zprávy

Snad po Ohmově zákoně je druhým nejznámějším zákonem v elektronice Moorův zákon: Počet tranzistorů, které lze vyrobit na integrovaném obvodu, se zdvojnásobí každé dva roky. Protože fyzická velikost čipu zůstává zhruba stejná, znamená to, že jednotlivé tranzistory se časem zmenšují. Začali jsme očekávat, že nová generace čipů s menší velikostí funkcí se objeví normální rychlostí, ale jaký má smysl věci zmenšovat? Znamená menší vždy lepší?
Elektronické inženýrství udělalo v minulém století obrovský pokrok. Ve dvacátých letech minulého století se nejpokročilejší AM rádia skládala z několika elektronek, několika obrovských induktorů, kondenzátorů a odporů, desítek metrů drátů používaných jako antény a velké sady baterií pro napájení celého zařízení. Dnes můžete poslouchat více než tucet hudebních streamovacích služeb na zařízení ve vaší kapse a můžete dělat více. Miniaturizace ale není jen pro přenositelnost: je naprosto nezbytná k dosažení výkonu, který dnes od našich zařízení očekáváme.
Jednou zjevnou výhodou menších komponent je, že umožňují zahrnout více funkcí do stejného objemu. To je zvláště důležité pro digitální obvody: více komponent znamená, že můžete provést více zpracování za stejnou dobu. Teoreticky je například množství informací zpracovávaných 64bitovým procesorem osmkrát větší než 8bitové CPU běžící na stejné taktovací frekvenci. Vyžaduje však také osmkrát více komponent: registry, sčítačky, sběrnice atd. jsou všechny osmkrát větší. Takže buď potřebujete čip, který je osmkrát větší, nebo potřebujete tranzistor, který je osmkrát menší.
Totéž platí pro paměťové čipy: Vytvořením menších tranzistorů získáte více úložného prostoru ve stejném objemu. Pixely ve většině dnešních displejů jsou vyrobeny z tenkovrstvých tranzistorů, takže má smysl je zmenšit a dosáhnout vyšších rozlišení. Čím menší je však tranzistor, tím lépe, a je tu ještě jeden zásadní důvod: jejich výkon se výrazně zlepšil. Ale proč přesně?
Kdykoli vyrobíte tranzistor, poskytne vám některé další součástky zdarma. Každá svorka má odpor v sérii. Jakýkoli předmět, který vede proud, má také vlastní indukčnost. Nakonec existuje kapacita mezi libovolnými dvěma vodiči proti sobě. Všechny tyto efekty spotřebovávají energii a zpomalují rychlost tranzistoru. Obzvláště problematické jsou parazitní kapacity: tranzistory je třeba nabíjet a vybíjet při každém zapnutí nebo vypnutí, což vyžaduje čas a proud z napájecího zdroje.
Kapacita mezi dvěma vodiči je funkcí jejich fyzické velikosti: menší velikost znamená menší kapacitu. A protože menší kondenzátory znamenají vyšší rychlost a nižší výkon, menší tranzistory mohou běžet na vyšších hodinových frekvencích a odvádět při tom méně tepla.
Jak zmenšujete velikost tranzistorů, kapacita není jediným efektem, který se mění: existuje mnoho podivných kvantově mechanických efektů, které u větších zařízení nejsou zřejmé. Obecně však platí, že zmenšením tranzistorů budou rychlejší. Ale elektronické produkty jsou víc než jen tranzistory. Když zmenšíte ostatní komponenty, jak fungují?
Obecně řečeno, pasivní součástky, jako jsou rezistory, kondenzátory a induktory, se nezlepší, když se zmenší: v mnoha ohledech se zhorší. Miniaturizací těchto součástek je proto především možnost je komprimovat do menšího objemu a tím ušetřit místo na DPS.
