Électronique numérique

L'électronique numérique est un domaine de l'électronique impliquant l'étude des signaux numériques et la conception des appareils qui les utilisent ou les produisent. Cela contraste avec l'électronique analogique qui fonctionne principalement avec des signaux analogiques . Malgré son nom, les conceptions électroniques numériques incluent d'importantes considérations de conception analogique.

Les circuits électroniques numériques sont généralement constitués de grands assemblages de portes logiques , souvent conditionnés dans des circuits intégrés . Les dispositifs complexes peuvent avoir des représentations électroniques simples de fonctions logiques booléennes .

Le système de nombres binaires a été affiné par Gottfried Wilhelm Leibniz (publié en 1705) et il a également établi qu'en utilisant le système binaire, les principes de l'arithmétique et de la logique pouvaient être réunis. La logique numérique telle que nous la connaissons est le fruit de l'imagination de George Boole au milieu du XIXe siècle. Dans une lettre de 1886, Charles Sanders Peirce décrit comment les opérations logiques peuvent être effectuées par des circuits de commutation électrique. Finalement, les tubes à vide ont remplacé les relais pour les opérations logiques. La modification de la valve Fleming par Lee De Forest en 1907 pouvait être utilisée comme porte ET . Ludwig Wittgenstein a présenté une version de la table de vérité à 16 lignes comme proposition 5.101 du Tractatus Logico-Philosophicus (1921). Walther Bothe , inventeur du circuit de coïncidence , a partagé le prix Nobel de physique 1954, pour la création de la première porte ET électronique moderne en 1924.

Les ordinateurs analogiques mécaniques ont commencé à apparaître au premier siècle et ont été utilisés plus tard à l'époque médiévale pour les calculs astronomiques. Pendant la Seconde Guerre mondiale , les ordinateurs analogiques mécaniques ont été utilisés pour des applications militaires spécialisées telles que le calcul de la visée des torpilles. C'est à cette époque que les premiers ordinateurs numériques électroniques ont été développés, le terme numérique étant proposé par George Stibitz en 1942. À l'origine, ils avaient la taille d'une grande pièce et consommaient autant d'énergie que plusieurs centaines d'ordinateurs modernes .

Claude Shannon , en démontrant que les applications électriques de l'algèbre booléenne pouvaient construire n'importe quelle relation numérique logique, a finalement posé les bases de l'informatique numérique et des circuits numériques dans sa thèse de maîtrise de 1937, qui est considérée comme sans doute la thèse de maîtrise la plus importante jamais écrite, remportant le prix Alfred Noble de 1939. ]

Le Z3 était un ordinateur électromécanique conçu par Konrad Zuse . Terminé en 1941, il s'agissait du premier ordinateur numérique programmable et entièrement automatique au monde. Son fonctionnement a été facilité par l'invention du tube à vide en 1904 par John Ambrose Fleming .

Au moment même où le calcul numérique remplaçait l'analogique, les éléments de circuits purement électroniques remplaçaient bientôt leurs équivalents mécaniques et électromécaniques. John Bardeen et Walter Brattain inventèrent le transistor à point de contact aux Bell Labs en 1947, suivis par William Shockley inventant le transistor à jonction bipolaire aux Bell Labs en 1948.

À l' Université de Manchester , une équipe dirigée par Tom Kilburn a conçu et construit une machine utilisant les transistors nouvellement développés à la place des tubes à vide. Leur « ordinateur à transistors », le premier au monde, était opérationnel en 1953 , et une deuxième version y fut achevée en avril 1955. À partir de 1955, les transistors ont remplacé les tubes à vide dans les conceptions d'ordinateurs, donnant naissance à la « deuxième génération » d'ordinateurs. Comparés aux tubes à vide, les transistors étaient plus petits, plus fiables, avaient une durée de vie indéfinie et nécessitaient moins d'énergie que les tubes à vide - dégageant ainsi moins de chaleur et permettant des concentrations de circuits beaucoup plus denses, jusqu'à des dizaines de milliers dans un espace relativement compact.

