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 микросхемы остается примерно одинаковым, это означает, что отдельные транзисторы со временем станут меньше. Мы начали ожидать, что новое поколение микросхем с меньшими размерами элементов появится с нормальной скоростью, но какой смысл делать вещи меньше? Всегда ли меньше означает лучше?
За прошедшее столетие электронная техника добилась огромного прогресса. В 1920-х годах самые совершенные AM-радиоприемники состояли из нескольких электронных ламп, нескольких огромных индукторов, конденсаторов и резисторов, десятков метров проводов, используемых в качестве антенн, и большого набора батарей. для питания всего устройства. Сегодня вы можете слушать более дюжины сервисов потоковой передачи музыки на устройстве в вашем кармане и делать больше. Но миниатюризация предназначена не только для портативности: она абсолютно необходима для достижения той производительности, которую мы ожидаем от наших устройств сегодня.
Одним из очевидных преимуществ компонентов меньшего размера является то, что они позволяют вам включать больше функций в тот же объем. Это особенно важно для цифровых схем: больше компонентов означает, что вы можете выполнять больше операций за то же время. Например, теоретически объем информации, обрабатываемый 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 Итак, вам нужен либо чип в восемь раз больше, либо транзистор в восемь раз меньше.
То же самое верно и для микросхем памяти: делая транзисторы меньшего размера, вы получаете больше места для хранения при том же объеме. Пиксели в большинстве 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. Каждая клемма имеет последовательно включенный резистор. Любой объект, по которому протекает ток, также имеет самоиндукцию. Наконец, между любыми двумя проводниками, обращенными друг к другу, существует емкость. Все эти эффекты потребляют мощность и замедляют скорость транзистора. Особую неприятность доставляют паразитные емкости: их необходимо заряжать и разряжать каждый раз при включении или выключении транзисторов, что требует времени и тока от источника питания.
Емкость между двумя проводниками является функцией их физического размера: меньший размер означает меньшую емкость. А поскольку меньшие конденсаторы означают более высокие скорости и меньшую мощность, меньшие транзисторы 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 более производительны. 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 уменьшатся: во многих отношениях они станут хуже. Поэтому миниатюризация этих компонентов в основном направлена ​​на то, чтобы иметь возможность сжать их в меньший объем. , тем самым экономя место на печатной плате.
Размер резистора можно уменьшить, не вызывая слишком больших потерь. Сопротивление куска материала определяется выражением, где l — длина, A — площадь поперечного сечения, а ρ — удельное сопротивление материала. Вы можете просто уменьшите длину и сечение и в итоге получите резистор физически меньшего размера, но с тем же сопротивлением. Единственным недостатком является то, что при рассеивании той же мощности резисторы физически меньшего размера будут генерировать больше тепла, чем резисторы большего размера. Поэтому маленькие резисторы Резисторы можно использовать только в схемах малой мощности. В данной таблице показано, как снижается максимальная номинальная мощность резисторов SMD с уменьшением их размеров.
Сегодня самый маленький резистор, который вы можете купить, — это метрический размер 03015 (0,3 мм х 0,15 мм). Их номинальная мощность составляет всего 20 мВт, и они используются только для цепей, которые рассеивают очень небольшую мощность и крайне ограничены в размерах. Меньший метрический 0201 упаковке (0,2 мм х 0,1 мм) выпущены, но еще не запущены в производство. Но даже если они и появятся в каталоге производителя, не ждите, что они будут повсюду: большинство роботов-перекладчиков недостаточно точны. чтобы справиться с ними, чтобы они по-прежнему оставались нишевыми продуктами.
Конденсаторы также можно уменьшить, но это уменьшит их емкость. Формула расчета емкости шунтирующего конденсатора такова, где A – площадь платы, d – расстояние между ними, а ε – диэлектрическая проницаемость. (свойство промежуточного материала). Если конденсатор (по сути плоское устройство) миниатюризирован, то площадь необходимо уменьшить, тем самым уменьшив емкость. Если все же хочется упаковать много нафары в небольшой объем, единственный вариант заключается в сложении нескольких слоев вместе. Благодаря достижениям в области материалов и производства, которые также сделали возможным создание тонких пленок (с малым 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 х 0,125 мм. Их емкость ограничена все еще полезными 100 нФ, а максимальное рабочее напряжение составляет 6,3 В. Кроме того, эти корпуса очень малы и для их обработки требуется современное оборудование, 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 — длина постоянная материала (проницаемость). Если все размеры уменьшить вдвое, индуктивность также уменьшится вдвое. Однако сопротивление провода остается прежним: это происходит потому, что длина и сечение провода уменьшаются до четверть ее первоначального значения. Это означает, что вы получите одинаковое сопротивление в половине индуктивности, поэтому вы уменьшите добротность (добротность) катушки вдвое.
