новости

Вероятно, после закона Ома вторым по известности законом в электронике является закон Мура: количество транзисторов, которые можно изготовить на интегральной схеме, удваивается каждые два года или около того. Поскольку физический размер чипа остается примерно тем же, это означает, что отдельные транзисторы со временем станут меньше. Мы начали ожидать, что новое поколение чипов с меньшими размерами элементов появится с нормальной скоростью, но какой смысл делать их меньше? Всегда ли меньше значит лучше?
За прошедшее столетие электронная инженерия достигла огромного прогресса. В 1920-х годах самые совершенные AM-радиоприемники состояли из нескольких электронных ламп, нескольких огромных катушек индуктивности, конденсаторов и резисторов, десятков метров проводов, используемых в качестве антенн, и большого набора батарей для питания всего устройства. Сегодня вы можете слушать более десятка сервисов потоковой передачи музыки на устройстве в кармане и делать больше. Но миниатюризация предназначена не только для портативности: она абсолютно необходима для достижения производительности, которую мы сегодня ожидаем от наших устройств.
Одним из очевидных преимуществ компонентов меньшего размера является то, что они позволяют включить больше функций в один и тот же том. Это особенно важно для цифровых схем: больше компонентов означает, что вы можете выполнять больше операций за то же время. Например, теоретически объем информации, обрабатываемой 64-битным процессором, в восемь раз больше, чем у 8-битного процессора, работающего на той же тактовой частоте. Но для этого также требуется в восемь раз больше компонентов: регистры, сумматоры, шины и т. д. — все в восемь раз больше. Таким образом, вам нужен либо чип в восемь раз больше, либо транзистор в восемь раз меньше.
То же самое справедливо и для микросхем памяти: делая транзисторы меньшего размера, вы получаете больше места для хранения данных при том же объеме. Пиксели большинства современных дисплеев состоят из тонкопленочных транзисторов, поэтому имеет смысл уменьшить их масштаб и добиться более высокого разрешения. Однако чем меньше транзистор, тем лучше, и есть еще одна важная причина: их производительность значительно улучшается. Но почему именно?
Всякий раз, когда вы создаете транзистор, он бесплатно предоставляет некоторые дополнительные компоненты. На каждой клемме последовательно включен резистор. Любой объект, по которому течет ток, также обладает самоиндукцией. Наконец, между любыми двумя проводниками, обращенными друг к другу, существует емкость. Все эти эффекты потребляют энергию и замедляют скорость транзистора. Особенно неприятны паразитные емкости: транзисторы необходимо заряжать и разряжать каждый раз, когда они включаются или выключаются, что требует времени и тока от источника питания.
Емкость между двумя проводниками является функцией их физического размера: меньший размер означает меньшую емкость. А поскольку конденсаторы меньшего размера означают более высокую скорость и меньшую мощность, транзисторы меньшего размера могут работать на более высоких тактовых частотах и ​​при этом рассеивать меньше тепла.
При уменьшении размера транзисторов меняется не только емкость: существует множество странных квантово-механических эффектов, которые не очевидны для более крупных устройств. Однако, вообще говоря, уменьшение размеров транзисторов сделает их быстрее. Но электронные продукты — это больше, чем просто транзисторы. Когда вы уменьшаете масштаб других компонентов, как они работают?
Вообще говоря, пассивные компоненты, такие как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, не станут лучше, когда они станут меньше: во многих отношениях они станут хуже. Таким образом, миниатюризация этих компонентов в основном направлена ​​на то, чтобы иметь возможность сжать их до меньшего объема, тем самым экономя место на печатной плате.
Размер резистора можно уменьшить, не вызывая слишком больших потерь. Сопротивление куска материала определяется формулой, где l — длина, A — площадь поперечного сечения, а ρ — удельное сопротивление материала. Вы можете просто уменьшить длину и сечение и получить резистор физически меньшего размера, но с тем же сопротивлением. Единственным недостатком является то, что при рассеивании одинаковой мощности резисторы физически меньшего размера будут выделять больше тепла, чем резисторы большего размера. Поэтому небольшие резисторы можно использовать только в маломощных цепях. В этой таблице показано, как снижается максимальная номинальная мощность резисторов SMD по мере уменьшения их размера.
Сегодня самый маленький резистор, который вы можете купить, — это метрический резистор 03015 (0,3 x 0,15 мм). Их номинальная мощность составляет всего 20 мВт, и они используются только для цепей, рассеивающих очень небольшую мощность и крайне ограниченных по размеру. Меньшая метрическая упаковка 0201 (0,2 мм х 0,1 мм) была выпущена, но еще не запущена в производство. Но даже если они появятся в каталоге производителя, не ждите, что они будут повсюду: большинство роботов-перекладчиков недостаточно точны, чтобы с ними справиться, поэтому они все равно могут оставаться нишевыми продуктами.