En 1955, Carl Frosch et Lincoln Derick ont ​​découvert les effets de passivation de surface du dioxyde de silicium. En 1957, Frosch et Derick, en utilisant le masquage et le pré-dépôt, ont pu fabriquer des transistors à effet de champ au dioxyde de silicium ; les premiers transistors planaires, dans lesquels le drain et la source étaient adjacents sur la même surface. Aux laboratoires Bell, l'importance de la technique de Frosch et Derick et des transistors a été immédiatement réalisée. Les résultats de leur travail ont circulé dans les laboratoires Bell sous la forme de notes de service BTL avant d'être publiés en 1957. Chez Shockley Semiconductor , Shockley avait fait circuler la préimpression de leur article en décembre 1956 à tous ses cadres supérieurs, y compris Jean Hoerni , qui inventerait plus tard le processus planaire en 1959 alors qu'il travaillait chez Fairchild Semiconductor . Aux Bell Labs, JR Ligenza et WG Spitzer ont étudié le mécanisme des oxydes développés thermiquement, ont fabriqué une pile Si/ SiO2 de haute qualité et ont publié leurs résultats en 1960. _à ces recherches aux Bell Labs, Mohamed Atalla et Dawon Kahng ont proposé un transistor MOS au silicium en 1959 et ont démontré avec succès un dispositif MOS fonctionnel avec leur équipe des Bell Labs en 1960. L'équipe comprenait EE LaBate et EI Povilonis qui ont fabriqué le dispositif ; MO Thurston, LA D'Asaro et JR Ligenza qui ont développé les processus de diffusion, et HK Gummel et R. Lindner qui ont caractérisé le dispositif.

En juillet 1958, Jack Kilby, qui travaillait chez Texas Instruments , a enregistré ses premières idées concernant le circuit intégré (CI), puis a démontré avec succès le premier circuit intégré fonctionnel le 12 septembre 1958. La puce de Kilby était en germanium . L'année suivante, Robert Noyce, de Fairchild Semiconductor, a inventé le circuit intégré en silicium . La base du CI en silicium de Noyce était le processus planaire de Hoerni .

Les avantages du MOSFET comprennent une grande évolutivité , un prix abordable, une faible consommation d'énergie et une densité de transistor élevée . Sa vitesse de commutation électronique marche-arrêt rapide le rend également idéal pour générer des trains d'impulsions , la base des signaux numériques électroniques , contrairement aux BJT qui, plus lentement, génèrent des signaux analogiques ressemblant à des ondes sinusoïdales . Avec l'intégration à grande échelle MOS (LSI), ces facteurs font du MOSFET un dispositif de commutation important pour les circuits numériques . Le MOSFET a révolutionné l' industrie électronique , et est le dispositif semi-conducteur le plus courant .

Au début des circuits intégrés , chaque puce était limitée à quelques transistors seulement, et le faible degré d'intégration signifiait que le processus de conception était relativement simple. Les rendements de fabrication étaient également assez faibles par rapport aux normes actuelles. L'adoption généralisée du transistor MOSFET au début des années 1970 a conduit aux premières puces d'intégration à grande échelle (LSI) avec plus de 10 000 transistors sur une seule puce. Suite à l'adoption généralisée du CMOS , un type de logique MOSFET, dans les années 1980, des millions puis des milliards de MOSFET pouvaient être placés sur une puce à mesure que la technologie progressait, et les bonnes conceptions nécessitaient une planification minutieuse, donnant naissance à de nouvelles méthodes de conception . Le nombre de transistors des appareils et la production totale ont atteint des sommets sans précédent. La quantité totale de transistors produits jusqu'en 2018 a été estimée à1,3 × 10 ²² (13 sextillions ).

La révolution sans fil (l'introduction et la prolifération des réseaux sans fil ) a commencé dans les années 1990 et a été rendue possible par l'adoption généralisée des amplificateurs de puissance RF à base de MOSFET ( MOSFET de puissance et LDMOS ) et des circuits RF ( RF CMOS ). Les réseaux sans fil ont permis la transmission numérique publique sans avoir besoin de câbles, ce qui a conduit à la télévision numérique , au satellite et à la radio numérique , au GPS , à l'Internet sans fil et aux téléphones mobiles dans les années 1990-2000.

Un avantage des circuits numériques par rapport aux circuits analogiques est que les signaux représentés numériquement peuvent être transmis sans dégradation causée par le bruit . Par exemple, un signal audio continu transmis sous la forme d'une séquence de 1 et de 0 peut être reconstruit sans erreur, à condition que le bruit capté lors de la transmission ne soit pas suffisant pour empêcher l'identification des 1 et des 0.

