ziņas

Iespējams, pēc Oma likuma otrs slavenākais likums elektronikā ir Mūra likums: tranzistoru skaits, ko var izgatavot uz integrālās shēmas, dubultojas ik pēc diviem gadiem. Tā kā mikroshēmas fiziskais izmērs paliek aptuveni tāds pats, tas nozīmē, ka atsevišķi tranzistori laika gaitā kļūs mazāki. Mēs esam sākuši gaidīt, ka jaunās paaudzes mikroshēmas ar mazākiem funkciju izmēriem parādīsies normālā ātrumā, taču kāda jēga ir padarīt lietas mazākas? Vai mazāks vienmēr nozīmē labāk?
Pagājušajā gadsimtā elektroniskā inženierija ir panākusi milzīgu progresu. 20. gadsimta 20. gados vismodernākie AM radioaparāti sastāvēja no vairākām vakuumlampām, vairākiem milzīgiem induktoriem, kondensatoriem un rezistoriem, desmitiem metru garu vadu, ko izmantoja kā antenas, un lielu bateriju komplektu, lai darbinātu visu ierīci. Mūsdienās kabatā esošajā ierīcē varat klausīties vairāk nekā duci mūzikas straumēšanas pakalpojumu, un jūs varat darīt vairāk. Taču miniaturizācija nav paredzēta tikai pārnēsāšanai: tā ir absolūti nepieciešama, lai sasniegtu veiktspēju, ko mēs šodien sagaidām no savām ierīcēm.
Viens acīmredzams mazāku komponentu ieguvums ir tas, ka tie ļauj tajā pašā sējumā iekļaut vairāk funkcionalitātes. Tas ir īpaši svarīgi digitālajām shēmām: vairāk komponentu nozīmē, ka tajā pašā laikā varat veikt vairāk apstrādes. Piemēram, teorētiski 64 bitu procesora apstrādātās informācijas apjoms astoņas reizes pārsniedz 8 bitu CPU, kas darbojas ar tādu pašu takts frekvenci. Bet tam ir nepieciešams arī astoņas reizes vairāk komponentu: reģistri, summatori, autobusi utt. ir astoņas reizes lielāki. Tātad jums ir nepieciešama astoņas reizes lielāka mikroshēma vai astoņas reizes mazāks tranzistors.
Tas pats attiecas uz atmiņas mikroshēmām: izgatavojot mazākus tranzistorus, tajā pašā apjomā ir vairāk vietas. Mūsdienās lielākajā daļā displeju pikseļi ir izgatavoti no plānas plēves tranzistoriem, tāpēc ir lietderīgi tos samazināt un sasniegt augstāku izšķirtspēju. Tomēr, jo mazāks ir tranzistors, jo labāk, un ir vēl viens būtisks iemesls: to veiktspēja ir ievērojami uzlabota. Bet kāpēc tieši?
Ikreiz, kad izgatavojat tranzistoru, tas bez maksas nodrošinās dažus papildu komponentus. Katram terminālim ir sērijveida rezistors. Jebkuram objektam, kas nes strāvu, ir arī pašinduktivitāte. Visbeidzot, starp jebkuriem diviem vadītājiem, kas atrodas viens pret otru, ir kapacitāte. Visi šie efekti patērē enerģiju un palēnina tranzistora ātrumu. Parazitārās kapacitātes ir īpaši apgrūtinošas: tranzistori ir jāuzlādē un jāizlādē katru reizi, kad tie tiek ieslēgti vai izslēgti, un tas prasa laiku un strāvu no barošanas avota.
Kapacitāte starp diviem vadītājiem ir atkarīga no to fiziskā izmēra: mazāks izmērs nozīmē mazāku kapacitāti. Un tā kā mazāki kondensatori nozīmē lielāku ātrumu un mazāku jaudu, mazāki tranzistori var darboties ar augstākām pulksteņa frekvencēm un izkliedēt mazāk siltuma.
