vijesti

Možda nakon Ohmovog zakona, drugi najpoznatiji zakon u elektronici je Moorov zakon: broj tranzistora koji se mogu proizvesti na integriranom kolu udvostručuje se svake dvije godine ili tako nešto. Budući da fizička veličina čipa ostaje otprilike ista, to znači da će pojedinačni tranzistori vremenom postati manji. Počeli smo da očekujemo da će se nova generacija čipova sa manjim karakteristikama pojaviti normalnom brzinom, ali koja je svrha smanjivanja stvari? Da li manje uvijek znači bolje?
U prošlom veku, elektronski inženjering je napravio ogroman napredak. Dvadesetih godina prošlog vijeka najnapredniji AM radio uređaji sastojali su se od nekoliko vakuumskih cijevi, nekoliko ogromnih induktora, kondenzatora i otpornika, desetina metara žica koje su se koristile kao antene i velikog seta baterija za napajanje cijelog uređaja. Danas možete slušati više od deset servisa za streaming muzike na uređaju u džepu, a možete i više. Ali minijaturizacija nije samo za prenosivost: ona je apsolutno neophodna za postizanje performansi koje očekujemo od naših uređaja danas.
Jedna očigledna prednost manjih komponenti je ta što vam omogućavaju da uključite više funkcionalnosti u isti volumen. Ovo je posebno važno za digitalna kola: više komponenti znači da možete obaviti više obrade u istom vremenu. Na primjer, u teoriji, količina informacija koje obrađuje 64-bitni procesor je osam puta veća od 8-bitnog CPU-a koji radi na istoj frekvenciji takta. Ali takođe zahteva osam puta više komponenti: registri, sabirači, magistrale, itd. su sve osam puta veće. Dakle, ili vam je potreban čip koji je osam puta veći, ili vam je potreban tranzistor koji je osam puta manji.
Isto važi i za memorijske čipove: pravljenjem manjih tranzistora, imate više prostora za skladištenje u istoj zapremini. Pikseli u većini današnjih ekrana napravljeni su od tranzistora tankog filma, pa ih ima smisla smanjiti i postići veće rezolucije. Međutim, što je tranzistor manji, to bolje, a postoji još jedan bitan razlog: njihove performanse su znatno poboljšane. Ali zašto tačno?
Kad god napravite tranzistor, on će besplatno osigurati neke dodatne komponente. Svaki terminal ima serijski otpornik. Svaki objekat koji nosi struju takođe ima samoinduktivnost. Konačno, postoji kapacitet između bilo koja dva provodnika okrenuta jedan prema drugom. Svi ovi efekti troše energiju i usporavaju brzinu tranzistora. Parazitski kapaciteti su posebno problematični: tranzistori se moraju puniti i prazniti svaki put kada se uključe ili isključe, što zahtijeva vrijeme i struju iz izvora napajanja.
Kapacitet između dva vodiča je funkcija njihove fizičke veličine: manja veličina znači manji kapacitet. A budući da manji kondenzatori znače veće brzine i manju snagu, manji tranzistori mogu raditi na višim frekvencijama takta i pri tome rasipati manje topline.
Kako smanjujete veličinu tranzistora, kapacitivnost nije jedini efekat koji se mijenja: postoje mnogi čudni kvantnomehanički efekti koji nisu očigledni za veće uređaje. Međutim, općenito govoreći, smanjenje tranzistora će ih učiniti bržima. Ali elektronski proizvodi su više od tranzistora. Kada smanjite druge komponente, kako one rade?
Uopšteno govoreći, pasivne komponente kao što su otpornici, kondenzatori i induktori neće postati bolje kada se smanje: na mnogo načina će se pogoršati. Stoga je minijaturizacija ovih komponenti uglavnom da bi se mogle komprimirati u manji volumen, čime se štedi prostor na PCB-u.