Dans un système numérique, une représentation plus précise d'un signal peut être obtenue en utilisant davantage de chiffres binaires pour le représenter. Bien que cela nécessite davantage de circuits numériques pour traiter les signaux, chaque chiffre est traité par le même type de matériel, ce qui donne un système facilement évolutif . Dans un système analogique, une résolution supplémentaire nécessite des améliorations fondamentales dans la linéarité et les caractéristiques de bruit de chaque étape de la chaîne du signal .

Les systèmes numériques contrôlés par ordinateur permettent d'ajouter de nouvelles fonctions par le biais de révisions logicielles, sans nécessiter de modifications matérielles. Souvent, cette opération peut être effectuée en dehors de l'usine en mettant à jour le logiciel du produit. De cette façon, les erreurs de conception du produit peuvent être corrigées même après que le produit soit entre les mains du client.

Le stockage des informations peut être plus facile dans les systèmes numériques que dans les systèmes analogiques. L'immunité au bruit des systèmes numériques permet de stocker et de récupérer les données sans dégradation. Dans un système analogique, le bruit dû au vieillissement et à l'usure dégrade les informations stockées. Dans un système numérique, tant que le bruit total est inférieur à un certain niveau, les informations peuvent être récupérées parfaitement. Même en présence de bruit plus important, l'utilisation de la redondance permet de récupérer les données d'origine à condition qu'il n'y ait pas trop d'erreurs.

Dans certains cas, les circuits numériques consomment plus d'énergie que les circuits analogiques pour accomplir les mêmes tâches, ce qui produit plus de chaleur, ce qui augmente la complexité des circuits, comme l'inclusion de dissipateurs thermiques. Dans les systèmes portables ou alimentés par batterie, cela peut limiter l'utilisation des systèmes numériques. Par exemple, les téléphones portables alimentés par batterie utilisent souvent un frontal analogique à faible consommation pour amplifier et régler les signaux radio de la station de base. Cependant, une station de base dispose d'une alimentation secteur et peut utiliser des radios logicielles gourmandes en énergie, mais très flexibles . Ces stations de base peuvent facilement être reprogrammées pour traiter les signaux utilisés dans les nouvelles normes cellulaires.

De nombreux systèmes numériques utiles doivent convertir des signaux analogiques continus en signaux numériques discrets. Cela entraîne des erreurs de quantification . L'erreur de quantification peut être réduite si le système stocke suffisamment de données numériques pour représenter le signal avec le degré de fidélité souhaité . Le théorème d'échantillonnage de Nyquist-Shannon fournit une ligne directrice importante quant à la quantité de données numériques nécessaire pour représenter avec précision un signal analogique donné.

Si une seule donnée numérique est perdue ou mal interprétée, dans certains systèmes, seule une petite erreur peut en résulter, alors que dans d'autres, la signification de gros blocs de données connexes peut changer complètement. Par exemple, une erreur d'un seul bit dans des données audio stockées directement sous forme de modulation par impulsions codées linéaires provoque, au pire, un seul clic audible. Mais lorsque l'on utilise la compression audio pour économiser de l'espace de stockage et du temps de transmission, une erreur d'un seul bit peut provoquer une perturbation beaucoup plus importante.

En raison de l' effet de falaise , il peut être difficile pour les utilisateurs de déterminer si un système particulier est sur le point de tomber en panne ou s'il peut tolérer beaucoup plus de bruit avant de tomber en panne. La fragilité numérique peut être réduite en concevant un système numérique robuste . Par exemple, un bit de parité ou une autre méthode de gestion des erreurs peut être inséré dans le chemin du signal. Ces schémas aident le système à détecter les erreurs, puis à les corriger ou à demander la retransmission des données.

Un circuit numérique est généralement constitué de petits circuits électroniques appelés portes logiques qui peuvent être utilisés pour créer une logique combinatoire . Chaque porte logique est conçue pour exécuter une fonction de logique booléenne lorsqu'elle agit sur des signaux logiques. Une porte logique est généralement créée à partir d'un ou plusieurs commutateurs à commande électrique, généralement des transistors , mais les valves thermo-ioniques ont été utilisées dans le passé. La sortie d'une porte logique peut, à son tour, contrôler ou alimenter davantage de portes logiques.