Конденсаторы также можно уменьшить, но это уменьшит их емкость. Формула расчета емкости шунтирующего конденсатора имеет вид, где A – площадь платы, d – расстояние между ними, а ε – диэлектрическая проницаемость (свойство промежуточного материала). Если конденсатор (по сути плоское устройство) миниатюризирован, площадь необходимо уменьшить, тем самым уменьшив емкость. Если вы все же хотите упаковать много нафары в небольшой объем, единственный вариант — сложить несколько слоев вместе. Благодаря достижениям в области материалов и производства, которые также сделали возможным создание тонких пленок (малого d) и специальных диэлектриков (с большим ε), размер конденсаторов значительно сократился за последние несколько десятилетий.
Самый маленький конденсатор, доступный сегодня, находится в сверхмалом метрическом корпусе 0201: всего 0,25 мм x 0,125 мм. Их емкость ограничена все еще полезными 100 нФ, а максимальное рабочее напряжение составляет 6,3 В. Кроме того, эти пакеты очень малы и требуют современного оборудования для их работы, что ограничивает их широкое распространение.
С индукторами история немного сложнее. Индуктивность прямой катушки определяется выражением, где N — количество витков, A — площадь поперечного сечения катушки, l — ее длина, а μ — постоянная материала (проницаемость). Если все размеры уменьшить вдвое, то и индуктивность уменьшится вдвое. Однако сопротивление провода остается прежним: это происходит потому, что длина и сечение провода уменьшаются на четверть от первоначального значения. Это означает, что вы получите одинаковое сопротивление в половине индуктивности, поэтому вы уменьшите добротность (добротность) катушки вдвое.
Самый маленький коммерчески доступный дискретный индуктор имеет размер 01005 (0,4 x 0,2 мм). Они достигают 56 нГн и имеют сопротивление в несколько Ом. Дроссели в сверхмалом метрическом корпусе 0201 были выпущены в 2014 году, но, судя по всему, так и не были представлены на рынке.
Физические ограничения индукторов были решены с помощью явления, называемого динамической индуктивностью, которое можно наблюдать в катушках из графена. Но даже в этом случае, если его можно будет производить коммерчески выгодным способом, он может увеличиться на 50%. Наконец, катушку невозможно хорошо миниатюризировать. Однако если ваша схема работает на высоких частотах, это не обязательно является проблемой. Если ваш сигнал находится в диапазоне ГГц, обычно достаточно нескольких катушек nH.
Это подводит нас к еще одной вещи, которая была миниатюризирована в прошлом столетии, но вы, возможно, не заметили ее сразу: длина волны, которую мы используем для общения. В ранних радиопередачах использовалась средневолновая частота AM около 1 МГц и длина волны около 300 метров. Полоса частот FM с центром в 100 МГц или 3 метра стала популярной примерно в 1960-х годах, и сегодня мы в основном используем связь 4G на частоте 1 или 2 ГГц (около 20 см). Более высокие частоты означают большую пропускную способность информации. Именно благодаря миниатюризации мы имеем дешевые, надежные и энергосберегающие радиоприемники, работающие на этих частотах.
Сокращение длины волны может привести к уменьшению размеров антенн, поскольку их размер напрямую связан с частотой, которую они должны передавать или принимать. Сегодняшним мобильным телефонам не нужны длинные выступающие антенны благодаря их специальной связи на частотах ГГц, для которой длина антенны составляет всего около одного сантиметра. Вот почему большинство мобильных телефонов, которые все еще содержат FM-приемники, требуют подключения наушников перед использованием: радио должно использовать провод наушников в качестве антенны, чтобы получить достаточную мощность сигнала от волн длиной один метр.
Что касается схем, подключенных к нашим миниатюрным антеннам, то, когда они меньше, их становится легче изготавливать. Это происходит не только потому, что транзисторы стали быстрее, но и потому, что эффекты линии передачи больше не являются проблемой. Короче говоря, когда длина провода превышает одну десятую длины волны, при проектировании схемы необходимо учитывать фазовый сдвиг по его длине. На частоте 2,4 ГГц это означает, что на вашу цепь повлиял только один сантиметр провода; если спаять дискретные компоненты между собой, то это головная боль, но если разместить схему на нескольких квадратных миллиметрах, то это не проблема.