Samazinoties tranzistoru izmēram, kapacitāte nav vienīgais efekts, kas mainās: ir daudz dīvainu kvantu mehānisko efektu, kas nav acīmredzami lielākām ierīcēm. Tomēr, vispārīgi runājot, tranzistoru samazināšana padarīs tos ātrākus. Taču elektroniskie izstrādājumi ir vairāk nekā tikai tranzistori. Samazinot citus komponentus, kā tie darbojas?
Vispārīgi runājot, pasīvie komponenti, piemēram, rezistori, kondensatori un induktori, nekļūs labāki, kad tie kļūs mazāki: daudzos veidos tie pasliktināsies. Tāpēc šo komponentu miniaturizācija galvenokārt ir paredzēta, lai tās varētu saspiest mazākā tilpumā, tādējādi ietaupot PCB vietu.
Rezistora izmēru var samazināt, neradot pārāk lielus zaudējumus. Materiāla gabala pretestību nosaka, kur l ir garums, A ir šķērsgriezuma laukums un ρ ir materiāla pretestība. Jūs varat vienkārši samazināt garumu un šķērsgriezumu un iegūt fiziski mazāku rezistoru, taču tam joprojām ir tāda pati pretestība. Vienīgais trūkums ir tāds, ka, izkliedējot to pašu jaudu, fiziski mazāki rezistori radīs vairāk siltuma nekā lielāki rezistori. Tāpēc mazus rezistorus var izmantot tikai mazjaudas ķēdēs. Šajā tabulā parādīts, kā SMD rezistoru maksimālā jauda samazinās, samazinoties to izmēram.
Mūsdienās mazākais rezistors, ko varat iegādāties, ir metriskais 03015 izmērs (0,3 mm x 0,15 mm). To nominālā jauda ir tikai 20 mW, un tos izmanto tikai ķēdēm, kas izkliedē ļoti mazu jaudu un ir ļoti ierobežotas. Ir izlaista mazāka metriskā 0201 pakotne (0,2 mm x 0,1 mm), taču tā vēl nav nodota ražošanā. Bet pat tad, ja tie parādās ražotāja katalogā, negaidiet, ka tie būs visur: vairums robotu izvēles un novietošanas nav pietiekami precīzi, lai tos apstrādātu, tāpēc tie joprojām var būt nišas produkti.
Kondensatorus var arī samazināt, taču tas samazinās to kapacitāti. Šunta kondensatora kapacitātes aprēķināšanas formula ir šāda, kur A ir plāksnes laukums, d ir attālums starp tiem, un ε ir dielektriskā konstante (starpmateriāla īpašība). Ja kondensators (pamatā plakana ierīce) ir miniaturizēts, laukums ir jāsamazina, tādējādi samazinot kapacitāti. Ja joprojām vēlaties iepakot daudz nafaras nelielā tilpumā, vienīgā iespēja ir sakraut vairākus slāņus. Materiālu un ražošanas progresa dēļ, kas ir radījuši arī plānas plēves (mazs d) un īpašus dielektriķus (ar lielāku ε), pēdējo desmitgažu laikā kondensatoru izmērs ir ievērojami samazinājies.
Mazākais šodien pieejamais kondensators ir īpaši mazā metriskā 0201 iepakojumā: tikai 0,25 mm x 0,125 mm. To kapacitāte ir ierobežota līdz joprojām noderīgajam 100 nF, un maksimālais darba spriegums ir 6,3 V. Turklāt šīs pakotnes ir ļoti mazas, un tām ir nepieciešams uzlabots aprīkojums, tādējādi ierobežojot to plašo izplatību.
