nyheder

Måske efter Ohms lov er den næstmest berømte lov inden for elektronik Moores lov: Antallet af transistorer, der kan fremstilles på et integreret kredsløb, fordobles hvert andet år eller deromkring. Da chippens fysiske størrelse forbliver nogenlunde den samme, betyder det, at individuelle transistorer med tiden bliver mindre. Vi er begyndt at forvente, at en ny generation af chips med mindre funktionsstørrelser dukker op med normal hastighed, men hvad er meningen med at gøre tingene mindre? Betyder mindre altid bedre?
I det seneste århundrede har elektronisk teknik gjort enorme fremskridt. I 1920'erne bestod de mest avancerede AM-radioer af adskillige vakuumrør, adskillige enorme induktorer, kondensatorer og modstande, snesevis af meter ledninger brugt som antenner og et stort sæt batterier til at drive hele enheden. I dag kan du lytte til mere end et dusin musikstreamingtjenester på enheden i lommen, og du kan gøre mere. Men miniaturisering er ikke kun for portabilitet: det er absolut nødvendigt for at opnå den ydeevne, vi forventer af vores enheder i dag.
En åbenlys fordel ved mindre komponenter er, at de giver dig mulighed for at inkludere mere funktionalitet i samme volumen. Dette er især vigtigt for digitale kredsløb: flere komponenter betyder, at du kan udføre mere behandling på samme tid. For eksempel er mængden af ​​information, der behandles af en 64-bit processor, i teorien otte gange så stor som en 8-bit CPU, der kører på samme clockfrekvens. Men det kræver også otte gange så mange komponenter: registre, addere, busser osv. er alle otte gange større. Så du skal enten have en chip, der er otte gange større, eller også skal du bruge en transistor, der er otte gange mindre.
Det samme gælder hukommelseschips: Ved at lave mindre transistorer har du mere lagerplads i samme volumen. Pixels i de fleste skærme i dag er lavet af tyndfilmstransistorer, så det giver mening at skalere dem ned og opnå højere opløsninger. Men jo mindre transistoren er, jo bedre, og der er en anden afgørende grund: deres ydeevne er meget forbedret. Men hvorfor præcist?
Når du laver en transistor, vil den give nogle ekstra komponenter gratis. Hver terminal har en modstand i serie. Ethvert objekt, der fører strøm, har også selvinduktans. Endelig er der en kapacitans mellem to ledere, der vender mod hinanden. Alle disse effekter forbruger strøm og sænker transistorens hastighed. Parasitiske kapacitanser er særligt besværlige: Transistorer skal oplades og aflades, hver gang de tændes eller slukkes, hvilket kræver tid og strøm fra strømforsyningen.
Kapacitansen mellem to ledere er en funktion af deres fysiske størrelse: en mindre størrelse betyder en mindre kapacitans. Og fordi mindre kondensatorer betyder højere hastigheder og lavere effekt, kan mindre transistorer køre ved højere clock-frekvenser og aflede mindre varme ved at gøre det.
Når du krymper størrelsen af ​​transistorer, er kapacitans ikke den eneste effekt, der ændrer sig: der er mange mærkelige kvantemekaniske effekter, som ikke er indlysende for større enheder. Men generelt vil det at gøre transistorer mindre gøre dem hurtigere. Men elektroniske produkter er mere end bare transistorer. Når du nedskalerer andre komponenter, hvordan fungerer de så?
Generelt vil passive komponenter som modstande, kondensatorer og induktorer ikke blive bedre, når de bliver mindre: På mange måder vil de blive værre. Derfor er miniaturiseringen af ​​disse komponenter primært for at kunne komprimere dem til et mindre volumen og derved spare PCB-plads.