Предсказание отмены закона Мура или демонстрация того, что эти предсказания снова и снова ошибочны, стало постоянной темой в научно-технической журналистике. Факт остается фактом: Intel, Samsung и TSMC, три конкурента, которые по-прежнему находятся в авангарде игры, продолжают сжимать больше возможностей на квадратный микрометр и планируют представить в будущем несколько поколений улучшенных чипов. Хотя прогресс, достигнутый ими на каждом этапе, возможно, не так велик, как два десятилетия назад, миниатюризация транзисторов продолжается.
Однако для дискретных компонентов мы, похоже, достигли естественного предела: уменьшение их размера не улучшает их производительность, а самые маленькие из доступных в настоящее время компонентов меньше, чем требуется в большинстве случаев использования. Кажется, что для дискретных устройств не существует закона Мура, но если закон Мура существует, нам бы хотелось увидеть, насколько один человек сможет решить задачу пайки SMD.
Мне всегда хотелось сфотографировать резистор PTH, который я использовал в 1970-х годах, и поставить на него резистор SMD, точно так же, как я сейчас меняю/выключаю резистор. Моя цель - сделать так, чтобы мои братья и сестры (никто из них не являются электронными продуктами) сколько раз менялись, в том числе я даже могу видеть части своей работы (поскольку у меня ухудшается зрение, мои руки все хуже дрожат).
Я люблю говорить, вместе или нет. Я действительно ненавижу фразу «улучшайся, становись лучше». Иногда ваш макет работает хорошо, но вы больше не можете получить детали. Что это за черт? . Хорошая концепция — это хорошая концепция, и лучше оставить ее такой, какая она есть, чем улучшать ее без причины. Гантт
«Факт остается фактом: три компании Intel, Samsung и TSMC по-прежнему конкурируют в авангарде этой игры, постоянно выжимая больше возможностей на квадратный микрометр»,
Электронные компоненты большие и дорогие. В 1971 году в средней семье было всего несколько радиоприемников, стереосистема и телевизор. К 1976 году появились компьютеры, калькуляторы, цифровые часы и наручные часы, которые были небольшими и недорогими для потребителей.
Некоторая миниатюризация обусловлена ​​дизайном. Операционные усилители допускают использование гираторов, которые в некоторых случаях могут заменить большие катушки индуктивности. Активные фильтры также устраняют катушки индуктивности.
Компоненты большего размера способствуют другим вещам: минимизации схемы, то есть попытке использовать наименьшее количество компонентов, чтобы схема работала. Сегодня нас это не особо волнует. Нужно что-то, чтобы обратить сигнал? Возьмите операционный усилитель. Вам нужна государственная машина? Возьми МПУ. и т. д. Сегодня компоненты действительно маленькие, но на самом деле внутри их много. Таким образом, в основном увеличивается размер вашей схемы и увеличивается энергопотребление. Транзистор, используемый для инвертирования сигнала, потребляет меньше энергии для выполнения той же работы, что и операционный усилитель. Но опять же, миниатюризация позаботится об использовании энергии. Просто инновации пошли в другом направлении.
Вы действительно упустили некоторые из самых больших преимуществ/причин уменьшенного размера: уменьшение паразитных свойств корпуса и увеличение мощности (что кажется нелогичным).
С практической точки зрения, как только размер объекта достигнет примерно 0,25u, вы достигнете уровня ГГц, и в этот момент большой пакет SOP начнет давать наибольший* эффект. Длинные соединительные провода и эти выводы в конечном итоге убьют вас.
На данный момент пакеты QFN/BGA значительно улучшились с точки зрения производительности. Кроме того, когда вы монтируете корпус таким образом, вы получаете *значительно* лучшие тепловые характеристики и открытые площадки.
Кроме того, важную роль, безусловно, сыграют Intel, Samsung и TSMC, но ASML в этом списке может оказаться гораздо важнее. Конечно, это может не относиться к страдательному залогу…
Речь идет не только о снижении затрат на полупроводниковые компоненты за счет технологических узлов нового поколения. Другие вещи, например сумки. Упаковки меньшего размера требуют меньше материалов и wcsp или даже меньше. Меньшие корпуса, меньшие печатные платы или модули и т. д.
Я часто вижу продукцию по каталогу, где единственным движущим фактором является снижение затрат. Размер МГц/памяти тот же, функция SOC и расположение контактов такие же. Мы можем использовать новые технологии для снижения энергопотребления (обычно это не бесплатно, поэтому должны быть какие-то конкурентные преимущества, которые интересуют клиентов)
Одним из преимуществ крупных компонентов является антирадиационный материал. В этой важной ситуации крошечные транзисторы более восприимчивы к воздействию космических лучей. Например, в космических и даже высотных обсерваториях.
