「IC设计中的经济学（2）：为什么在逻辑电路中插入那么多非门」百家号Lite

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Author:JackieLong
前一节我们已经讨论过为什么要将逻辑表达式化成与非或非的问题，并提出过一个问题：为什么实际逻辑电路中间都会插入很多非门？
比如，最简单的与、或、非逻辑门在真实的逻辑芯片中通常表达如下图所示：
这些都是真实的74HC系列逻辑中的逻辑框图，你也可以随意下载一个74HC系列数字逻辑器件，插入多个非门几乎都是标配电路了，但是插入两（偶数）个非门不就相当于没有插入了吗？虾米情况？
首先要说的是：插入的非门肯定是要花钱的，但是既然这么做，就一定有道理。有人说输入插入非门是为了整形，输出插入非门是为了增强带负载能力，难道与非门或或非门的带负载能会比非门差？都是一样的构造，只有非门可以对输入电平进行整形？
其实插入非门的主要目的是为了提升速度，即优化逻辑门的延时！虾米？编剧你这次又被我抓到了吧？我插入两个非门就多了两级逻辑，不就更慢了吗？地球人都知道呀！
But，我只想告诉你，这只是一般人的想法（我们是高逼格的人），大多数人都会认为每一级逻辑都有一个门延时，因此会通过计算总的逻辑级数来计算总的延时，也就是说，逻辑级数越少的电路就是速度最快的，然而，门延时实际上取决于电气努力（electricaleffort，这个不好解释，知道这个名词就行了），所以采用较少的逻辑级数往往会导致更大的延时（这有点类似时序逻辑的流水线结构）。
CMOS集成电路设计里有一个最优级数的概念，不是这个专业的不需要深究，我们只举个最简单的例子就可以说明白这个问题，如下图所示：
这三个非门逻辑当中哪个延时最小呢？你可能认为是第一个，但实际上第二个方案是延时最小的！我们可以类比古代通讯的烽火台（或八百里加急）：一百里的距离中间可以插入1个、10个、100个、1000个甚至更多的烽火台，烽火台太少是不容易达到快速通讯的目的，但是点燃烽火台也是需要时间的，因此烽火台也不宜过多，换言之，烽火台的数目有一个最佳数量值，这与CMOS逻辑设计中插入适当数量的非门的道理是一样的！非门的电平翻转时间就相当于点燃烽火台花费的时间，只要两个非门之间的延时大于非门翻转时间，则插入非门即可优化逻辑速度这就解释了：为什么这些厂家都不要钱似的插入非门逻辑了吧？插入这么多的非门就是为了获得更快的速度，然后卖个更好的价钱，正所谓：天下熙熙，皆为利来；天下攘攘，皆为利往，这个道理永远是正确的，在集成电路设计里也不例外。
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