nyheter

Kanskje etter Ohms lov, er den nest mest kjente loven innen elektronikk Moores lov: Antall transistorer som kan produseres på en integrert krets dobles hvert annet år eller så. Siden den fysiske størrelsen på brikken forblir omtrent den samme, betyr dette at individuelle transistorer vil bli mindre over tid. Vi har begynt å forvente at en ny generasjon sjetonger med mindre funksjonsstørrelser skal vises med normal hastighet, men hva er vitsen med å gjøre ting mindre? Betyr mindre alltid bedre?
I det siste århundret har elektronisk teknikk gjort enorme fremskritt. På 1920-tallet besto de mest avanserte AM-radioene av flere vakuumrør, flere enorme induktorer, kondensatorer og motstander, dusinvis av meter med ledninger som ble brukt som antenner, og et stort sett med batterier for å drive hele enheten. I dag kan du lytte til mer enn et dusin musikkstrømmetjenester på enheten i lommen, og du kan gjøre mer. Men miniatyrisering er ikke bare for portabilitet: det er helt nødvendig for å oppnå ytelsen vi forventer av enhetene våre i dag.
En åpenbar fordel med mindre komponenter er at de lar deg inkludere mer funksjonalitet i samme volum. Dette er spesielt viktig for digitale kretser: flere komponenter betyr at du kan gjøre mer prosessering på samme tid. For eksempel, i teorien, er mengden informasjon som behandles av en 64-bits prosessor åtte ganger større enn en 8-bits CPU som kjører på samme klokkefrekvens. Men det krever også åtte ganger så mange komponenter: registre, hoggorm, busser osv. er alle åtte ganger større. Så du trenger enten en chip som er åtte ganger større, eller så trenger du en transistor som er åtte ganger mindre.
Det samme gjelder minnebrikker: Ved å lage mindre transistorer har du mer lagringsplass i samme volum. Pikslene i de fleste skjermer i dag er laget av tynnfilmtransistorer, så det er fornuftig å skalere dem ned og oppnå høyere oppløsninger. Men jo mindre transistoren er, jo bedre, og det er en annen avgjørende grunn: ytelsen deres er sterkt forbedret. Men hvorfor akkurat?
Når du lager en transistor, vil den gi noen ekstra komponenter gratis. Hver terminal har en motstand i serie. Ethvert objekt som fører strøm har også selvinduktans. Til slutt er det en kapasitans mellom to ledere som vender mot hverandre. Alle disse effektene bruker strøm og reduserer hastigheten til transistoren. Parasittiske kapasitanser er spesielt plagsomme: Transistorer må lades og utlades hver gang de slås på eller av, noe som krever tid og strøm fra strømforsyningen.
Kapasitansen mellom to ledere er en funksjon av deres fysiske størrelse: en mindre størrelse betyr en mindre kapasitans. Og fordi mindre kondensatorer betyr høyere hastigheter og lavere effekt, kan mindre transistorer kjøre på høyere klokkefrekvenser og spre mindre varme ved å gjøre det.
Når du krymper størrelsen på transistorer, er ikke kapasitans den eneste effekten som endres: det er mange merkelige kvantemekaniske effekter som ikke er åpenbare for større enheter. Men generelt sett vil det å gjøre transistorer mindre gjøre dem raskere. Men elektroniske produkter er mer enn bare transistorer. Når du skalerer ned andre komponenter, hvordan fungerer de?
Generelt sett vil passive komponenter som motstander, kondensatorer og induktorer ikke bli bedre når de blir mindre: på mange måter vil de bli verre. Derfor er miniatyriseringen av disse komponentene hovedsakelig for å kunne komprimere dem til et mindre volum, og dermed spare PCB-plass.
Størrelsen på motstanden kan reduseres uten å forårsake for mye tap. Motstanden til et stykke materiale er gitt av hvor l er lengden, A er tverrsnittsarealet, og ρ er materialets resistivitet. Du kan ganske enkelt redusere lengden og tverrsnittet, og ende opp med en fysisk mindre motstand, men fortsatt ha samme motstand. Den eneste ulempen er at når den samme kraften spres, vil fysisk mindre motstander generere mer varme enn større motstander. Derfor kan små motstander bare brukes i laveffektkretser. Denne tabellen viser hvordan den maksimale effekten til SMD-motstander reduseres når størrelsen reduseres.
I dag er den minste motstanden du kan kjøpe den metriske 03015-størrelsen (0,3 mm x 0,15 mm). Deres merkeeffekt er bare 20 mW og brukes kun til kretser som avgir svært lite kraft og er ekstremt begrenset i størrelse. En mindre metrisk 0201-pakke (0,2 mm x 0,1 mm) er utgitt, men er ennå ikke satt i produksjon. Men selv om de vises i produsentens katalog, ikke forvent at de er overalt: de fleste plukke-og-plasser-roboter er ikke nøyaktige nok til å håndtere dem, så de kan fortsatt være nisjeprodukter.