Veličina otpornika može se smanjiti bez izazivanja prevelikih gubitaka. Otpor komada materijala je dat sa, gdje je l dužina, A je površina poprečnog presjeka, a ρ je otpornost materijala. Možete jednostavno smanjiti dužinu i poprečni presjek i završiti s fizički manjim otpornikom, ali i dalje sa istim otporom. Jedini nedostatak je što će, kada rasipaju istu snagu, fizički manji otpornici generirati više topline od većih otpornika. Stoga se mali otpornici mogu koristiti samo u krugovima male snage. Ova tabela pokazuje kako se maksimalna snaga SMD otpornika smanjuje kako se njihova veličina smanjuje.
Danas, najmanji otpornik koji možete kupiti je metrička veličina 03015 (0,3 mm x 0,15 mm). Njihova nazivna snaga je samo 20 mW i koriste se samo za kola koja rasipaju vrlo malo snage i izuzetno su ograničene veličine. Manji metrički paket 0201 (0,2 mm x 0,1 mm) je pušten u prodaju, ali još nije pušten u proizvodnju. Ali čak i ako se pojave u katalogu proizvođača, ne očekujte da će biti posvuda: većina robota za odabir i postavljanje nije dovoljno precizna da s njima rukuje, tako da i dalje mogu biti nišni proizvodi.
Kondenzatori se također mogu smanjiti, ali to će smanjiti njihov kapacitet. Formula za izračunavanje kapacitivnosti šant kondenzatora je, gdje je A površina ploče, d je udaljenost između njih, a ε je dielektrična konstanta (svojstvo međumaterijala). Ako je kondenzator (u osnovi ravan uređaj) minijaturiziran, površina se mora smanjiti, čime se smanjuje kapacitivnost. Ako i dalje želite da spakujete puno nafare u malom volumenu, jedina opcija je da složite nekoliko slojeva zajedno. Zbog napretka u materijalima i proizvodnji, koji su također omogućili tanke filmove (mali d) i specijalne dielektrike (s većim ε), veličina kondenzatora značajno se smanjila u posljednjih nekoliko decenija.
Najmanji kondenzator koji je danas dostupan je u ultra malom metričkom 0201 pakovanju: samo 0,25 mm x 0,125 mm. Njihov kapacitet je ograničen na još uvek korisnih 100 nF, a maksimalni radni napon je 6,3 V. Takođe, ovi paketi su veoma mali i zahtevaju naprednu opremu za rukovanje, što ograničava njihovu široku upotrebu.
Za induktore, priča je malo zeznuta. Induktivnost ravnog namotaja je data sa, gdje je N broj zavoja, A je površina poprečnog presjeka zavojnice, l je njegova dužina, a μ je konstanta materijala (propusnost). Ako se sve dimenzije smanje za pola, induktivnost će se također smanjiti za polovicu. Međutim, otpor žice ostaje isti: to je zato što su dužina i poprečni presjek žice smanjeni na četvrtinu njene prvobitne vrijednosti. To znači da ćete na kraju imati isti otpor u pola induktivnosti, tako da prepolovite faktor kvalitete (Q) zavojnice.
Najmanji komercijalno dostupan diskretni induktor ima veličinu inča 01005 (0,4 mm x 0,2 mm). Oni su čak 56 nH i imaju otpor od nekoliko oma. Induktori u ultra malom metričkom paketu 0201 objavljeni su 2014. godine, ali očigledno nikada nisu predstavljeni na tržištu.
Fizička ograničenja induktora riješena su korištenjem fenomena zvanog dinamička induktivnost, koji se može uočiti u zavojnicama napravljenim od grafena. Ali čak i tako, ako se može proizvesti na komercijalno održiv način, može se povećati za 50%. Konačno, zavojnica se ne može dobro minijaturizirati. Međutim, ako vaš krug radi na visokim frekvencijama, to nije nužno problem. Ako je vaš signal u opsegu GHz, obično je dovoljno nekoliko nH zavojnica.
