správy

Možno po Ohmovom zákone je druhým najznámejším zákonom v elektronike Mooreov zákon: Počet tranzistorov, ktoré je možné vyrobiť na integrovanom obvode, sa zdvojnásobí každé dva roky. Keďže fyzická veľkosť čipu zostáva približne rovnaká, znamená to, že jednotlivé tranzistory sa časom zmenšia. Začali sme očakávať, že nová generácia čipov s menšími veľkosťami funkcií sa objaví normálnou rýchlosťou, ale aký má zmysel zmenšovať veci? Znamená menšie vždy lepšie?
V minulom storočí urobilo elektronické inžinierstvo obrovský pokrok. V 20. rokoch 20. storočia najpokročilejšie AM rádiá pozostávali z niekoľkých elektrónok, niekoľkých obrovských tlmiviek, kondenzátorov a rezistorov, desiatok metrov drôtov používaných ako antény a veľkej sady batérií na napájanie celého zariadenia. Dnes môžete na zariadení vo vrecku počúvať viac ako tucet hudobných streamovacích služieb a dokážete viac. Miniaturizácia však nie je len pre prenosnosť: je absolútne nevyhnutná na dosiahnutie výkonu, ktorý dnes od našich zariadení očakávame.
Jednou zjavnou výhodou menších komponentov je, že vám umožňujú zahrnúť viac funkcií do rovnakého objemu. Toto je obzvlášť dôležité pre digitálne obvody: viac komponentov znamená, že môžete urobiť viac spracovania za rovnaký čas. Napríklad teoreticky je množstvo informácií spracovaných 64-bitovým procesorom osemkrát väčšie ako množstvo 8-bitového CPU, ktoré beží na rovnakej frekvencii hodín. Vyžaduje si to však aj osemkrát toľko komponentov: registre, sčítačky, zbernice atď. sú všetky osemkrát väčšie. Takže buď potrebujete čip, ktorý je osemkrát väčší, alebo potrebujete osemkrát menší tranzistor.
To isté platí pre pamäťové čipy: Vytvorením menších tranzistorov získate viac úložného priestoru v rovnakom objeme. Pixely vo väčšine dnešných displejov sú vyrobené z tenkovrstvových tranzistorov, takže má zmysel ich zmenšiť a dosiahnuť vyššie rozlíšenia. Čím je však tranzistor menší, tým lepšie, a je tu ešte jeden zásadný dôvod: ich výkon sa výrazne zlepšil. Ale prečo presne?
Kedykoľvek vyrobíte tranzistor, poskytne vám niektoré ďalšie komponenty zadarmo. Každá svorka má sériový odpor. Každý predmet, ktorý prenáša prúd, má tiež vlastnú indukčnosť. Nakoniec existuje kapacita medzi ľubovoľnými dvoma vodičmi smerujúcimi k sebe. Všetky tieto efekty spotrebúvajú energiu a spomaľujú rýchlosť tranzistora. Obzvlášť problematické sú parazitné kapacity: tranzistory sa musia nabíjať a vybíjať pri každom zapnutí alebo vypnutí, čo si vyžaduje čas a prúd z napájacieho zdroja.
Kapacita medzi dvoma vodičmi je funkciou ich fyzickej veľkosti: menšia veľkosť znamená menšiu kapacitu. A pretože menšie kondenzátory znamenajú vyššie rýchlosti a nižší výkon, menšie tranzistory môžu bežať na vyšších taktovacích frekvenciách a odvádzať pri tom menej tepla.
Keď zmenšujete veľkosť tranzistorov, kapacita nie je jediným efektom, ktorý sa mení: existuje veľa zvláštnych kvantových mechanických efektov, ktoré nie sú zrejmé pre väčšie zariadenia. Vo všeobecnosti však platí, že zmenšením tranzistorov budú rýchlejšie. Ale elektronické produkty sú viac než len tranzistory. Keď zmenšíte ostatné komponenty, ako fungujú?
Vo všeobecnosti sa pasívne komponenty, ako sú odpory, kondenzátory a induktory, nezlepšia, keď sa zmenšia: v mnohých ohľadoch sa zhoršia. Miniaturizácia týchto súčiastok preto spočíva najmä v tom, aby ich bolo možné skomprimovať do menšieho objemu, čím sa ušetrí miesto na DPS.
