トランジスタはどうやって0と1を作るのか？電圧からCPUまでの仕組み

スマートフォンやパソコンの中では、電圧の状態が0と1として扱われています。

でも、トランジスタの中を「0」や「1」という数字が流れているわけではありません。
実際に動いているのは、電圧・電荷・電流です。
トランジスタは電圧で電流の通り道を制御し、その結果できる回路ノードの電圧に、0または1という意味を与えています。

0と1は電圧に付けた「意味」で、単一の電圧ではない

デジタル回路の0と1は、物理世界の連続した電圧や電荷を、二つの状態として扱うための抽象です。回路上のノードには実際の電圧がありますが、設計者はその電圧をLowまたはHighとして判定します。つまり、CPUの中を数字そのものが移動しているのではなく、電気的な状態の変化を数字として読んでいるのです。

ここで大切なのは、0と1が必ずしも「0V」と「5V」ではないことです。電源電圧や論理ファミリが違えば、使う電圧も変わります。入力には、これ以下ならLowとして保証する範囲と、これ以上ならHighとして保証する範囲があります。その間は、回路が0とも1とも保証できない領域です。

出力側にも、Lowとして出せる最大電圧と、Highとして出せる最小電圧があります。出力の保証と次段の判定との間に余裕があると、少しのノイズや配線損失が加わっても、次の回路が同じ論理値として受け取れます。この余裕がノイズマージンです。

MOSFETはゲート電圧で電流の通り道を変える

ここから、電圧状態をどう作るのかを見ます。MOSFETは、ゲート、ソース、ドレイン、ボディという端子を持つ電圧制御素子です。初学者向けに「ゲートに電圧をかけると電流が流れる」と言うことがありますが、より正確には、ゲートとソースの間の電圧、つまりVGSがチャネルの状態を変えます。

nMOSでは、VGSが十分に高くなると、ゲートの下に電流の通り道となる反転層が形成され、ソースとドレインの間が電気的につながりやすくなります。反対にVGSが条件を満たさなければ、主な通り道は形成されません。pMOSは極性が逆で、ゲートがソースより十分低くなる方向でオンしやすくなります。

ただし、現実の素子の「オフ」は電流が完全にゼロという意味ではありません。サブスレッショルド電流やリーク、寄生容量があります。デジタル回路は、こうしたアナログな素子の性質を、設計上扱いやすいHighとLowへ変換しています。

pull-upとpull-downが回路ノードの電圧を決める

トランジスタ1個のオン・オフを、そのまま0・1と呼ぶわけではありません。トランジスタを複数組み合わせ、ある回路ノードを電源VDD側へつなぐか、GND側へつなぐかによって、そのノードの電圧を作ります。電源側へ引き上げる経路がpull-up、GND側へ引き下げる経路がpull-downです。

この違いが、「オンが1、オフが0」と単純化できない理由です。nMOSがオンすると、出力ノードをGND側へ引き下げてLow、つまり論理0を作る回路があります。トランジスタの状態は素子の導通状態であり、論理値は回路全体が作ったノード電圧への意味付けです。

CMOSインバータは入力を反転して0と1を作る

最も基本的な回路の一つがCMOSインバータです。pMOSを上側のpull-up、nMOSを下側のpull-downとして直列に配置し、二つのゲートへ同じ入力を与えます。入力がLowならpMOSがオン、nMOSがオフになり、出力はVDD側へ引き上げられてHighになります。

入力がHighになると、今度はpMOSがオフ、nMOSがオンになります。出力ノードはGND側へ引き下げられ、Lowになります。こうして入力と反対の論理値を出力するNOTゲートができます。

CMOSが広く使われる理由の一つは、安定したHighまたはLowの状態で、pMOSとnMOSのどちらか一方が主にオンとなり、VDDからGNDへの直流経路ができにくいことです。ただし、リーク電流、切り替え中の同時導通、負荷容量の充放電があるため、消費電力がゼロになるわけではありません。

ここまでの流れを押さえると、0と1は「トランジスタの中にある数字」ではなく、トランジスタの組み合わせが作った電圧状態だと分かります。次は、その反転回路を組み合わせて計算へ進みます。

論理ゲートを組み合わせると、条件を計算できる

CMOSインバータを広げると、NAND、NOR、AND、OR、XORなどの論理ゲートが作れます。ゲートは入力の0と1の組み合わせに応じて、決められた出力を返す回路です。たとえばANDは、すべての入力が1のときだけ1を返します。XORは、二つの入力が異なるときに1を返します。

CMOSでは、pMOS側のpull-up networkとnMOS側のpull-down networkを相補的に設計します。どの入力条件で出力を電源へつなぎ、どの条件でGNDへつなぐかを決めることで、論理式を電圧の経路へ変換できます。

NANDとNORは万能ゲートとも呼ばれます。NANDだけ、またはNORだけを組み合わせても、NOTやANDなどを構成でき、最終的に任意のブール論理へ発展できます。実際のCPUはこれだけで説明し切れる単純な回路ではありませんが、論理を積み重ねる入口として重要です。

加算器は0と1から「和」と「桁上がり」を作る

論理ゲートができると、数字の計算も回路として表せます。まず、二つの1ビットを足す半加算器を考えます。0と0なら和0、0と1または1と0なら和1、1と1なら和0で桁上がり1です。この「和」はXOR、「桁上がり」はANDとして作れます。

実際の多ビット加算では、前の桁から来た桁上がりも入力に加えるため、全加算器を使います。全加算器を桁数分だけつなげれば、複数ビットの加算器になります。ここでは、電圧のHighとLowを論理ゲートで変換するだけで、計算に必要な二つの結果を作れます。

レジスタが論理状態を保持し、ALUが計算を組み立てる

組合せ回路は入力が変わると出力も変わります。しかしCPUには、計算途中の値を一時的に保持する仕組みが必要です。そこでクロックに同期して論理状態を保持するレジスタを使います。レジスタは複数のビットを並べた記憶回路で、CPU内部のデータを次の処理へ渡します。

レジスタの周囲には、どのデータを選ぶかを決めるMUX、値を比較する回路、命令を解釈して経路を制御する回路などがあります。加算器や論理ゲートをまとめたALUは、足し算、論理演算、比較など、命令の一部を実行します。

さらに、レジスタファイル、制御ロジック、データを運ぶ配線などが組み合わさってCPUのデータパスになります。つまり、トランジスタからCPUまでは、スイッチを単純に大量接続するだけではなく、電圧状態を論理として組み合わせ、時間に合わせて保持・選択・計算する階層です。

よくある誤解を整理する

参考資料

• MIT OpenCourseWare: Computation Structures
• MIT OpenCourseWare: Microelectronic Devices and Circuits
• Texas Instruments: Logic Guide
• Toshiba Electronic Devices & Storage: Basics of CMOS Logic ICs
• Infineon Technologies: MOSFET technical overview
• Chenming C. Hu: Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits

この解説では、初心者が因果関係をつかむために基本的なMOSFETと静的CMOSを中心に説明しています。先端トランジスタ、SRAM、クロック回路などには別の構造や回路方式もあり、CPU内部のすべてが単純なインバータだけで構成されるという意味ではありません。