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 menšou veľkosťou funkcií sa objaví normálnou rýchlosťou, ale aký zmysel má zmenšovanie vecí? Znamená menšie vždy lepšie?
V minulom storočí dosiahlo elektronické inžinierstvo obrovský pokrok. V 20-tych rokoch sa najpokročilejšie AM rádiá skladali z niekoľkých vákuových elektrónok, niekoľkých obrovských induktorov, 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. To je dôležité najmä pre digitálne obvody: viac komponentov znamená, že môžete urobiť viac spracovania za rovnaký čas. Napríklad teoreticky, množstvo informácií spracovaných 64-bitovým procesorom je osemkrát väčšie ako v prípade 8-bitového CPU pracujúceho na rovnakej frekvencii hodín. Vyžaduje si to však aj osemkrát toľko komponentov: registre, sčítačky, zbernice atď. sú všetky osemkrát väčšie. .Takže potrebujete buď osemkrát väčší čip, alebo 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 je rozumné ich zmenšiť a dosiahnuť vyššie rozlíšenia. , čím menší je tranzistor, tým lepšie, a je tu ešte jeden zásadný dôvod: ich výkon sa výrazne zlepšil. Ale prečo presne?
Kedykoľvek vyrobíte tranzistor, poskytne vám niekoľko ďalších komponentov zadarmo. Každá svorka má odpor v sérii. Akýkoľvek predmet, ktorým prúdi prúd, má tiež vlastnú indukčnosť. Nakoniec je medzi ľubovoľnými dvoma vodičmi otočenými k sebe kapacitancia. Všetky tieto efekty spotrebúvajú energiu a spomaľujú rýchlosť tranzistora. Obzvlášť nepríjemné sú parazitné kapacity: treba ich nabíjať a vybíjať pri každom zapnutí alebo vypnutí tranzistorov, 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 vyššiu rýchlosť a nižší výkon, menšie tranzistory môžu bežať pri vyšších hodinových 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. Elektronické produkty sú však viac ako len tranzistory. Keď zmenšíte ostatné komponenty, ako fungujú?
Vo všeobecnosti sa pasívne súčiastky, ako sú rezistory, kondenzátory a induktory, nezlepšia, keď sa zmenšia: v mnohých ohľadoch sa zhoršia. , čím sa šetrí miesto na DPS.
Veľkosť odporu je možné zmenšiť bez toho, aby došlo k príliš veľkým stratám. Odpor kusu materiálu je daný vzťahom, kde l je dĺžka, A je plocha prierezu a ρ je odpor materiálu. jednoducho zmenšite dĺžku a prierez a skončíte s fyzicky menším odporom, ale stále s rovnakým odporom. Jedinou nevýhodou je, že pri rozptýlení rovnakého výkonu budú fyzicky menšie odpory generovať viac tepla ako väčšie odpory. odpory možno použiť iba v obvodoch s nízkym výkonom. Táto tabuľka ukazuje, ako sa maximálny výkon rezistorov SMD znižuje so znižovaním ich veľkosti.
Najmenší rezistor, ktorý si dnes môžete kúpiť, je metrický 03015 (0,3 mm x 0,15 mm). Ich menovitý výkon je len 20 mW a používa sa len pre obvody, ktoré rozptyľujú veľmi malý výkon a majú extrémne obmedzenú veľkosť. Menší metrický 0201 Balík (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 manipulovať s nimi, takže stále môžu ísť o špecializované produkty.
Kondenzátory možno tiež zmenšiť, ale zníži sa tým 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 medzimateriálu).Ak je kondenzátor (v podstate ploché zariadenie) miniaturizovaný, musí sa zmenšiť plocha, čím sa zníži kapacita.Ak predsa len chcete zbaliť veľa nafary do malého objemu, jediná možnosť V dôsledku pokroku v materiáloch a výrobe, ktoré umožnili aj tenké vrstvy (malé d) a špeciálne dielektriká (s väčším ε), sa veľkosť kondenzátorov v posledných desaťročiach výrazne zmenšila.
Najmenší dostupný kondenzátor je dnes 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 balenia sú tiež veľmi malé a vyžadujú pokročilé vybavenie na ich zvládnutie, čím sa obmedzuje ich široké prijatie.