Veľkosť odporu je možné zmenšiť bez toho, aby došlo k príliš veľkým stratám. Odolnosť kusu materiálu je daná vzťahom, kde l je dĺžka, A je plocha prierezu a ρ je odpor materiálu. Môžete jednoducho zmenšiť dĺžku a prierez a skončiť s fyzicky menším odporom, ale stále s rovnakým odporom. Jedinou nevýhodou je, že pri strate rovnakého výkonu budú fyzicky menšie odpory generovať viac tepla ako väčšie odpory. Preto je možné malé odpory použiť iba v obvodoch s nízkym výkonom. Táto tabuľka ukazuje, ako klesá maximálny výkon rezistorov SMD, keď sa zmenšuje ich veľkosť.
Dnes je najmenší odpor, ktorý si môžete kúpiť, metrický 03015 (0,3 mm x 0,15 mm). Ich menovitý výkon je iba 20 mW a používajú sa iba pre obvody, ktoré rozptyľujú veľmi malý výkon a sú extrémne obmedzené. Menší metrický balík 0201 (0,2 mm x 0,1 mm) bol uvoľnený, ale ešte nebol uvedený do výroby. Ale aj keď sa objavia v katalógu výrobcu, nečakajte, že budú všade: väčšina robotov na vyberanie a umiestňovanie nie je dostatočne presná na to, aby ich zvládla, takže stále môžu ísť o špecializované produkty.
Kondenzátory môžu byť tiež zmenšené, ale tým sa zníži ich kapacita. Vzorec na výpočet kapacity bočného kondenzátora je, kde A je plocha dosky, d je vzdialenosť medzi nimi a ε je dielektrická konštanta (vlastnosť medziľahlého materiálu). Ak je kondenzátor (v podstate ploché zariadenie) miniaturizovaný, oblasť sa musí zmenšiť, čím sa zníži kapacita. Ak si predsa len chcete zabaliť veľa nafary do malého objemu, jedinou možnosťou je naskladať niekoľko vrstiev. V dôsledku pokroku v materiáloch a výrobe, ktoré umožnili aj tenké vrstvy (malé d) a špeciálne dielektrika (s väčším ε), sa veľkosť kondenzátorov v posledných desaťročiach výrazne zmenšila.
Najmenší kondenzátor, ktorý je dnes k dispozícii, je v ultra malom metrickom balení 0201: iba 0,25 mm x 0,125 mm. Ich kapacita je obmedzená na stále užitočných 100 nF a maximálne prevádzkové napätie je 6,3 V. Tieto balíky sú tiež veľmi malé a vyžadujú pokročilé vybavenie na ich zvládnutie, čo obmedzuje ich široké uplatnenie.
Pre induktorov je príbeh trochu zložitý. Indukčnosť priamej cievky je daná vzťahom, kde N je počet závitov, A je plocha prierezu cievky, l je jej dĺžka a μ je materiálová konštanta (permeabilita). Ak sa všetky rozmery zmenší na polovicu, zníži sa na polovicu aj indukčnosť. Odpor drôtu však zostáva rovnaký: je to preto, že dĺžka a prierez drôtu sú znížené na štvrtinu pôvodnej hodnoty. To znamená, že skončíte s rovnakým odporom v polovici indukčnosti, takže faktor kvality (Q) cievky znížite na polovicu.
Najmenší komerčne dostupný diskrétny induktor má palcovú veľkosť 01005 (0,4 mm x 0,2 mm). Tie dosahujú až 56 nH a majú odpor niekoľko ohmov. Tlmivky v ultra malom metrickom balení 0201 boli uvedené na trh v roku 2014, ale zjavne neboli nikdy uvedené na trh.
Fyzikálne obmedzenia induktorov boli vyriešené použitím javu nazývaného dynamická indukčnosť, ktorý možno pozorovať v cievkach vyrobených z grafénu. Ale aj tak, ak sa dá vyrábať komerčne životaschopným spôsobom, môže sa zvýšiť o 50 %. Napokon, cievka sa nedá dobre miniaturizovať. Ak však váš obvod pracuje pri vysokých frekvenciách, nemusí to byť nevyhnutne problém. Ak je váš signál v pásme GHz, zvyčajne stačí niekoľko nH cievok.
