hír

Talán Ohm törvénye után az elektronikában a második leghíresebb törvény Moore törvénye: Az integrált áramkörön gyártható tranzisztorok száma körülbelül kétévente megduplázódik. Mivel a chip fizikai mérete nagyjából változatlan marad, ez azt jelenti, hogy az egyes tranzisztorok idővel kisebbek lesznek. Kezdtük azt várni, hogy a kisebb méretű lapkák új generációja normális sebességgel jelenjen meg, de mi értelme van a dolgokat kicsinyíteni? A kisebb mindig jobbat jelent?
Az elmúlt évszázadban az elektronika óriási fejlődésen ment keresztül. Az 1920-as években a legfejlettebb AM rádiók több vákuumcsőből, több hatalmas induktorból, kondenzátorból és ellenállásból, több tucat méter antennaként használt vezetékből és egy nagy elemkészletből álltak, amelyek az egész készüléket táplálták. Ma már több mint egy tucat zenei streaming szolgáltatást hallgathat a zsebében lévő eszközön, és többre is képes. A miniatürizálás azonban nem csak a hordozhatóságot szolgálja: feltétlenül szükséges ahhoz, hogy elérjük azt a teljesítményt, amelyet ma készülékeinktől elvárunk.
A kisebb komponensek egyik nyilvánvaló előnye, hogy lehetővé teszik, hogy több funkciót helyezzen el ugyanabban a kötetben. Ez különösen fontos a digitális áramkörök esetében: több komponens azt jelenti, hogy több feldolgozást végezhet el ugyanannyi idő alatt. Például elméletileg egy 64 bites processzor által feldolgozott információ mennyisége nyolcszorosa az azonos órajel-frekvencián futó 8 bites CPU-énak. De nyolcszor annyi alkatrészt is igényel: a regiszterek, összeadók, buszok stb. mind nyolcszor nagyobbak. Tehát vagy nyolcszor nagyobb chipre van szükség, vagy nyolcszor kisebb tranzisztorra.
Ugyanez igaz a memóriachipekre is: kisebb tranzisztorok készítésével több tárhely jut ugyanabban a kötetben. A legtöbb kijelző képpontjai manapság vékonyréteg-tranzisztorokból készülnek, ezért érdemes lekicsinyíteni őket, és nagyobb felbontást elérni. Azonban minél kisebb a tranzisztor, annál jobb, és van még egy döntő ok: teljesítményük jelentősen javul. De miért pontosan?
Ha tranzisztort készít, az ingyenesen biztosít néhány további komponenst. Minden terminálnak van soros ellenállása. Bármely tárgy, amely áramot hordoz, öninduktivitással is rendelkezik. Végül van egy kapacitás a két egymással szemben lévő vezeték között. Mindezek a hatások áramot fogyasztanak és lelassítják a tranzisztor sebességét. A parazita kapacitások különösen zavaróak: a tranzisztorokat minden be- és kikapcsoláskor fel kell tölteni és kisütni, ami időt és áramot igényel a tápegységtől.
A két vezető közötti kapacitás a fizikai méretük függvénye: a kisebb méret kisebb kapacitást jelent. És mivel a kisebb kondenzátorok nagyobb sebességet és kisebb teljesítményt jelentenek, a kisebb tranzisztorok magasabb órajel-frekvencián működhetnek, és ezáltal kevesebb hőt oszlatnak el.
A tranzisztorok méretének zsugorításával nem csak a kapacitás változik: sok furcsa kvantummechanikai hatás van, amelyek nem nyilvánvalóak a nagyobb készülékeknél. Általában véve azonban a tranzisztorok kicsinyítése gyorsabbá teszi őket. Az elektronikai termékek azonban nem csupán tranzisztorok. Ha más alkatrészeket kicsinyít, hogyan működnek?
Általánosságban elmondható, hogy az olyan passzív alkatrészek, mint az ellenállások, kondenzátorok és induktorok, nem javulnak, ha kisebbek lesznek: sok szempontból rosszabbak lesznek. Ezért ezeknek az alkatrészeknek a miniatürizálása elsősorban arra irányul, hogy kisebb térfogatra lehessen tömöríteni őket, ezáltal PCB-területet takaríthatunk meg.
