1.2. Логические схемы: мышление из кремния
1.2. Логические схемы: мышление из кремния
Опубликовано: 11.04.2026
Логические схемы: мышление из кремния
Вентили без формул — только аналогии. Как из них складываются сумматоры и память. Микросхема как город из транзисторов.
В предыдущей статье мы выяснили, что транзистор - это просто переключатель: ток есть - единица, тока нет - ноль. И пообещали рассказать, как из миллиардов таких переключателей получается устройство, которое считает, помнит и «думает». Выполняем обещание.
Никакого секрета нет: всего три простых правила - и огромное множество способов их скомбинировать.
🔌 Один транзистор ничего не умеет. А два?
Представьте фонарик. Есть лампочка, батарейка и кнопка. Нажали — горит. Не нажали — не горит. Один транзистор работает точно так же: он либо пропускает ток, либо нет. Одно единственное умение.
Но что если поставить два транзистора последовательно - один за другим? Лампочка загорится, только если оба открыты одновременно. А если поставить два транзистора параллельно? Тогда достаточно открыть любой один из них.
Вот уже - без единой формулы - два разных способа рассуждать. Именно на этом стоит вся цифровая логика. Такие маленькие схемы из нескольких транзисторов называют логическими вентилями (по-английски — logic gates). «Вентиль» — буквальная аналогия: пропускает или нет.
🚦 Три вентиля, из которых сделан весь компьютер
Вентилей существует несколько видов, но в основе всего лежат только три. Остальные - их производные и комбинации.
Вентиль И (AND): оба или никто
Выход равен единице, только если оба входа - единицы. Аналогия: банковский сейф с двумя ключами. Охранник и кассир должны оба держать свои ключи в замке - только тогда сейф откроется.
| Вход A | Вход B | Выход |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
Вентиль ИЛИ (OR): хоть кто-нибудь
Выход равен единице, если хотя бы один вход - единица. Аналогия: два выключателя в коридоре - у входа и у лестницы. Нажмёте любой - свет включится.
| Вход A | Вход B | Выход |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 |
Вентиль НЕ (NOT): переворачивает всё
Один вход, один выход - и он всегда противоположен входу. Подали единицу - получили ноль. Подали ноль - получили единицу. Самый простой вентиль - и при этом один из самых важных.
| Вход | Выход |
|---|---|
| 0 | 1 |
| 1 | 0 |
🔬 Устройство изнутри: как вентиль работает электрически - и как сумматор реально считает
Таблицы выше показывают что вентиль делает. Но вопрос «а как именно?» остаётся открытым. Разберём по шагам - от одного транзистора до готового сложения.
Шаг 1. Транзистор как управляемый кран
Транзистор - это трёхногая деталь. Три ноги называются база, коллектор и эмиттер. Представьте водопроводный кран: вода течёт от коллектора к эмиттеру, а база - это ручка крана. Повернули ручку (подали напряжение на базу) - вода пошла. Убрали - кран закрылся.
В реальной схеме вместо воды - электрический ток, вместо ручки - управляющее напряжение. Высокое напряжение на базе (назовём это «1») - транзистор открыт, ток течёт. Низкое напряжение («0») - закрыт, ток не течёт.
+5 В (питание) T коллектор эмиттер земля (0 В) ВХОД (база) ВЫХОД Вход = 0 → кран закрыт → ток не течёт → Выход = 1 Вход = 1 → кран открыт → ток уходит в землю → Выход = 0
Один транзистор с резистором - это уже вентиль НЕ: вход 1 даёт выход 0, и наоборот.
Обратите внимание на хитрость: когда транзистор закрыт, ток из питания никуда не уходит и выход «висит» на высоком напряжении - это единица. Когда транзистор открыт, он «замыкает» выход на землю - напряжение падает до нуля. Вот откуда берётся инверсия в вентиле НЕ.
Шаг 2. Два транзистора последовательно - вентиль И
Теперь поставим два транзистора друг за другом - эмиттер первого соединён с коллектором второго. Ток от питания пройдёт до выхода только если оба транзистора открыты одновременно. Закрыт хотя бы один - цепь разорвана, выход остаётся высоким.
+5 В резистор ВЫХОД T1 A T2 B A=0, B=0 → оба закрыты → ток не течёт → Выход=1 A=1, B=0 → T2 закрыт → ток не течёт → Выход=1 A=1, B=1 → оба открыты
Два транзистора последовательно. Ток дойдёт до земли только если открыты оба - тогда выход упадёт до нуля. Это и есть НAND (почти И, нюанс ниже).