Kondensatorer kan også skaleres ned, men dette vil redusere kapasitansen. Formelen for å beregne kapasitansen til en shuntkondensator er, der A er arealet av brettet, d er avstanden mellom dem, og ε er den dielektriske konstanten (egenskapen til mellommaterialet). Hvis kondensatoren (i utgangspunktet en flat enhet) er miniatyrisert, må arealet reduseres, og dermed reduseres kapasitansen. Hvis du fortsatt ønsker å pakke mye nafara i et lite volum, er det eneste alternativet å stable flere lag sammen. På grunn av fremskritt innen materialer og produksjon, som også har gjort tynne filmer (liten d) og spesielle dielektriske (med større ε) mulig, har størrelsen på kondensatorene krympet betydelig de siste tiårene.
Den minste kondensatoren som er tilgjengelig i dag er i en ultraliten metrisk 0201-pakke: bare 0,25 mm x 0,125 mm. Kapasitansen deres er begrenset til de fortsatt nyttige 100 nF, og maksimal driftsspenning er 6,3 V. Dessuten er disse pakkene svært små og krever avansert utstyr for å håndtere dem, noe som begrenser deres utbredte bruk.
For induktorer er historien litt vanskelig. Induktansen til en rett spole er gitt av hvor N er antall omdreininger, A er spolens tverrsnittsareal, l er lengden og μ er materialkonstanten (permeabilitet). Hvis alle dimensjoner reduseres til det halve, vil også induktansen halveres. Imidlertid forblir motstanden til ledningen den samme: Dette er fordi lengden og tverrsnittet av ledningen er redusert til en fjerdedel av dens opprinnelige verdi. Det betyr at du ender opp med samme motstand i halvparten av induktansen, så du halverer kvalitetsfaktoren (Q) på spolen.
Den minste kommersielt tilgjengelige diskrete induktoren bruker tommerstørrelsen 01005 (0,4 mm x 0,2 mm). Disse er så høye som 56 nH og har en motstand på noen få ohm. Induktorer i en ultraliten metrisk 0201-pakke ble utgitt i 2014, men tilsynelatende har de aldri blitt introdusert på markedet.
De fysiske begrensningene til induktorer er løst ved å bruke et fenomen kalt dynamisk induktans, som kan observeres i spoler laget av grafen. Men likevel, hvis den kan produseres på en kommersielt levedyktig måte, kan den øke med 50 %. Til slutt kan spolen ikke miniatyriseres godt. Men hvis kretsen din fungerer ved høye frekvenser, er dette ikke nødvendigvis et problem. Hvis signalet ditt er i GHz-området, er noen få nH-spoler vanligvis tilstrekkelig.
Dette bringer oss til en annen ting som har blitt miniatyrisert det siste århundret, men som du kanskje ikke legger merke til umiddelbart: bølgelengden vi bruker for kommunikasjon. Tidlige radiosendinger brukte en mellombølget AM-frekvens på ca. 1 MHz med en bølgelengde på ca. 300 meter. FM-frekvensbåndet sentrert på 100 MHz eller 3 meter ble populært rundt 1960-tallet, og i dag bruker vi hovedsakelig 4G-kommunikasjon rundt 1 eller 2 GHz (ca. 20 cm). Høyere frekvenser betyr mer informasjonsoverføringskapasitet. Det er på grunn av miniatyrisering at vi har billige, pålitelige og energisparende radioer som fungerer på disse frekvensene.
Krympende bølgelengder kan krympe antenner fordi størrelsen deres er direkte relatert til frekvensen de trenger for å sende eller motta. Dagens mobiltelefoner trenger ikke lange utstikkende antenner, takket være deres dedikerte kommunikasjon på GHz-frekvenser, hvor antennen bare trenger å være omtrent én centimeter lang. Dette er grunnen til at de fleste mobiltelefoner som fortsatt inneholder FM-mottakere krever at du kobler til øretelefonene før bruk: Radioen må bruke øretelefonens ledning som en antenne for å få nok signalstyrke fra de én meter lange bølgene.
Når det gjelder kretsene som er koblet til miniatyrantennene våre, blir de faktisk lettere å lage når de er mindre. Dette er ikke bare fordi transistorer har blitt raskere, men også fordi overføringslinjeeffekter ikke lenger er et problem. Kort sagt, når lengden på en ledning overstiger en tidel av bølgelengden, må du vurdere faseforskyvningen langs dens lengde når du designer kretsen. Ved 2,4 GHz betyr dette at bare én centimeter ledning har påvirket kretsen din; lodder du sammen diskrete komponenter er det hodepine, men legger du ut kretsen på noen få kvadratmillimeter er det ikke noe problem.
Å forutsi bortfallet av Moores lov, eller vise at disse spådommene er feil igjen og igjen, har blitt et tilbakevendende tema i vitenskaps- og teknologijournalistikken. Faktum er fortsatt at Intel, Samsung og TSMC, de tre konkurrentene som fortsatt er i forkant av spillet, fortsetter å komprimere flere funksjoner per kvadratmikrometer, og planlegger å introdusere flere generasjoner med forbedrede brikker i fremtiden. Selv om fremgangen de har gjort på hvert trinn kanskje ikke er så stor som for to tiår siden, fortsetter miniatyriseringen av transistorer.