Az ellenállás mérete túl nagy veszteség nélkül csökkenthető. Egy anyagdarab ellenállását a következő képlet adja meg: ahol l a hossz, A a keresztmetszeti terület, ρ pedig az anyag ellenállása. Egyszerűen csökkentheti a hosszt és a keresztmetszetet, és fizikailag kisebb ellenállást kaphat, de még mindig ugyanaz az ellenállás. Az egyetlen hátránya, hogy azonos teljesítmény disszipálásakor a fizikailag kisebb ellenállások több hőt termelnek, mint a nagyobb ellenállások. Ezért a kis ellenállások csak kis teljesítményű áramkörökben használhatók. Ez a táblázat bemutatja, hogyan csökken az SMD ellenállások maximális névleges teljesítménye méretük csökkenésével.
Ma a legkisebb megvásárolható ellenállás a metrikus 03015 méretű (0,3 mm x 0,15 mm). Névleges teljesítményük mindössze 20 mW, és csak olyan áramkörökhöz használják, amelyek nagyon kis teljesítményt vesznek fel, és rendkívül korlátozott méretűek. Kiadtak egy kisebb metrikus 0201-es csomagot (0,2 mm x 0,1 mm), de még nem állították gyártásba. De még ha megjelennek is a gyártó katalógusában, ne számíts rá, hogy mindenhol ott lesznek: a legtöbb pick and place robot nem elég pontos a kezelésükhöz, így továbbra is réstermékek lehetnek.
A kondenzátorokat is le lehet kicsinyíteni, de ez csökkenti a kapacitásukat. A söntkondenzátor kapacitásának kiszámításának képlete: ahol A a tábla területe, d a köztük lévő távolság, és ε a dielektromos állandó (a közbenső anyag tulajdonsága). Ha a kondenzátor (alapvetően lapos eszköz) miniatürizált, akkor a területet csökkenteni kell, ezzel csökkentve a kapacitást. Ha mégis sok nafarát szeretne kis térfogatba csomagolni, az egyetlen lehetőség, ha több réteget egymásra rak. Az anyagok és a gyártás fejlődésének köszönhetően, amely lehetővé tette a vékony filmek (kis d) és a speciális dielektrikumok (nagyobb ε-vel) előállítását is, a kondenzátorok mérete jelentősen csökkent az elmúlt évtizedekben.
A ma elérhető legkisebb kondenzátor ultra-kis metrikus 0201-es kiszerelésben található: mindössze 0,25 mm x 0,125 mm. Kapacitásuk a még mindig hasznos 100 nF-ra korlátozódik, a maximális üzemi feszültség pedig 6,3 V. Ezenkívül ezek a csomagok nagyon kicsik, és fejlett berendezéseket igényelnek a kezelésükhöz, ami korlátozza széles körű alkalmazásukat.
Az induktorok számára a történet kissé trükkös. Az egyenes tekercs induktivitását a következőképpen adja meg: ahol N a menetek száma, A a tekercs keresztmetszete, l a hossza, μ pedig az anyagállandó (permeabilitás). Ha minden méretet felére csökkentünk, akkor az induktivitás is felére csökken. A vezeték ellenállása azonban változatlan: ennek oka, hogy a vezeték hossza és keresztmetszete az eredeti érték negyedére csökken. Ez azt jelenti, hogy az induktivitás felében ugyanaz az ellenállás lesz, tehát a tekercs minőségi (Q) tényezője felére csökken.
A legkisebb kereskedelmi forgalomban kapható diszkrét induktor 01005 hüvelykes (0,4 mm x 0,2 mm) méretű. Ezek olyan magasak, mint 56 nH, és néhány ohmos ellenállásuk van. Az ultrakis metrikus 0201-es csomagban lévő induktorokat 2014-ben adták ki, de láthatóan soha nem vezették be a piacra.
Az induktorok fizikai korlátait a dinamikus induktivitásnak nevezett jelenség segítségével oldották meg, amely a grafénból készült tekercsekben figyelhető meg. De még így is, ha kereskedelmileg életképes módon előállítható, akár 50%-kal is növekedhet. Végül a tekercs nem miniatürizálható jól. Ha azonban az áramkör magas frekvencián működik, ez nem feltétlenül probléma. Ha a jel a GHz-es tartományban van, néhány nH tekercs általában elegendő.