To nás privádza k ďalšej veci, ktorá bola v minulom storočí miniaturizovaná, ale nemusíte si ju hneď všimnúť: vlnová dĺžka, ktorú používame na komunikáciu. Skoré rozhlasové vysielanie využívalo AM frekvenciu na stredných vlnách okolo 1 MHz s vlnovou dĺžkou okolo 300 metrov. Frekvenčné pásmo FM so stredom na 100 MHz alebo 3 metre sa stalo populárnym okolo 60. rokov 20. storočia a dnes používame najmä komunikáciu 4G okolo 1 alebo 2 GHz (asi 20 cm). Vyššie frekvencie znamenajú väčšiu kapacitu prenosu informácií. Práve vďaka miniaturizácii máme lacné, spoľahlivé a energeticky úsporné rádiá, ktoré pracujú na týchto frekvenciách.
Zmenšenie vlnových dĺžok môže zmenšiť antény, pretože ich veľkosť priamo súvisí s frekvenciou, ktorú potrebujú vysielať alebo prijímať. Dnešné mobilné telefóny nepotrebujú dlhé vyčnievajúce antény, a to vďaka ich vyhradenej komunikácii na frekvenciách GHz, na ktorú stačí anténa len asi jeden centimeter. To je dôvod, prečo väčšina mobilných telefónov, ktoré stále obsahujú FM prijímače, vyžaduje, aby ste pred použitím pripojili slúchadlá: rádio potrebuje použiť kábel slúchadiel ako anténu, aby získalo dostatočnú silu signálu z týchto vĺn dlhých jeden meter.
Čo sa týka obvodov pripojených k našim miniatúrnym anténam, keď sú menšie, v skutočnosti sa dajú ľahšie vyrobiť. Nie je to len preto, že tranzistory sa zrýchlili, ale aj preto, že efekty prenosového vedenia už nie sú problémom. Stručne povedané, keď dĺžka drôtu presahuje jednu desatinu vlnovej dĺžky, musíte pri navrhovaní obvodu zvážiť fázový posun pozdĺž jeho dĺžky. Pri 2,4 GHz to znamená, že váš obvod ovplyvnil iba jeden centimeter drôtu; ak spájate samostatné súčiastky dohromady, je to bolehlav, ale ak obvod rozložíte na niekoľko štvorcových milimetrov, nie je to problém.
Predpovedanie zániku Moorovho zákona alebo ukazovanie, že tieto predpovede sú znova a znova nesprávne, sa stalo opakujúcou sa témou vedeckej a technickej žurnalistiky. Faktom zostáva, že Intel, Samsung a TSMC, traja konkurenti, ktorí sú stále na čele hry, naďalej komprimujú viac funkcií na štvorcový mikrometer a v budúcnosti plánujú predstaviť niekoľko generácií vylepšených čipov. Aj keď pokrok, ktorý dosiahli v každom kroku, nemusí byť taký veľký ako pred dvoma desaťročiami, miniaturizácia tranzistorov pokračuje.
Zdá sa však, že v prípade diskrétnych komponentov sme dosiahli prirodzený limit: ich zmenšenie nezlepší ich výkon a najmenšie komponenty, ktoré sú v súčasnosti k dispozícii, sú menšie, než vyžaduje väčšina prípadov použitia. Zdá sa, že neexistuje Moorov zákon pre diskrétne zariadenia, ale ak existuje Moorov zákon, radi by sme videli, do akej miery môže jedna osoba presadiť výzvu na spájkovanie SMD.
Vždy som chcel odfotiť PTH rezistor, ktorý som používal v 70-tych rokoch, a umiestniť naň odpor SMD, rovnako ako teraz vymieňam in/out. Mojím cieľom je, aby sa moji bratia a sestry (žiadny z nich nie sú elektronickými produktmi) zmenili, vrátane toho, že môžem dokonca vidieť časti svojej práce (ako sa mi zhoršuje zrak, ruky sa mi trasú).
Rád hovorím, je to spolu alebo nie. Naozaj neznášam „zlepšiť sa, zlepšiť sa“. Niekedy vaše rozloženie funguje dobre, ale už nemôžete získať časti. Čo to do pekla je? . Dobrý koncept je dobrý koncept a je lepšie ho ponechať tak, ako je, než ho bezdôvodne vylepšovať. Gantt
„Faktom zostáva, že tri spoločnosti Intel, Samsung a TSMC si stále konkurujú v popredí tejto hry a neustále vytláčajú viac funkcií na mikrometer štvorcový,“
Elektronické komponenty sú veľké a drahé. V roku 1971 mala priemerná rodina len niekoľko rádií, stereo a televízor. Do roku 1976 sa objavili počítače, kalkulačky, digitálne hodiny a hodinky, ktoré boli malé a pre spotrebiteľov lacné.
