリアル通信を行う一般的なテスト方式です。シリアルスキャンでは、データを伝送するワイヤは1本または2本のみで済み、使用頻度の低いテストロジックの物理的なサイズとコストを最小限に抑えることができます。すべてのテストデータビットが配置された後、設計はノーマルモードに再構成され、1つ以上のクロックパルスが印加されて障害（例えば、ローレベルに固定されている、またはハイレベルに固定されているなど）がテストされ、テスト結果がスキャンシフトレジスタ内のフリップフロップまたはラッチに記録されます。最後に、テスト結果がブロック境界にシフトアウトされ、予測される正常なマシン結果と比較されます。
基板テスト環境において、シリアル-パラレル変換テストはJTAG規格として正式に定められている。
デジタルシステムは多数の論理ゲートを使用するため、コンピュータの構築コストは論理ゲートのコストと密接に関係している。1930年代には、初期のデジタル論理システムは、安価で比較的信頼性が高かった電話リレーを用いて構築された。
初期の集積回路は、軽量化とアポロ誘導コンピュータによる宇宙船の慣性誘導システムの制御を目的として開発されました。最初の集積回路ロジックゲートの価格は50米ドル近くで、これは2025年換算で544米ドルに相当します。集積回路上に大量生産されたゲートは、デジタルロジックを構築する最も安価な方法となりました。
集積回路の普及に伴い、使用するチップの絶対数を減らすことがコスト削減のもう一つの手段となった。設計者の目標は、単に最もシンプルな回路を作るだけでなく、部品点数を抑えることである。これは、基となるデジタルロジックに関してより複雑な設計につながる場合もあるが、それでも部品点数、基板サイズ、さらには消費電力の削減につながる。
プリント基板上の部品点数を削減するもう一つの大きな動機は、はんだ付け不良による製造不良率を低減し、信頼性を向上させることである。不良率と故障率は、部品ピンの総数が増えるにつれて増加する傾向がある。
単一の論理ゲートの故障が、デジタル機器全体の故障につながる可能性があります。より高い信頼性が求められる場合は、冗長論理回路を設けることができます。ただし、冗長化は非冗長システムに比べてコストと消費電力が増加します。
論理ゲートの信頼性は、平均故障間隔 (MTBF) で表すことができます。デジタルマシンが初めて実用的になったのは、スイッチの MTBF が数百時間を超えたときでした。それでも、これらのマシンの多くは複雑で十分に訓練された修理手順を備えており、真空管が焼損したり、蛾がリレーに挟まったりすると、数時間機能しなくなることがありました。現代のトランジスタ集積回路論理ゲートの MTBF は 820 億時間を超えています (8.2 × 10 10 h ) [ 50 ]集積回路には非常に多くの論理ゲートがあるため、このレベルの信頼性が要求されます。
ファンアウトとは、ゲート出力の定格電流を超えずに、1 つの論理出力で制御できる論理入力の数を表します。[ 51 ]実用的な最小ファンアウトは約 5 です。スイッチにCMOSトランジスタを使用する最新の電子論理ゲートは、より高いファンアウトを備えています。
スイッチング速度とは、論理出力が真から偽、またはその逆へと変化するのにかかる時間を表します。高速な論理回路は、より少ない時間でより多くの演算を実行できます。現代の電子デジタル論理回路は通常、5 GHz 、そして一部の実験室システムはそれ以上の周波数で切り替えます1 THz . .
デジタル設計はリレーロジックから始まったが、これは動作が遅かった。時折、機械的な故障が発生した。ファンアウトは通常10程度で、コイルの抵抗と高電圧による接点でのアーク放電によって制限されていた。
その後、真空管が使用されるようになった。真空管は非常に高速だったが、発熱が大きく、フィラメントが焼損するため信頼性に欠けた。ファンアウトは通常5～7で、これは真空管の電流による発熱によって制限されていた。1950年代には、シリコンなどの揮発性元素を含まないフィラメントを用いた特殊なコンピュータ用真空管が開発された。これらの真空管は何十万時間も動作した。
最初の半導体ロジック回路は、抵抗トランジスタロジック（RTL）でした。これは真空管に比べて信頼性が1000倍高く、発熱も少なく、消費電力も少なかったものの、ファンアウトは3と非常に低かったのです。ダイオードトランジスタロジック（DTL）はファンアウトを約7まで向上させ、消費電力も削減しました。DTL設計の中には、NPNトランジスタとPNPトランジスタを交互に配置した2つの電源を用いてファンアウトを向上させるものもありました。
トランジスタ・トランジスタ・ロジック（TTL）は、これらの方式を大きく上回るものでした。初期のデバイスではファンアウトが10に向上し、後の改良版では20を確実に達成しました 。TTLは高速でもあり、一部の改良版ではスイッチング時間が20ナノ秒という短さを実現しました。TTLは現在でも一部の設計で使用されています。
エミッタ結合論理は非常に高速ですが、消費電力が大きいという欠点があります。そのため、多くの中規模部品で構成されたIlliac IVのような高性能コンピュータで広く用いられていました。
現在製造されているデジタル集積回路の中で、圧倒的に主流なのはCMOSロジックを採用した回路である。CMOSロジックは高速で、回路密度が高く、ゲートあたりの消費電力が低いという特長を持つ。IBM System zのような大型で高速なコンピュータでも、この方式が用いられている。
2009年、研究者たちは、メモリスタがブール状態の記憶を実現でき、馴染みのあるCMOS半導体プロセスを使用して、非常に少ないスペースと電力で完全な論理ファミリを提供できることを発見した。[ 52 ]
超伝導の発見により、トランジスタの代わりにジョセフソン接合を用いる高速単一磁束量子（RSFQ）回路技術の開発が可能になった。ごく最近では、非線形光学素子を用いてデジタル情報を処理できる、純粋な光コンピューティングシステムの構築が試みられている。
任意のブール式に対して論理図（ひいてはデジタル回路につながる）を作成することができます。
{{cite journal}}ISBN /日付の不一致（ヘルプ）デジタル信号は固定幅のパルスであり、振幅は2つのレベルのうちの1つしか占めません。
Si MOSFETは電子産業に革命をもたらし、その結果、私たちの日常生活に考えられるほぼすべての面で影響を与えています。
金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）は、デジタル集積回路の超大規模集積回路（VLSI）において最も一般的に使用されている能動素子である。1970年代には、これらの部品が電子信号処理、制御システム、コンピュータに革命をもたらした。