zprávy

Možná 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 budou postupem času zmenšovat. Začali jsme očekávat, že nová generace čipů s menšími velikostmi funkcí se objeví normální rychlostí, ale jaký má smysl věci zmenšovat? Znamená menší vždy lepší?
V minulém století udělalo elektronické inženýrství obrovský pokrok. Ve dvacátých letech se nejpokročilejší AM rádia skládala z několika elektronek, několika obrovských induktorů, kondenzátorů a rezistorů, desítek metrů drátů používaných jako antény a velké sady baterií. pro napájení celého zařízení. Dnes můžete na zařízení v kapse poslouchat více než tucet hudebních streamovacích služeb a můžete dělat více. Miniaturizace však není jen pro přenositelnost: je naprosto nezbytná k dosažení výkonu, který dnes od našich zařízení očekáváme.
Jedna zřejmá výhoda menších součástek je, že umožňují zahrnout více funkcí do stejného objemu. To je důležité zejména pro digitální obvody: více součástek znamená, že můžete provést více zpracování za stejnou dobu. Teoreticky například množství informací zpracovávaných 64bitovým procesorem je osmkrát větší než u 8bitového CPU běžícího na stejné hodinové frekvenci. Vyžaduje však také osmkrát více komponent: registry, sčítačky, sběrnice atd. jsou všechny osmkrát větší. .Takže potřebujete buď čip, který je osmkrát větší, nebo tranzistor, který je osmkrát menší.
Totéž platí pro paměťové čipy: Vytvořením menších tranzistorů získáte více úložného prostoru ve stejném objemu. Pixely na většině dnešních displejů jsou vyrobeny z tenkých filmových tranzistorů, takže má smysl je zmenšit a dosáhnout vyšších rozlišení. , čím menší tranzistor, tím lepší, a je tu ještě jeden zásadní důvod: jejich výkon se výrazně zlepšil. Ale proč přesně?
Kdykoli vyrobíte tranzistor, poskytne vám zdarma některé další součástky. Každá svorka má odpor v sérii. Jakýkoli předmět, kterým prochází proud, má také vlastní indukčnost. Konečně je zde kapacita mezi libovolnými dvěma vodiči proti sobě. Všechny tyto efekty spotřebovávají energii a zpomalují rychlost tranzistoru. Obzvláště problematické jsou parazitní kapacity: je třeba je nabíjet a vybíjet při každém zapnutí nebo vypnutí tranzistorů, 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, mohou menší tranzistory 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 lze říci, že zmenšením tranzistorů budou rychlejší. Elektronické produkty jsou však více než jen tranzistory. Jak fungují ostatní součástky, když zmenšujete jejich výkon?
Obecně řečeno, pasivní součástky, jako jsou rezistory, kondenzátory a induktory, se nezlepší, když se zmenší: v mnoha ohledech se zhorší. , čímž se šetří místo na desce plošných spojů.
Velikost odporu 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 odpor materiálu. jednoduše zmenšete délku a průřez a skončíte 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. odpory lze použít pouze v obvodech s nízkým výkonem. Tato tabulka ukazuje, jak se maximální jmenovitý výkon rezistorů SMD snižuje s jejich velikostí.
Nejmenší rezistor, který si dnes můžete koupit, je metrický 03015 (0,3 mm x 0,15 mm). Jejich jmenovitý výkon je pouze 20 mW a používá se pouze pro obvody, které rozptylují velmi malý výkon a mají extrémně omezenou velikost. Menší metrický 0201 balení (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 pro výběr a umístění není dostatečně přesná manipulovat s nimi, takže stále mohou být specializovanými produkty.
Kondenzátory lze také zmenšit, ale sníží se tím 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) miniaturizovaný, musí se zmenšit plocha, čímž se sníží kapacita.Pokud chcete přesto nabalit hodně nafary do malého objemu, jediná možnost je skládat několik vrstev dohromady. Díky pokroku v materiálech a výrobě, které umožnily také tenké filmy (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 pouzdře 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. Také tato pouzdra jsou velmi malá a vyžadují k jejich manipulaci pokročilé vybavení, což omezuje jejich široké přijetí.
U induktorů 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 (propustnost). Pokud se všechny rozměry zmenší na polovinu, sníží se na polovinu i indukčnost. Odpor drátu však zůstává stejný: je to proto, že délka a průřez drátu se zmenší 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 tlumivka má palcovou velikost 01005 (0,4 mm x 0,2 mm). Ty jsou vysoké až 56 nH a mají odpor několik ohmů. Induktory v ultra malém metrickém balení 0201 byly uvedeny na trh v roce 2014, ale zřejmě nikdy nebyly 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 je lze vyrobit komerčně životaschopným způsobem, může se zvýšit o 50 %. Cívku nelze dobře miniaturizovat. Pokud však váš obvod pracuje na vysokých frekvencích, nemusí to nutně znamenat problém. Pokud je váš signál v pásmu GHz, obvykle stačí několik cívek nH.
To nás přivádí k další věci, která byla v minulém století miniaturizována, ale možná si toho hned nevšimnete: vlnová délka, kterou používáme pro komunikaci. Dřívější rozhlasové vysílání používalo středněvlnnou AM frekvenci 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 především 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 přibližně jedna centimetr dlouhé. 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 se tranzistory zrychlily, ale také proto, že efekty přenosového vedení již nejsou problémem. Zkrátka, když délka drátu přesahuje jednu desetinu vlnové délky, musíte při návrhu obvodu vzít v úvahu 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.
