aktualności

Być może po prawie Ohma drugim najsłynniejszym prawem w elektronice jest prawo Moore'a: liczba tranzystorów, które można wyprodukować w układzie scalonym, podwaja się mniej więcej co dwa lata. Ponieważ fizyczny rozmiar chipa pozostaje mniej więcej taki sam, oznacza to, że poszczególne tranzystory z czasem będą się zmniejszać. Zaczęliśmy oczekiwać, że nowa generacja chipów o mniejszych rozmiarach będzie pojawiać się z normalną szybkością, ale jaki jest sens zmniejszania ich? Czy mniejsze zawsze znaczy lepsze?
W ubiegłym stuleciu inżynieria elektroniczna poczyniła ogromne postępy. W latach dwudziestych najbardziej zaawansowane radia AM składały się z kilku lamp próżniowych, kilku ogromnych cewek indukcyjnych, kondensatorów i rezystorów, kilkudziesięciu metrów przewodów używanych jako anteny oraz dużego zestawu baterii zasilających całe urządzenie. Dziś możesz słuchać kilkunastu usług strumieniowego przesyłania muzyki na urządzeniu w kieszeni i możesz więcej. Ale miniaturyzacja nie służy tylko przenośności: jest absolutnie konieczna, aby osiągnąć wydajność, jakiej oczekujemy dzisiaj od naszych urządzeń.
Jedną oczywistą zaletą mniejszych komponentów jest to, że pozwalają one na umieszczenie większej funkcjonalności w tej samej objętości. Jest to szczególnie ważne w przypadku obwodów cyfrowych: więcej komponentów oznacza, że ​​możesz wykonać więcej przetwarzania w tym samym czasie. Na przykład teoretycznie ilość informacji przetwarzanych przez procesor 64-bitowy jest ośmiokrotnie większa niż w przypadku procesora 8-bitowego pracującego z tą samą częstotliwością zegara. Ale wymaga również osiem razy większej liczby komponentów: rejestry, sumatory, szyny itp. Są osiem razy większe. Zatem albo potrzebujesz chipa ośmiokrotnie większego, albo tranzystora ośmiokrotnie mniejszego.
To samo dotyczy układów pamięci: tworząc mniejsze tranzystory, uzyskujesz więcej miejsca do przechowywania w tej samej objętości. Piksele w większości współczesnych wyświetlaczy składają się z tranzystorów cienkowarstwowych, dlatego warto je zmniejszać i osiągać wyższe rozdzielczości. Jednak im mniejszy tranzystor, tym lepiej, i jest jeszcze jeden istotny powód: ich wydajność jest znacznie poprawiona. Ale dlaczego dokładnie?
Kiedykolwiek zrobisz tranzystor, otrzymasz za darmo dodatkowe komponenty. Każdy zacisk ma rezystor połączony szeregowo. Każdy obiekt przewodzący prąd ma również indukcyjność własną. Wreszcie istnieje pojemność między dowolnymi dwoma przewodnikami skierowanymi ku sobie. Wszystkie te efekty zużywają energię i spowalniają prędkość tranzystora. Szczególnie kłopotliwe są pojemności pasożytnicze: tranzystory muszą być ładowane i rozładowywane przy każdym włączeniu lub wyłączeniu, co wymaga czasu i prądu z zasilacza.
Pojemność między dwoma przewodnikami jest funkcją ich rozmiaru fizycznego: mniejszy rozmiar oznacza mniejszą pojemność. A ponieważ mniejsze kondensatory oznaczają wyższe prędkości i mniejszą moc, mniejsze tranzystory mogą pracować z wyższymi częstotliwościami zegara i rozpraszać przy tym mniej ciepła.
W miarę zmniejszania się rozmiarów tranzystorów zmienia się nie tylko pojemność: istnieje wiele dziwnych efektów mechaniki kwantowej, które nie są oczywiste w przypadku większych urządzeń. Jednak ogólnie rzecz biorąc, zmniejszenie tranzystorów spowoduje, że będą one szybsze. Ale produkty elektroniczne to coś więcej niż tylko tranzystory. Kiedy skalujesz inne komponenty, jak one działają?
Ogólnie rzecz biorąc, elementy pasywne, takie jak rezystory, kondensatory i cewki indukcyjne, nie ulegną poprawie, gdy zmniejszą się: pod wieloma względami będą się pogarszać. Dlatego miniaturyzacja tych elementów polega głównie na możliwości skompresowania ich do mniejszej objętości, oszczędzając w ten sposób miejsce na PCB.