Я не увидел серьезной причины для увеличения скорости. Скорость сигнала составляет примерно 8 дюймов в наносекунду. Таким образом, просто уменьшив размер, можно получить более быстрые чипы.
Вы можете проверить свои собственные математические расчеты, рассчитав разницу в задержке распространения из-за изменений упаковки и сокращения циклов (1/частота). То есть сократить задержку/период фракций. Вы обнаружите, что он даже не отображается как коэффициент округления.
Я хочу добавить одну вещь: многие микросхемы, особенно старые конструкции и аналоговые микросхемы, на самом деле не уменьшены в размерах, по крайней мере, внутри. Благодаря усовершенствованиям в автоматизированном производстве корпуса стали меньше, но это потому, что в корпусах DIP обычно остается много места внутри, а не потому, что транзисторы и т. д. стали меньше.
Помимо проблемы создания робота, достаточно точного для работы с крошечными компонентами в высокоскоростных приложениях захвата и перемещения, еще одной проблемой является надежная сварка крошечных компонентов. Особенно, когда вам все еще нужны более крупные компоненты из-за требований к мощности/емкости. Использование специальной паяльной пасты и специальных шаблонов для паяльной пасты (наносите небольшое количество паяльной пасты там, где это необходимо, но при этом достаточно для крупных компонентов) стало очень дорогим. Так что я думаю, что есть плато, и дальнейшая миниатюризация на уровне печатной платы — это просто затратный и осуществимый путь. На этом этапе вы также можете усилить интеграцию на уровне кремниевой пластины и упростить количество дискретных компонентов до абсолютного минимума.
Вы увидите это на своем телефоне. Примерно в 1995 году я купил на гаражной распродаже несколько первых мобильных телефонов по несколько долларов за штуку. Большинство микросхем являются сквозными. Узнаваемый процессор и компандер NE570, большая многоразовая микросхема.
Затем у меня появилось несколько обновленных портативных телефонов. Очень мало компонентов и почти ничего привычного. В небольшом количестве микросхем не только выше плотность, но и принят новый дизайн (см. SDR), в котором исключена большая часть дискретных компонентов, которые ранее были необходимы.
> (Нанесите небольшое количество паяльной пасты там, где это необходимо, но при этом оставьте достаточное количество паяльной пасты для крупных компонентов)
Эй, я представил себе шаблон «3D/Wave», чтобы решить эту проблему: тоньше там, где самые маленькие компоненты, и толще там, где находится силовая цепь.
В настоящее время компоненты SMT очень малы, вы можете использовать настоящие дискретные компоненты (а не 74xx и прочий мусор), чтобы спроектировать свой собственный процессор и распечатать его на печатной плате. Украсьте его светодиодами, и вы увидите, как он работает в режиме реального времени.
За прошедшие годы я, безусловно, ценю быструю разработку сложных и мелких компонентов. Они обеспечивают огромный прогресс, но в то же время добавляют новый уровень сложности в итеративный процесс прототипирования.
Скорость настройки и моделирования аналоговых схем намного выше, чем в лаборатории. По мере повышения частоты цифровых схем печатная плата становится частью сборки. Например, эффекты линии передачи, задержка распространения. Прототипирование любой передовой технологии лучше всего потратить на правильное выполнение конструкции, а не на корректировку в лаборатории.
Что касается предметов хобби, оценка. Печатные платы и модули — это решение для сокращения компонентов и предварительного тестирования модулей.
Из-за этого работа может потерять «веселье», но я думаю, что запуск вашего проекта в первый раз может быть более значимым из-за работы или хобби.
Я конвертировал некоторые конструкции из сквозных в SMD. Делайте более дешевые продукты, но создавать прототипы вручную неинтересно. Одна маленькая ошибка: «параллельное место» следует читать как «параллельная пластина».
Нет. Даже после победы системы археологи все равно будут сбиты с толку ее открытиями. Кто знает, может быть, в 23 веке Планетарный Альянс примет новую систему…
Я не мог не согласиться. Какой размер у 0603? Конечно, сохранить 0603 в качестве имперского размера и «назвать» метрический размер 0603 0604 (или 0602) не так уж сложно, даже если это может быть технически неправильно (т. е. фактическое соответствие размера — не так). Строго), но хотя бы все будут знать, о какой технологии вы говорите (метрической/имперской)!
«Вообще говоря, пассивные компоненты, такие как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, не станут лучше, если вы сделаете их меньше».