Určitá miniaturizácia pochádza z dizajnu. Operačné zosilňovače umožňujú použitie gyrátorov, ktoré môžu v niektorých prípadoch nahradiť veľké tlmivky. Aktívne filtre tiež eliminujú induktory.
Väčšie komponenty podporujú iné veci: minimalizáciu obvodu, to znamená snahu použiť čo najmenej komponentov, aby obvod fungoval. Dnes nás to až tak nezaujíma. Potrebujete niečo na zvrátenie signálu? Vezmite operačný zosilňovač. Potrebujete štátny automat? Vezmite si mpu. atď. Súčiastky sú dnes naozaj malé, ale v skutočnosti je vo vnútri veľa súčiastok. Takže v podstate sa veľkosť vášho obvodu zvyšuje a spotreba energie sa zvyšuje. Tranzistor používaný na invertovanie signálu používa menej energie na vykonanie rovnakej úlohy ako operačný zosilňovač. O využitie výkonu sa však opäť postará miniaturizácia. Ide len o to, že inovácie sa uberali iným smerom.
Skutočne ste vynechali niektoré z najväčších výhod/dôvodov zmenšenia veľkosti: znížené parazitovanie balíka a zvýšená manipulácia s výkonom (čo sa zdá byť kontraintuitívne).
Z praktického hľadiska, akonáhle veľkosť funkcie dosiahne približne 0,25u, dosiahnete úroveň GHz, v tom čase začne veľký balík SOP produkovať najväčší* efekt. Dlhé spojovacie drôty a tieto vodiče vás nakoniec zabijú.
V tomto bode sa balíky QFN/BGA výrazne zlepšili z hľadiska výkonu. Navyše, keď obal takto naplocho namontujete, skončíte s *výrazne* lepším tepelným výkonom a odhalenými podložkami.
Okrem toho budú Intel, Samsung a TSMC určite hrať dôležitú úlohu, ale ASML môže byť v tomto zozname oveľa dôležitejšie. Samozrejme, toto sa nemusí týkať pasívneho rodu...
Nejde len o zníženie nákladov na kremík prostredníctvom procesných uzlov novej generácie. Iné veci, napríklad tašky. Menšie balenia vyžadujú menej materiálov a wcsp alebo ešte menej. Menšie balenia, menšie dosky plošných spojov alebo moduly atď.
Často vidím niektoré katalógové produkty, kde jediným hnacím faktorom je zníženie nákladov. MHz/veľkosť pamäte je rovnaká, funkcia SOC a usporiadanie pinov sú rovnaké. Môžeme použiť nové technológie na zníženie spotreby energie (zvyčajne to nie je zadarmo, takže musia existovať nejaké konkurenčné výhody, o ktoré sa zákazníci zaujímajú)
Jednou z výhod veľkých komponentov je antiradiačný materiál. Drobné tranzistory sú v tejto dôležitej situácii náchylnejšie na účinky kozmického žiarenia. Napríklad vo vesmíre a dokonca aj na observatóriách vo vysokých nadmorských výškach.
Nevidel som zásadný dôvod na zvýšenie rýchlosti. Rýchlosť signálu je približne 8 palcov za nanosekundu. Takže len zmenšením veľkosti sú možné rýchlejšie čipy.
Možno budete chcieť skontrolovať svoju vlastnú matematiku výpočtom rozdielu v oneskorení šírenia v dôsledku zmien balenia a znížených cyklov (1/frekvencia). To znamená znížiť oneskorenie/obdobie frakcií. Zistíte, že sa to neprejaví ani ako koeficient zaokrúhľovania.
Jedna vec, ktorú chcem dodať, je, že mnohé integrované obvody, najmä staršie konštrukcie a analógové čipy, nie sú v skutočnosti zmenšené, aspoň interne. Vďaka zlepšeniam v automatizovanej výrobe sa obaly zmenšili, ale je to preto, že obaly DIP majú vo vnútri zvyčajne veľa voľného miesta, nie preto, že by sa zmenšili tranzistory atď.