Rozmiar rezystora można zmniejszyć bez powodowania zbyt dużych strat. Opór kawałka materiału wyraża się wzorem, gdzie l to długość, A to pole przekroju poprzecznego, a ρ to rezystywność materiału. Można po prostu zmniejszyć długość i przekrój, uzyskując fizycznie mniejszy rezystor, ale nadal mający tę samą rezystancję. Jedyną wadą jest to, że rozpraszając tę ​​samą moc, fizycznie mniejsze rezystory będą generować więcej ciepła niż większe rezystory. Dlatego małe rezystory można stosować tylko w obwodach małej mocy. Ta tabela pokazuje, jak maksymalna moc znamionowa rezystorów SMD zmniejsza się wraz ze zmniejszaniem się ich rozmiaru.
Obecnie najmniejszy rezystor, jaki można kupić, ma rozmiar metryczny 03015 (0,3 mm x 0,15 mm). Ich moc znamionowa wynosi tylko 20 mW i są używane wyłącznie w obwodach, które rozpraszają bardzo mało mocy i mają bardzo ograniczone rozmiary. Mniejsze opakowanie metryczne 0201 (0,2 mm x 0,1 mm) zostało wypuszczone, ale nie zostało jeszcze wprowadzone do produkcji. Ale nawet jeśli pojawią się w katalogu producenta, nie należy oczekiwać, że będą wszędzie: większość robotów typu pick and place nie jest wystarczająco dokładna, aby sobie z nimi poradzić, więc nadal mogą to być produkty niszowe.
Kondensatory można również zmniejszyć, ale spowoduje to zmniejszenie ich pojemności. Wzór na obliczenie pojemności kondensatora bocznikowego to: gdzie A to powierzchnia płytki, d to odległość między nimi, a ε to stała dielektryczna (właściwość materiału pośredniego). Jeśli kondensator (w zasadzie urządzenie płaskie) jest zminiaturyzowany, należy zmniejszyć jego powierzchnię, zmniejszając w ten sposób pojemność. Jeśli nadal chcesz spakować dużo nafary w małej objętości, jedyną opcją jest ułożenie kilku warstw razem. Ze względu na postęp w materiałach i produkcji, który umożliwił wprowadzenie cienkich warstw (małe d) i specjalnych dielektryków (o większym ε), w ciągu ostatnich kilku dekad rozmiary kondensatorów znacznie się zmniejszyły.
Najmniejszy dostępny obecnie kondensator znajduje się w bardzo małej obudowie metrycznej 0201: tylko 0,25 mm x 0,125 mm. Ich pojemność jest ograniczona do wciąż użytecznych 100 nF, a maksymalne napięcie robocze wynosi 6,3 V. Ponadto pakiety te są bardzo małe i wymagają zaawansowanego sprzętu do ich obsługi, co ogranicza ich powszechne zastosowanie.
W przypadku cewek historia jest nieco skomplikowana. Indukcyjność prostej cewki jest określona przez, gdzie N to liczba zwojów, A to pole przekroju poprzecznego cewki, l to jej długość, a μ to stała materiałowa (przepuszczalność). Jeśli wszystkie wymiary zostaną zmniejszone o połowę, indukcyjność również zmniejszy się o połowę. Jednak opór drutu pozostaje taki sam: dzieje się tak, ponieważ długość i przekrój drutu zmniejszają się do jednej czwartej jego pierwotnej wartości. Oznacza to, że uzyskasz tę samą rezystancję w połowie indukcyjności, więc zmniejszysz o połowę współczynnik jakości (Q) cewki.
Najmniejsza dostępna na rynku dyskretna cewka indukcyjna ma rozmiar 01005 w calach (0,4 mm x 0,2 mm). Mają one aż 56 nH i rezystancję kilku omów. Cewki indukcyjne w ultramałej obudowie metrycznej 0201 zostały wypuszczone na rynek w 2014 roku, jednak najwyraźniej nigdy nie zostały wprowadzone na rynek.
Fizyczne ograniczenia cewek rozwiązano wykorzystując zjawisko zwane indukcyjnością dynamiczną, które można zaobserwować w cewkach wykonanych z grafenu. Ale mimo to, jeśli uda się go wyprodukować w sposób opłacalny z komercyjnego punktu widzenia, może on wzrosnąć o 50%. Wreszcie cewki nie można dobrze zminiaturyzować. Jeśli jednak obwód pracuje na wysokich częstotliwościach, niekoniecznie stanowi to problem. Jeśli sygnał mieści się w zakresie GHz, zwykle wystarczy kilka cewek nH.