Une autre forme de circuit numérique est construite à partir de tables de correspondance (beaucoup sont vendues sous le nom de « dispositifs logiques programmables », bien que d'autres types de PLD existent). Les tables de correspondance peuvent exécuter les mêmes fonctions que les machines basées sur des portes logiques, mais peuvent être facilement reprogrammées sans modifier le câblage. Cela signifie qu'un concepteur peut souvent réparer les erreurs de conception sans modifier la disposition des fils. Par conséquent, dans les produits à faible volume, les dispositifs logiques programmables sont souvent la solution préférée. Ils sont généralement conçus par des ingénieurs utilisant un logiciel d'automatisation de la conception électronique .

Les circuits intégrés sont constitués de plusieurs transistors sur une puce de silicium et constituent le moyen le moins coûteux de fabriquer un grand nombre de portes logiques interconnectées. Les circuits intégrés sont généralement interconnectés sur une carte de circuit imprimé , qui contient des composants électriques et les relie entre eux par des pistes de cuivre.

Les ingénieurs utilisent de nombreuses méthodes pour minimiser la redondance logique afin de réduire la complexité du circuit. Une complexité réduite réduit le nombre de composants et les erreurs potentielles et donc généralement les coûts. La redondance logique peut être supprimée par plusieurs techniques bien connues, telles que les diagrammes de décision binaire , l'algèbre booléenne , les cartes de Karnaugh , l' algorithme de Quine–McCluskey et la méthode informatique heuristique . Ces opérations sont généralement effectuées dans un système de conception assistée par ordinateur .

Les systèmes embarqués avec microcontrôleurs et automates programmables sont souvent utilisés pour mettre en œuvre la logique numérique de systèmes complexes qui ne nécessitent pas de performances optimales. Ces systèmes sont généralement programmés par des ingénieurs logiciels ou par des électriciens, à l'aide de la logique à relais .

La relation entrée-sortie d'un circuit numérique peut être représentée sous la forme d'une table de vérité . Un circuit équivalent de haut niveau utilise des portes logiques , chacune représentée par une forme différente (normalisée par IEEE / ANSI 91–1984). Une représentation de bas niveau utilise un circuit équivalent de commutateurs électroniques (généralement des transistors ).

La plupart des systèmes numériques se divisent en systèmes combinatoires et séquentiels . La sortie d'un système combinatoire ne dépend que des entrées présentes. Cependant, certaines de ses sorties d'un système séquentiel sont réinjectées en tant qu'entrées, de sorte que sa sortie peut dépendre des entrées passées en plus des entrées présentes, pour produire une séquence d'opérations. Des représentations simplifiées de leur comportement, appelées machines d'état, facilitent la conception et les tests.

Les systèmes séquentiels se divisent en deux sous-catégories. Les systèmes séquentiels « synchrones » changent d'état en même temps lorsqu'un signal d'horloge change d'état. Les systèmes séquentiels « asynchrones » propagent les changements à chaque fois que les entrées changent. Les systèmes séquentiels synchrones sont fabriqués à l'aide de bascules qui stockent les tensions d'entrée sous forme de bit uniquement lorsque l'horloge change.

La manière habituelle d'implémenter une machine à états séquentielle synchrone consiste à la diviser en une partie de logique combinatoire et un ensemble de bascules appelé registre d'état . Le registre d'état représente l'état sous forme de nombre binaire. La logique combinatoire produit la représentation binaire de l'état suivant. À chaque cycle d'horloge, le registre d'état capture la rétroaction générée par l'état précédent de la logique combinatoire et la renvoie sous forme d'entrée immuable à la partie combinatoire de la machine à états. La fréquence d'horloge est limitée par le calcul logique le plus chronophage de la logique combinatoire.

La plupart des logiques numériques sont synchrones car il est plus facile de créer et de vérifier une conception synchrone. Cependant, la logique asynchrone présente l'avantage que sa vitesse n'est pas limitée par une horloge arbitraire ; au lieu de cela, elle fonctionne à la vitesse maximale de ses portes logiques.

Néanmoins, la plupart des systèmes doivent accepter des signaux externes non synchronisés dans leurs circuits logiques synchrones. Cette interface est intrinsèquement asynchrone et doit être analysée comme telle. Parmi les exemples de circuits asynchrones largement utilisés, on peut citer les bascules synchroniseurs, les anti-rebonds de commutation et les arbitres .