Заметьте: когда оба транзистора открыты, ток из питания уходит через них на землю - и выход падает до нуля. Когда хотя бы один закрыт - ток не идёт никуда, выход остаётся единицей. Это называется НAND («не-И»): ровно противоположность И. Добавив ещё один вентиль НЕ на выход, получаем чистый И.
На практике инженеры так и делают: строят схемы из NAND и NOR (не-ИЛИ), потому что они собираются из меньшего числа транзисторов. Вентиль NAND - 4 транзистора, обычный И - 6. За миллиарды вентилей экономия существенная.
Шаг 3. Два транзистора параллельно - вентиль ИЛИ
Параллельное соединение означает: оба транзистора подключены к одному выходу независимо. Если хотя бы один открыт - ток уходит в землю, выход падает до нуля. Чтобы выход был высоким - нужно, чтобы оба были закрыты.
Опять получается инверсная версия - NOR («не-ИЛИ»). Обычный ИЛИ - это NOR плюс один НЕ на выходе. Логика та же: реальные микросхемы предпочитают NOR и NAND как более экономные строительные блоки.
Шаг 4. Специальный вентиль XOR: «один из двух, но не оба»
Вентиль XOR (исключающее ИЛИ) нам понадобится для сумматора. Его нет среди трёх базовых, но он строится из них. Правило простое: выход равен единице, если входы разные. Если оба одинаковые - ноль.
| Вход A | Вход B | Выход XOR | Смысл |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | оба одинаковые |
| 0 | 1 | 1 | разные - единица |
| 1 | 0 | 1 | разные - единица |
| 1 | 1 | 0 | оба одинаковые |
Аналогия: два человека голосуют. Если оба «за» или оба «против» - результат нулевой (согласие). Если мнения расходятся - единица (конфликт). XOR выявляет несовпадение.
Шаг 5. Полусумматор: два вентиля, которые умеют складывать
Теперь вернёмся к сложению. Вспомним, как мы складываем в столбик в обычной десятичной системе: 7 + 5 = 12. Пишем «2», единицу переносим в следующий столбик. В двоичной системе то же самое, только цифры только 0 и 1. Четыре возможных варианта:
- 0 + 0 = 0, перенос 0
- 0 + 1 = 1, перенос 0
- 1 + 0 = 1, перенос 0
- 1 + 1 = 10 в двоичном - то есть сумма 0, перенос 1
Теперь посмотрим на это как инженер. Нам нужно два выходных провода: один несёт бит суммы, второй - бит переноса. Что нужно от каждого?
Бит суммы: единица только тогда, когда входы разные (0+1 или 1+0). Это в точности XOR.
Бит переноса: единица только тогда, когда оба входа - единицы (1+1). Это в точности AND.
Вот и весь полусумматор: один XOR и один AND, оба смотрят на одни и те же два входных провода.
A B XOR СУММА (младший бит) AND ПЕРЕНОС (в следующий разряд) Оба вентиля видят одни и те же провода A и B Полусумматор = XOR + AND
XOR выдаёт бит суммы. AND выдаёт бит переноса. Оба смотрят на одни входы одновременно.
Шаг 6. Разбираем каждый случай сложения вживую
Теперь прогоним все четыре варианта и посмотрим, что реально происходит в схеме:
-
1A=0, B=0. На обоих входах - низкое напряжение. XOR: входы одинаковые → выход 0 (сумма = 0). AND: хотя бы один равен нулю → выход 0 (перенос = 0). Итог: 0 + 0 = 0, перенос 0. ✓
-
2A=0, B=1. Один провод низкий, другой высокий. XOR: входы разные → выход 1 (сумма = 1). AND: один из входов ноль → выход 0 (перенос = 0). Итог: 0 + 1 = 1, перенос 0. ✓
-
3A=1, B=0. Симметрично предыдущему. XOR: входы разные → 1. AND: один ноль → 0. Итог: 1 + 0 = 1, перенос 0. ✓
-
4A=1, B=1. Оба провода высокие. XOR: входы одинаковые → 0 (сумма = 0). AND: оба единицы → 1 (перенос = 1). Итог: 1 + 1 = «10» в двоичном - ноль пишем, единицу переносим. ✓
Никакого волшебства: два куска провода, два вентиля, четыре возможных комбинации напряжений - и схема делает ровно то, что мы ожидаем от сложения.
Шаг 7. Почему «полу»сумматор и что делает полный?