Předpovídání 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 součástek jsme dosáhli přirozené hranice: jejich zmenšení nezlepší jejich výkon a nejmenší dostupné součástky jsou menší, než vyžaduje většina případů použití. Zdá se, že pro diskrétní zařízení neexistuje Moorův zákon, ale pokud existuje Moorův zákon, rádi bychom viděli, jak moc může jeden člověk prosadit výzvu pájení SMD.
Vždy jsem chtěl vyfotit rezistor PTH, který jsem používal v 70. letech, a umístit na něj rezistor SMD, stejně jako nyní vyměňuji zapojování/odpojování. Mým cílem je, aby moji bratři a sestry (žádný z nich elektronické produkty), jak moc se mění, včetně toho, že dokonce vidím části své práce (jak se mi zhoršuje zrak, zhoršují se mi ruce Chvění).
Rád říkám, je to spolu nebo ne. Opravdu nesnáším „zlepšit se, zlepšit se“. Někdy vaše rozvržení funguje dobře, ale už nemůžete získat díly. Co to sakra je?. Dobrý koncept je dobrý koncept a je lepší ho 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 TV. 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 tlumivky.
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 si operační zesilovač. Potřebujete stavový stroj? Vezměte si mpu.atd. Součástky jsou dnes opravdu malé, ale uvnitř je ve skutečnosti mnoho součástek. Takže v zásadě se velikost vašeho obvodu zvětšuje a spotřeba energie se zvyšuje. Tranzistor používaný k invertování signálu spotřebuje méně energie vykonávají stejnou práci než operační zesilovač. Ale zase se o využití energie postará miniaturizace. Jen inovace šly 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 velké pouzdro 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. Samozřejmě to nemusí platit pro pasivní hlas…
Nejde jen o snížení nákladů na křemík prostřednictvím procesních uzlů nové generace. Další věci, jako jsou sáčky. Menší balíčky vyžadují méně materiálů a wcsp nebo ještě méně. Menší balíčky, menší desky plošných spojů nebo moduly atd.
Často se setkávám s některými katalogovými produkty, kde jediným hnacím faktorem je snížení nákladů. Velikost MHz/paměti je stejná, funkce SOC a uspořádání pinů jsou 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 součástek je antiradiační materiál. Drobné tranzistory jsou v této důležité situaci náchylnější na účinky kosmického záření. Například ve vesmíru a dokonce i na observatořích ve vysokých nadmořských výškách.
Neviděl jsem zásadní důvod pro zvýšení rychlosti. Rychlost signálu je přibližně 8 palců za nanosekundu. Takže pouze zmenšením velikosti jsou možné rychlejší čipy.
Možná budete chtít zkontrolovat svou vlastní matematiku výpočtem rozdílu ve zpoždění propagace kvůli změnám balení a sníženým cyklům (1/frekvence). To znamená snížit zpoždění/období frakcí. Zjistíte, že se to ani nezobrazí 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. Kvůli zlepšení v automatizované výrobě se balíčky zmenšily, ale to je proto, že balíčky DIP mají obvykle mnoho zbývající prostor uvnitř, ne proto, že by se tranzistory atd. zmenšily.
Kromě problému s tím, aby byl robot dostatečně přesný, aby skutečně zpracovával drobné součástky ve vysokorychlostních aplikacích typu pick-and-place, je dalším problémem spolehlivé svařování malých součástek. Zvláště když stále potřebujete větší součástky kvůli požadavkům na výkon/kapacitu. speciální pájecí pasta, speciální šablony krokové pájecí pasty (aplikujte malé množství pájecí pasty tam, kde je potřeba, ale stále poskytněte dostatek pájecí pasty pro velké součástky) začaly být velmi drahé. Takže si myslím, že je zde plató a další miniaturizace na obvodu Úroveň desky 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 v garáži koupil několik prvních mobilních telefonů za pár dolarů za kus. Většina integrovaných obvodů je průchozí. Rozpoznatelný CPU a kompander NE570, velký opakovaně použitelný integrovaný obvod.
Pak jsem skončil s několika aktualizovanými kapesními telefony. Je zde velmi málo součástek a téměř nic známého. U malého počtu integrovaných obvodů je nejen vyšší hustota, ale také je přijat nový design (viz SDR), který eliminuje většinu diskrétní součásti, 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 vytisknout jej na PCB. Posypte ho LED, uvidíte, jak funguje v reálném čase.
V průběhu let určitě oceňuji rychlý vývoj složitých a malých komponentů. 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 zvyšující se frekvencí digitálních obvodů se PCB stává součástí sestavy. Například efekty přenosového vedení, zpoždění šíření. Prototypování jakéhokoli řezání- Okrajovou technologii je nejlepší vynaložit na správné dokončení návrhu, než na provádění úprav v laboratoři.
Co se týče hobby předmětů, vyhodnocování. Desky a moduly jsou řešením pro smršťování součástek a modulů pro předběžné testování.
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, to není legrace. 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, zachovat 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."