Les composants logiques asynchrones peuvent être difficiles à concevoir car tous les états possibles, à tous les moments possibles, doivent être pris en compte. La méthode habituelle consiste à construire un tableau des durées minimale et maximale pendant lesquelles chaque état peut exister, puis à ajuster le circuit pour minimiser le nombre de ces états. Le concepteur doit forcer le circuit à attendre périodiquement que tous ses composants entrent dans un état compatible (c'est ce qu'on appelle « l'auto-resynchronisation »). Sans une conception soignée, il est facile de produire accidentellement une logique asynchrone instable, c'est-à-dire que les véritables composants électroniques auront des résultats imprévisibles en raison des retards cumulés causés par de petites variations dans les valeurs des composants électroniques.

De nombreux systèmes numériques sont des machines à flux de données . Ils sont généralement conçus à l'aide d' une logique de transfert de registre synchrone et écrits avec des langages de description de matériel tels que VHDL ou Verilog .

Dans la logique de transfert de registres, les nombres binaires sont stockés dans des groupes de bascules appelées registres . Une machine à états séquentiels contrôle le moment où chaque registre accepte de nouvelles données de son entrée. Les sorties de chaque registre sont un faisceau de fils appelé bus qui transporte ce nombre vers d'autres calculs. Un calcul est simplement un élément de logique combinatoire. Chaque calcul possède également un bus de sortie, et ceux-ci peuvent être connectés aux entrées de plusieurs registres. Parfois, un registre aura un multiplexeur sur son entrée afin qu'il puisse stocker un nombre provenant de l'un des plusieurs bus.

Les systèmes de transfert de registre asynchrones (tels que les ordinateurs) ont une solution générale. Dans les années 1980, certains chercheurs ont découvert que presque toutes les machines de transfert de registre synchrones pouvaient être converties en conceptions asynchrones en utilisant une logique de synchronisation premier entré, premier sorti. Dans ce schéma, la machine numérique est caractérisée comme un ensemble de flux de données. À chaque étape du flux, un circuit de synchronisation détermine quand les sorties de cette étape sont valides et indique à l'étape suivante quand utiliser ces sorties.

La machine logique à transfert de registre la plus polyvalente est un ordinateur . Il s'agit en fait d'un boulier binaire automatique . L' unité de commande d'un ordinateur est généralement conçue comme un microprogramme exécuté par un microséquenceur . Un microprogramme ressemble beaucoup à un rouleau de piano mécanique. Chaque entrée de table du microprogramme commande l'état de chaque bit qui contrôle l'ordinateur. Le séquenceur compte ensuite, et le décompte adresse la mémoire ou la machine logique combinatoire qui contient le microprogramme. Les bits du microprogramme contrôlent l' unité logique arithmétique , la mémoire et d'autres parties de l'ordinateur, y compris le microséquenceur lui-même. De cette façon, la tâche complexe de conception des commandes d'un ordinateur est réduite à la tâche plus simple de programmation d'un ensemble de machines logiques beaucoup plus simples.

Presque tous les ordinateurs sont synchrones. Cependant, des ordinateurs asynchrones ont également été construits. Le cœur ASPIDA DLX en est un exemple . Un autre a été proposé par ARM Holdings . Ils ne présentent cependant aucun avantage en termes de vitesse, car les conceptions d'ordinateurs modernes fonctionnent déjà à la vitesse de leur composant le plus lent, généralement la mémoire. Ils consomment un peu moins d'énergie car un réseau de distribution d'horloge n'est pas nécessaire. Un avantage inattendu est que les ordinateurs asynchrones ne produisent pas de bruit radio spectralement pur. Ils sont utilisés dans certains contrôleurs de stations de base de téléphonie mobile sensibles aux ondes radio. Ils peuvent être plus sûrs dans les applications cryptographiques car leurs émissions électriques et radio peuvent être plus difficiles à décoder.

L'architecture informatique est une activité d'ingénierie spécialisée qui tente d'organiser les registres, la logique de calcul, les bus et d'autres parties de l'ordinateur de la meilleure façon possible dans un but précis. Les architectes informatiques ont beaucoup travaillé pour réduire le coût et augmenter la vitesse des ordinateurs en plus de renforcer leur immunité aux erreurs de programmation. Un objectif de plus en plus courant des architectes informatiques est de réduire la puissance utilisée dans les systèmes informatiques alimentés par batterie, tels que les smartphones .