Okrem problému s dostatočnou presnosťou robota na to, aby skutočne manipuloval s malými komponentmi vo vysokorýchlostných aplikáciách typu pick-and-place, je ďalším problémom spoľahlivé zváranie malých komponentov. Najmä vtedy, keď stále potrebujete väčšie komponenty kvôli požiadavkám na výkon/kapacitu. Použitím špeciálnej spájkovacej pasty sa šablóny špeciálnej krokovej spájkovacej pasty (aplikujte malé množstvo spájkovacej pasty tam, kde je to potrebné, ale stále poskytujú dostatok spájkovacej pasty pre veľké komponenty) začali byť veľmi drahé. Takže si myslím, že existuje plató a ďalšia miniaturizácia na úrovni dosky plošných spojov je len nákladný a uskutočniteľný spôsob. V tomto bode by ste mohli urobiť viac integrácie na úrovni kremíkového plátku a zjednodušiť počet diskrétnych komponentov na absolútne minimum.
Uvidíte to na svojom telefóne. Okolo roku 1995 som si v garáži kúpil niekoľko prvých mobilných telefónov za pár dolárov. Väčšina integrovaných obvodov má priechodný otvor. Rozpoznateľný CPU a kompander NE570, veľký opakovane použiteľný IC.
Potom som skončil s niekoľkými aktualizovanými vreckovými telefónmi. Je tu veľmi málo komponentov a takmer nič známe. V malom počte integrovaných obvodov je nielen vyššia hustota, ale je tiež prijatý nový dizajn (pozri SDR), ktorý eliminuje väčšinu diskrétnych komponentov, ktoré boli predtým nevyhnutné.
> (V prípade potreby naneste malé množstvo spájkovacej pasty, ale stále poskytnite dostatok spájkovacej pasty pre veľké komponenty)
Hej, predstavil som si šablónu „3D/Wave“ na vyriešenie tohto problému: tenšia tam, kde sú najmenšie komponenty, a hrubšia tam, kde je napájací obvod.
V dnešnej dobe sú SMT súčiastky veľmi malé, môžete použiť skutočné diskrétne súčiastky (nie 74xx a iný odpad) na navrhnutie vlastného CPU a vytlačenie na DPS. Posypte ho LED, môžete vidieť, že funguje v reálnom čase.
Za tie roky určite oceňujem rýchly vývoj zložitých a malých komponentov. Poskytujú obrovský pokrok, ale zároveň pridávajú novú úroveň zložitosti do iteračného procesu prototypovania.
Rýchlosť nastavenia a simulácie analógových obvodov je oveľa rýchlejšia ako to, čo robíte v laboratóriu. Ako frekvencia digitálnych obvodov stúpa, PCB sa stáva súčasťou zostavy. Napríklad efekty prenosového vedenia, oneskorenie šírenia. Prototypovanie akejkoľvek špičkovej technológie sa najlepšie vynaloží na správne dokončenie návrhu, než na vykonanie úprav v laboratóriu.
Čo sa týka hobby predmetov, hodnotenie. Dosky s plošnými spojmi a moduly sú riešením na zmršťovanie komponentov a predbežné testovanie modulov.
To môže spôsobiť, že veci stratia „zábavu“, ale myslím si, že uvedenie vášho projektu do prevádzky po prvýkrát môže byť zmysluplnejšie kvôli práci alebo koníčkom.
Prevádzal som niektoré návrhy z priechodného otvoru na SMD. Vyrábajte lacnejšie produkty, ale nie je zábavné stavať prototypy ručne. Jedna malá chyba: „paralelné miesto“ by sa malo čítať ako „paralelná doska“.
Nie. Po víťazstve systému budú archeológovia stále zmätení jeho zisteniami. Ktovie, možno v 23. storočí Planetárna aliancia prijme nový systém…
Nemohol som viac súhlasiť. Akú veľkosť má 0603? Samozrejme, ponechať 0603 ako imperiálnu veľkosť a „nazvať“ 0603 metrickú veľkosť 0604 (alebo 0602) nie je také ťažké, aj keď to môže byť aj tak technicky nesprávne (tj: skutočná zodpovedajúca veľkosť – nie takto). Prísne), ale aspoň bude každý vedieť, o akej technológii hovoríte (metrická/imperiálna)!
"Všeobecne povedané, pasívne komponenty, ako sú odpory, kondenzátory a induktory, sa nezlepšia, ak ich zmenšíte."