ştiri

Poate după legea lui Ohm, a doua cea mai faimoasă lege din electronică este legea lui Moore: numărul de tranzistori care pot fi fabricați pe un circuit integrat se dublează la fiecare doi ani și ceva. Deoarece dimensiunea fizică a cipului rămâne aproximativ aceeași, aceasta înseamnă că tranzistoarele individuale vor deveni mai mici în timp. Am început să ne așteptăm să apară la o viteză normală o nouă generație de cipuri cu dimensiuni mai mici ale caracteristicilor, dar ce rost are să facem lucrurile mai mici? Mai mic înseamnă întotdeauna mai bine?
În ultimul secol, ingineria electronică a făcut progrese extraordinare. În anii 1920, cele mai avansate radiouri AM constau din mai multe tuburi vidate, mai multe inductori uriași, condensatoare și rezistențe, zeci de metri de fire folosite ca antene și un set mare de baterii pentru alimentarea întregului dispozitiv. Astăzi, puteți asculta mai mult de o duzină de servicii de streaming de muzică pe dispozitivul din buzunar și puteți face mai multe. Dar miniaturizarea nu este doar pentru portabilitate: este absolut necesar să atingem performanța pe care o așteptăm de la dispozitivele noastre astăzi.
Un avantaj evident al componentelor mai mici este că vă permit să includeți mai multe funcționalități în același volum. Acest lucru este deosebit de important pentru circuitele digitale: mai multe componente înseamnă că puteți face mai multe procesări în același timp. De exemplu, în teorie, cantitatea de informații procesate de un procesor pe 64 de biți este de opt ori mai mare decât cea a unui procesor de 8 biți care rulează la aceeași frecvență de ceas. Dar necesită și de opt ori mai multe componente: registrele, sumatoarele, autobuzele etc. sunt toate de opt ori mai mari. Deci fie aveți nevoie de un cip care este de opt ori mai mare, fie aveți nevoie de un tranzistor care este de opt ori mai mic.
Același lucru este valabil și pentru cipurile de memorie: prin realizarea de tranzistoare mai mici, aveți mai mult spațiu de stocare în același volum. Pixelii din majoritatea ecranelor de astăzi sunt alcătuiți din tranzistori cu peliculă subțire, așa că este logic să le reduceți și să obțineți rezoluții mai mari. Cu toate acestea, cu cât tranzistorul este mai mic, cu atât mai bine și există un alt motiv crucial: performanța lor este mult îmbunătățită. Dar de ce anume?
Ori de câte ori faceți un tranzistor, acesta va oferi câteva componente suplimentare gratuit. Fiecare terminal are un rezistor în serie. Orice obiect care transportă curent are și auto-inductanță. În cele din urmă, există o capacitate între oricare doi conductori față în față. Toate aceste efecte consumă energie și încetinesc viteza tranzistorului. Capacitatele parazite sunt deosebit de supărătoare: tranzistoarele trebuie încărcate și descărcate de fiecare dată când sunt pornite sau oprite, ceea ce necesită timp și curent de la sursa de alimentare.
Capacitatea dintre doi conductori este o funcție de dimensiunea lor fizică: o dimensiune mai mică înseamnă o capacitate mai mică. Și pentru că condensatorii mai mici înseamnă viteze mai mari și putere mai mică, tranzistoarele mai mici pot funcționa la frecvențe de ceas mai mari și pot disipa mai puțină căldură în acest sens.
Pe măsură ce micșorați dimensiunea tranzistorilor, capacitatea nu este singurul efect care se schimbă: există multe efecte mecanice cuantice ciudate care nu sunt evidente pentru dispozitivele mai mari. Cu toate acestea, în general, reducerea tranzistoarelor le va face mai rapide. Dar produsele electronice sunt mai mult decât tranzistori. Când reduceți alte componente, cum funcționează acestea?
În general, componentele pasive, cum ar fi rezistențele, condensatorii și inductoarele nu se vor îmbunătăți atunci când devin mai mici: în multe privințe, se vor înrăutăți. Prin urmare, miniaturizarea acestor componente este în principal pentru a le putea comprima într-un volum mai mic, economisind astfel spațiul PCB.