Velikost rezistoru lze zmenšit, aniž by došlo k příliš velkým ztrátám. Odpor kusu materiálu je dán vztahem, kde l je délka, A je plocha průřezu a ρ je měrný odpor materiálu. Můžete jednoduše zmenšit délku a průřez a skončit s fyzicky menším odporem, ale stále se stejným odporem. Jedinou nevýhodou je, že při ztrátě stejného výkonu budou fyzicky menší odpory generovat více tepla než větší odpory. Proto lze malé odpory použít pouze v obvodech s nízkým výkonem. Tato tabulka ukazuje, jak se maximální jmenovitý výkon rezistorů SMD snižuje s jejich velikostí.
Dnes je nejmenší rezistor, který si můžete koupit, metrický 03015 (0,3 mm x 0,15 mm). Jejich jmenovitý výkon je pouze 20 mW a používají se pouze pro obvody, které rozptylují velmi malý výkon a jsou extrémně omezené velikosti. Menší metrické balení 0201 (0,2 mm x 0,1 mm) bylo uvolněno, ale ještě nebylo uvedeno do výroby. Ale i když se objeví v katalogu výrobce, neočekávejte, že budou všude: většina robotů typu pick and place není dostatečně přesná, aby je zvládla, takže stále mohou být specializovanými produkty.
Kondenzátory lze také zmenšit, ale tím se sníží jejich kapacita. Vzorec pro výpočet kapacity bočníkového kondenzátoru je, kde A je plocha desky, d je vzdálenost mezi nimi a ε je dielektrická konstanta (vlastnost mezimateriálu). Pokud je kondenzátor (v podstatě ploché zařízení) miniaturizován, je třeba plochu zmenšit, a tím snížit kapacitu. Pokud přesto chcete zabalit hodně nafary do malého objemu, jedinou možností je naskládat několik vrstev dohromady. Díky pokrokům v materiálech a výrobě, které umožnily také tenké vrstvy (malé d) a speciální dielektrika (s větším ε), se velikost kondenzátorů v posledních několika desetiletích výrazně zmenšila.
Nejmenší dnes dostupný kondenzátor je v ultra malém metrickém balení 0201: pouze 0,25 mm x 0,125 mm. Jejich kapacita je omezena na stále užitečných 100 nF a maximální provozní napětí je 6,3 V. Tyto balíčky jsou také velmi malé a vyžadují pokročilé vybavení, aby je zvládly, což omezuje jejich široké přijetí.
Pro induktory je příběh trochu zapeklitý. Indukčnost přímé cívky je dána vztahem, kde N je počet závitů, A je plocha průřezu cívky, l je její délka a μ je materiálová konstanta (permeabilita). Pokud se všechny rozměry zmenší na polovinu, sníží se na polovinu i indukčnost. Odpor drátu však zůstává stejný: je tomu tak proto, že délka a průřez drátu jsou zmenšeny na čtvrtinu původní hodnoty. To znamená, že skončíte se stejným odporem na polovině indukčnosti, takže faktor kvality (Q) cívky snížíte na polovinu.
Nejmenší komerčně dostupná diskrétní cívka má palcovou velikost 01005 (0,4 mm x 0,2 mm). Ty jsou vysoké až 56 nH a mají odpor několika ohmů. Induktory v ultra-malém metrickém balení 0201 byly vydány v roce 2014, ale zřejmě nebyly nikdy uvedeny na trh.
Fyzikální omezení induktorů byla vyřešena použitím jevu zvaného dynamická indukčnost, který lze pozorovat u cívek vyrobených z grafenu. Ale i tak, pokud se to podaří vyrobit komerčně životaschopným způsobem, může se zvýšit o 50 %. Konečně cívku nelze dobře miniaturizovat. Pokud však váš obvod pracuje na vysokých frekvencích, nemusí to být nutně problém. Pokud je váš signál v pásmu GHz, obvykle stačí několik nH cívek.