Induktoriem stāsts ir nedaudz grūts. Taisnas spoles induktivitāte tiek aprēķināta, kur N ir apgriezienu skaits, A ir spoles šķērsgriezuma laukums, l ir tās garums un μ ir materiāla konstante (caurlaidība). Ja visus izmērus samazina uz pusi, arī induktivitāte tiks samazināta uz pusi. Tomēr stieples pretestība paliek nemainīga: tas ir tāpēc, ka stieples garums un šķērsgriezums ir samazināts līdz ceturtdaļai no sākotnējās vērtības. Tas nozīmē, ka jūs iegūstat tādu pašu pretestību pusē no induktivitātes, tādējādi uz pusi samazinat spoles kvalitātes (Q) koeficientu.
Mazākā komerciāli pieejamā diskrētā induktora izmērs ir 01005 collas (0,4 mm x 0,2 mm). Tie ir pat 56 nH, un to pretestība ir daži omi. Induktori īpaši mazā metriskā 0201 pakotnē tika izlaisti 2014. gadā, taču acīmredzot tie nekad nav bijuši tirgū.
Induktoru fiziskie ierobežojumi ir atrisināti, izmantojot fenomenu, ko sauc par dinamisko induktivitāti, ko var novērot no grafēna izgatavotās spoles. Bet pat tad, ja to var ražot komerciāli izdevīgā veidā, tas var palielināties par 50%. Visbeidzot, spoli nevar labi miniaturizēt. Tomēr, ja jūsu ķēde darbojas augstās frekvencēs, tā ne vienmēr ir problēma. Ja jūsu signāls ir GHz diapazonā, parasti pietiek ar dažām nH spolēm.
Tas mūs noved pie vēl vienas lietas, kas pagājušajā gadsimtā ir bijusi miniaturizēta, taču jūs, iespējams, nepamanīsit uzreiz: viļņa garums, ko izmantojam saziņai. Agrīnās radio pārraidēs tika izmantota vidēja viļņa AM frekvence aptuveni 1 MHz ar viļņa garumu aptuveni 300 metri. FM frekvenču josla, kuras centrā ir 100 MHz vai 3 metri, kļuva populāra ap 1960. gadiem, un mūsdienās mēs galvenokārt izmantojam 4G sakarus aptuveni 1 vai 2 GHz (apmēram 20 cm). Augstākas frekvences nozīmē lielāku informācijas pārraides jaudu. Miniaturizācijas dēļ mums ir lēti, uzticami un enerģiju taupoši radioaparāti, kas darbojas šajās frekvencēs.
Samazinoši viļņu garumi var sarukt antenas, jo to izmērs ir tieši saistīts ar frekvenci, kas tām nepieciešama pārraidīšanai vai uztveršanai. Mūsdienu mobilajiem tālruņiem nav vajadzīgas garas izvirzītas antenas, pateicoties to īpašajai saziņai GHz frekvencēs, kurām antenai jābūt tikai aptuveni viena centimetra garai. Tāpēc lielākajai daļai mobilo tālruņu, kuros joprojām ir FM uztvērēji, pirms lietošanas ir jāpievieno austiņas: radio ir jāizmanto austiņu vads kā antena, lai iegūtu pietiekamu signāla stiprumu no šiem vienu metru garajiem viļņiem.
Kas attiecas uz ķēdēm, kas savienotas ar mūsu miniatūrajām antenām, tad, kad tās ir mazākas, tās faktiski kļūst vieglāk izgatavojamas. Tas ir ne tikai tāpēc, ka tranzistori ir kļuvuši ātrāki, bet arī tāpēc, ka pārvades līniju efekti vairs nav problēma. Īsāk sakot, kad stieples garums pārsniedz vienu desmito daļu no viļņa garuma, veidojot ķēdi, jāņem vērā fāzes nobīde visā tā garumā. Pie 2,4 GHz tas nozīmē, ka tikai viens centimetrs stieples ir ietekmējis jūsu ķēdi; ja lodēt kopā atsevišķas detaļas, tad sāp galva, bet, ja ķēdi izliek uz dažiem kvadrātmilimetriem, tā nav problēma.