Dimensiunea rezistenței poate fi redusă fără a provoca pierderi prea mari. Rezistența unei bucăți de material este dată de, unde l este lungimea, A este aria secțiunii transversale și ρ este rezistivitatea materialului. Puteți reduce pur și simplu lungimea și secțiunea transversală și puteți ajunge la un rezistor fizic mai mic, dar având în continuare aceeași rezistență. Singurul dezavantaj este că atunci când se disipează aceeași putere, rezistențele fizice mai mici vor genera mai multă căldură decât rezistențele mai mari. Prin urmare, rezistențele mici pot fi utilizate numai în circuite de putere redusă. Acest tabel arată cum scade puterea maximă a rezistențelor SMD pe măsură ce dimensiunea lor scade.
Astăzi, cel mai mic rezistor pe care îl puteți cumpăra este dimensiunea metrică 03015 (0,3 mm x 0,15 mm). Puterea lor nominală este de doar 20 mW și sunt folosite doar pentru circuite care disipează foarte puțină putere și sunt extrem de limitate ca dimensiune. Un pachet metric 0201 mai mic (0,2 mm x 0,1 mm) a fost lansat, dar nu a fost încă pus în producție. Dar chiar dacă apar în catalogul producătorului, nu vă așteptați să fie peste tot: majoritatea roboților de alegere și plasare nu sunt suficient de precisi pentru a le gestiona, așa că ar putea fi totuși produse de nișă.
Condensatorii pot fi, de asemenea, redusi, dar acest lucru le va reduce capacitatea. Formula pentru calcularea capacității unui condensator șunt este, unde A este aria plăcii, d este distanța dintre ele și ε este constanta dielectrică (proprietatea materialului intermediar). Dacă condensatorul (practic un dispozitiv plat) este miniaturizat, aria trebuie redusă, reducând astfel capacitatea. Dacă tot doriți să împachetați o mulțime de nafara într-un volum mic, singura opțiune este să stivuiți mai multe straturi împreună. Datorită progreselor în materiale și producție, care au făcut posibile și filmele subțiri (d mic) și dielectricii speciali (cu ε mai mare), dimensiunea condensatoarelor s-a micșorat semnificativ în ultimele decenii.
Cel mai mic condensator disponibil astăzi este într-un pachet metric 0201 ultra-mic: doar 0,25 mm x 0,125 mm. Capacitatea lor este limitată la cei 100 nF încă utili, iar tensiunea maximă de operare este de 6,3 V. De asemenea, aceste pachete sunt foarte mici și necesită echipamente avansate pentru a le manipula, limitând adoptarea lor pe scară largă.
Pentru inductori, povestea este puțin complicată. Inductanța unei bobine drepte este dată de, unde N este numărul de spire, A este aria secțiunii transversale a bobinei, l este lungimea acesteia și μ este constanta materialului (permeabilitatea). Dacă toate dimensiunile sunt reduse la jumătate, inductanța va fi, de asemenea, redusă la jumătate. Cu toate acestea, rezistența firului rămâne aceeași: acest lucru se datorează faptului că lungimea și secțiunea transversală a firului sunt reduse la un sfert din valoarea sa inițială. Aceasta înseamnă că ajungeți să obțineți aceeași rezistență la jumătate din inductanță, deci înjumătățiți factorul de calitate (Q) al bobinei.
Cel mai mic inductor discret disponibil comercial adoptă dimensiunea în inchi 01005 (0,4 mm x 0,2 mm). Acestea sunt de până la 56 nH și au o rezistență de câțiva ohmi. Inductoarele într-un pachet metric 0201 ultra-mic au fost lansate în 2014, dar se pare că nu au fost introduse niciodată pe piață.
Limitările fizice ale inductoarelor au fost rezolvate prin utilizarea unui fenomen numit inductanță dinamică, care poate fi observată în bobinele din grafen. Dar chiar și așa, dacă poate fi fabricat într-un mod viabil din punct de vedere comercial, poate crește cu 50%. În cele din urmă, bobina nu poate fi miniaturizată bine. Cu toate acestea, dacă circuitul dumneavoastră funcționează la frecvențe înalte, aceasta nu este neapărat o problemă. Dacă semnalul dvs. este în intervalul GHz, câteva bobine nH sunt de obicei suficiente.