Ez elvezet minket egy másik dologhoz, amelyet az elmúlt évszázadban kicsinyítettek, de nem biztos, hogy azonnal észreveszi: a kommunikációhoz használt hullámhosszhoz. A korai rádióadások körülbelül 1 MHz-es középhullámú AM frekvenciát használtak, körülbelül 300 méteres hullámhosszal. A 100 MHz-es vagy 3 méteres középpontú FM frekvenciasáv az 1960-as évek környékén vált népszerűvé, ma pedig főleg 1 vagy 2 GHz (kb. 20 cm) körüli 4G kommunikációt használunk. A magasabb frekvenciák nagyobb információátviteli kapacitást jelentenek. A miniatürizálás miatt vannak olcsó, megbízható és energiatakarékos rádióink, amelyek ezeken a frekvenciákon működnek.
A zsugorodó hullámhosszok zsugoríthatják az antennákat, mert méretük közvetlenül összefügg az adáshoz vagy vételhez szükséges frekvenciával. A mai mobiltelefonoknak nincs szükségük hosszú kiálló antennákra, köszönhetően a dedikált GHz-es frekvenciájú kommunikációnak, amelyhez az antenna csak körülbelül egy centiméter hosszú. Ez az oka annak, hogy a legtöbb még FM-vevőt tartalmazó mobiltelefonon használat előtt be kell dugni a fülhallgatót: a rádiónak a fülhallgató vezetékét kell antennaként használnia, hogy kellő jelerősséget kapjon ezekből az egyméteres hullámokból.
Ami a miniatűr antennáinkhoz csatlakoztatott áramköröket illeti, amikor kisebbek, könnyebben elkészíthetők. Ez nem csak azért van így, mert a tranzisztorok gyorsabbak lettek, hanem azért is, mert a távvezeték-effektusok már nem jelentenek problémát. Röviden, ha egy vezeték hossza meghaladja a hullámhossz egytizedét, az áramkör tervezésekor figyelembe kell venni a fáziseltolódást a hossza mentén. 2,4 GHz-en ez azt jelenti, hogy csak egy centiméter vezeték érintette az áramkört; ha különálló alkatrészeket forrasztasz össze, az fejfájást okoz, de ha néhány négyzetmilliméterre rakod ki az áramkört, az nem probléma.
A Moore-törvény bukásának előrejelzése, vagy annak kimutatása, hogy ezek az előrejelzések újra és újra tévednek, visszatérő témává vált a tudományos és technológiai újságírásban. Továbbra is tény, hogy az Intel, a Samsung és a TSMC, a három versenytárs, akik még mindig a játék élvonalában vannak, továbbra is több funkciót tömörítenek négyzetmikrométerenként, és a jövőben több generációs továbbfejlesztett chip bevezetését tervezik. Bár az egyes lépésekben elért haladás nem olyan nagy, mint két évtizeddel ezelőtt, a tranzisztorok miniatürizálása folytatódik.
A diszkrét komponensek esetében azonban úgy tűnik, elértünk egy természetes határt: a kisebbítés nem javítja a teljesítményüket, és a jelenleg elérhető legkisebb komponensek kisebbek, mint a legtöbb használati eset megköveteli. Úgy tűnik, hogy nincs Moore-törvény a diszkrét eszközökre, de ha van Moore-törvény, akkor szívesen látnánk, hogy egy ember mennyire tudja kiélni az SMD forrasztási kihívást.
Mindig is szerettem volna lefotózni egy PTH ellenállást, amit a hetvenes években használtam, és rárakni egy SMD ellenállást, ahogy most is ki/be cserélem. Célom, hogy a testvéreim (egyik sem elektronikai termék) mennyit változtasson, beleértve a munkám részeit is, (a látásom romlása, a kezem remegése miatt).
Szeretem azt mondani, hogy együtt van vagy sem. Nagyon utálom a „fejlődj, fejlődj.” Néha jól működik az elrendezés, de már nem kaphat alkatrészeket. Mi a fene ez? . A jó koncepció az jó koncepció, és jobb, ha megtartjuk úgy, ahogy van, mintsem ok nélkül javítjuk. Gantt
"A tény továbbra is az, hogy a három vállalat, az Intel, a Samsung és a TSMC továbbra is versenyez a játék élvonalában, folyamatosan több funkciót kiszorítva négyzetmikrométerenként."
