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 będą z czasem zmniejszać się. Zaczęliśmy oczekiwać, że nowa generacja chipów o mniejszych rozmiarach będzie pojawiać się przy normalnej prędkości, ale jaki jest sens zmniejszania rozmiarów? Czy mniejsze zawsze oznacza lepsze?
W ubiegłym stuleciu inżynieria elektroniczna poczyniła ogromne postępy. W latach dwudziestych XX wieku 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 do zasilania całego urządzenia. Dziś możesz słuchać kilkunastu usług strumieniowego przesyłania muzyki na urządzeniu w kieszeni i możesz zrobić więcej. Jednak miniaturyzacja nie służy tylko przenośności: jest absolutnie konieczna, aby osiągnąć wydajność, jakiej oczekujemy dzisiaj od naszych urządzeń.
Oczywistą zaletą mniejszych komponentów jest to, że pozwalają 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 64-bitowy procesor jest osiem razy większa niż w 8-bitowym procesorze pracującym z tą samą częstotliwością zegara. Wymaga jednak również osiem razy większej liczby komponentów: rejestrów, sumatorów, szyn itp., wszystkie są osiem razy większe Potrzebujesz więc albo chipa ośmiokrotnie większego, albo tranzystora ośmiokrotnie mniejszego.
To samo dotyczy układów pamięci: tworząc mniejsze tranzystory, uzyskuje się więcej miejsca do przechowywania w tej samej objętości. Piksele w większości współczesnych wyświetlaczy są wykonane z tranzystorów cienkowarstwowych, dlatego warto je zmniejszać i osiągać wyższe rozdzielczości. Jednakże , im mniejszy tranzystor, tym lepiej, a 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 do siebie. Wszystkie te efekty zużywają energię i spowalniają prędkość tranzystora. Szczególnie kłopotliwe są pojemności pasożytnicze: muszą być ładowane i rozładowywane przy każdym włączeniu lub wyłączeniu tranzystorów, 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.
Kiedy zmniejszasz rozmiar 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 sprawi, że będą one szybsze. Ale produkty elektroniczne są bardziej niż tylko tranzystory. Jak działają inne komponenty, gdy zmniejszysz skalę?
Ogólnie rzecz biorąc, elementy pasywne, takie jak rezystory, kondensatory i cewki indukcyjne, nie ulegną poprawie, gdy zmniejszą się: pod wieloma względami staną się gorsze. Dlatego miniaturyzacja tych elementów polega głównie na umożliwieniu ich skompresowania 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 to zrobić po prostu zmniejsz długość i przekrój, a otrzymasz fizycznie mniejszy rezystor, ale nadal mający tę samą rezystancję. Jedyną wadą jest to, że przy rozpraszaniu tej samej mocy 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, to metryczny rozmiar 03015 (0,3 mm x 0,15 mm). Ich moc znamionowa wynosi tylko 20 mW i jest używany tylko w obwodach, które rozpraszają bardzo mało mocy i mają bardzo ograniczone rozmiary. Mniejszy metryczny 0201 opakowanie (0,2 mm x 0,1 mm) zostało wypuszczone, ale nie zostało jeszcze wprowadzone do produkcji. Ale nawet jeśli pojawiają się w katalogu producenta, nie spodziewaj się, że będą wszędzie: większość robotów typu pick and place nie jest wystarczająco dokładna sobie z nimi poradzić, więc mogą to być nadal produkty niszowe.
Kondensatory można również zmniejszać, ale zmniejszy to ich pojemność. Wzór na obliczenie pojemności kondensatora bocznikowego jest następujący: gdzie A to powierzchnia płytki, d to odległość między nimi, a ε to stała dielektryczna (właściwość materiału pośredniego). Jeśli kondensator (w zasadzie płaskie urządzenie) jest zminiaturyzowany, powierzchnię należy zmniejszyć, zmniejszając w ten sposób pojemność. Jeśli nadal chcesz spakować dużo nafary w małej objętości, jedyną opcją polega na ułożeniu kilku warstw razem. Dzięki postępowi materiałów i produkcji, który umożliwił zastosowanie także cienkich folii (małe d) i specjalnych dielektryków (o większym ε), rozmiar kondensatorów znacznie się zmniejszył w ciągu ostatnich kilku dekad.