Les circuits numériques sont constitués de composants analogiques. La conception doit garantir que la nature analogique des composants ne domine pas le comportement numérique souhaité. Les systèmes numériques doivent gérer le bruit et les marges temporelles, les inductances et les capacités parasites.

Les mauvaises conceptions présentent des problèmes intermittents tels que des problèmes techniques , des impulsions extrêmement rapides qui peuvent déclencher certaines logiques mais pas d'autres, des impulsions avortées qui n'atteignent pas des tensions de seuil valides .

De plus, lorsque des systèmes numériques cadencés s'interfacent à des systèmes analogiques ou à des systèmes pilotés par une horloge différente, le système numérique peut être soumis à une métastabilité lorsqu'une modification de l'entrée viole le temps de configuration d'un verrou d'entrée numérique.

Les circuits numériques étant constitués de composants analogiques, ils calculent plus lentement que les circuits analogiques de faible précision qui utilisent une quantité d'espace et d'énergie similaire. Cependant, le circuit numérique effectuera des calculs de manière plus répétitive, en raison de sa grande immunité au bruit.

Une grande partie des efforts de conception de grandes machines logiques a été automatisée grâce à l’application de l’automatisation de la conception électronique (EDA).

Les descriptions simples de la logique sous forme de tables de vérité sont souvent optimisées avec EDA qui produit automatiquement des systèmes réduits de portes logiques ou des tables de recherche plus petites qui produisent toujours les sorties souhaitées. L'exemple le plus courant de ce type de logiciel est le minimiseur logique heuristique Espresso . L'optimisation de grands systèmes logiques peut être réalisée à l'aide de l' algorithme de Quine-McCluskey ou de diagrammes de décision binaires . Il existe des expériences prometteuses avec des algorithmes génétiques et des optimisations par recuit .

Pour automatiser des processus d'ingénierie coûteux, certains EDA peuvent prendre des tables d'état qui décrivent des machines d'état et produire automatiquement une table de vérité ou une table de fonctions pour la logique combinatoire d'une machine d'état. La table d'état est un morceau de texte qui répertorie chaque état, ainsi que les conditions contrôlant les transitions entre eux et leurs signaux de sortie associés.

Souvent, les systèmes logiques réels sont conçus comme une série de sous-projets, qui sont combinés à l'aide d'un flux d'outils . Le flux d'outils est généralement contrôlé à l'aide d'un langage de script , un langage informatique simplifié qui peut appeler les outils de conception du logiciel dans le bon ordre. Les flux d'outils pour les grands systèmes logiques tels que les microprocesseurs peuvent comporter des milliers de commandes et combiner le travail de centaines d'ingénieurs. L'écriture et le débogage des flux d'outils sont une spécialité d'ingénierie établie dans les entreprises qui produisent des conceptions numériques. Le flux d'outils se termine généralement par un fichier informatique détaillé ou un ensemble de fichiers qui décrivent comment construire physiquement la logique. Il se compose souvent d'instructions sur la façon de dessiner les transistors et les fils sur un circuit intégré ou une carte de circuit imprimé .

Certaines parties des flux d'outils sont déboguées en comparant les sorties de la logique simulée aux entrées attendues. Les outils de test prennent des fichiers informatiques avec des ensembles d'entrées et de sorties et mettent en évidence les écarts entre le comportement simulé et le comportement attendu. Une fois que les données d'entrée sont considérées comme correctes, la conception elle-même doit encore être vérifiée pour s'assurer de son exactitude. Certains flux d'outils vérifient les conceptions en produisant d'abord une conception, puis en numérisant la conception pour produire des données d'entrée compatibles pour le flux d'outils. Si les données numérisées correspondent aux données d'entrée, le flux d'outils n'a probablement pas introduit d'erreurs.

Les données de vérification fonctionnelle sont généralement appelées vecteurs de test . Les vecteurs de test fonctionnels peuvent être conservés et utilisés en usine pour vérifier si la logique nouvellement construite fonctionne correctement. Cependant, les modèles de test fonctionnels ne détectent pas tous les défauts de fabrication. Les tests de production sont souvent conçus par des outils logiciels de génération automatique de modèles de test . Ceux-ci génèrent des vecteurs de test en examinant la structure de la logique et en générant systématiquement des tests ciblant des défauts potentiels particuliers. De cette façon, la couverture des défauts peut approcher de près de 100 %, à condition que la conception soit correctement rendue testable (voir la section suivante).