Størrelsen af ​​modstanden kan reduceres uden at forårsage for meget tab. Modstanden af ​​et stykke materiale er givet ved, hvor l er længden, A er tværsnitsarealet, og ρ er materialets resistivitet. Du kan blot reducere længden og tværsnittet og ende med en fysisk mindre modstand, men stadig have den samme modstand. Den eneste ulempe er, at når den samme effekt spredes, vil fysisk mindre modstande generere mere varme end større modstande. Derfor kan små modstande kun bruges i laveffektkredsløb. Denne tabel viser, hvordan den maksimale nominelle effekt for SMD-modstande falder, når deres størrelse falder.
I dag er den mindste modstand, du kan købe, den metriske 03015-størrelse (0,3 mm x 0,15 mm). Deres nominelle effekt er kun 20 mW og bruges kun til kredsløb, der spreder meget lidt strøm og er ekstremt begrænset i størrelse. En mindre metrisk 0201-pakke (0,2 mm x 0,1 mm) er blevet frigivet, men er endnu ikke sat i produktion. Men selvom de vises i producentens katalog, skal du ikke forvente, at de er overalt: De fleste pick and place-robotter er ikke nøjagtige nok til at håndtere dem, så de kan stadig være nicheprodukter.
Kondensatorer kan også nedskaleres, men det vil reducere deres kapacitans. Formlen til beregning af kapacitansen af ​​en shuntkondensator er, hvor A er arealet af brættet, d er afstanden mellem dem, og ε er den dielektriske konstant (egenskaben af ​​det mellemliggende materiale). Hvis kondensatoren (dybest set en flad enhed) er miniaturiseret, skal arealet reduceres, hvorved kapacitansen reduceres. Hvis du stadig vil pakke en masse nafara i et lille volumen, er den eneste mulighed at stable flere lag sammen. På grund af fremskridt inden for materialer og fremstilling, som også har gjort tynde film (lille d) og specielle dielektrika (med større ε) mulige, er størrelsen af ​​kondensatorer skrumpet betydeligt i de sidste par årtier.
Den mindste kondensator, der er tilgængelig i dag, er i en ultralille metrisk 0201-pakke: kun 0,25 mm x 0,125 mm. Deres kapacitans er begrænset til de stadig nyttige 100 nF, og den maksimale driftsspænding er 6,3 V. Desuden er disse pakker meget små og kræver avanceret udstyr til at håndtere dem, hvilket begrænser deres udbredte anvendelse.
For induktorer er historien lidt tricky. Induktansen af ​​en lige spole er givet ved, hvor N er antallet af vindinger, A er spolens tværsnitsareal, l er dens længde, og μ er materialekonstanten (permeabilitet). Hvis alle dimensioner reduceres til det halve, vil induktansen også blive reduceret til det halve. Trådens modstand forbliver dog den samme: Dette skyldes, at længden og tværsnittet af ledningen er reduceret til en fjerdedel af dens oprindelige værdi. Det betyder, at man ender med samme modstand i halvdelen af ​​induktansen, så man halverer spolens kvalitets (Q) faktor.
Den mindste kommercielt tilgængelige diskrete induktor anvender tommestørrelsen 01005 (0,4 mm x 0,2 mm). Disse er så høje som 56 nH og har en modstand på nogle få ohm. Induktorer i en ultra-lille metrisk 0201-pakke blev frigivet i 2014, men tilsyneladende er de aldrig blevet introduceret på markedet.
De fysiske begrænsninger af induktorer er blevet løst ved at bruge et fænomen kaldet dynamisk induktans, som kan observeres i spoler lavet af grafen. Men alligevel, hvis det kan fremstilles på en kommercielt levedygtig måde, kan det stige med 50 %. Endelig kan spolen ikke miniaturiseres godt. Men hvis dit kredsløb fungerer ved høje frekvenser, er dette ikke nødvendigvis et problem. Hvis dit signal er i GHz-området, er nogle få nH-spoler normalt tilstrækkelige.