To nás přivádí k další věci, která byla v minulém století miniaturizována, ale možná si toho hned nevšimnete: vlnová délka, kterou používáme ke komunikaci. Dřívější rozhlasové vysílání používalo AM frekvenci středních vln asi 1 MHz s vlnovou délkou asi 300 metrů. Frekvenční pásmo FM se středem na 100 MHz nebo 3 metry se stalo populárním kolem 60. let 20. století a dnes používáme hlavně komunikaci 4G kolem 1 nebo 2 GHz (asi 20 cm). Vyšší frekvence znamenají větší kapacitu přenosu informací. Právě díky miniaturizaci máme levná, spolehlivá a energeticky úsporná rádia, která pracují na těchto frekvencích.
Zmenšení vlnových délek může zmenšit antény, protože jejich velikost přímo souvisí s frekvencí, kterou potřebují vysílat nebo přijímat. Dnešní mobilní telefony nepotřebují dlouhé vyčnívající antény, a to díky jejich vyhrazené komunikaci na frekvencích GHz, pro kterou stačí anténa jen asi jeden centimetr. To je důvod, proč většina mobilních telefonů, které stále obsahují FM přijímače, vyžaduje, abyste před použitím zapojili sluchátka: rádio musí použít kabel sluchátek jako anténu, aby získalo dostatečnou sílu signálu z těchto metr dlouhých vln.
Pokud jde o obvody připojené k našim miniaturním anténám, když jsou menší, je ve skutečnosti jednodušší je vyrobit. Není to jen proto, že tranzistory se staly rychlejšími, ale také proto, že efekty přenosového vedení již nejsou problémem. Stručně řečeno, když délka drátu přesahuje jednu desetinu vlnové délky, musíte při návrhu obvodu zvážit fázový posun podél jeho délky. Při 2,4 GHz to znamená, že váš obvod ovlivnil pouze jeden centimetr drátu; pokud spojíte jednotlivé součástky dohromady, je to bolehlav, ale pokud obvod rozložíte na pár čtverečních milimetrů, není to problém.
Předvídání zániku Moorova zákona nebo ukazování, že tyto předpovědi jsou znovu a znovu mylné, se stalo opakujícím se tématem vědecké a technologické žurnalistiky. Faktem zůstává, že Intel, Samsung a TSMC, tři konkurenti, kteří jsou stále v popředí hry, nadále komprimují více funkcí na mikrometr čtvereční a plánují v budoucnu představit několik generací vylepšených čipů. I když pokrok, kterého dosáhli v každém kroku, nemusí být tak velký jako před dvěma desetiletími, miniaturizace tranzistorů pokračuje.
Zdá se však, že u diskrétních komponent jsme dosáhli přirozené hranice: jejich zmenšení nezlepší jejich výkon a nejmenší dostupné komponenty jsou menší, než vyžaduje většina případů použití. Zdá se, že Moorův zákon pro diskrétní zařízení neexistuje, ale pokud Moorův zákon existuje, rádi bychom viděli, jak moc může jeden člověk prosadit výzvu pájení SMD.
Vždy jsem chtěl vyfotit PTH rezistor, který jsem používal v 70. letech, a nasadit na něj SMD rezistor, stejně jako teď zapojuji/odpojuji. Mým cílem je, aby se moji bratři a sestry (žádný z nich nejsou elektronické produkty) změnili, včetně toho, že mohu dokonce vidět části své práce (jak se mi zhoršuje zrak, ruce se mi chvějí).
Rád říkám, je to spolu nebo ne. Opravdu nesnáším „zlepšit se, zlepšit se“. Někdy vaše rozložení funguje dobře, ale už nemůžete získat díly. Co to sakra je? . Dobrý koncept je dobrý koncept a je lepší jej ponechat tak, jak je, než jej bezdůvodně vylepšovat. Gantt
„Faktem zůstává, že tři společnosti Intel, Samsung a TSMC stále soutěží v čele této hry a neustále vytlačují více funkcí na mikrometr čtvereční,“
Elektronické součástky jsou velké a drahé. V roce 1971 měla průměrná rodina jen několik rádií, stereo a televizor. V roce 1976 se objevily počítače, kalkulačky, digitální hodiny a hodinky, které byly malé a pro spotřebitele levné.