Mūra likuma bojāejas prognozēšana vai parādīšana, ka šīs prognozes ir kļūdainas atkal un atkal, ir kļuvusi par atkārtotu tēmu zinātnes un tehnoloģiju žurnālistikā. Fakts paliek fakts, ka Intel, Samsung un TSMC, trīs konkurenti, kuri joprojām ir spēles priekšgalā, turpina saspiest vairāk funkciju uz kvadrātmetru mikrometru un plāno nākotnē ieviest vairākas uzlabotas mikroshēmu paaudzes. Lai gan katrā solī panāktais progress var nebūt tik liels kā pirms divām desmitgadēm, tranzistoru miniaturizācija turpinās.
Tomēr šķiet, ka attiecībā uz diskrētiem komponentiem esam sasnieguši dabisku robežu: to samazināšana neuzlabo to veiktspēju, un mazākie pašlaik pieejamie komponenti ir mazāki, nekā to prasa lielākā daļa lietošanas gadījumu. Šķiet, ka nav Mūra likuma diskrētām ierīcēm, taču, ja ir Mūra likums, mēs labprāt redzētu, cik daudz viens cilvēks var virzīt SMD lodēšanas izaicinājumu.
Es vienmēr esmu vēlējies nofotografēt PTH rezistoru, ko izmantoju 1970. gados, un uzlikt tam SMD rezistoru, tāpat kā tagad mainu/izslēdzu. Mans mērķis ir panākt, lai mani brāļi un māsas (neviens no tiem nav elektroniskie izstrādājumi) izmainītos, tajā skaitā es pat redzu sava darba daļas (redzei pasliktinoties, rokas trīcei).
Man patīk teikt, ir tas kopā vai nē. Es ļoti ienīstu “uzlabojies, kļūsti labāks”. Dažreiz jūsu izkārtojums darbojas labi, bet jūs vairs nevarat iegūt daļas. Kas pie velna tas ir? . Laba koncepcija ir laba koncepcija, un labāk to paturēt tādu, kāda tā ir, nevis uzlabot bez iemesla. Gants
"Fakts paliek fakts, ka trīs uzņēmumi Intel, Samsung un TSMC joprojām konkurē šīs spēles priekšgalā, pastāvīgi izspiežot vairāk funkciju uz kvadrātmikrometru."
Elektroniskie komponenti ir lieli un dārgi. 1971. gadā vidusmēra ģimenē bija tikai daži radioaparāti, stereo iekārta un televizors. Līdz 1976. gadam bija iznākuši datori, kalkulatori, digitālie pulksteņi un pulksteņi, kas bija mazi un patērētājiem lēti.
Daļa miniaturizācijas izriet no dizaina. Darbības pastiprinātāji ļauj izmantot žiratorus, kas dažos gadījumos var aizstāt lielus induktorus. Aktīvie filtri arī novērš induktorus.
Lielāki komponenti veicina citas lietas: ķēdes samazināšanu, tas ir, cenšoties izmantot mazāko komponentu skaitu, lai ķēde darbotos. Šodien mums ir vienalga. Vai vajag kaut ko, lai apgrieztu signālu? Paņemiet darbības pastiprinātāju. Vai jums ir nepieciešama valsts mašīna? Paņemiet mpu. utt. Mūsdienās komponenti ir patiešām mazi, bet patiesībā tajā ir daudz sastāvdaļu. Tātad būtībā jūsu ķēdes izmērs palielinās un enerģijas patēriņš palielinās. Tranzistors, ko izmanto signāla invertēšanai, patērē mazāk enerģijas, lai veiktu to pašu darbu, nekā darbības pastiprinātājs. Bet atkal miniaturizācija parūpēsies par jaudas izmantošanu. Vienkārši inovācija ir gājusi citā virzienā.