Dette bringer os til en anden ting, der er blevet miniaturiseret i det sidste århundrede, men du bemærker måske ikke med det samme: bølgelængden, vi bruger til kommunikation. Tidlige radioudsendelser brugte en mellembølge AM-frekvens på omkring 1 MHz med en bølgelængde på omkring 300 meter. FM-frekvensbåndet centreret ved 100 MHz eller 3 meter blev populært omkring 1960'erne, og i dag bruger vi primært 4G-kommunikation omkring 1 eller 2 GHz (ca. 20 cm). Højere frekvenser betyder mere informationsoverførselskapacitet. Det er på grund af miniaturisering, at vi har billige, pålidelige og energibesparende radioer, der fungerer på disse frekvenser.
Krympende bølgelængder kan krympe antenner, fordi deres størrelse er direkte relateret til den frekvens, de skal sende eller modtage. Nutidens mobiltelefoner har ikke brug for lange fremspringende antenner, takket være deres dedikerede kommunikation på GHz-frekvenser, hvor antennen kun skal være omkring en centimeter lang. Det er derfor, at de fleste mobiltelefoner, der stadig indeholder FM-modtagere, kræver, at du tilslutter høretelefonerne før brug: Radioen skal bruge øretelefonens ledning som antenne for at få nok signalstyrke fra de en meter lange bølger.
Hvad angår de kredsløb, der er forbundet med vores miniatureantenner, bliver de faktisk nemmere at lave, når de er mindre. Dette er ikke kun fordi transistorer er blevet hurtigere, men også fordi transmissionslinjeeffekter ikke længere er et problem. Kort sagt, når længden af ​​en ledning overstiger en tiendedel af bølgelængden, skal du overveje faseforskydningen langs dens længde, når du designer kredsløbet. Ved 2,4 GHz betyder det, at kun én centimeter ledning har påvirket dit kredsløb; lodder man diskrete komponenter sammen, er det en hovedpine, men lægger man kredsløbet ud på et par kvadratmillimeter, er det ikke noget problem.
At forudsige Moores lovs undergang eller at vise, at disse forudsigelser er forkerte igen og igen, er blevet et tilbagevendende tema i videnskabs- og teknologijournalistikken. Faktum er, at Intel, Samsung og TSMC, de tre konkurrenter, der stadig er på forkant med spillet, fortsætter med at komprimere flere funktioner pr. kvadratmikrometer og planlægger at introducere flere generationer af forbedrede chips i fremtiden. Selvom de fremskridt, de har gjort på hvert trin, måske ikke er så store som for to årtier siden, fortsætter miniaturiseringen af ​​transistorer.
Men for diskrete komponenter ser vi ud til at have nået en naturlig grænse: at gøre dem mindre forbedrer ikke deres ydeevne, og de mindste komponenter, der er tilgængelige i øjeblikket, er mindre, end de fleste anvendelsestilfælde kræver. Det ser ud til, at der ikke er nogen Moores lov for diskrete enheder, men hvis der er Moores lov, ville vi elske at se, hvor meget én person kan presse SMD-loddeudfordringen.
Jeg har altid ønsket at tage et billede af en PTH-modstand, jeg brugte i 1970'erne, og sætte en SMD-modstand på den, ligesom jeg skifter ind/ud nu. Mit mål er at gøre mine brødre og søstre (ingen af ​​dem er elektroniske produkter) hvor meget forandring, inklusive jeg selv kan se dele af mit arbejde, (da mit syn bliver værre, bliver mine hænder dårligere Rystende).
Jeg kan godt lide at sige, er det sammen eller ej. Jeg hader virkelig "forbedre, blive bedre." Nogle gange fungerer dit layout godt, men du kan ikke længere få dele. Hvad fanden er det? . Et godt koncept er et godt koncept, og det er bedre at beholde det som det er, frem for at forbedre det uden grund. Gantt
"Faktum er stadig, at de tre virksomheder Intel, Samsung og TSMC stadig konkurrerer på forkant med dette spil, og de presser konstant flere funktioner ud pr. kvadratmikrometer."