Acest lucru ne aduce la un alt lucru care a fost miniaturizat în ultimul secol, dar este posibil să nu observați imediat: lungimea de undă pe care o folosim pentru comunicare. Primele emisiuni radio foloseau o frecvență AM cu undă medie de aproximativ 1 MHz, cu o lungime de undă de aproximativ 300 de metri. Banda de frecvență FM centrată la 100 MHz sau 3 metri a devenit populară în jurul anilor 1960, iar astăzi folosim în principal comunicații 4G în jur de 1 sau 2 GHz (aproximativ 20 cm). Frecvențele mai mari înseamnă mai multă capacitate de transmitere a informațiilor. Din cauza miniaturizării avem radiouri ieftine, fiabile și care economisesc energie, care funcționează pe aceste frecvențe.
Lungimile de undă care se micșorează pot micșora antenele deoarece dimensiunea lor este direct legată de frecvența pe care trebuie să o transmită sau să o primească. Telefoanele mobile de astăzi nu au nevoie de antene lungi proeminente, datorită comunicării lor dedicate la frecvențe GHz, pentru care antena trebuie să aibă doar aproximativ un centimetru lungime. Acesta este motivul pentru care majoritatea telefoanelor mobile care conțin încă receptoare FM vă solicită să conectați căștile înainte de utilizare: radioul trebuie să folosească firul căștilor ca antenă pentru a obține suficientă putere a semnalului de la acele unde lungi de un metru.
În ceea ce privește circuitele conectate la antenele noastre miniaturale, atunci când sunt mai mici, devin de fapt mai ușor de realizat. Acest lucru nu se datorează numai faptului că tranzistoarele au devenit mai rapide, ci și pentru că efectele liniei de transmisie nu mai sunt o problemă. Pe scurt, atunci când lungimea unui fir depășește o zecime din lungimea de undă, trebuie să luați în considerare defazarea de-a lungul lungimii sale atunci când proiectați circuitul. La 2,4 GHz, asta înseamnă că doar un centimetru de fir a afectat circuitul tău; dacă lipiți componente discrete împreună, este o bătaie de cap, dar dacă așezați circuitul pe câțiva milimetri pătrați, nu este o problemă.
A prezice dispariția Legii lui Moore sau a arăta că aceste predicții sunt greșite din nou și din nou, a devenit o temă recurentă în jurnalismul de știință și tehnologie. Cert este că Intel, Samsung și TSMC, cei trei concurenți care sunt încă în fruntea jocului, continuă să comprima mai multe funcții pe micrometru pătrat și intenționează să introducă mai multe generații de cipuri îmbunătățite în viitor. Chiar dacă progresul pe care l-au făcut la fiecare pas poate să nu fie la fel de mare ca acum două decenii, miniaturizarea tranzistoarelor continuă.
Cu toate acestea, pentru componentele discrete, se pare că am atins o limită naturală: reducerea lor nu le îmbunătățește performanța, iar cele mai mici componente disponibile în prezent sunt mai mici decât necesită majoritatea cazurilor de utilizare. Se pare că nu există Legea lui Moore pentru dispozitivele discrete, dar dacă există Legea lui Moore, ne-ar plăcea să vedem cât de mult poate o persoană să împingă provocarea lipirii SMD.
Întotdeauna mi-am dorit să fac o poză a unui rezistor PTH pe care l-am folosit în anii 1970 și să-i pun un rezistor SMD, la fel cum schimb acum/închidere. Scopul meu este să fac fraților și surorilor mei (niciunul dintre ei nu este produse electronice) cât de mult se schimbă, inclusiv pot chiar să văd părțile muncii mele, (pe măsură ce vederea mea se înrăutățește, mâinile mele se înrăutățesc Tremurând).
Îmi place să spun, sunt împreună sau nu. Chiar urăsc „îmbunătățiți-vă, deveniți mai buni”. Uneori aspectul tău funcționează bine, dar nu mai poți obține piese. Ce dracu este asta? . Un concept bun este un concept bun și este mai bine să-l păstrați așa cum este, decât să îl îmbunătățiți fără motiv. Gantt
„Rămâne faptul că cele trei companii Intel, Samsung și TSMC concurează în continuare în fruntea acestui joc, strângând în mod constant mai multe funcții pe micrometru pătrat.”