Полусумматор складывает два бита. Но реальные числа - многоразрядные. При сложении второго разряда (следующей колонки в столбике) нужно учесть ещё и перенос с предыдущего разряда. Итого - три входа: A, B и перенос_в. Такая схема называется полный сумматор.
Полный сумматор — это два полусумматора и один вентиль ИЛИ, соединённые определённым образом. Он принимает три бита, выдаёт бит суммы и бит переноса. Теперь такие блоки выстраивают в цепочку - выход «перенос» одного разряда идёт на вход «перенос_в» следующего. Восемь таких блоков подряд - и вы можете складывать 8-битные числа. 64 блока - 64-битные. Именно такая цепочка работает в процессоре, только реализована гораздо эффективнее - с оптимизациями, позволяющими не ждать последовательного «прохождения» переноса сквозь все разряды.
Полный сумматор разряд 0 A₀ B₀ Cвх=0 S₀ перенос → Полный сумматор разряд 1 A₁ B₁ S₁ Полный сумматор разряд 2 A₂ B₂ S₂ …и т.д. Cвых→Cвх
Цепочка полных сумматоров. Красная стрелка - перенос переходит из разряда в разряд, точно как при сложении в столбик.
Именно эта цепочка и есть АЛУ - арифметико-логическое устройство процессора. Реальное АЛУ сложнее: там есть ускоренный перенос, схемы для вычитания, умножения, сравнения. Но принцип - тот же самый.
➕ Из вентилей складывается: сложение чисел
Схема, которая складывает два одноразрядных двоичных числа, называется полусумматор. Как он устроен - мы только что разобрали во врезке выше во всех деталях. Если коротко: вентиль XOR даёт бит суммы, вентиль AND - бит переноса. Соедините несколько таких блоков цепочкой - получите схему, которая складывает 8-битные, 16-битные, 64-битные числа. Арифметическое действие - это просто определённое соединение вентилей.
💾 Из вентилей складывается: память
Вентили - это «проходные» схемы: подал сигнал, получил результат, убрал сигнал - результат исчез. Но что если нам нужно запомнить результат?
Если замкнуть два вентиля в петлю так, чтобы выход одного шёл на вход другого, - получается нечто удивительное. Такая схема сохраняет своё состояние, даже когда управляющий сигнал снят. Это называется триггер — схема, способная хранить один бит (или защёлка, latch).
Два вентиля «смотрят» друг на друга. Один говорит: «я единица». Второй видит это и отвечает: «тогда я ноль». И так они держат состояние бесконечно - пока не придёт внешний сигнал «перезапиши». Подали сигнал «запомни 1» - схема запомнила единицу. Подали «запомни 0» - забыла единицу, запомнила ноль. Убрали все сигналы - состояние сохраняется.
Один триггер хранит один бит. Восемь триггеров - один байт. Миллиард триггеров - примерно 128 мегабайт. Именно из таких элементов построена быстрая статическая память (SRAM) - та, что работает в кэше процессора. О том, чем кэш отличается от оперативной памяти и от SSD, подробно поговорим в статье 1.4.
🏙️ Микросхема как город из транзисторов
Несколько вентилей - простейшая логика. Несколько десятков - сумматор. Несколько тысяч - модуль управления памятью. А сколько транзисторов в современном процессоре?
| Процессор | Год | Транзисторов | Техпроцесс (маркетинг)* |
|---|---|---|---|
| Intel 4004 | 1971 | 2 300 | 10 000 нм |
| Intel 486 | 1989 | 1 200 000 | 1 000 нм |
| Intel Pentium 4 | 2000 | 42 000 000 | 180 нм |
| Intel Core i7 (4-е пок.) | 2013 | 1 400 000 000 | 22 нм |
| Intel Core i9-13900K | 2022 | 26 000 000 000 | 10 нм (Intel 7) |
| AMD Ryzen 9 9950X | 2024 | ~29 000 000 000 | 4 нм (TSMC N4) |
| Intel Panther Lake | 2025 | ~40 000 000 000 | 1,8 нм (Intel 18A) |
| NVIDIA Blackwell B200 (GPU) | 2024–2025 | ~208 000 000 000 | 4 нм (TSMC N4P) |
* «3 нм», «2 нм» и т. д. - маркетинговые названия техпроцессов, а не физический размер затвора транзистора. Реальные транзисторы чуть крупнее, но цифры дают удобный способ сравнивать поколения между собой.
~40 миллиардов транзисторов - на кристалле размером примерно с ноготь большого пальца. Если бы каждый транзистор был размером с человека, этот чип занял бы территорию, сравнимую с площадью Москвы.