Jūs patiešām palaidāt garām dažas no lielākajām samazināta izmēra priekšrocībām/iemesliem: samazināts iepakojuma parazītisms un palielināta jaudas apstrāde (kas šķiet pretrunā).
No praktiskā viedokļa, tiklīdz funkcijas izmērs sasniedz aptuveni 0,25 u, jūs sasniegsit GHz līmeni, un šajā laikā lielā SOP pakotne sāk radīt lielāko* efektu. Garie savienojošie vadi un tie vadi galu galā jūs nogalinās.
Šobrīd QFN/BGA pakotnes ir ievērojami uzlabojušās veiktspējas ziņā. Turklāt, šādi uzstādot iepakojumu plakaniski, jūs iegūstat *ievērojami* labāku siltuma veiktspēju un atklātus paliktņus.
Turklāt Intel, Samsung un TSMC noteikti būs svarīga loma, taču ASML šajā sarakstā var būt daudz svarīgāka. Protams, tas var neattiekties uz pasīvo balsi…
Runa nav tikai par silīcija izmaksu samazināšanu, izmantojot nākamās paaudzes procesa mezglus. Citas lietas, piemēram, somas. Mazākiem iepakojumiem nepieciešams mazāk materiālu un wcsp vai pat mazāk. Mazāki iepakojumi, mazāki PCB vai moduļi utt.
Es bieži redzu dažus kataloga produktus, kur vienīgais virzošais faktors ir izmaksu samazināšana. MHz/atmiņas lielums ir vienāds, SOC funkcija un tapu izvietojums ir vienāds. Mēs varam izmantot jaunas tehnoloģijas, lai samazinātu enerģijas patēriņu (parasti tas nav bezmaksas, tāpēc ir jābūt dažām konkurences priekšrocībām, kas rūp klientiem)
Viena no lielo komponentu priekšrocībām ir pretradiācijas materiāls. Mazie tranzistori šajā svarīgajā situācijā ir jutīgāki pret kosmisko staru iedarbību. Piemēram, kosmosā un pat augstkalnu observatorijās.
Es neredzēju lielu iemeslu ātruma palielināšanai. Signāla ātrums ir aptuveni 8 collas nanosekundē. Tātad, tikai samazinot izmēru, ir iespējamas ātrākas mikroshēmas.
Iespējams, vēlēsities pārbaudīt savu matemātiku, aprēķinot izplatīšanās aizkaves starpību iepakojuma izmaiņu un samazinātu ciklu dēļ (1/biežums). Tas ir, lai samazinātu frakciju kavēšanos/periodu. Jūs atklāsiet, ka tas pat neparādās kā noapaļošanas faktors.
Viena lieta, ko es vēlos piebilst, ir tāda, ka daudzas IC, īpaši vecākas konstrukcijas un analogās mikroshēmas, faktiski netiek samazinātas, vismaz iekšēji. Pateicoties automatizētās ražošanas uzlabojumiem, iepakojumi ir kļuvuši mazāki, bet tas ir tāpēc, ka DIP pakotnēs parasti ir daudz vietas, nevis tāpēc, ka tranzistori utt.
Papildus problēmai, ka robots ir pietiekami precīzs, lai tas faktiski varētu apstrādāt sīkus komponentus ātrgaitas savākšanas un novietošanas lietojumprogrammās, cita problēma ir sīku komponentu uzticama metināšana. It īpaši, ja jums joprojām ir nepieciešami lielāki komponenti jaudas/jaudas prasību dēļ. Izmantojot speciālu lodēšanas pastu, speciālās pakāpju lodēšanas pastas veidnes (uzklājiet nelielu daudzumu lodēšanas pastas, kur nepieciešams, bet tik un tā nodrošināt pietiekami daudz lodēšanas pastas lielām sastāvdaļām) sāka kļūt ļoti dārgas. Tāpēc es domāju, ka pastāv plato, un turpmāka miniaturizācija shēmas plates līmenī ir tikai dārgs un īstenojams veids. Šajā brīdī jūs varētu arī veikt vairāk integrācijas silīcija plāksnīšu līmenī un vienkāršot diskrēto komponentu skaitu līdz absolūtam minimumam.