Une fois qu'une conception existe, qu'elle est vérifiée et testable, elle doit souvent être traitée pour pouvoir être également fabriquée. Les circuits intégrés modernes ont des caractéristiques plus petites que la longueur d'onde de la lumière utilisée pour exposer la résine photosensible. Les logiciels conçus pour la fabricabilité ajoutent des motifs d'interférence aux masques d'exposition pour éliminer les circuits ouverts et améliorer le contraste des masques.

Il existe plusieurs raisons pour lesquelles il est nécessaire de tester un circuit logique. Lors du développement initial du circuit, il est nécessaire de vérifier que le circuit de conception répond aux spécifications fonctionnelles et temporelles requises. Lorsque plusieurs copies d'un circuit correctement conçu sont fabriquées, il est essentiel de tester chaque copie pour s'assurer que le processus de fabrication n'a introduit aucun défaut.

Une machine logique de grande taille (disons, avec plus d'une centaine de variables logiques) peut avoir un nombre astronomique d'états possibles. Il est évident qu'il est impossible de tester en usine chaque état d'une telle machine, car même si tester chaque état ne prenait qu'une microseconde, il y a plus d'états possibles qu'il n'y a eu de microsecondes depuis le début de l'univers !

Les grandes machines logiques sont presque toujours conçues comme des assemblages de machines logiques plus petites. Pour gagner du temps, les sous-machines plus petites sont isolées par une conception installée en permanence pour les circuits de test et sont testées indépendamment. Un schéma de test courant fournit un mode de test qui force une partie de la machine logique à entrer dans un cycle de test . Le cycle de test fait généralement travailler de grandes parties indépendantes de la machine.

Le balayage de limite est un schéma de test courant qui utilise la communication série avec un équipement de test externe via un ou plusieurs registres à décalage appelés chaînes de balayage . Les balayages en série n'ont qu'un ou deux fils pour transporter les données et minimisent la taille physique et les dépenses de la logique de test rarement utilisée. Une fois que tous les bits de données de test sont en place, la conception est reconfigurée pour être en mode normal et une ou plusieurs impulsions d'horloge sont appliquées, pour tester les défauts (par exemple, blocage à bas niveau ou blocage à haut niveau) et capturer le résultat du test dans des bascules ou des verrous dans le ou les registres à décalage de balayage. Enfin, le résultat du test est décalé vers la limite du bloc et comparé au bon résultat de la machine prévu.

Dans un environnement de test de carte, les tests série-parallèle ont été formalisés en tant que norme JTAG .

Comme un système numérique peut utiliser de nombreuses portes logiques, le coût global de construction d'un ordinateur est étroitement lié au coût d'une porte logique. Dans les années 1930, les premiers systèmes logiques numériques ont été construits à partir de relais téléphoniques, car ils étaient peu coûteux et relativement fiables.

Les premiers circuits intégrés ont été conçus pour économiser du poids et permettre à l' ordinateur de guidage Apollo de contrôler un système de guidage inertiel pour un vaisseau spatial. Les premières portes logiques à circuit intégré coûtaient près de 50 dollars américains, ce qui équivaudrait en 2023 à 515 dollars. Les portes produites en série sur des circuits intégrés sont devenues la méthode la moins coûteuse pour construire une logique numérique.

Avec l'essor des circuits intégrés , la réduction du nombre absolu de puces utilisées représente un autre moyen de réduire les coûts. L'objectif d'un concepteur n'est pas seulement de créer le circuit le plus simple possible, mais de réduire le nombre de composants. Cela se traduit parfois par des conceptions plus complexes par rapport à la logique numérique sous-jacente, mais réduit néanmoins le nombre de composants, la taille de la carte et même la consommation d'énergie.

Un autre objectif majeur de la réduction du nombre de composants sur les circuits imprimés est de réduire le taux de défauts de fabrication dus aux connexions soudées défectueuses et d'augmenter la fiabilité. Les taux de défauts et de défaillances ont tendance à augmenter avec le nombre total de broches des composants.