To prowadzi nas do kolejnej rzeczy, która została zminiaturyzowana w ubiegłym stuleciu, ale której możesz nie zauważyć od razu: długości fali, której używamy do komunikacji. Wczesne audycje radiowe wykorzystywały częstotliwość fal średnich AM około 1 MHz i długość fali około 300 metrów. Pasmo częstotliwości FM skupione wokół 100 MHz lub 3 metrów stało się popularne około lat 60. XX wieku, a obecnie używamy głównie komunikacji 4G w paśmie 1 lub 2 GHz (około 20 cm). Wyższe częstotliwości oznaczają większą zdolność transmisji informacji. To właśnie dzięki miniaturyzacji mamy tanie, niezawodne i energooszczędne radia pracujące na tych częstotliwościach.
Kurczące się długości fal mogą zmniejszać anteny, ponieważ ich rozmiar jest bezpośrednio powiązany z częstotliwością, jaką muszą nadawać lub odbierać. Dzisiejsze telefony komórkowe nie potrzebują długo wystających anten, dzięki dedykowanej komunikacji na częstotliwościach GHz, w przypadku których antena musi mieć tylko około jednego centymetra długości. Właśnie dlatego większość telefonów komórkowych, które nadal zawierają odbiorniki FM, wymaga podłączenia słuchawek przed użyciem: radio musi wykorzystywać przewód słuchawek jako antenę, aby uzyskać wystarczającą siłę sygnału z fal o długości jednego metra.
Jeśli chodzi o obwody podłączone do naszych miniaturowych anten, to gdy są mniejsze, w rzeczywistości stają się łatwiejsze do wykonania. Dzieje się tak nie tylko dlatego, że tranzystory stały się szybsze, ale także dlatego, że efekty w linii przesyłowej nie stanowią już problemu. Krótko mówiąc, gdy długość drutu przekracza jedną dziesiątą długości fali, podczas projektowania obwodu należy uwzględnić przesunięcie fazowe na jego długości. Przy częstotliwości 2,4 GHz oznacza to, że tylko jeden centymetr przewodu miał wpływ na obwód; jeśli lutujesz ze sobą dyskretne elementy, jest to ból głowy, ale jeśli rozłożysz obwód na kilku milimetrach kwadratowych, nie stanowi to problemu.
Przewidywanie upadku prawa Moore'a lub pokazywanie, że te przewidywania są błędne, stało się powracającym tematem w dziennikarstwie naukowo-technicznym. Faktem jest, że Intel, Samsung i TSMC, trzej konkurenci, którzy wciąż są w czołówce, nadal kompresują więcej funkcji na mikrometr kwadratowy i planują wprowadzić w przyszłości kilka generacji ulepszonych chipów. Chociaż postęp, jaki poczyniono na każdym etapie, może nie być tak duży jak dwie dekady temu, miniaturyzacja tranzystorów postępuje.
Jednak w przypadku dyskretnych komponentów wydaje się, że osiągnęliśmy naturalną granicę: zmniejszenie ich nie poprawia ich wydajności, a najmniejsze obecnie dostępne komponenty są mniejsze, niż wymaga tego większość przypadków użycia. Wygląda na to, że nie ma prawa Moore'a dla urządzeń dyskretnych, ale jeśli prawo Moore'a istnieje, chcielibyśmy zobaczyć, jak bardzo jedna osoba może popchnąć wyzwanie lutowania SMD.
Zawsze chciałem zrobić zdjęcie rezystora PTH, którego używałem w latach 70. XX wieku, i umieścić na nim rezystor SMD, tak jak teraz zamieniam. Moim celem jest, aby moi bracia i siostry (żaden z nich nie jest produktem elektronicznym) jak bardzo się zmienią, łącznie z tym, że będę mógł nawet zobaczyć fragmenty mojej pracy (w miarę pogarszania się wzroku, ręce coraz bardziej drżą).
Lubię mówić: czy to razem, czy nie. Naprawdę nienawidzę „poprawić, stać się lepszym”. Czasami układ działa dobrze, ale nie można już uzyskać części. Co to do cholery jest? . Dobra koncepcja to dobra koncepcja i lepiej ją pozostawić taką, jaka jest, niż ją ulepszać bez powodu. Gantta
„Faktem pozostaje, że trzy firmy: Intel, Samsung i TSMC nadal konkurują w czołówce tej gry, stale wyciskając więcej funkcji na mikrometr kwadratowy” –
Elementy elektroniczne są duże i drogie. W 1971 roku przeciętna rodzina miała zaledwie kilka radioodbiorników, sprzęt stereo i telewizor. Do 1976 roku na rynku pojawiły się komputery, kalkulatory, zegary i zegarki cyfrowe, które były małe i niedrogie dla konsumentów.