Pre induktory 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 (priepustnosť). 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 sa zmenší na štvrtina pôvodnej hodnoty. To znamená, že skončíte s rovnakým odporom na polovici indukčnosti, takže faktor kvality (Q) cievky znížite na polovicu.
Najmenšia komerčne dostupná diskrétna tlmivka má palcovú veľkosť 01005 (0,4 mm x 0,2 mm). Majú až 56 nH a majú odpor niekoľko ohmov. Induktory v ultra malom metrickom balení 0201 boli uvedené na trh v roku 2014, ale zrejme nikdy neboli 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 %. cievka sa nedá dobre miniaturizovať. Ak však váš obvod pracuje pri vysokých frekvenciách, nemusí to nevyhnutne znamenať problém. Ak je váš signál v pásme GHz, zvyčajne stačí niekoľko cievok nH.
To nás privádza k ďalšej veci, ktorá bola v minulom storočí miniaturizovaná, ale možno si ju hneď nevšimnete: vlnová dĺžka, ktorú používame na komunikáciu. Skoré rozhlasové vysielanie využívalo strednovlnnú AM frekvenciu približne 1 MHz s vlnovou dĺžkou približne 300 metrov. Frekvenčné pásmo FM so stredom 100 MHz alebo 3 metre sa stalo populárnym okolo 60. rokov 20. storočia a dnes používame hlavne 4G komunikáciu 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 na vysielanie alebo prijímanie. Dnešné mobilné telefóny nepotrebujú dlhé vyčnievajúce antény, a to vďaka ich vyhradenej komunikácii na frekvenciách GHz, pre ktorú stačí anténa približne jedna To je dôvod, prečo väčšina mobilných telefónov, ktoré stále obsahujú FM prijímače, vyžaduje, aby ste pred použitím zapojili slúchadlá: rádio potrebuje použiť kábel slúchadiel ako anténu, aby získalo dostatočnú silu signálu z týchto jeden meter dlhých vĺn.
Pokiaľ ide o obvody pripojené 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. Skrátka, keď dĺžka drôtu presahuje jednu desatinu vlnovej dĺžky, pri navrhovaní obvodu musíte zvážiť fázový posun pozdĺž jeho dĺžky. Pri frekvencii 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 stále nesprávne, sa stalo opakujúcou sa témou vedeckej a technologickej žurnalistiky. Faktom zostáva, že Intel, Samsung a TSMC, traja konkurenti, ktorí sú stále v popredí hry, pokračovať v kompresii ďalších funkcií na mikrometer štvorcový 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 prirodzenú hranicu: ich zmenšenie nezlepší ich výkon a najmenšie komponenty, ktoré sú v súčasnosti k dispozícii, sú menšie, než vyžaduje väčšina prípadov použitia. Zdá sa, že pre diskrétne zariadenia neexistuje Moorov zákon, ale ak existuje Moorov zákon, radi by sme videli, do akej miery dokáže jeden človek presadiť výzvu na spájkovanie SMD.
Vždy som chcel odfotiť PTH rezistor, ktorý som používal v 70-tych rokoch, a dať naň SMD rezistor, rovnako ako teraz vymieňam in/out. Mojím cieľom je, aby moji bratia a sestry (ani jeden z nich elektronické produkty), koľko zmien, vrátane toho, že dokonca vidím časti svojej práce (keďže sa mi zhoršuje zrak, zhoršujú sa mi ruky Chvenie).
Rád hovorím, je to spolu alebo nie. Naozaj neznášam „zlepšiť sa, zlepšiť sa“. Niekedy vaše rozloženie funguje dobre, ale už nemôžete získať diely. 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 súčiastky sú veľké a drahé. V roku 1971 mala priemerná rodina len niekoľko rádií, stereo a TV. V 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 tlmivky.