Určitá miniaturizace pochází z designu. Operační zesilovače umožňují použití gyrátorů, které mohou v některých případech nahradit velké tlumivky. Aktivní filtry také eliminují induktory.
Větší součástky podporují jiné věci: minimalizaci obvodu, to znamená snahu použít co nejméně součástek, aby obvod fungoval. Dnes už nás to tolik nezajímá. Potřebujete něco na obrácení signálu? Vezměte operační zesilovač. Potřebujete státní automat? Vezměte si mpu. atd. Součástky jsou dnes opravdu malé, ale součástek je uvnitř skutečně mnoho. V zásadě se tedy zvětšuje velikost vašeho obvodu a zvyšuje se spotřeba energie. Tranzistor používaný k invertování signálu spotřebuje k provedení stejné práce méně energie než operační zesilovač. O využití výkonu se ale zase postará miniaturizace. Jen se inovace vydaly jiným směrem.
Skutečně jste postrádali některé z největších výhod/důvodů zmenšení velikosti: snížení parazitických vlastností balíčků a zvýšená manipulace s výkonem (což se zdá neintuitivní).
Z praktického hlediska, jakmile velikost prvku dosáhne přibližně 0,25u, dosáhnete úrovně GHz, v té době začne velký balíček SOP produkovat největší* efekt. Dlouhé spojovací dráty a tyto vodiče vás nakonec zabijí.
V tomto okamžiku se balíčky QFN/BGA výrazně zlepšily z hlediska výkonu. Navíc, když obal takto naplocho namontujete, skončíte s *výrazně* lepším tepelným výkonem a odhalenými podložkami.
Kromě toho budou jistě hrát důležitou roli Intel, Samsung a TSMC, ale ASML může být v tomto seznamu mnohem důležitější. To se samozřejmě nemusí týkat trpného rodu…
Nejde jen o snížení nákladů na křemík prostřednictvím procesních uzlů nové generace. Další věci, jako jsou tašky. Menší balíčky vyžadují méně materiálů a wcsp nebo ještě méně. Menší balení, menší PCB nebo moduly atd.
Často vidím některé katalogové produkty, kde jediným hnacím faktorem je snížení nákladů. Velikost MHz/paměti je stejná, funkce SOC a uspořádání pinů je stejné. Můžeme použít nové technologie ke snížení spotřeby energie (obvykle to není zadarmo, takže musí existovat nějaké konkurenční výhody, na kterých zákazníkům záleží)
Jednou z výhod velkých komponentů je antiradiační materiál. Drobné tranzistory jsou v této důležité situaci náchylnější k účinkům kosmického záření. Například ve vesmíru a dokonce i na vysokých observatořích.
Neviděl jsem zásadní důvod pro zvýšení rychlosti. Rychlost signálu je přibližně 8 palců za nanosekundu. Takže jen zmenšením velikosti jsou možné rychlejší čipy.
Možná budete chtít zkontrolovat svou vlastní matematiku výpočtem rozdílu ve zpoždění šíření kvůli změnám balení a sníženým cyklům (1/frekvence). To znamená zkrátit zpoždění/období frakcí. Zjistíte, že se to ani neukáže jako zaokrouhlovací faktor.
Jedna věc, kterou chci dodat, je, že mnoho integrovaných obvodů, zejména starších konstrukcí a analogových čipů, není ve skutečnosti zmenšeno, alespoň interně. Díky vylepšením v automatizované výrobě se pouzdra zmenšila, ale to je proto, že pouzdra DIP obvykle mají uvnitř mnoho zbývajícího prostoru, nikoli proto, že se zmenšily tranzistory atd.