Pewna miniaturyzacja wynika z projektu. Wzmacniacze operacyjne pozwalają na zastosowanie żyratorów, które w niektórych przypadkach mogą zastąpić duże cewki indukcyjne. Aktywne filtry eliminują również cewki indukcyjne.
Większe komponenty sprzyjają innym rzeczom: minimalizacji obwodu, czyli próbie użycia jak najmniejszej liczby komponentów, aby obwód działał. Dziś nie przejmujemy się tym tak bardzo. Potrzebujesz czegoś do odwrócenia sygnału? Weź wzmacniacz operacyjny. Czy potrzebujesz maszyny stanu? Weź mpu. itp. Dzisiejsze komponenty są naprawdę małe, ale w rzeczywistości jest ich wiele. Zasadniczo zwiększa się rozmiar obwodu i zwiększa się zużycie energii. Tranzystor używany do odwracania sygnału zużywa mniej energii do wykonania tego samego zadania niż wzmacniacz operacyjny. Ale z drugiej strony miniaturyzacja zajmie się wykorzystaniem mocy. Tyle, że innowacja poszła w innym kierunku.
Naprawdę przegapiłeś niektóre z największych korzyści/przyczyn zmniejszonego rozmiaru: zmniejszone pasożyty pakietu i zwiększoną obsługę mocy (co wydaje się sprzeczne z intuicją).
Z praktycznego punktu widzenia, gdy rozmiar funkcji osiągnie około 0,25u, osiągniesz poziom GHz, kiedy to duży pakiet SOP zacznie dawać największy* efekt. Długie przewody łączące i te przewody w końcu cię zabiją.
W tym momencie pakiety QFN/BGA znacznie poprawiły się pod względem wydajności. Ponadto, gdy zamontujesz pakiet na płasko w ten sposób, uzyskasz *znacznie* lepszą wydajność cieplną i odsłonięte podkładki.
Ponadto Intel, Samsung i TSMC z pewnością odegrają ważną rolę, ale ASML może być na tej liście znacznie ważniejszy. Oczywiście może to nie dotyczyć strony biernej…
Nie chodzi tylko o zmniejszenie kosztów krzemu poprzez węzły technologiczne nowej generacji. Inne rzeczy, takie jak torby. Mniejsze opakowania wymagają mniej materiałów i wcsp lub nawet mniej. Mniejsze opakowania, mniejsze płytki PCB lub moduły itp.
Często widzę produkty katalogowe, których jedynym czynnikiem napędzającym jest redukcja kosztów. MHz/rozmiar pamięci jest taki sam, funkcja SOC i układ pinów są takie same. Możemy zastosować nowe technologie w celu zmniejszenia zużycia energii (zwykle nie jest to darmowe, więc muszą istnieć jakieś przewagi konkurencyjne, na których zależy klientom)
Jedną z zalet dużych komponentów jest materiał antyradiacyjny. W tej ważnej sytuacji małe tranzystory są bardziej podatne na działanie promieni kosmicznych. Na przykład w kosmosie, a nawet w obserwatoriach na dużych wysokościach.
Nie widziałem większego powodu wzrostu prędkości. Prędkość sygnału wynosi około 8 cali na nanosekundę. Zatem samo zmniejszenie rozmiaru umożliwia szybsze chipowanie.
Możesz sprawdzić własną matematykę, obliczając różnicę w opóźnieniu propagacji wynikającym ze zmian opakowania i zmniejszonych cykli (1/częstotliwość). Ma to na celu zmniejszenie opóźnienia/okresu frakcji. Przekonasz się, że nie pojawia się on nawet jako współczynnik zaokrąglenia.
Jedną rzecz, którą chcę dodać, jest to, że wiele układów scalonych, szczególnie starsze konstrukcje i chipy analogowe, tak naprawdę nie zostało zmniejszonych, przynajmniej wewnętrznie. Dzięki udoskonaleniom w zautomatyzowanej produkcji opakowania stały się mniejsze, ale dzieje się tak dlatego, że pakiety DIP zwykle mają w środku dużo wolnego miejsca, a nie dlatego, że tranzystory itp. stały się mniejsze.
