новини

Можливо, другим найвідомішим законом в електроніці після закону Ома є закон Мура: кількість транзисторів, які можна виготовити на інтегральній схемі, подвоюється приблизно кожні два роки. Оскільки фізичний розмір мікросхеми залишається приблизно незмінним, це означає, що окремі транзистори з часом стануть меншими. Ми почали очікувати, що нове покоління чіпів із меншими розмірами функцій з’явиться з нормальною швидкістю, але який сенс робити речі меншими? Чи завжди менше означає краще?
У минулому столітті електронна інженерія досягла величезного прогресу. У 1920-х роках найдосконаліші AM-радіоприймачі складалися з кількох вакуумних ламп, кількох величезних котушок індуктивності, конденсаторів і резисторів, десятків метрів проводів, які використовувалися як антени, і великого набору батарей для живлення всього пристрою. Сьогодні ви можете слухати більше дюжини потокових музичних сервісів на пристрої в кишені, і ви можете робити більше. Але мініатюризація призначена не лише для портативності: вона абсолютно необхідна для досягнення продуктивності, яку ми очікуємо від наших сучасних пристроїв.
Однією з очевидних переваг менших компонентів є те, що вони дозволяють включити більше функціональних можливостей у той самий обсяг. Це особливо важливо для цифрових схем: більше компонентів означає, що ви можете виконати більше обробки за той самий час. Наприклад, теоретично обсяг інформації, що обробляється 64-розрядним процесором, у вісім разів перевищує обсяг інформації, який обробляє 8-розрядний процесор, що працює на тій же тактовій частоті. Але для цього також потрібно у вісім разів більше компонентів: регістри, суматори, шини тощо мають у вісім разів більше. Тож вам потрібен чип у вісім разів більший, або вам потрібен транзистор у вісім разів менший.
Те саме стосується чіпів пам’яті: роблячи менші транзистори, ви отримуєте більше місця для зберігання при тому самому об’ємі. Пікселі більшості дисплеїв сьогодні зроблені з тонкоплівкових транзисторів, тому має сенс зменшити їх масштаб і досягти вищої роздільної здатності. Однак чим менше транзистор, тим краще, і є ще одна важлива причина: їхня продуктивність значно покращується. Але чому саме?
Щоразу, коли ви робите транзистор, він надає додаткові компоненти безкоштовно. Кожна клема має резистор, підключений послідовно. Будь-який об’єкт, який несе струм, також має самоіндукцію. Нарешті, існує ємність між будь-якими двома провідниками, зверненими один до одного. Усі ці ефекти споживають електроенергію та сповільнюють швидкість транзистора. Паразитні ємності викликають особливе занепокоєння: транзистори потрібно заряджати та розряджати щоразу, коли вони вмикаються чи вимикаються, що потребує часу та струму від джерела живлення.
Ємність між двома провідниками є функцією їхнього фізичного розміру: менший розмір означає меншу ємність. А оскільки менші конденсатори означають вищу швидкість і меншу потужність, менші транзистори можуть працювати на вищих тактових частотах і при цьому розсіювати менше тепла.
Коли ви зменшуєте розмір транзисторів, змінюється не тільки ємність: існує багато дивних квантово-механічних ефектів, які неочевидні для більших пристроїв. Однак, загалом, зменшення транзисторів зробить їх швидшими. Але електронні вироби — це більше, ніж просто транзистори. Коли ви зменшуєте інші компоненти, як вони працюють?
Загалом, пасивні компоненти, такі як резистори, конденсатори та котушки індуктивності, не стануть кращими, коли вони стануть меншими: у багатьох відношеннях вони стануть гіршими. Тому мініатюризація цих компонентів головним чином полягає в тому, щоб мати можливість стиснути їх у менший об’єм, тим самим заощаджуючи місце на друкованій платі.
Розмір резистора можна зменшити без великих втрат. Опір шматка матеріалу визначається як, де l — довжина, A — площа поперечного перерізу, а ρ — питомий опір матеріалу. Ви можете просто зменшити довжину та поперечний переріз і отримати фізично менший резистор, але мати той самий опір. Єдиним недоліком є ​​те, що при розсіюванні тієї самої потужності фізично менші резистори вироблятимуть більше тепла, ніж більші резистори. Тому маленькі резистори можна використовувати тільки в ланцюгах малої потужності. У цій таблиці показано, як зменшується максимальна потужність резисторів SMD із зменшенням їх розміру.