Az elektronikus alkatrészek nagyok és drágák. 1971-ben egy átlagos családnak csak néhány rádiója, sztereója és tévéje volt. 1976-ra megjelentek a számítógépek, számológépek, digitális órák és órák, amelyek kicsik és olcsók voltak a fogyasztók számára.
Némi miniatürizálás a tervezésből származik. A műveleti erősítők lehetővé teszik a gyrátorok használatát, amelyek bizonyos esetekben helyettesíthetik a nagy induktorokat. Az aktív szűrők az induktorokat is kiküszöbölik.
A nagyobb komponensek más dolgokat is elősegítenek: az áramkör minimalizálását, vagyis a lehető legkevesebb komponens felhasználását az áramkör működéséhez. Ma már nem érdekel minket annyira. Kell valami a jel megfordításához? Vegyünk egy műveleti erősítőt. Állami gép kell? Vegyél egy mpu-t. stb. Az alkatrészek ma nagyon kicsik, de valójában sok alkatrész van benne. Tehát alapvetően az áramkör mérete nő, és az energiafogyasztás nő. A jel invertálására használt tranzisztor kevesebb energiát használ ugyanazon feladat elvégzésére, mint egy műveleti erősítő. De a miniatürizálás gondoskodni fog az energiafelhasználásról. Csak az innováció más irányba ment el.
Valóban lemaradtál a csökkentett méret legnagyobb előnyeiről/okairól: a csomagok kevesebb parazitája és a megnövekedett teljesítménykezelés (ami ellentmondásosnak tűnik).
Gyakorlati szempontból, ha a funkció mérete eléri a körülbelül 0,25u-t, akkor eléri a GHz-es szintet, ekkor kezdi el a legnagyobb* hatást produkálni a nagy SOP csomag. A hosszú kötőhuzalok és azok a vezetékek végül megölnek.
Ezen a ponton a QFN/BGA csomagok teljesítménye jelentősen javult. Ezen túlmenően, ha így laposan szereli fel a csomagot, akkor *lényegesen* jobb hőteljesítményt és szabadon látható párnákat ér el.
Ezen kívül minden bizonnyal az Intel, a Samsung és a TSMC is fontos szerepet fog játszani, de az ASML sokkal fontosabb lehet ebben a listában. Természetesen ez nem vonatkozik a passzív hangra…
Nem csak a szilíciumköltségek csökkentéséről van szó a következő generációs folyamatcsomópontokon keresztül. Egyéb dolgok, például táskák. A kisebb csomagok kevesebb anyagot és wcsp-t vagy még kevesebbet igényelnek. Kisebb csomagok, kisebb PCB-k vagy modulok stb.
Gyakran látok néhány katalógusterméket, ahol az egyetlen mozgató tényező a költségcsökkentés. A MHz/memória mérete megegyezik, az SOC funkció és a pin-elrendezés ugyanaz. Új technológiákat alkalmazhatunk az energiafogyasztás csökkentése érdekében (általában ez nem ingyenes, tehát bizonyos versenyelőnyöknek kell lenniük, amelyek az ügyfelek számára fontosak)
A nagyméretű alkatrészek egyik előnye a sugárzásgátló anyag. Az apró tranzisztorok érzékenyebbek a kozmikus sugarak hatására, ebben a fontos helyzetben. Például az űrben, sőt a magaslati obszervatóriumokban.
Nem láttam komoly okot a sebesség növelésére. A jel sebessége körülbelül 8 hüvelyk nanomásodpercenként. Tehát pusztán a méret csökkentésével gyorsabb chipek érhetők el.
Érdemes ellenőrizni a saját matematikáját a csomagolási változtatások és a csökkentett ciklusok miatti terjedési késleltetés különbségének kiszámításával (1/gyakoriság). Ez a frakciók késésének/időszakának csökkentése. Azt fogja tapasztalni, hogy még csak kerekítési tényezőként sem jelenik meg.
Egy dolgot szeretnék hozzátenni, hogy sok IC-t, különösen a régebbi kiviteleket és az analóg chipeket, valójában nem csökkentik le, legalábbis belsőleg. Az automatizált gyártás fejlesztése miatt a csomagok kisebbek lettek, de ez azért van így, mert a DIP-csomagokban általában sok a szabad hely, nem pedig azért, mert a tranzisztorok stb. kisebbek lettek.