Kromě problému s tím, aby byl robot dostatečně přesný, aby skutečně zvládl drobné součástky ve vysokorychlostních aplikacích typu pick-and-place, je dalším problémem spolehlivé svařování malých součástek. Zvláště když stále potřebujete větší komponenty kvůli požadavkům na výkon/kapacitu. Pomocí speciální pájecí pasty začaly být šablony speciální krokové pájecí pasty (aplikujte malé množství pájecí pasty tam, kde je potřeba, ale stále poskytují dostatek pájecí pasty pro velké součástky) velmi drahé. Takže si myslím, že existuje plató a další miniaturizace na úrovni desky s obvody je jen nákladný a proveditelný způsob. V tomto bodě můžete také provést větší integraci na úrovni křemíkového plátku a zjednodušit počet diskrétních součástek na absolutní minimum.
Uvidíte to na svém telefonu. Kolem roku 1995 jsem si v garážích koupil několik prvních mobilních telefonů za pár dolarů. Většina integrovaných obvodů je průchozí. Rozpoznatelný CPU a kompander NE570, velký opakovaně použitelný IC.
Pak jsem skončil s několika aktualizovanými kapesními telefony. Komponentů je velmi málo a téměř nic známého. U malého počtu integrovaných obvodů je nejen vyšší hustota, ale je také přijat nový design (viz SDR), který eliminuje většinu diskrétních součástek, které byly dříve nepostradatelné.
> (V případě potřeby naneste malé množství pájecí pasty, ale stále poskytněte dostatek pájecí pasty pro velké součástky)
Hej, představil jsem si šablonu „3D/Wave“ k vyřešení tohoto problému: tenčí tam, kde jsou nejmenší součástky, a tlustší tam, kde je napájecí obvod.
V dnešní době jsou SMT součástky velmi malé, můžete použít skutečné diskrétní součástky (ne 74xx a další odpadky) k návrhu vlastního CPU a vytištění na PCB. Posypte ji LED, můžete vidět, jak funguje v reálném čase.
Za ta léta určitě oceňuji rychlý vývoj složitých a malých součástek. Poskytují obrovský pokrok, ale zároveň přidávají novou úroveň složitosti iterativnímu procesu prototypování.
Rychlost nastavování a simulace analogových obvodů je mnohem rychlejší než to, co děláte v laboratoři. Se stoupající frekvencí digitálních obvodů se PCB stává součástí sestavy. Například efekty přenosového vedení, zpoždění šíření. Prototypování jakékoli špičkové technologie je nejlepší vynaložit na správné dokončení návrhu, spíše než na úpravy v laboratoři.
Co se týče hobby předmětů, hodnocení. Desky s plošnými spoji a moduly jsou řešením pro smršťování součástek a předběžných testů modulů.
To může ztratit „zábavu“, ale myslím si, že uvedení vašeho projektu do práce napoprvé může být smysluplnější kvůli práci nebo koníčkům.
Převáděl jsem některé návrhy z průchozího otvoru na SMD. Vyrábět levnější produkty, ale stavět prototypy ručně není sranda. Jedna malá chyba: „paralelní místo“ by se mělo číst jako „paralelní deska“.
Ne. Poté, co systém vyhraje, budou archeologové stále zmateni jeho nálezy. Kdo ví, možná ve 23. století Planetární aliance přijme nový systém…
Nemohl jsem více souhlasit. Jaká je velikost 0603? Samozřejmě, udržet 0603 jako imperiální velikost a „nazvat“ 0603 metrickou velikost 0604 (nebo 0602) není tak obtížné, i když to může být technicky nesprávné (tj. skutečná odpovídající velikost – ne tak). Striktní), ale alespoň každý bude vědět, o jaké technologii mluvíte (metrická/imperiální)!
"Obecně řečeno, pasivní součástky, jako jsou odpory, kondenzátory a induktory, se nezlepší, pokud je zmenšíte."