Сьогодні найменший резистор, який ви можете купити, це метричний розмір 03015 (0,3 мм x 0,15 мм). Їх номінальна потужність становить лише 20 мВт, і вони використовуються лише для схем, які розсіюють дуже невелику потужність і мають надзвичайно обмежений розмір. Менша метрична упаковка 0201 (0,2 мм х 0,1 мм) була випущена, але ще не запущена у виробництво. Але навіть якщо вони з’являться в каталозі виробника, не очікуйте, що вони будуть скрізь: більшість роботів-підбирачів недостатньо точні, щоб з ними впоратися, тому вони все одно можуть бути нішевими продуктами.
Конденсатори також можна зменшити, але це призведе до зменшення їх ємності. Формула для розрахунку ємності шунтового конденсатора має вигляд, де A - площа плати, d - відстань між ними, ε - діелектрична проникність (властивість проміжного матеріалу). Якщо конденсатор (в основному плоский пристрій) мініатюрний, площа повинна бути зменшена, тим самим зменшуючи ємність. Якщо ви все-таки хочете упакувати багато нафари в невеликий об’єм, єдиний варіант – скласти кілька шарів разом. Завдяки прогресу в матеріалах і виробництві, які також зробили можливим тонкі плівки (з малим d) і спеціальні діелектрики (з більшим ε), розмір конденсаторів значно зменшився за останні кілька десятиліть.
Найменший доступний на сьогоднішній день конденсатор знаходиться в ультрамалому метричному корпусі 0201: лише 0,25 мм x 0,125 мм. Їхня ємність обмежена 100 нФ, які все ще корисні, а максимальна робоча напруга становить 6,3 В. Крім того, ці корпуси дуже малі та вимагають передового обладнання для роботи з ними, що обмежує їх широке застосування.
Для індукторів історія трохи складна. Індуктивність прямої котушки визначається формулою, де N - кількість витків, A - площа поперечного перерізу котушки, l - її довжина, μ - постійна матеріалу (проникність). Якщо всі розміри зменшити вдвічі, індуктивність також зменшиться вдвічі. Однак опір дроту залишається незмінним: це відбувається тому, що довжина і переріз дроту зменшуються на чверть початкового значення. Це означає, що ви отримуєте той самий опір у половині індуктивності, тому добротність (Q) котушки зменшується вдвічі.
Найменший комерційно доступний дискретний індуктор має розмір у дюймах 01005 (0,4 мм x 0,2 мм). Вони досягають 56 нГн і мають опір у кілька Ом. Котушки індуктивності в ультрамалому метричному корпусі 0201 були випущені в 2014 році, але, очевидно, вони ніколи не були представлені на ринку.
Фізичні обмеження котушок індуктивності було вирішено за допомогою явища під назвою динамічна індуктивність, яке можна спостерігати в котушках, виготовлених із графену. Але навіть за цього, якщо його можна буде виготовити комерційно життєздатним способом, він може збільшитися на 50%. Нарешті, котушку неможливо добре мініатюризувати. Однак, якщо ваша схема працює на високих частотах, це не обов'язково проблема. Якщо ваш сигнал знаходиться в діапазоні ГГц, зазвичай достатньо кількох котушок nH.
Це підводить нас до іншої речі, яка була мініатюризована в минулому столітті, але ви можете не відразу помітити: довжина хвилі, яку ми використовуємо для спілкування. Ранні радіопередачі використовували середньохвильову частоту AM приблизно 1 МГц з довжиною хвилі приблизно 300 метрів. Смуга частот FM із центром у 100 МГц або 3 метри стала популярною приблизно в 1960-х роках, і сьогодні ми в основному використовуємо зв’язок 4G на частоті 1 або 2 ГГц (приблизно 20 см). Вищі частоти означають більшу пропускну здатність передачі інформації. Саме завдяки мініатюризації ми маємо дешеві, надійні та енергозберігаючі радіостанції, які працюють на цих частотах.
Зменшення довжини хвилі може стиснути антени, оскільки їхній розмір безпосередньо пов’язаний із частотою, необхідною для передачі або прийому. Сучасні мобільні телефони не потребують довгих виступаючих антен завдяки їх виділеному зв’язку на частотах ГГц, для чого антена має бути лише приблизно один сантиметр. Ось чому більшість мобільних телефонів, які все ще містять FM-приймачі, вимагають підключати навушники перед використанням: радіо має використовувати дріт навушників як антену, щоб отримати достатню потужність сигналу від цих хвиль довжиною один метр.
Що стосується схем, підключених до наших мініатюрних антен, коли вони менші, їх насправді стає легше зробити. Це не тільки тому, що транзистори стали швидшими, а й тому, що ефекти лінії передачі більше не є проблемою. Коротше кажучи, коли довжина дроту перевищує одну десяту довжини хвилі, вам потрібно враховувати зсув фази вздовж його довжини при проектуванні схеми. При 2,4 ГГц це означає, що лише один сантиметр дроту вплинув на вашу схему; Якщо спаяти окремі компоненти разом, це головний біль, але якщо розкласти схему на кілька квадратних міліметрів, це не проблема.
