Компьютер Atanasoff–Berry использовал логику на радиолампах, которые были соединены резисторами, подобным образом устроена и RTL. Некоторые ранние транзисторные компьютеры (например IBM 1620, 1959 год) использовали RTL, где вся система была построена на дискретных компонентах.

Семейство микросхем простой резисторно-транзисторной логики было разработано в 1962 году компанией Fairchild Semiconductor для Apollo Guidance Computer. Вскоре и Texas Instruments представила свое собственное семейство RTL. Был также ускоренный вариант со встроенными конденсаторами RCTL, однако он был чувствительнее к помехам, чем RTL. Это было реализовано Texas Instruments в сериях "51XX".

Подробнее см. статью в Википедии Resistor–transistor logic.

Диодная логика использовалась совместно с радиолампами в ранних компьютерах 1940-х годов, включая ENIAC. Диодно-транзисторная логика (DTL) в компьютере IBM 608, который был первым компьютером, выполненным полностью на основе транзисторов. Ранние транзисторные компьютеры строились на основе отдельных транзисторов, резисторов, диодов и конденсаторов.

Первое семейство микросхем диодно-транзисторной логики было представлено компанией Signetics в 1962 году. Микросхемы DTL делали также Fairchild и Westinghouse. Семейство диодной и диодно-транзисторной логики было разработано компанией Texas Instruments для компьютера D-37C Minuteman II Guidance Computer в 1962 году, но эти микросхемы не были доступны широкой публике.

Вариант DTL, называемый "high-threshold logic" (логика с высоким пороговым уровнем), применял диоды Зенера (стабилитроны) для создания большой разницы между уровнями лог. 1 и лог. 0. Эти устройства обычно использовали напряжение питания от 15 вольт и выше, и применялись в промышленных устройствах управления, где большая разница в логических уровнях была нужна для снижения чувствительности к помехам.[1]

Подробнее см. статью в Википедии Diode–transistor logic.

Семейство эмиттерно-связанной логики ECL, также известное как токовая логика (current-mode logic, CML), было изобретено IBM для использования в транзисторном компьютере IBM 7030 Stretch, который был также реализован на дискретных компонентах.

Первое доступное семейство микросхем логики ECL было представлено компанией Motorola в 1962 году (MECL). Семейство ECL работает быстрее всех других семейств логики.

Подробнее см. статью в Википедии Emitter-coupled logic.

Первое семейство транзисторно-транзисторной логики было представлено компанией Sylvania как семейство Sylvania Universal High–Level Logic (SUHL) в 1963 году. В 1964 году компания Texas Instruments представила серию 5400 TTL. Транзисторно-транзистроная логика использует биполярные транзисторы для формирования интегральных микросхем. TTL со временем потерпела большие эволюционные изменения, старые версии заменялись новыми типами микросхем.

Поскольку транзисторы в стандартном логическом элементе TTL работали как насыщаемые ключи, время рассасывания носителя заряда на каждом логическом соединении ограничивало переключательную скорость устройства. Модификации базового дизайна TTL были предназначены для уменьшения этого эффекта и увеличения скорости работы, уменьшения энергопотребления.

Немецкий физик Walter H. Schottky открыл эффект, названный его именем (эффект Шоттки), который привел к появлению диода Шоттки и транзисторов Шоттки. У транзисторов Шоттки намного больше скорость переключения, чем у простых транзисторов, потому что переход Шоттки не способствует хранению большого заряда; это позволяет делать логические элементы, которые переключаются быстрее. Логические элементы, построенные на транзисторах Шоттки, потребляют больше мощности, чем обычные TTL, и при этом переключаются быстрее. Low-power Schottky (LS, маломощные элементы Шоттки) имеют встроенные резисторы, которые уменьшают потребляемую мощность, при этом увеличивая скорость работы по сравнению с оригинальной версией. Представленные Advanced Low-power Schottky (ALS) еще больше увеличили скорость и снизили энергопотребление. Было также разработано самое быстрое семейство Шоттки, называемое Fast Schottky (F), оно работает быстрее, чем обычное семейство TTL Шоттки.

Подробнее см. статью в Википедии Transistor–transistor logic.

Интегрированная инжекторная логика (IIL или I2L) использует биполярные транзисторы для регулировании тока специальным образом. IIL проще для построения интегральных схем, и эта технология некогда была популярна для ранних схем VLSI.

Подробнее см. статью в Википедии Integrated injection logic.

Логические элементы CMOS используют комплементарно соединенные полевые транзисторы с N-каналом и P-каналом. Поскольку первые устройства использовали металлизированные затворы, изолированные окислом (oxide-isolated metal gates), то технология получила название CMOS (complementary metal–oxide–semiconductor logic, комплементарная метал-оксидная полупроводниковая логика). В сравнении с TTL, CMOS в статическом состоянии (когда не переключается) почти не потребляет энергии (т. е. входы/затворы не перезаряжаются). Элемент CMOS не потребляет никакого тока, кроме как тока утечки, когда находится в стабильном состоянии лог. 1 или лог. 0. Когда элемент меняет свое логическое состояние, то он потребляет ток от источника питания, чтобы зарядит емкость входа (емкость затвора) от подключенного к нему выхода. Это означает, что энергопотребление устройств CMOS увеличивается, когда возрастает скорость переключения (это обычно зависит от тактовой частоты, на которой работает схема логики).