Ovo nas dovodi do još jedne stvari koja je minijaturizirana u prošlom stoljeću, ali možda nećete odmah primijetiti: talasnu dužinu koju koristimo za komunikaciju. Rane radio emisije koristile su srednje talasnu AM frekvenciju od oko 1 MHz sa talasnom dužinom od oko 300 metara. FM frekvencijski opseg sa centrom na 100 MHz ili 3 metra postao je popularan oko 1960-ih, a danas uglavnom koristimo 4G komunikacije oko 1 ili 2 GHz (oko 20 cm). Više frekvencije znače veći kapacitet za prenos informacija. Upravo zbog minijaturizacije imamo jeftine, pouzdane i štedljive radio stanice koje rade na ovim frekvencijama.
Smanjenje talasnih dužina može smanjiti antene jer je njihova veličina direktno povezana sa frekvencijom koju treba da emituju ili primaju. Današnjim mobilnim telefonima nisu potrebne dugačke izbočene antene, zahvaljujući njihovoj namjenskoj komunikaciji na GHz frekvencijama, za koje antena treba biti duga samo oko jedan centimetar. Zbog toga većina mobilnih telefona koji još uvijek sadrže FM prijemnike zahtijevaju od vas da priključite slušalice prije upotrebe: radio treba da koristi žicu slušalica kao antenu kako bi dobio dovoljnu jačinu signala iz tih talasa dugih jedan metar.
Što se tiče sklopova povezanih s našim minijaturnim antenama, kada su manje, zapravo ih je lakše napraviti. To nije samo zato što su tranzistori postali brži, već i zato što efekti dalekovoda više nisu problem. Ukratko, kada dužina žice prelazi jednu desetinu valne dužine, morate uzeti u obzir fazni pomak duž njene dužine kada dizajnirate krug. Na 2,4 GHz, to znači da je samo jedan centimetar žice utjecao na vaše kolo; ako spajate diskretne komponente zajedno, to je glavobolja, ali ako sklop postavite na nekoliko kvadratnih milimetara, to nije problem.
Predviđanje nestanka Murovog zakona, ili pokazivanje da su ta predviđanja iznova i iznova pogrešna, postala je tema koja se ponavlja u naučnom i tehnološkom novinarstvu. Ostaje činjenica da Intel, Samsung i TSMC, tri konkurenta koji su i dalje na čelu igre, nastavljaju da kompresuju više funkcija po kvadratnom mikrometru i planiraju da uvedu nekoliko generacija poboljšanih čipova u budućnosti. Iako napredak koji su postigli na svakom koraku možda nije tako velik kao prije dvije decenije, minijaturizacija tranzistora se nastavlja.
Međutim, za diskretne komponente, čini se da smo dosegli prirodnu granicu: njihovo smanjenje ne poboljšava njihove performanse, a najmanje komponente koje su trenutno dostupne su manje nego što većina slučajeva zahtijeva. Čini se da ne postoji Mooreov zakon za diskretne uređaje, ali ako postoji Mooreov zakon, voljeli bismo vidjeti koliko jedna osoba može pogurati izazov SMD lemljenja.
Oduvijek sam želio uslikati PTH otpornik koji sam koristio 1970-ih i staviti SMD otpornik na njega, baš kao što sada mijenjam/izmjenjujem. Moj cilj je da svojoj braći i sestrama (nijedno od njih nije elektronski proizvod) učinim koliko promjena, uključujući čak i da mogu vidjeti dijelove svog posla, (kako mi se vid pogoršava, ruke mi se sve lošije drhte).
Volim da kažem da li je zajedno ili ne. Zaista mrzim „poboljšaj se, postani bolji“. Ponekad vaš raspored radi dobro, ali više ne možete dobiti dijelove. Šta je to dođavola? . Dobar koncept je dobar koncept i bolje ga je zadržati onakvim kakav jeste, nego ga poboljšavati bez razloga. Gantt
“Činjenica ostaje da se tri kompanije Intel, Samsung i TSMC još uvijek takmiče na čelu ove igre, konstantno istiskujući više funkcija po kvadratnom mikrometru,”
Elektronske komponente su velike i skupe. Godine 1971. prosječna porodica imala je samo nekoliko radija, stereo i TV. Do 1976. pojavili su se kompjuteri, kalkulatori, digitalni satovi i satovi, koji su bili mali i jeftini za potrošače.