Najmniejszy dostępny obecnie kondensator znajduje się w bardzo małej metrycznej obudowie 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 te obudowy są bardzo małe i wymagają zaawansowanego sprzętu do ich obsługi, co ogranicza ich powszechne przyjęcie.
W przypadku cewek historia jest nieco skomplikowana. Indukcyjność prostej cewki jest określona wzorem, gdzie N to liczba zwojów, A to pole przekroju poprzecznego cewki, l to jej długość, a μ to stała materiału (przepuszczalność). Jeśli wszystkie wymiary zostaną zmniejszone o połowę, indukcyjność również zmniejszy się o połowę. Jednakże opór drutu pozostaje taki sam: dzieje się tak, ponieważ długość i przekrój drutu zmniejszają się do jedną czwartą 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 calowy 01005 (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 r., ale najwyraźniej nigdy nie zostały wprowadzone na rynek.
Fizyczne ograniczenia cewek rozwiązano za pomocą zjawiska zwanego indukcyjnością dynamiczną, które można zaobserwować w cewkach wykonanych z grafenu. Ale mimo to, jeśli uda się go wyprodukować w sposób komercyjnie opłacalny, może wzrosnąć o 50%. Ostatecznie cewki nie można dobrze zminiaturyzować. Jeśli jednak obwód pracuje na wysokich częstotliwościach, nie musi to koniecznie stanowić problemu. Jeśli sygnał mieści się w zakresie GHz, zwykle wystarcza 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 wynoszącą 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 długich wystających anten, dzięki dedykowanej komunikacji na częstotliwościach GHz, dla których antena musi mieć tylko około jednego centymetr długości. 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, 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, przy projektowaniu obwodu należy uwzględnić przesunięcie fazowe na jego długości. Przy częstotliwości 2,4 GHz oznacza to, że tylko jeden centymetr drutu 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 się raz po raz mylą, stało się powracającym tematem w dziennikarstwie naukowo-technologicznym. Faktem pozostaje, że Intel, Samsung i TSMC, czyli trzej wciąż pozostający w czołówce konkurenci gry, w dalszym ciągu kompresują więcej funkcji na mikrometr kwadratowy i planują wprowadzenie w przyszłości kilku generacji ulepszonych chipów. Mimo że postęp, jaki poczynili na każdym etapie, może nie być tak duży jak dwie dekady temu, miniaturyzacja tranzystorów kontynuuje.
Jednak w przypadku komponentów dyskretnych 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 istnieje prawo Moore'a, 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 go wymieniam. Moim celem jest sprawienie, aby moi bracia i siostry (żaden z nich nie był produkty elektroniczne), jak wiele się zmienia, w tym widzę nawet fragmenty mojej pracy (w miarę pogarszania się mojego wzroku, moje ręce stają się coraz gorsze. Drżę).
Lubię mówić: czy to razem, czy nie. Naprawdę nienawidzę „poprawić, stać się lepszym”. Czasami układ działa dobrze, ale nie można już dostać części. Co to do cholery jest?. Dobra koncepcja to dobra koncepcja i lepiej ją pozostawić tak, jak jest, zamiast ją ulepszać bez powodu.Gantt
„Faktem pozostaje, że trzy firmy: Intel, Samsung i TSMC nadal konkurują w czołówce tej gry, stale wyciskając więcej funkcji na mikrometr kwadratowy” –
Komponenty elektroniczne są duże i drogie. W 1971 roku przeciętna rodzina miała tylko 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 również eliminują cewki indukcyjne.
Większe komponenty sprzyjają innym rzeczom: minimalizacji obwodu, czyli próbie użycia jak najmniejszej liczby komponentów, aby obwód działał. Dziś nie przejmujemy się tym zbytnio. Potrzebujesz czegoś, aby odwrócić sygnał? Weź wzmacniacz operacyjny. Czy potrzebujesz maszyny stanu? Weź mpu itp. Dzisiejsze komponenty są naprawdę małe, ale w środku znajduje się wiele komponentów. Zatem zasadniczo zwiększa się rozmiar obwodu i wzrasta zużycie energii. Tranzystor używany do odwracania sygnału zużywa mniej energii do spełnią tę samą funkcję co 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 elementu 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.