Componentele electronice sunt mari și scumpe. În 1971, familia medie avea doar câteva aparate de radio, un stereo și un televizor. Până în 1976, au apărut computerele, calculatoarele, ceasurile digitale și ceasurile, care erau mici și ieftine pentru consumatori.
O anumită miniaturizare vine din design. Amplificatoarele operaționale permit utilizarea giratoarelor, care pot înlocui inductoarele mari în unele cazuri. Filtrele active elimină și inductorii.
Componentele mai mari promovează și alte lucruri: minimizarea circuitului, adică încercarea de a folosi cele mai puține componente pentru a face circuitul să funcționeze. Astăzi, nu ne pasă atât de mult. Ai nevoie de ceva pentru a inversa semnalul? Luați un amplificator operațional. Ai nevoie de o mașină de stat? Ia un mpu. etc. Componentele de astăzi sunt foarte mici, dar în interior sunt de fapt multe componente. Deci, practic, dimensiunea circuitului crește și consumul de energie crește. Un tranzistor folosit pentru a inversa un semnal utilizează mai puțină putere pentru a îndeplini aceeași sarcină decât un amplificator operațional. Dar, din nou, miniaturizarea se va ocupa de utilizarea puterii. Doar că inovația a mers într-o altă direcție.
Chiar ați ratat unele dintre cele mai mari beneficii/motive ale dimensiunii reduse: paraziții reduse la pachet și manevrarea puterii crescute (ceea ce pare contraintuitiv).
Din punct de vedere practic, odată ce dimensiunea caracteristicii ajunge la aproximativ 0,25u, vei ajunge la nivelul GHz, moment în care pachetul SOP mare începe să producă cel mai mare efect*. Firele lungi de legătură și acele fire te vor ucide în cele din urmă.
În acest moment, pachetele QFN/BGA s-au îmbunătățit mult în ceea ce privește performanța. În plus, atunci când montezi pachetul plat astfel, ajungi să obții performanțe termice *semnificativ* mai bune și plăcuțe expuse.
În plus, Intel, Samsung și TSMC vor juca cu siguranță un rol important, dar ASML poate fi mult mai important în această listă. Desigur, acest lucru s-ar putea să nu se aplice vocii pasive...
Nu este vorba doar despre reducerea costurilor cu siliciul prin noduri de proces de generație următoare. Alte lucruri, cum ar fi genți. Pachetele mai mici necesită mai puține materiale și wcsp sau chiar mai puțin. Pachete mai mici, PCB-uri sau module mai mici etc.
Văd adesea unele produse de catalog, unde singurul factor determinant este reducerea costurilor. Mărimea MHz/memorie este aceeași, funcția SOC și aranjarea pinilor sunt aceleași. Este posibil să folosim noi tehnologii pentru a reduce consumul de energie (de obicei, acest lucru nu este gratuit, așa că trebuie să existe câteva avantaje competitive la care clienții le pasă)
Unul dintre avantajele componentelor mari este materialul anti-radiații. Tranzistoarele minuscule sunt mai susceptibile la efectele razelor cosmice, în această situație importantă. De exemplu, în spațiu și chiar în observatoare de mare altitudine.
Nu am văzut un motiv major pentru creșterea vitezei. Viteza semnalului este de aproximativ 8 inchi pe nanosecundă. Deci, doar prin reducerea dimensiunii, sunt posibile cipuri mai rapide.
Poate doriți să vă verificați propria matematică calculând diferența de întârziere de propagare din cauza modificărilor de ambalare și a ciclurilor reduse (1/frecvență). Adică pentru a reduce întârzierea/perioada facțiunilor. Veți descoperi că nici măcar nu apare ca factor de rotunjire.
Un lucru pe care vreau să-l adaug este că multe circuite integrate, în special modelele mai vechi și cipurile analogice, nu sunt de fapt reduse, cel puțin pe plan intern. Datorită îmbunătățirilor aduse producției automate, pachetele au devenit mai mici, dar asta pentru că pachetele DIP au de obicei mult spațiu rămas în interior, nu pentru că tranzistorii etc. au devenit mai mici.