Elektroniske komponenter er store og dyre. I 1971 havde den gennemsnitlige familie kun få radioer, et stereoanlæg og et tv. I 1976 var der kommet computere, lommeregnere, digitale ure og ure, som var små og billige for forbrugerne.
Nogle miniaturisering kommer fra design. Operationsforstærkere tillader brugen af ​​gyratorer, som i nogle tilfælde kan erstatte store induktorer. Aktive filtre eliminerer også induktorer.
Større komponenter fremmer andre ting: minimering af kredsløbet, det vil sige at forsøge at bruge færrest komponenter til at få kredsløbet til at fungere. I dag er vi ligeglade. Har du brug for noget til at vende signalet? Tag en operationsforstærker. Har du brug for en statsmaskine? Tag en mpu. osv. Komponenterne i dag er virkelig små, men der er faktisk mange komponenter indeni. Så dybest set stiger dit kredsløbsstørrelse, og strømforbruget stiger. En transistor, der bruges til at invertere et signal, bruger mindre strøm til at udføre det samme job end en operationsforstærker. Men så igen, miniaturisering vil tage sig af brugen af ​​magt. Det er bare, at innovation er gået i en anden retning.
Du gik virkelig glip af nogle af de største fordele/årsager ved reduceret størrelse: reduceret pakkeparasitter og øget krafthåndtering (hvilket virker kontraintuitivt).
Fra et praktisk synspunkt, når funktionsstørrelsen når omkring 0,25u, vil du nå GHz-niveauet, på hvilket tidspunkt den store SOP-pakke begynder at producere den største* effekt. Lange bindingstråde og disse ledninger vil til sidst dræbe dig.
På dette tidspunkt er QFN/BGA-pakkerne meget forbedret med hensyn til ydeevne. Når du derudover monterer pakken fladt på denne måde, ender du med *betydeligt* bedre termisk ydeevne og blotlagte puder.
Derudover vil Intel, Samsung og TSMC helt sikkert spille en vigtig rolle, men ASML kan være meget vigtigere på denne liste. Selvfølgelig gælder dette muligvis ikke for den passive stemme...
Det handler ikke kun om at reducere omkostningerne til silicium gennem næste generations procesknudepunkter. Andre ting, såsom tasker. Mindre pakker kræver færre materialer og wcsp eller endnu mindre. Mindre pakker, mindre PCB'er eller moduler mv.
Jeg ser ofte nogle katalogprodukter, hvor den eneste drivende faktor er omkostningsreduktion. MHz/hukommelsesstørrelsen er den samme, SOC-funktionen og pin-arrangementet er det samme. Vi kan bruge nye teknologier til at reducere strømforbruget (normalt er dette ikke gratis, så der skal være nogle konkurrencefordele, som kunderne bekymrer sig om)
En af fordelene ved store komponenter er anti-strålingsmaterialet. Små transistorer er mere modtagelige for virkningerne af kosmiske stråler i denne vigtige situation. For eksempel i rummet og endda observatorier i stor højde.
Jeg så ikke en større grund til hastighedsforøgelse. Signalhastigheden er cirka 8 tommer pr. nanosekund. Så bare ved at reducere størrelsen, er hurtigere chips muligt.
Du vil måske tjekke din egen matematik ved at beregne forskellen i udbredelsesforsinkelse på grund af emballageændringer og reducerede cyklusser (1/frekvens). Det er for at reducere forsinkelsen/perioden for fraktioner. Du vil opdage, at det ikke engang dukker op som en afrundingsfaktor.
En ting, jeg vil tilføje, er, at mange IC'er, især ældre designs og analoge chips, faktisk ikke er reduceret, i det mindste internt. På grund af forbedringer i automatiseret fremstilling er pakker blevet mindre, men det skyldes, at DIP-pakker normalt har meget resterende plads indeni, ikke fordi transistorer osv. er blevet mindre.