Neka minijaturizacija dolazi od dizajna. Operativna pojačala dozvoljavaju upotrebu giratora, koji u nekim slučajevima mogu zamijeniti velike induktore. Aktivni filteri također eliminiraju induktore.
Veće komponente promovišu druge stvari: minimiziranje kola, to jest, pokušaj korištenja najmanje komponenti da bi kolo funkcioniralo. Danas nas nije toliko briga. Trebate nešto za obrnuti signal? Uzmite operacijsko pojačalo. Da li vam treba državni stroj? Uzmi mpu. itd. Komponente su danas zaista male, ali zapravo ima mnogo komponenti unutra. Dakle, u osnovi se povećava veličina vašeg kola i povećava se potrošnja energije. Tranzistor koji se koristi za invertiranje signala koristi manje energije za postizanje istog posla od operacionog pojačala. Ali opet, minijaturizacija će se pobrinuti za korištenje moći. Samo što je inovacija otišla u drugom smjeru.
Zaista ste propustili neke od najvećih prednosti/razloga smanjene veličine: smanjeni paraziti u paketu i povećano rukovanje snagom (što se čini kontraintuitivnim).
Sa praktične tačke gledišta, kada veličina funkcije dostigne oko 0,25u, dostići ćete nivo GHz, kada veliki SOP paket počinje da proizvodi najveći* efekat. Duge žice za spajanje i ti vodovi će vas na kraju ubiti.
U ovom trenutku, QFN/BGA paketi su značajno poboljšani u smislu performansi. Osim toga, kada ovako montirate paket ravno, na kraju ćete imati *značajno* bolje termalne performanse i izložene jastučiće.
Osim toga, Intel, Samsung i TSMC će sigurno igrati važnu ulogu, ali ASML bi mogao biti mnogo važniji na ovoj listi. Naravno, ovo se možda ne odnosi na pasivni glas…
Ne radi se samo o smanjenju troškova silikona kroz procesne čvorove nove generacije. Druge stvari, kao što su torbe. Manji paketi zahtijevaju manje materijala i wcsp-a ili čak manje. Manji paketi, manji PCB ili moduli, itd.
Često vidim neke proizvode iz kataloga, gdje je jedini pokretački faktor smanjenje troškova. Veličina MHz/memorije je ista, SOC funkcija i raspored pinova su isti. Možemo koristiti nove tehnologije za smanjenje potrošnje energije (obično to nije besplatno, tako da moraju postojati neke konkurentske prednosti do kojih je kupcima stalo)
Jedna od prednosti velikih komponenti je materijal protiv zračenja. Sićušni tranzistori su podložniji dejstvu kosmičkih zraka, u ovoj važnoj situaciji. Na primjer, u svemiru, pa čak i opservatorijama na velikim visinama.
Nisam vidio veći razlog za povećanje brzine. Brzina signala je približno 8 inča po nanosekundi. Dakle, samo smanjenjem veličine, brži čipovi su mogući.
Možda ćete htjeti provjeriti svoju matematiku tako što ćete izračunati razliku u kašnjenju propagacije zbog promjena pakovanja i smanjenih ciklusa (1/frekvencija). To je da se smanji kašnjenje/period frakcija. Naći ćete da se čak i ne pojavljuje kao faktor zaokruživanja.
Jedna stvar koju želim da dodam je da mnogi IC-ovi, posebno stariji dizajni i analogni čipovi, nisu zapravo smanjeni, barem interno. Zbog poboljšanja u automatiziranoj proizvodnji, paketi su postali manji, ali to je zato što DIP paketi obično imaju mnogo preostalog prostora unutra, a ne zato što su tranzistori itd. postali manji.