Oprócz problemu związanego z zapewnieniem robota wystarczająco dokładnego, aby mógł obsługiwać drobne elementy w zastosowaniach wymagających szybkiego podnoszenia i umieszczania, kolejnym problemem jest niezawodne spawanie małych elementów. Zwłaszcza, gdy nadal potrzebujesz większych komponentów ze względu na wymagania dotyczące mocy/pojemności. Używając specjalnej pasty lutowniczej, specjalne szablony pasty lutowniczej krokowej (nałóż niewielką ilość pasty lutowniczej w razie potrzeby, ale nadal zapewniają wystarczającą ilość pasty lutowniczej dla dużych elementów) zaczęły stać się bardzo drogie. Myślę więc, że mamy do czynienia z plateau, a dalsza miniaturyzacja na poziomie płytki drukowanej jest po prostu kosztownym i wykonalnym sposobem. W tym momencie równie dobrze można przeprowadzić większą integrację na poziomie płytki krzemowej i uprościć liczbę dyskretnych komponentów do absolutnego minimum.
Zobaczysz to na swoim telefonie. Około 1995 roku kupiłem kilka wczesnych telefonów komórkowych na wyprzedażach garażowych po kilka dolarów za sztukę. Większość układów scalonych to układy przelotowe. Rozpoznawalny procesor i kompander NE570, duży układ scalony wielokrotnego użytku.
Potem skończyłem z kilkoma zaktualizowanymi telefonami przenośnymi. Jest bardzo mało komponentów i prawie nic znajomego. W niewielkiej liczbie układów scalonych nie tylko gęstość jest większa, ale także przyjęto nową konstrukcję (patrz SDR), która eliminuje większość dyskretnych elementów, które były wcześniej niezbędne.
> (W razie potrzeby nałóż niewielką ilość pasty lutowniczej, ale nadal zapewniaj wystarczającą ilość pasty lutowniczej dla dużych elementów)
Hej, wymyśliłem szablon „3D/Fala”, który rozwiąże ten problem: cieńszy tam, gdzie znajdują się najmniejsze elementy i grubszy tam, gdzie znajduje się obwód zasilania.
Obecnie komponenty SMT są bardzo małe, można użyć naprawdę dyskretnych komponentów (a nie 74xx i innych śmieci), aby zaprojektować własny procesor i wydrukować go na PCB. Posyp go diodą LED, możesz zobaczyć, jak działa w czasie rzeczywistym.
Na przestrzeni lat z pewnością doceniam szybki rozwój skomplikowanych i małych komponentów. Zapewniają ogromny postęp, ale jednocześnie dodają nowy poziom złożoności do iteracyjnego procesu prototypowania.
Szybkość regulacji i symulacji obwodów analogowych jest znacznie większa niż w laboratorium. Wraz ze wzrostem częstotliwości obwodów cyfrowych płytka drukowana staje się częścią zespołu. Na przykład efekty linii przesyłowych, opóźnienie propagacji. Prototypowanie najnowocześniejszej technologii najlepiej jest poświęcić na prawidłowe ukończenie projektu, niż na wprowadzanie poprawek w laboratorium.
Jeśli chodzi o przedmioty hobbystyczne, ocena. Płytki drukowane i moduły są rozwiązaniem dla elementów obkurczających się i modułów do wstępnego testowania.
Może to sprawić, że wszystko straci „zabawę”, ale myślę, że rozpoczęcie projektu po raz pierwszy może mieć większe znaczenie ze względu na pracę lub hobby.
Konwertowałem niektóre projekty z otworów przelotowych na SMD. Twórz tańsze produkty, ale ręczne budowanie prototypów nie jest zabawne. Jeden mały błąd: „miejsce równoległe” należy czytać jako „płytę równoległą”.
Nie. Gdy system zwycięży, archeolodzy nadal będą zdezorientowani jego odkryciami. Kto wie, może w XXII wieku Sojusz Planetarny przyjmie nowy system…
Nie mogłem się bardziej zgodzić. Jaki jest rozmiar 0603? Oczywiście utrzymanie 0603 jako rozmiaru imperialnego i „nazywanie” metrycznego 0603 rozmiarem 0604 (lub 0602) nie jest takie trudne, nawet jeśli może to być technicznie niepoprawne (tj. rzeczywisty rozmiar pasujący - nie w ten sposób). Ścisłe), ale przynajmniej wszyscy będą wiedzieć, o jakiej technologii mówisz (metryczna/imperialna)!
„Ogólnie rzecz biorąc, elementy pasywne, takie jak rezystory, kondensatory i cewki indukcyjne, nie poprawią się, jeśli je zmniejszysz”.