Pe lângă problema de a face robotul suficient de precis pentru a manipula componente mici în aplicații de mare viteză, o altă problemă este sudarea fiabilă a componentelor mici. Mai ales când mai aveți nevoie de componente mai mari din cauza cerințelor de putere/capacitate. Folosind pastă de lipit specială, șabloanele speciale de pastă de lipit (aplicați o cantitate mică de pastă de lipit acolo unde este necesar, dar încă furnizați suficientă pastă de lipit pentru componentele mari) au început să devină foarte scumpe. Deci, cred că există un platou, iar miniaturizarea ulterioară la nivelul plăcii de circuit este doar o modalitate costisitoare și fezabilă. În acest moment, ați putea la fel de bine să faceți mai multă integrare la nivelul plăcilor de siliciu și să simplificați numărul de componente discrete la un minim absolut.
Veți vedea asta pe telefonul dvs. În jurul anului 1995, am cumpărat câteva telefoane mobile timpurii în vânzări de garaj pentru câțiva dolari fiecare. Majoritatea circuitelor integrate sunt prin gaură. CPU recunoscut și compander NE570, IC mare reutilizabil.
Apoi am ajuns să am niște telefoane portabile actualizate. Există foarte puține componente și aproape nimic familiar. Într-un număr mic de circuite integrate, nu numai densitatea este mai mare, dar este adoptat și un nou design (vezi SDR), care elimină majoritatea componentelor discrete care anterior erau indispensabile.
> (Aplicați o cantitate mică de pastă de lipit acolo unde este necesar, dar încă furnizați suficientă pastă de lipit pentru componentele mari)
Hei, mi-am imaginat șablonul „3D/Wave” pentru a rezolva această problemă: mai subțire acolo unde sunt cele mai mici componente și mai gros acolo unde este circuitul de alimentare.
În zilele noastre, componentele SMT sunt foarte mici, puteți folosi componente reale discrete (nu 74xx și alte gunoaie) pentru a vă proiecta propriul procesor și a-l imprima pe PCB. Stropiți-l cu LED, îl puteți vedea funcționând în timp real.
De-a lungul anilor, cu siguranță apreciez dezvoltarea rapidă a componentelor complexe și mici. Ele oferă un progres extraordinar, dar în același timp adaugă un nou nivel de complexitate procesului iterativ de prototipare.
Viteza de reglare și simulare a circuitelor analogice este mult mai rapidă decât ceea ce faci în laborator. Pe măsură ce frecvența circuitelor digitale crește, PCB-ul devine parte a ansamblului. De exemplu, efectele liniei de transmisie, întârzierea propagării. Prototiparea oricărei tehnologii de ultimă oră este cheltuită cel mai bine pentru a finaliza corect proiectul, mai degrabă decât pentru a face ajustări în laborator.
În ceea ce privește articolele de hobby, evaluarea. Plăcile de circuite și modulele sunt o soluție pentru componentele de micșorare și modulele de pretestare.
Acest lucru poate face ca lucrurile să piardă „distracția”, dar cred că a-ți face proiectul să funcționeze pentru prima dată poate fi mai semnificativ din cauza muncii sau a hobby-urilor.
Am convertit unele modele de la gaura prin gaură la SMD. Faceți produse mai ieftine, dar nu este distractiv să construiți prototipuri manual. O mică greșeală: „loc paralel” trebuie citit ca „placă paralelă”.
Nu. După ce un sistem va câștiga, arheologii vor fi în continuare confuzi de descoperirile sale. Cine știe, poate în secolul 23, Alianța Planetară va adopta un nou sistem...
Nu aș putea fi mai de acord. Care este dimensiunea lui 0603? Desigur, păstrarea 0603 ca ​​mărime imperială și „apelarea” mărimii metrice 0603 0604 (sau 0602) nu este atât de dificilă, chiar dacă poate fi incorect din punct de vedere tehnic (adică: dimensiunea reală de potrivire - nu așa) oricum. Strict), dar măcar toată lumea va ști despre ce tehnologie vorbiți (metric/imperial)!
„În general, componentele pasive, cum ar fi rezistențele, condensatorii și inductoarele, nu se vor îmbunătăți dacă le micșorați.”