Väčšie súčiastky podporujú iné veci: minimalizáciu obvodu, to znamená snaha použiť čo najmenej súčiastok, aby obvod fungoval. Dnes nás to až tak nezaujíma. Potrebujete niečo na reverziu signálu? Vezmite operačný zosilňovač. Potrebujete stavový automat? Vezmite si mpu.atď. Súčiastky sú dnes naozaj malé, ale v skutočnosti je vnútri veľa súčiastok. Takže v podstate sa veľkosť vášho obvodu zväčšuje a spotreba energie sa zvyšuje. Tranzistor používaný na invertovanie signálu spotrebuje menej energie na vykonávať rovnakú prácu ako operačný zosilňovač. Ale opäť, miniaturizácia sa postará o využitie energie. Inovácia sa len uberá 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 prvku dosiahne približne 0,25u, dosiahnete úroveň GHz, v tom čase začne veľký balík SOP produkovať najväčší* efekt. Dlhé spojovacie vodiče 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 Intel, Samsung a TSMC budú určite hrať dôležitú úlohu, ale ASML môže byť v tomto zozname oveľa dôležitejšie. Samozrejme, toto sa nemusí týkať pasívneho hlasu…
Nie je to len o znižovaní nákladov na kremík prostredníctvom procesných uzlov novej generácie. Ďalšie veci, ako sú vrecká. Menšie balenia vyžadujú menej materiálov a wcsp alebo ešte menej. Menšie balenia, menšie dosky plošných spojov alebo moduly atď.
Často sa stretávam s niektorými katalógovými produktmi, kde jediným hnacím faktorom je zníženie nákladov. Veľkosť MHz/pamäte je rovnaká, funkcia SOC a usporiadanie kolíkov sú rovnaké. Na zníženie spotreby energie môžeme použiť nové technológie (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 hlavný 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/periódu frakcií. Zistíte, že sa to ani neukáže ako koeficient zaokrúhľovania.
Jedna vec, ktorú chcem dodať, je, že mnohé integrované obvody, najmä staršie konštrukcie a analógové čipy, nie sú v skutočnosti zmenšené, prinajmenšom interne. Kvôli zlepšeniam v automatizovanej výrobe sa obaly zmenšili, ale je to preto, že obaly DIP majú zvyčajne veľa zostávajúci priestor vo vnútri nie preto, že by sa tranzistory atď. zmenšili.
Okrem problému s dostatočnou presnosťou robota na to, aby skutočne zvládol malé súčiastky vo vysokorýchlostných aplikáciách typu pick-and-place, je ďalším problémom spoľahlivé zváranie malých súčiastok. Najmä keď stále potrebujete väčšie súčiastky kvôli požiadavkám na výkon/kapacitu. špeciálna spájkovacia pasta, špeciálne šablóny krokovej spájkovacej pasty (aplikujte malé množstvo spájkovacej pasty tam, kde je to potrebné, ale stále poskytnite dostatok spájkovacej pasty pre veľké súčiastky) začali byť veľmi drahé. Takže si myslím, že existuje plató a ďalšia miniaturizácia na obvode na úrovni dosky je len nákladný a uskutočniteľný spôsob. V tomto bode môžete tiež urobiť viac integrácie na úrovni kremíkovej dosky 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 za kus. Väčšina integrovaných obvodov je cez dieru. Rozoznateľný procesor a kompander NE570, veľký opakovane použiteľný integrovaný obvod.
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 diskrétne komponenty, 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 iné odpadky) na navrhnutie vlastného CPU a vytlačenie na PCB. Posypte ho LED, uvidíte, že pracuje v reálnom čase.
V priebehu rokov určite oceňujem rýchly vývoj zložitých a malých komponentov. Poskytujú obrovský pokrok, no zároveň pridávajú novú úroveň zložitosti do iteratívneho procesu prototypovania.
Rýchlosť nastavenia a simulácie analógových obvodov je oveľa rýchlejšia ako to, čo robíte v laboratóriu. So stúpajúcou frekvenciou digitálnych obvodov sa PCB stáva súčasťou zostavy. Napríklad efekty prenosového vedenia, oneskorenie šírenia. Okrajová technológia sa najlepšie vynaloží na správne dokončenie návrhu, než na vykonávanie úprav v laboratóriu.
Čo sa týka hobby predmetov, hodnotenie. Dosky plošných spojov a moduly sú riešením zmršťovacích komponentov a modulov na predbežné testovanie.
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 chápať 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. Aká je veľkosť 0603? Samozrejme, ponechať 0603 ako imperiálnu veľkosť a „nazvať“ 0603 metrickú veľkosť 0604 (alebo 0602) nie je také ťažké, aj keď to môže byť 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."