Прогнозування загибелі закону Мура або доведення того, що ці прогнози знову й знову помилкові, стали постійною темою в науково-технічній журналістиці. Факт залишається фактом: Intel, Samsung і TSMC, три конкуренти, які все ще залишаються в авангарді гри, продовжують стискати більше функцій на квадратний мікрометр і планують представити кілька поколінь вдосконалених мікросхем у майбутньому. Незважаючи на те, що прогрес, якого вони досягли на кожному кроці, може бути не таким великим, як два десятиліття тому, мініатюризація транзисторів триває.
Однак для дискретних компонентів ми, здається, досягли природної межі: зменшення їх розміру не покращує їхню продуктивність, а найменші доступні наразі компоненти є меншими, ніж вимагає більшість випадків використання. Здається, закону Мура для дискретних пристроїв не існує, але якщо закон Мура існує, ми хотіли б побачити, наскільки одна людина може просунути виклик спаювання SMD.
Я завжди хотів сфотографувати резистор PTH, який використовував у 1970-х роках, і поставити на нього резистор SMD, так само, як я зараз міняю його. Моя мета полягає в тому, щоб мої брати та сестри (жоден із них не є електронними продуктами) змінилися, зокрема, щоб я навіть бачив частини своєї роботи (оскільки мій зір погіршується, руки тремтять).
Я люблю говорити, разом чи ні. Я справді ненавиджу «покращувати, ставати кращим». Іноді ваш макет працює добре, але ви більше не можете отримати частини. Що це за біса? . Хороша концепція є хорошою концепцією, і краще залишити її такою, як вона є, а не вдосконалювати без причини. Гант
«Факт залишається фактом: три компанії Intel, Samsung і TSMC все ще конкурують в авангарді цієї гри, постійно вичавлюючи більше функцій на квадратний мікрометр»,
Електронні компоненти великі і дорогі. У 1971 році середня сім'я мала лише кілька радіоприймачів, стереосистему та телевізор. До 1976 року з’явилися комп’ютери, калькулятори, цифрові та годинники, які були невеликими та недорогими для споживачів.
Деяка мініатюризація походить від дизайну. Операційні підсилювачі дозволяють використовувати гіратори, які в деяких випадках можуть замінити великі котушки індуктивності. Активні фільтри також усувають котушки індуктивності.
Більші компоненти сприяють іншим речам: мінімізації схеми, тобто спробі використовувати найменшу кількість компонентів, щоб схема працювала. Сьогодні ми не так дбаємо. Потрібно щось, щоб змінити сигнал? Візьміть операційний підсилювач. Вам потрібна державна машина? Візьміть мпу. і т. д. Компонентів сьогодні дійсно мало, але всередині їх насправді багато. Таким чином, розмір вашої схеми збільшується, а споживання енергії збільшується. Транзистор, який використовується для інвертування сигналу, споживає менше енергії для виконання тієї ж роботи, ніж операційний підсилювач. Але знову ж таки, мініатюризація подбає про використання потужності. Просто інновації пішли в іншому напрямку.
Ви справді пропустили деякі з найбільших переваг/причин зменшення розміру: зменшення пакетів-паразитів і збільшення потужності (що виглядає нелогічно).
З практичної точки зору, як тільки розмір функції досягне приблизно 0,25u, ви досягнете рівня ГГц, коли великий пакет SOP почне давати найбільший* ефект. Довгі з’єднувальні дроти та ці дроти зрештою вб’ють вас.
На даний момент продуктивність пакетів QFN/BGA значно покращилася. Крім того, коли ви монтуєте упаковку пласко таким чином, ви отримуєте *значно* кращі теплові характеристики та відкриті колодки.
Крім того, Intel, Samsung і TSMC, безумовно, зіграють важливу роль, але ASML може бути набагато важливішим у цьому списку. Звичайно, це може не стосуватися пасивного стану...
Йдеться не лише про зниження витрат на кремній за допомогою технологічних вузлів нового покоління. Інші речі, наприклад сумки. Для менших пакетів потрібно менше матеріалів і wcsp або навіть менше. Менші пакети, менші друковані плати або модулі тощо.
Я часто бачу товари з каталогу, де єдиним рушійним фактором є зниження вартості. МГц/розмір пам'яті той самий, функція SOC та розташування контактів однакові. Ми можемо використовувати нові технології для зменшення енергоспоживання (зазвичай це не безкоштовно, тому мають бути певні конкурентні переваги, які цікавлять клієнтів)
Однією з переваг великих компонентів є антирадіаційний матеріал. Крихітні транзистори більш сприйнятливі до впливу космічних променів у цій важливій ситуації. Наприклад, у космічних і навіть висотних обсерваторіях.