La défaillance d'une seule porte logique peut entraîner la défaillance d'une machine numérique. Lorsqu'une fiabilité supplémentaire est requise, une logique redondante peut être fournie. La redondance augmente les coûts et la consommation d'énergie par rapport à un système non redondant.

La fiabilité d'une porte logique peut être décrite par son temps moyen entre pannes (MTBF). Les machines numériques sont devenues utiles pour la première fois lorsque le MTBF d'un commutateur dépassait quelques centaines d'heures. Malgré cela, bon nombre de ces machines avaient des procédures de réparation complexes et bien rodées et pouvaient être inutilisables pendant des heures parce qu'un tube avait grillé ou qu'un papillon était resté coincé dans un relais. Les portes logiques des circuits intégrés transistorisés modernes ont des MTBF supérieurs à 82 milliards d'heures (8,2 × 10 ¹⁰ h ). Ce niveau de fiabilité est nécessaire car les circuits intégrés ont de nombreuses portes logiques.

Le fan-out décrit le nombre d'entrées logiques qui peuvent être contrôlées par une seule sortie logique sans dépasser les valeurs nominales de courant électrique des sorties de porte. Le fan-out pratique minimum est d'environ cinq. Les portes logiques électroniques modernes utilisant des transistors CMOS pour les commutateurs ont des fan-outs plus élevés.

La vitesse de commutation décrit le temps nécessaire à une sortie logique pour passer de vrai à faux ou vice versa. Une logique plus rapide peut accomplir plus d'opérations en moins de temps. La logique numérique électronique moderne commute régulièrement à5 GHz , et certains systèmes de laboratoire commutent à plus de1 THz . .

La conception numérique a commencé avec une logique de relais qui est lente. Parfois, une panne mécanique se produisait. Les fan-outs étaient généralement d'environ 10, limités par la résistance des bobines et l'arc sur les contacts dû aux hautes tensions.

Plus tard, des tubes à vide ont été utilisés. Ils étaient très rapides, mais généraient de la chaleur et n'étaient pas fiables car les filaments brûlaient. Les fan-outs étaient généralement de 5 à 7, limités par la chaleur générée par le courant des tubes. Dans les années 1950, des tubes informatiques spéciaux ont été développés avec des filaments qui omettaient les éléments volatils comme le silicium. Ces tubes ont fonctionné pendant des centaines de milliers d'heures.

La première famille de logique à semi-conducteurs était la logique à résistances et transistors . Elle était mille fois plus fiable que les tubes, fonctionnait moins bien et consommait moins d'énergie, mais avait une très faible distribution de courant de 3. La logique à diodes et transistors améliorait la distribution de courant jusqu'à environ 7 et réduisait la puissance. Certaines conceptions DTL utilisaient deux alimentations avec des couches alternées de transistors NPN et PNP pour augmenter la distribution de courant.

La logique transistor-transistor (TTL) a représenté une grande amélioration par rapport à ces dernières. Dans les premiers appareils, la distribution était passée à 10, et les variantes ultérieures ont atteint de manière fiable 20. La TTL était également rapide, certaines variantes atteignant des temps de commutation aussi bas que 20 ns. La TTL est toujours utilisée dans certaines conceptions.

La logique à émetteur couplé est très rapide mais consomme beaucoup d'énergie. Elle a été largement utilisée pour les ordinateurs à hautes performances, tels que l' Illiac IV , constitué de nombreux composants de taille moyenne.

De loin, les circuits intégrés numériques les plus courants fabriqués aujourd'hui utilisent la logique CMOS , qui est rapide, offre une densité de circuit élevée et une faible consommation par porte. Cette logique est utilisée même dans les ordinateurs de grande taille et rapides, tels que l' IBM System z .

En 2009, les chercheurs ont découvert que les memristors peuvent mettre en œuvre un stockage d'état booléen et fournissent une famille logique complète avec de très petites quantités d'espace et d'énergie, en utilisant des processus de semi-conducteurs CMOS familiers.

La découverte de la supraconductivité a permis le développement d' une technologie de circuit quantique à flux unique rapide (RSFQ), qui utilise des jonctions Josephson au lieu de transistors. Plus récemment, des tentatives ont été faites pour construire des systèmes informatiques purement optiques capables de traiter des informations numériques à l'aide d'éléments optiques non linéaires .