Amellett, hogy a robot kellően pontos legyen ahhoz, hogy ténylegesen kezelni tudja az apró alkatrészeket a nagy sebességű pick-and-place alkalmazásokban, egy másik probléma az apró alkatrészek megbízható hegesztése. Különösen akkor, ha a teljesítmény-/kapacitásigény miatt mégis nagyobb alkatrészekre van szüksége. Speciális forrasztópasztával a speciális lépcsős forrasztópaszta sablonok (kevés forrasztópasztát kell alkalmazni, ahol szükséges, de még mindig elegendő forrasztópasztát kell biztosítani a nagy alkatrészekhez) kezdtek nagyon drágává válni. Szóval szerintem fennsík van, és a további miniatürizálás az áramköri lap szintjén csak költséges és megvalósítható módszer. Ezen a ponton akár több integrációt is végezhet a szilícium lapka szintjén, és a diszkrét komponensek számát az abszolút minimumra egyszerűsítheti.
Ezt látni fogja a telefonon. 1995 körül vásároltam néhány korai mobiltelefont a garázsban, darabonként néhány dollárért. A legtöbb IC átmenő furatú. Felismerhető CPU és NE570 kompander, nagy újrafelhasználható IC.
Aztán végül néhány frissített kézi telefonhoz jutottam. Nagyon kevés alkatrész és szinte semmi sem ismerős. Kis számú IC-nél nemcsak a sűrűség nagyobb, hanem egy új kialakítást (lásd SDR) is alkalmaznak, amely kiküszöböli a korábban nélkülözhetetlen diszkrét komponensek nagy részét.
> (Vigyen fel kis mennyiségű forrasztópasztát, ahol szükséges, de továbbra is biztosítson elegendő forrasztópasztát a nagy alkatrészekhez)
Hé, elképzeltem a „3D/Wave” sablont a probléma megoldására: vékonyabb ott, ahol a legkisebb alkatrészek vannak, és vastagabb ott, ahol az áramkör van.
Manapság az SMT komponensek nagyon kicsik, valódi diszkrét komponensekkel (nem 74xx és egyéb szeméttel) lehet saját CPU-t tervezni és nyomtatni a NYÁK-ra. Szórja meg LED-del, valós időben láthatja a működését.
Az évek során minden bizonnyal nagyra értékelem az összetett és kisméretű alkatrészek gyors fejlődését. Óriási előrelépést biztosítanak, ugyanakkor új összetettséget adnak a prototípusgyártás iteratív folyamatához.
Az analóg áramkörök beállítási és szimulációs sebessége sokkal gyorsabb, mint amit a laboratóriumban csinál. A digitális áramkörök frekvenciájának növekedésével a PCB az összeállítás részévé válik. Például távvezetéki hatások, terjedési késleltetés. Bármely élvonalbeli technológia prototípusának elkészítését a legjobb a tervezés helyes elkészítésére fordítani, nem pedig a laboratóriumi módosításokra.
Ami a hobbi tárgyakat illeti, értékelés. Az áramköri lapok és modulok megoldást jelentenek a zsugorodó alkatrészekre és a modulok előzetes tesztelésére.
Emiatt a dolgok elveszíthetik a „szórakozást”, de úgy gondolom, hogy a projekt első alkalommal történő működésbe hozása a munka vagy a hobbi miatt értelmesebb lehet.
Egyes terveket átmenőlyukról SMD-re alakítottam át. Készítsen olcsóbb termékeket, de nem szórakoztató prototípusokat kézzel építeni. Egy apró hiba: a „párhuzamos hely” szót „párhuzamos lemez”-ként kell értelmezni.
Nem. Miután egy rendszer győz, a régészeket továbbra is összezavarják a leletek. Ki tudja, talán a 23. században a Bolygószövetség új rendszert fogad el…
Nem tudtam jobban egyetérteni. Mekkora a 0603 mérete? Természetesen a 0603-as birodalmi méretként való tartása és a 0603-as metrikus 0604-es (vagy 0602-es) „nevezése” nem olyan nehéz, még akkor sem, ha ez technikailag hibás (vagyis a tényleges illeszkedési méret – nem úgy). Szigorú), de legalább mindenki tudja, hogy milyen technológiáról van szó (metrikus/imperial)!
"Általánosságban elmondható, hogy a passzív alkatrészek, mint például az ellenállások, kondenzátorok és induktorok nem javulnak, ha kisebbre csökkentik őket."