Ud over problemet med at gøre robotten nøjagtig nok til rent faktisk at håndtere små komponenter i high-speed pick-and-place applikationer, er et andet problem pålidelig svejsning af små komponenter. Især når du stadig har brug for større komponenter på grund af strøm/kapacitetskrav. Ved at bruge speciel loddepasta begyndte specielle trinloddepasta-skabeloner (påfør en lille mængde loddepasta, hvor det er nødvendigt, men giv stadig nok loddepasta til store komponenter) at blive meget dyrt. Så jeg tror, ​​der er et plateau, og yderligere miniaturisering på printpladeniveau er bare en omkostningsfuld og gennemførlig måde. På dette tidspunkt kan du lige så godt gøre mere integration på silicium wafer niveau og forenkle antallet af diskrete komponenter til et absolut minimum.
Du vil se dette på din telefon. Omkring 1995 købte jeg nogle tidlige mobiltelefoner i garagesalg for et par dollars stykket. De fleste IC'er er gennemgående. Genkendelig CPU og NE570 compander, stor genanvendelig IC.
Så endte jeg med nogle opdaterede håndholdte telefoner. Der er meget få komponenter og næsten intet bekendt. I et lille antal IC'er er ikke kun tætheden højere, men også et nyt design (se SDR), som eliminerer de fleste af de diskrete komponenter, der tidligere var uundværlige.
> (Påfør en lille mængde loddepasta, hvor det er nødvendigt, men giv stadig nok loddepasta til store komponenter)
Hej, jeg forestillede mig "3D/Wave"-skabelonen til at løse dette problem: tyndere, hvor de mindste komponenter er, og tykkere, hvor strømkredsløbet er.
I dag er SMT-komponenter meget små, du kan bruge rigtige diskrete komponenter (ikke 74xx og andet affald) til at designe din egen CPU og udskrive den på printkortet. Drys det med LED, du kan se det arbejde i realtid.
Gennem årene sætter jeg bestemt pris på den hurtige udvikling af komplekse og små komponenter. De giver enorme fremskridt, men de tilføjer samtidig et nyt niveau af kompleksitet til den iterative proces med prototyping.
Justerings- og simuleringshastigheden af ​​analoge kredsløb er meget hurtigere end hvad du gør i laboratoriet. Når frekvensen af ​​digitale kredsløb stiger, bliver printkortet en del af samlingen. For eksempel transmissionslinjeeffekter, udbredelsesforsinkelse. Prototyping af enhver banebrydende teknologi bruges bedst på at færdiggøre designet korrekt i stedet for at foretage justeringer i laboratoriet.
Hvad angår hobbyartikler, evaluering. Printplader og moduler er en løsning til krympende komponenter og fortestning af moduler.
Dette kan få tingene til at miste "sjovt", men jeg tror, ​​at det kan være mere meningsfuldt at få dit projekt til at fungere for første gang på grund af arbejde eller hobbyer.
Jeg har konverteret nogle designs fra gennemgående hul til SMD. Lav billigere produkter, men det er ikke sjovt at bygge prototyper i hånden. En lille fejl: "parallel sted" skal læses som "parallel plade".
Nej. Efter et system vinder, vil arkæologer stadig være forvirrede over dets resultater. Hvem ved, måske i det 23. århundrede vil Planetary Alliance vedtage et nyt system...
Jeg kunne ikke være mere enig. Hvad er størrelsen på 0603? Selvfølgelig er det ikke så svært at beholde 0603 som den kejserlige størrelse og "kalde" den 0603 metriske størrelse 0604 (eller 0602), selvom det kan være teknisk forkert (dvs. faktisk matchende størrelse - ikke på den måde) alligevel. Strenge), men i det mindste vil alle vide, hvilken teknologi du taler om (metrisk/imperialistisk)!
"Generelt bliver passive komponenter såsom modstande, kondensatorer og induktorer ikke bedre, hvis du gør dem mindre."