Jūs to redzēsit savā tālrunī. Ap 1995. gadu es nopirku dažus agrīnus mobilos tālruņus garāžu izpārdošanā par dažiem dolāriem katrs. Lielākā daļa IC ir caurumi. Atpazīstams CPU un NE570 kompanders, liela atkārtoti lietojama IC.
Tad es beidzu ar dažiem atjauninātiem rokas tālruņiem. Ir ļoti maz komponentu un gandrīz nekas nav pazīstams. Nelielā skaitā IC ir ne tikai lielāks blīvums, bet arī tiek pieņemts jauns dizains (skat. SDR), kas novērš lielāko daļu diskrēto komponentu, kas iepriekš bija neaizstājami.
> (Nepieciešamības gadījumā uzklājiet nelielu daudzumu lodēšanas pastas, taču joprojām nodrošiniet pietiekami daudz lodēšanas pastas lieliem komponentiem)
Sveiki, es iztēlojos veidni “3D/Wave”, lai atrisinātu šo problēmu: plānāku, ja ir mazākās sastāvdaļas, un biezāku, ja ir strāvas ķēde.
Mūsdienās SMT komponenti ir ļoti mazi, jūs varat izmantot reālus diskrētus komponentus (nevis 74xx un citus atkritumus), lai izveidotu savu CPU un izdrukātu to uz PCB. Apkaisiet to ar LED, jūs varat redzēt, kā tas darbojas reāllaikā.
Gadu gaitā es noteikti novērtēju sarežģītu un mazu komponentu straujo attīstību. Tie nodrošina milzīgu progresu, bet tajā pašā laikā tie pievieno jaunu sarežģītības līmeni iteratīvajam prototipu veidošanas procesam.
Analogo ķēžu pielāgošanas un simulācijas ātrums ir daudz ātrāks nekā tas, ko jūs darāt laboratorijā. Palielinoties digitālo ķēžu frekvencei, PCB kļūst par komplekta daļu. Piemēram, pārvades līnijas efekti, izplatīšanās aizkave. Jebkuras jaunākās tehnoloģijas prototipu izstrādi vislabāk var izmantot, lai pareizi pabeigtu dizainu, nevis veiktu labojumus laboratorijā.
Kas attiecas uz hobija priekšmetiem, novērtējums. Shēmas plates un moduļi ir risinājums saraušanās komponentiem un moduļu iepriekšējai pārbaudei.
Tas var padarīt lietas zaudēt "jautri", bet es domāju, ka jūsu projekta īstenošana pirmo reizi var būt nozīmīgāka darba vai vaļasprieku dēļ.
Esmu pārveidojis dažus dizainus no cauruma uz SMD. Izgatavojiet lētākus produktus, taču nav patīkami būvēt prototipus ar rokām. Viena neliela kļūda: “paralēla vieta” jālasa kā “paralēla plāksne”.
Nē. Kad sistēma uzvarēs, arheologi joprojām būs neizpratnē par tās atradumiem. Kas zina, varbūt 23. gadsimtā Planētu alianse pieņems jaunu sistēmu…
Es nevarēju vairāk piekrist. Kāds ir 0603 izmērs? Protams, saglabāt 0603 kā imperatora izmēru un “izsaukt” 0603 metrisko izmēru 0604 (vai 0602) nav tik grūti, pat ja tas var būt tehniski nepareizs (ti, faktiskais atbilstības izmērs — ne tādā veidā). Stingri), bet vismaz visi zinās, par kādu tehnoloģiju jūs runājat (metrisko/impērijas)!
"Vispārīgi runājot, pasīvie komponenti, piemēram, rezistori, kondensatori un induktori, nekļūs labāki, ja tos padarīsit mazākus."