Poza tym Intel, Samsung i TSMC z pewnością odegrają ważną rolę, ale ASML może być na tej liście znacznie ważniejszy. Oczywiście może to nie dotyczyć głosu pasywnego…
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 spotykam produkty katalogowe, których jedynym czynnikiem decydującym 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 pewne przewagi konkurencyjne, na których zależy klientom)
Jedną z zalet dużych komponentów jest materiał antyradiacyjny. Małe tranzystory są w tej ważnej sytuacji bardziej podatne na działanie promieni kosmicznych. Na przykład w kosmosie, a nawet w obserwatoriach na dużych wysokościach.
Nie widziałem głównego powodu wzrostu prędkości. Szybkość sygnału wynosi około 8 cali na nanosekundę. Zatem samo zmniejszenie rozmiaru umożliwia szybsze chipy.
Możesz sprawdzić własną matematykę, obliczając różnicę w opóźnieniu propagacji wynikającym ze zmian opakowania i zmniejszonych cykli (1/częstotliwość). Oznacza to zmniejszenie opóźnienia/okresu frakcji. Przekonasz się, że nie pojawia się to nawet jako współczynnik zaokrąglenia.
Jedną rzecz, którą chcę dodać, to to, że wiele układów scalonych, szczególnie starsze konstrukcje i chipy analogowe, tak naprawdę nie jest zmniejszonych, przynajmniej wewnętrznie. Ze względu na ulepszenia w zautomatyzowanej produkcji, obudowy stały się mniejsze, ale dzieje się tak dlatego, że pakiety DIP zwykle mają dużo pozostała przestrzeń w środku, nie dlatego, że tranzystory itp. stały się mniejsze.
Oprócz problemu związanego z zapewnieniem robota wystarczająco dokładnego, aby faktycznie obsługiwał małe elementy w zastosowaniach wymagających szybkiego podnoszenia i umieszczania, innym problemem jest niezawodne spawanie małych elementów. Zwłaszcza gdy nadal potrzebne są większe komponenty ze względu na wymagania dotyczące mocy/wydajności. specjalna pasta lutownicza, specjalne szablony pasty lutowniczej krokowej (w razie potrzeby nałóż niewielką ilość pasty lutowniczej, ale nadal zapewniaj wystarczającą ilość pasty lutowniczej do dużych elementów) zaczęły być bardzo drogie. Dlatego myślę, że następuje plateau i dalsza miniaturyzacja obwodu na poziomie płytki 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 wyprzedaży garażowej po kilka dolarów za sztukę. Większość układów scalonych to układy przewlekane. Rozpoznawalny procesor i wzmacniacz 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 wyższa, ale także przyjęto nowy projekt (patrz SDR), który eliminuje większość dyskretnych komponentów, które wcześniej były 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.
W dzisiejszych czasach komponenty SMT są bardzo małe, można użyć naprawdę dyskretnych komponentów (a nie 74xx i innych śmieci) do zaprojektowania własnego procesora i wydrukowania 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 one 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 wpływ na linię transmisyjną, opóźnienie propagacji. Prototypowanie dowolnego cięcia- Najnowocześniejszą technologię najlepiej przeznaczyć na prawidłowe ukończenie projektu, zamiast na wprowadzanie poprawek w laboratorium.
Jeśli chodzi o przedmioty hobbystyczne, ocena. Płytki drukowane i moduły są rozwiązaniem dla elementów kurczących 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.
Przerabiałem kilka projektów z przewlekanych na SMD. Robię tańsze produkty, ale ręczne budowanie prototypów nie jest zabawne. Jeden mały błąd: „miejsce równoległe” należy czytać jako „płytę równoległą”.
Nie. Kiedy jakiś system zwycięży, archeolodzy nadal będą zdezorientowani jego odkryciami. Kto wie, może w XXII wieku Sojusz Planetarny przyjmie nowy system…
Nie mogę się z tym zgodzić. Jaki jest rozmiar 0603? Oczywiście utrzymanie 0603 jako rozmiaru imperialnego i „nadanie” 0603 rozmiaru metrycznego 0604 (lub 0602) nie jest takie trudne, nawet jeśli może być niepoprawne technicznie (tj.: w każdym razie rzeczywisty pasujący rozmiar - 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”.