Самый маленький из имеющихся на рынке дискретных индукторов имеет размер 01005 в дюймах (0,4 x 0,2 мм). Они достигают 56 нГн и имеют сопротивление в несколько Ом. Индукторы в сверхмалом метрическом корпусе 0201 были выпущены в 2014 году, но судя по всему, они никогда 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 жизнеспособным способом, оно может увеличиться на 50%. катушку невозможно 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 сразу заметили: длина волны, которую мы используем для связи. Ранние радиопередачи использовали средневолновую AM-частоту около 1 МГц с длиной волны около 300 метров. Полоса частот FM с центром в 100 МГц или 3 метра стала популярной примерно в 1960-х годах, а сегодня мы в основном используем связь 4G в диапазоне 1 или 2 ГГц (около 20 см). Более высокие частоты означают большую пропускную способность передачи 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 размер антенны должен составлять всего лишь один Длина 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 изготовить. 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 краха закона Мура или демонстрация того, что эти прогнозы снова и снова ошибочны, стало постоянной темой в научно-технической журналистике. Факт остается фактом: Intel, Samsung и TSMC, три конкурента, которые все еще находятся в авангарде игры, продолжайте сжимать больше функций на квадратный микрометр и планируйте представить несколько поколений улучшенных чипов в будущем. Хотя прогресс, достигнутый 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 размеров не улучшает их производительность, а самые маленькие компоненты, доступные в настоящее время, меньше, чем требуется в большинстве случаев использования. Кажется, что для дискретных устройств не существует закона Мура, но если существует закон Мура, 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 электронные изделия) сколько изменений, в том числе я даже могу видеть части своей работы, (так как зрение ухудшается, руки хуже дрожат).
Я люблю говорить, вместе или нет. Я очень ненавижу «улучшаться, становиться лучше». Иногда ваш макет работает хорошо, но вы больше не можете получить детали. Что это, черт возьми? Хорошая концепция — это хорошая концепция, и лучше оставить ее такой, какая она есть, а не 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, которые были маленькими и недорогими для потребителей.
Некоторая миниатюризация обусловлена ​​конструкцией. Операционные усилители позволяют использовать гираторы, которые в некоторых случаях могут заменить большие катушки индуктивности. Активные фильтры также исключают катушки индуктивности.
Более крупные компоненты действительно способствуют другим вещам: минимизации схемы, то есть попытке использовать наименьшее количество компонентов, чтобы схема работала. Сегодня нас это не так уж и волнует. Нужно что-то, чтобы обратить сигнал? Возьмем операционный усилитель. Нужен ли вам конечный автомат? Возьмем mpu. и т. д. Сегодняшние компоненты действительно малы, но на самом деле внутри их много компонентов. Таким образом, в основном размер вашей схемы увеличивается, а энергопотребление увеличивается. Транзистор, используемый для инвертирования сигнала, потребляет меньше энергии для выполняют ту же работу, 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, немаловажную роль, безусловно, сыграют Intel, Samsung и TSMC, но ASML может оказаться в этом списке гораздо важнее. Конечно, к страдательному залогу это может не относиться…
Речь идет не только о сокращении затрат на полупроводники за счет технологических узлов следующего поколения. Другие вещи, например пакеты. Для меньших корпусов требуется меньше материалов и wcsp или даже меньше. Меньшие корпуса, меньшие печатные платы или модули и т. д.
Я часто вижу некоторые продукты по каталогу, где единственным движущим фактором является снижение стоимости. Размер МГц/памяти одинаковый, 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 волнуют клиентов)
Одним из преимуществ крупных компонентов является антирадиационный материал. В этой важной ситуации крошечные транзисторы более восприимчивы к воздействию космических лучей. Например, в космосе и даже в высотных обсерваториях.
Я не увидел основной 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 вычисления, рассчитав разницу в задержке распространения из-за изменений упаковки и сокращения циклов (1/частота). Это необходимо для уменьшения задержки/периода фракций. Вы обнаружите, что она 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 корпуса DIP обычно содержат много оставшегося места внутри не потому, что транзисторов и т. д. стало меньше.
Помимо проблемы создания достаточно точного робота для работы с крошечными компонентами в высокоскоростных приложениях захвата и размещения, еще одной проблемой является надежная сварка крошечных компонентов. Особенно, когда вам все еще нужны более крупные компоненты из-за требований к мощности/мощности. Использование специальная паяльная паста, шаблоны паяльной пасты со специальным шагом (наносить небольшое количество паяльной пасты там, где это необходимо, но при этом обеспечивать достаточное количество паяльной пасты для крупных компонентов) стали очень дорогими. Поэтому я думаю, что есть плато и дальнейшая миниатюризация схемы. Уровень платы — это всего лишь дорогостоящий и осуществимый способ. На этом этапе вы могли бы также провести большую 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 гаражных распродажах несколько первых мобильных телефонов по несколько долларов за штуку. Большинство микросхем имеют сквозные отверстия. Узнаваемый процессор и компандер NE570, большие микросхемы многоразового использования.
Затем у меня появились обновленные карманные телефоны. В них очень мало компонентов и почти ничего знакомого. В небольшом количестве микросхем не только выше плотность, но и принят новый дизайн (см. SDR), который устраняет большую часть дискретные компоненты, которые ранее были незаменимы.
> (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 реальном времени.
За прошедшие годы я, конечно, 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 быстрее, чем то, что вы делаете в лаборатории. По мере повышения частоты цифровых схем печатная плата становится частью сборки. Например, эффекты линии передачи, задержка распространения. Прототипирование любой резки. Edge Technology лучше потратить на правильное выполнение конструкции, а не на корректировку в лаборатории.
Что касается предметов хобби, оценка. Печатные платы и модули — это решение проблемы 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 переделывал некоторые конструкции со сквозных отверстий на SMD. Делайте более дешевые продукты, но создавать прототипы вручную неинтересно. Одна маленькая ошибка: «параллельное место» следует читать как «параллельная пластина».
Нет. После победы системы археологи все равно будут сбиты с толку ее находками. Кто знает, может быть, в 23 веке Планетарный Альянс примет новую систему…
Не могу не согласиться. Каков размер 0603? Конечно, сохранить 0603 как британский размер и «назвать» метрический размер 0603 0604 (или 0602) не так уж сложно, даже если это может быть технически неправильно (т.е.: фактический размер соответствия - не совсем так) в любом случае. 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».