Pored problema da robot bude dovoljno precizan da zaista rukuje sićušnim komponentama u aplikacijama velike brzine "pick-and-place", još jedan problem je pouzdano zavarivanje sićušnih komponenti. Pogotovo kada su vam i dalje potrebne veće komponente zbog zahtjeva za snagom/kapacitetom. Koristeći specijalnu pastu za lemljenje, specijalni šabloni paste za lemljenje (nanesite malu količinu paste za lemljenje tamo gde je potrebno, ali i dalje obezbedite dovoljno paste za lemljenje za velike komponente) počeli su da postaju veoma skupi. Tako da mislim da postoji plato, a dalja minijaturizacija na nivou štampane ploče je samo skup i izvodljiv način. U ovom trenutku, možete napraviti više integracije na nivou silicijumske pločice i pojednostaviti broj diskretnih komponenti na apsolutni minimum.
Vidjet ćete ovo na svom telefonu. Otprilike 1995. kupio sam nekoliko ranih mobilnih telefona na garažnim rasprodajama za nekoliko dolara svaki. Većina IC-ova je prohodna. Prepoznatljivi CPU i NE570 kompander, veliki IC za višekratnu upotrebu.
Onda sam završio sa nekim ažuriranim ručnim telefonima. Ima vrlo malo komponenti i gotovo ništa poznato. U malom broju IC-a, ne samo da je gustoća veća, već je i usvojen novi dizajn (vidi SDR), koji eliminira većinu diskretnih komponenti koje su ranije bile neophodne.
> (Nanesite malu količinu paste za lemljenje tamo gde je potrebno, ali ipak obezbedite dovoljno paste za lemljenje za velike komponente)
Hej, zamislio sam "3D/Wave" šablon da riješim ovaj problem: tanji tamo gdje su najmanje komponente, a deblji tamo gdje je strujni krug.
Danas su SMT komponente vrlo male, možete koristiti prave diskretne komponente (ne 74xx i ostalo smeće) da dizajnirate svoj vlastiti CPU i odštampate ga na PCB-u. Pospite ga LED diodama, možete vidjeti kako radi u realnom vremenu.
Tokom godina, svakako cijenim brzi razvoj složenih i malih komponenti. Oni pružaju ogroman napredak, ali u isto vrijeme dodaju novi nivo složenosti iterativnom procesu izrade prototipa.
Brzina podešavanja i simulacije analognih kola je mnogo brža od onoga što radite u laboratoriji. Kako frekvencija digitalnih kola raste, PCB postaje dio sklopa. Na primjer, efekti dalekovoda, kašnjenje širenja. Prototipiranje bilo koje najsavremenije tehnologije najbolje je potrošiti na ispravan završetak dizajna, umjesto na prilagođavanje u laboratoriju.
Što se tiče hobi predmeta, evaluacija. Ploče i moduli su rješenje za komponente koje se skupljaju i module za prethodno testiranje.
Ovo može dovesti do toga da stvari izgube „zabavu“, ali mislim da bi pokretanje vašeg projekta po prvi put moglo biti značajnije zbog posla ili hobija.
Pretvarao sam neke dizajne iz otvora u SMD. Napravite jeftinije proizvode, ali nije zabavno praviti prototipove ručno. Jedna mala greška: “paralelno mjesto” treba čitati kao “paralelna ploča”.
Ne. Nakon što sistem pobijedi, arheolozi će i dalje biti zbunjeni njegovim nalazima. Ko zna, možda u 23. veku Planetarna alijansa usvoji novi sistem...
Ne mogu se više složiti. Koja je veličina 0603? Naravno, zadržati 0603 kao imperijalnu veličinu i "nazvati" 0603 metričku veličinu 0604 (ili 0602) nije tako teško, čak i ako je možda tehnički netačno (tj.: stvarna veličina podudaranja - ne na taj način) ionako. Strogo), ali će barem svi znati o kojoj tehnologiji je riječ (metrička/imperijalna)!
“Uopšteno govoreći, pasivne komponente kao što su otpornici, kondenzatori i induktori neće postati bolje ako ih smanjite.”