Я не бачу серйозної причини для збільшення швидкості. Швидкість сигналу становить приблизно 8 дюймів на наносекунду. Тож просто зменшивши розмір, можна отримати швидші мікросхеми.
Ви можете перевірити власну математику, обчисливши різницю в затримці розповсюдження через зміни упаковки та скорочення циклів (1/частота). Тобто зменшити затримку/період фракцій. Ви побачите, що це навіть не відображається як фактор округлення.
Одне, що я хочу додати, полягає в тому, що багато мікросхем, особливо старих дизайнів і аналогових мікросхем, насправді не зменшені, принаймні всередині. Завдяки вдосконаленню автоматизованого виробництва корпуси стали меншими, але це тому, що DIP-пакети зазвичай мають багато вільного місця всередині, а не тому, що транзистори тощо стали меншими.
На додаток до проблеми зробити робота достатньо точним, щоб фактично обробляти крихітні компоненти у високошвидкісних програмах підбору й розміщення, іншою проблемою є надійне зварювання крихітних компонентів. Особливо, коли вам все ще потрібні більші компоненти через вимоги до потужності/ємності. Використання спеціальної паяльної пасти, спеціальні шаблони з паяльною пастою (нанесіть невелику кількість паяльної пасти там, де це необхідно, але все ще достатньо паяльної пасти для великих компонентів) почали ставати дуже дорогими. Тож я думаю, що є плато, і подальша мініатюризація на рівні друкованої плати є лише дорогим і можливим шляхом. На цьому етапі ви могли б зробити більше інтеграції на рівні кремнієвої пластини та спростити кількість окремих компонентів до абсолютного мінімуму.
Ви побачите це на своєму телефоні. Приблизно в 1995 році я купив кілька перших мобільних телефонів на гаражних розпродажах за кілька доларів за штуку. Більшість мікросхем мають наскрізний отвір. Впізнаваний процесор і компандер NE570, велика мікросхема багаторазового використання.
Потім я отримав кілька оновлених портативних телефонів. Компонентів дуже мало і майже нічого знайомого. У невеликій кількості мікросхем не тільки вища щільність, але також прийнято новий дизайн (див. SDR), який усуває більшість дискретних компонентів, які раніше були незамінними.
> (Нанесіть невелику кількість паяльної пасти, де це необхідно, але забезпечте достатньо паяльної пасти для великих компонентів)
Привіт, я уявив шаблон «3D/Wave», щоб вирішити цю проблему: тонший там, де найменші компоненти, і товщий там, де ланцюг живлення.
Зараз компоненти SMT дуже малі, ви можете використовувати реальні дискретні компоненти (а не 74xx та інше сміття), щоб створити свій власний процесор і надрукувати його на друкованій платі. Посипте його світлодіодом, ви зможете побачити, як він працює в режимі реального часу.
З роками я, звичайно, ціную швидкий розвиток складних і малих компонентів. Вони забезпечують величезний прогрес, але в той же час вони додають новий рівень складності до ітераційного процесу прототипування.
Швидкість налаштування та моделювання аналогових схем набагато швидша, ніж у лабораторії. Коли частота цифрових схем зростає, друкована плата стає частиною вузла. Наприклад, ефекти лінії передачі, затримка поширення. Створення прототипу будь-якої передової технології найкраще витратити на правильне завершення дизайну, а не на коригування в лабораторії.
Що стосується предметів хобі, оцінка. Плати та модулі є рішенням для усадки компонентів і модулів попереднього тестування.
Це може призвести до втрати «забави», але я думаю, що змусити ваш проект працювати вперше може бути більш значущим через роботу чи хобі.
Я перетворював деякі проекти з наскрізних отворів на SMD. Виготовляйте дешевші продукти, але створювати прототипи вручну нецікаво. Одна маленька помилка: «паралельне місце» слід читати як «паралельна плита».
Ні. Після того, як система переможе, археологи все ще будуть збентежені її відкриттями. Хто знає, можливо, у 23 столітті Планетарний Альянс прийме нову систему…
Я не можу погодитись. Який розмір 0603? Звичайно, зберегти 0603 як імперський розмір і «назвати» метричний розмір 0603 0604 (або 0602) не так вже й складно, навіть якщо це може бути технічно неправильним (тобто: фактичний відповідний розмір - не таким чином) у будь-якому випадку. Строгий), але принаймні всі будуть знати, про яку технологію ви говорите (метрична/імперська)!
«Загалом, пасивні компоненти, такі як резистори, конденсатори та котушки індуктивності, не стануть кращими, якщо ви зробите їх меншими».