Поэтому аналогия с городом не случайна. У «города транзисторов» есть свои кварталы - функциональные блоки: арифметико-логическое устройство, контроллер памяти, кэш, блок предсказания переходов. Есть дороги - шины данных. Есть проблема с теплом - такая плотность работы выделяет ощутимую энергию.
⏱️ Почему компьютер работает тактами
Вентили переключаются не мгновенно. Сигналу нужно пройти через транзисторы, и это занимает время - пусть и ничтожно малое. Чтобы вся схема работала согласованно, в процессоре есть тактовый генератор - своеобразный метроном. Он рассылает импульс миллиарды раз в секунду, и каждый удар - момент, когда все вентили принимают новые значения.
3 гигагерца означает три миллиарда тактов в секунду. Каждый такт - маленький шаг: «сложи вот это», «запомни вот то», «проверь это условие».
🧩 Цепочка: от транзистора до программы
Теперь у нас есть вся цепочка - от самого маленького до относительно большого:
| Уровень | Что это | Масштаб |
|---|---|---|
| Транзистор | Переключатель «да/нет» | ~3 нанометра |
| Вентиль | 2–6 транзисторов, одна логическая операция | Нанометры |
| Функциональный блок | Сотни вентилей: сумматор, компаратор | Микрометры |
| Модуль | Тысячи блоков: АЛУ, кэш, контроллер | Доли мм² |
| Процессор | Миллиарды транзисторов, единый чип | ~100–200 мм² |
| Команда | Одна инструкция: «сложи», «запомни», «перейди» | Абстракция |
| Программа | Миллионы команд, исполняемых по порядку | Абстракция |
На каждом уровне сложность скрыта от уровня выше. Программист пишет «a + b» - и не думает о транзисторах. Транзисторы переключаются - и не знают о программе. Это принцип абстракции — и он - главное изобретение информатики как дисциплины.
Главное из этой статьи
Логический вентиль — это три-шесть транзисторов, которые выполняют одну операцию: И, ИЛИ или НЕ. Из вентилей строятся сумматоры - схемы, которые умеют складывать. Из других сочетаний - триггеры, которые умеют хранить один бит. Несколько миллиардов таких вентилей, размещённых на кристалле кремния — это и есть процессор.
Никакого секрета - только аккуратно организованные переключатели.
В следующей статье зайдём внутрь процессора и посмотрим, что именно он делает с каждой командой - шаг за шагом, такт за тактом.
© 2008–2026 ANY.BY - ремонт компьютеров и ноутбуков в Барановичах. Использование материалов сайта возможно с письменного разрешения.
📍 Привезите технику в сервис ANY.BY — диагностика бесплатно, работаем без выходных.
🚗 Не можете приехать — вызовите мастера на дом.
🛒 Ноутбуки, компьютеры и комплектующие — магазин magaz.by.
📞 +375 (33) 323-70-00 (МТС) | +375 (29) 323-70-00 (A1)
✉️ Telegram | Viber
📞 Мы на связи для Вас:
.svg){kind=logo}
+375 (29) 323 7000
Написать в Telegram
Написать в Viber
Схема проезда к мастерской
| Пн–Пт | 10:00–19:00 |
| Суббота | 11:00–17:00 |
| Воскресенье | 12:00–16:00 |
Приносил видеокарту на обслуживание. Сделали все быстро и качественно. Температуры упали значительно. Рекомендую.
Отличный сервис, мастер расписал все от и до, показал фото ремонта, отличный сервис
Быстро починили системник. Мастер вежливый, цены нормальные.
Рекомендую данный сервис. Специалисты быстро нашли причину неполадки и обсудили со мной решение. Сервис учитывает пожелания и бюджет клиента. Получил хорошую сборку в короткие сроки.
Качественный сервис, ребята знают своё дело. Рекомендую.
Отличный сервис, приятные цены, вежливый персонал. Буду обращаться ещё.
Хороший сервис по ремонту ПК. Качественно, быстро и с гарантией.
Очень благодарна за быстрый и качественный ремонт ноутбука. Приятно иметь дело с профессионалами. Рекомендую!
Замечательный сервис с приятными и отзывчивыми людьми. На протяжении всего ремонта держали в курсе что да как с устройством. Ремонтом очень доволен буду всем рекомендовать
Быстро, качественно и в рамках оговоренной суммы. Замечательно!
Цикл статей ANY.BY - от транзистора до интернета.
Простым языком, без лишней теории.