المنطق رباعي المراحل: ثورة في تصميم الدوائر المتكاملة الديناميكية

المنطق رباعي المراحل (Four-phase logic)

المنطق رباعي المراحل هو نوع من أنواع المنطق الديناميكي ومنهجية تصميم تُستخدم في الدوائر المتكاملة. لقد مكنت هذه التقنية المهندسين غير المتخصصين من تصميم دوائر متكاملة معقدة للغاية باستخدام عمليات PMOS أو NMOS، وذلك من خلال الاعتماد على إشارة ساعة رباعية المراحل تعمل على تحسين توزيع الطاقة وتقليل زمن التبديل لترانزستورات MOS.

تاريخ المنطق رباعي المراحل

اخترع المهندس آر. كيه. "بوب" بوهر من شركة Autonetics المنطق رباعي المراحل، ونقل الفكرة إلى فرانك وانلاس في شركة Fairchild Semiconductor، الذي قام بدوره بالترويج لهذا النوع من المنطق في قسم الإلكترونيات الدقيقة بشركة General Instrument. في فبراير 1966، صمم بوهر أول شريحة تعمل بهذا المنطق (مكامل DDA من Autonetics)، واستخدم هذه التقنية لاحقاً في تصميم وبناء كمبيوتر Autonetics D200 المحمول جواً.

في أبريل 1967، نشر جويل كارب وإليزابيث دي أتلي مقالاً بعنوان "استخدام منطق MOS رباعي المراحل في الدوائر المتكاملة" في مجلة Electronic Design. وفي العام نفسه، نشر كوهين وروبنشتاين وانلاس بحثاً حول أنظمة الساعة رباعية المراحل لـ MTOS. كما ساهم لي بويسل، تلميذ وانلاس ومؤسس شركة Four-Phase Systems، في نشر هذه التقنية من خلال تقديم عرض حول جهاز جامع 8-بت يعمل بالمنطق رباعي المراحل في أكتوبر 1967.

يتذكر بويسل أن المنطق الديناميكي رباعي المراحل سمح له بتحقيق كثافة تعبئة أكبر بـ 10 مرات، وسرعة أعلى بـ 10 مرات، واستهلاك طاقة أقل بـ 10 مرات مقارنة بتقنيات MOS الأخرى المستخدمة في ذلك الوقت (مثل منطق PMOS ذو الحمل المشبع والبوابة المعدنية) باستخدام عمليات MOS من الجيل الأول في Fairchild.

البنية والتشغيل

تعتمد هذه التقنية على نوعين من البوابات المنطقية: بوابة "1" وبوابة "3". الفرق الأساسي بينهما هو مراحل الساعة المستخدمة لتشغيلهما. يمكن أن تؤدي كل بوابة أي وظيفة منطقية، مما يعني أن كل بوابة قد يكون لها تخطيط مخصص.

يجب أن تكون ساعات Φ1 و Φ3 غير متداخلة، وكذلك ساعات Φ2 و Φ4. في بوابة 1، خلال وقت ارتفاع الساعة Φ1 (وقت الشحن المسبق)، يتم شحن المخرج C حتى جهد معين. وخلال ربع دورة الساعة التالي (وقت العينة)، عندما تكون Φ1 منخفضة و Φ2 مرتفعة، يظل C مرتفعاً (إذا كانت المدخلات A أو B منخفضة) أو يتم تفريغه (إذا كانت A و B مرتفعتان).

يجب أن تظل المدخلات A و B مستقرة خلال وقت العينة. وبما أن المخرج C يصبح صالحاً خلال هذا الوقت، فلا يمكن لمخرج بوابة 1 أن يقود مدخلات بوابة 1 أخرى. لذا، يجب أن تغذي بوابات 1 بوابات 3، وبدورها تغذي بوابات 1.

هناك أيضاً بوابات 2 و 4؛ حيث تشحن بوابة 2 مسبقاً على Φ1 وتأخذ العينة على Φ3، بينما تشحن بوابة 4 مسبقاً على Φ3 وتأخذ العينة على Φ1.

الاستخدام والمزايا والعيوب

يعمل المنطق رباعي المراحل بشكل جيد، خاصة وأنه لا توجد مخاطر "سباق" (race hazards) لأن كل بوابة منطقية تركيبية تتضمن سجلاً. كما أن التخطيط لا يتطلب توزيع خطوط إمداد الطاقة، بل يتم توزيع خطوط الساعة فقط. وبما أن تقنية التصميم لا تعتمد على النسب (ratioless)، يمكن للعديد من التصاميم استخدام ترانزستورات بأصغر حجم ممكن.

التحديات التقنية:

• المخرجات الديناميكية: يتم الاحتفاظ بحالة المخرج على مكثف في مخرج البوابة. يمكن أن تتغير الشحنة على المكثف بسبب تقاطع مسارات المخرج مع خطوط الساعة أو مخرجات البوابات الأخرى. لذا، يجب حساب كمية التغيير وإضافة سعة إضافية (سعة انتشار) عند الحاجة لضمان بقاء الجهد عند مستوى 0 أو 1 آمن.
• حسابات السعة: يجب على المصمم إجراء حسابات دقيقة لجهد الإمداد والتردد لتمكين مهندسي التخطيط من تحديد سعة "التضخيم" المطلوبة لكل بوابة. قد تتطلب البوابات ذات الحمل السعوي الكبير ترانزستورات إدخال أكبر من الحد الأدنى، مما قد يزيد من الحمل على البوابات التي تقودها، وهو ما قد يؤدي إلى زيادة حجم البوابات بشكل متسلسل في التصاميم عالية التردد.

من أبرز الأمثلة التاريخية على استخدامه، الآلة الحاسبة الإلكترونية الأولى التي بنيت بدوائر متكاملة واسعة النطاق (LSI)، وهي Sharp QT-8D من عام 1969، والتي تم تصنيعها بواسطة Rockwell International. كما تم النظر في استخدامه في معالج Intel 4004، لكن Intel استقرت على المنطق الديناميكي ثنائي المراحل بدلاً من ذلك لعدم توفر الأدوات والخبرات الكافية لدى غير Rockwell في ذلك الوقت.

التطور

مع ظهور تقنية CMOS، تم تغيير ترانزستور الشحن المسبق ليكون مكملاً لنوع ترانزستور المنطق، مما سمح لمخرج البوابة بالشحن بسرعة إلى المستوى العالي لخط الساعة، وهو ما أدى إلى تحسين السرعة، وتأرجح الإشارة، واستهلاك الطاقة.