Первое семейство микросхем логики CMOS было представлено компанией RCA в виде CD4000 COS/MOS, серия 4000, в 1968 году. Поначалу логика CMOS была медленнее, чем LS-TTL. Однако, поскольку пороги уровня логики CMOS пропорциональны напряжению питания (CMOS позволяет менять напряжение питания в больших пределах), устройства CMOS хорошо адаптировались в переносных системах с батарейным питанием, когда требовалась экономия в потреблении энергии. Элементы CMOS также могут хорошо работать с элементами TTL от разных напряжений питания, потому что у CMOS порог логического уровня (приблизительно) пропорционален напряжению питания (составляет его половину), и не требуются какие-то фиксированные уровни, как в биполярных схемах.

Необходимая площадь для реализации цифровых функций CMOS быстро снижалась. Технология VLSI реализовывала миллионы базовых операций в одном чипе, используя почти исключительно только CMOS. Чрезвычайно малая емкость разводки на чипе привела к увеличению быстродействия на несколько порядков. Сейчас обычным делом является использование внутренней тактовой частоты чипа 4 ГГц, что примерно в 1000 раз быстрее технологий 1970 года.

Снижение напряжения питания

Микросхемы CMOS часто работают в широком диапазоне питающих напряжений, в отличие от микросхем других семейств. Ранние микросхемы TTL требовали напряжения питания 5V, однако ранние CMOS должны были использовать напряжения от 3 до 15V. Снижение напряжения питания уменьшает заряд, хранимый на любых емкостях, и соответственно снижает энергию, требуемую для переключения логики. Снижение потребления энергии уменьшает нагрев от рассеиваемой мощности. Энергия, сохраненная на емкости C при изменении напряжения на V вольт равна 1/2*C*V². Если уменьшить напряжение питания с 5V до 3.3V, то мощность, затрачиваемая на переключение, то мощность затрат на переключение снизится почти на 60% (рассеиваемая мощность пропорциональна квадрату напряжения питания). Поэтому новые CPU понижали свои напряжения питания.

HC-логика

Поскольку серии CD4000 были несовместимы по параметрам быстродействия с предыдущими семействами TTL, появился новый стандарт, который объединил все лучшее, что есть в семействе TTL, с достоинствами семейства CD4000. Новая семейство устройств известно как 74HC (high-speed CMOS, высокоскоростная КМОП), оно использовало ту же самую цоколевку, что и семейство 74LS, однако внутри имело улучшенную версию технологии CMOS. Новая серия могла использоваться вместе с устройствами логики и на 3.3V (с логическими уровнями 3.3V), и на 5V (в которых использовались логические уровни TTL).

Проблема совместимости логических уровней CMOS–TTL

Для связи друг с другом любых двух семейств микросхем логики часто требует применения специальных техник наподобие дополнительных верхних нагрузочных резисторов (pull-up) или специальных схем согласования, поскольку разные семейства логики могут использовать отличающиеся уровни напряжений для представления состояний лог. 1 и лог. 0. Также разные семейства могут иметь разные требования к параметрам интерфейса (какой должен быть по электрическим параметрам вход, какой выход). Чаще всего бывает нужно согласовать друг с другом разные серии TTL и CMOS.

Логические уровни TTL отличаются от уровней CMOS – обычно выходное напряжение уровня лог. 1 у TTL не возрастает достаточно высоко, чтобы соответствовать лог. 1 для входа CMOS при том же напряжении питания. Эта проблема была решена разработкой семейства 74HCT, которое использует технологию CMOS, но имеет входные логические сигналы с уровнями логики TTL. Эти устройства работают только от напряжения питания 5V. Серия HCT может заменить TTL, хотя HCT медленнее, чем оригинальный TTL (HC-логика имеет ту же скорость, что и оригинальный TTL).

Другие семейства CMOS

Другие разновидности микросхем CMOS включают cascode voltage switch logic (CVSL) и pass transistor logic (PTL) разных сортов. Обычно они используются в пределах кристалла чипа, и не поставляются как отдельные микросхемы среднего или малого уровня интеграции.

Подробнее см. статью в Википедии CMOS.

Одиим важным улучшением было скомбинировать входы CMOS и выходные драйверы TTL, что сформировало новый тип устройств логики, который назвали BiCMOS. Самыми важными разновидностями BiCMOS стали семейства логики LVT и ALVT. В семейство BiCMOS входит множенство разнвидностей, включая ABT logic, ALB logic, ALVT logic, BCT logic и LVT logic.

Улучшенные версии

В течение конкуренции на рынке семейств логики HC, HCT и LS-TTL стало ясно, что дальнейшее улучшение требует создания идеального логического устройства, которое объединило бы в себе высокую скорость, низкую рассеиваемую мощность, и еще и совместимость с другими семействами логики. В результате появился целый ряд новых семейств, основанный на использовании технологии CMOS. Вот краткий список самых важных представителей новых устройств:

• LV logic (пониженное напряжение питания)
• LVT logic (пониженное напряжение питания, с сохранением уровней логики TTL).
• ALVT logic ('advanced', продвинутая версия LVT logic)

Многие другие разновидности включают AC/ACT logic, AHC/AHCT logic, ALVC logic, AUC logic, AVC logic, CBT logic, CBTLV logic, FCT logic и LVC logic (LVCMOS).

Подробнее см. статью в Википедии BiCMOS.