For diskrete komponenter ser vi imidlertid ut til at vi har nådd en naturlig grense: å gjøre dem mindre forbedrer ikke ytelsen, og de minste komponentene som er tilgjengelige er mindre enn de fleste brukstilfeller krever. Det ser ut til at det ikke finnes noen Moores lov for diskrete enheter, men hvis det er Moores lov, vil vi gjerne se hvor mye én person kan presse SMD-loddeutfordringen.
Jeg har alltid ønsket å ta et bilde av en PTH-motstand jeg brukte på 1970-tallet, og sette en SMD-motstand på den, akkurat som jeg bytter inn/ut nå. Målet mitt er å gjøre mine brødre og søstre (ingen av dem er elektroniske produkter) hvor mye endring, inkludert jeg til og med kan se delene av arbeidet mitt, (ettersom synet mitt blir dårligere, hendene mine blir verre skjelvende).
Jeg liker å si, er det sammen eller ikke. Jeg hater virkelig "forbedre, bli bedre." Noen ganger fungerer layouten din bra, men du kan ikke lenger få deler. Hva i helvete er det? . Et godt konsept er et godt konsept, og det er bedre å beholde det som det er, i stedet for å forbedre det uten grunn. Gantt
"Faktum er fortsatt at de tre selskapene Intel, Samsung og TSMC fortsatt konkurrerer i forkant av dette spillet, og presser stadig ut flere funksjoner per kvadratmikrometer,"
Elektroniske komponenter er store og dyre. I 1971 hadde den gjennomsnittlige familien bare noen få radioer, stereoanlegg og TV. I 1976 hadde datamaskiner, kalkulatorer, digitale klokker og klokker kommet ut, som var små og rimelige for forbrukerne.
Noe miniatyrisering kommer fra design. Operasjonsforsterkere tillater bruk av gyratorer, som i noen tilfeller kan erstatte store induktorer. Aktive filtre eliminerer også induktorer.
Større komponenter fremmer andre ting: minimering av kretsen, det vil si å prøve å bruke færrest komponenter for å få kretsen til å fungere. I dag bryr vi oss ikke så mye. Trenger du noe for å reversere signalet? Ta en operasjonsforsterker. Trenger du en statsmaskin? Ta en mpu. osv. Komponentene i dag er veldig små, men det er faktisk mange komponenter inni. Så i utgangspunktet øker kretsstørrelsen din og strømforbruket øker. En transistor som brukes til å invertere et signal bruker mindre strøm for å utføre den samme jobben enn en operasjonsforsterker. Men så igjen, miniatyrisering vil ta seg av maktbruken. Det er bare det at innovasjon har gått i en annen retning.
Du gikk virkelig glipp av noen av de største fordelene/årsakene til redusert størrelse: reduserte pakkeparasitter og økt krafthåndtering (noe som virker kontraintuitivt).
Fra et praktisk synspunkt, når funksjonsstørrelsen når omtrent 0,25u, vil du nå GHz-nivået, da den store SOP-pakken begynner å produsere den største* effekten. Lange bindingstråder og disse ledningene vil til slutt drepe deg.
På dette tidspunktet har QFN/BGA-pakker blitt kraftig forbedret når det gjelder ytelse. I tillegg, når du monterer pakken flatt slik, ender du opp med *betydelig* bedre termisk ytelse og utsatte puter.
I tillegg vil Intel, Samsung og TSMC sikkert spille en viktig rolle, men ASML kan være mye viktigere i denne listen. Selvfølgelig kan dette ikke gjelde for den passive stemmen ...
Det handler ikke bare om å redusere silisiumkostnader gjennom neste generasjons prosessnoder. Andre ting, for eksempel vesker. Mindre pakker krever mindre materialer og wcsp eller enda mindre. Mindre pakker, mindre PCB eller moduler osv.
Jeg ser ofte noen katalogprodukter, der den eneste drivende faktoren er kostnadsreduksjon. MHz/minnestørrelse er den samme, SOC-funksjon og pinnearrangement er de samme. Vi kan bruke ny teknologi for å redusere strømforbruket (vanligvis er dette ikke gratis, så det må være noen konkurransefortrinn som kundene bryr seg om)
En av fordelene med store komponenter er anti-strålingsmaterialet. Små transistorer er mer utsatt for effekten av kosmiske stråler, i denne viktige situasjonen. For eksempel i verdensrommet og til og med observatorier i stor høyde.
Jeg så ikke noen stor grunn til fartsøkning. Signalhastigheten er omtrent 8 tommer per nanosekund. Så bare ved å redusere størrelsen, er raskere chips mulig.
Det kan være lurt å sjekke din egen matematikk ved å beregne forskjellen i forplantningsforsinkelse på grunn av emballasjeendringer og reduserte sykluser (1/frekvens). Det er å redusere forsinkelsen/perioden for fraksjonene. Du vil oppdage at det ikke en gang vises som en avrundingsfaktor.
En ting jeg vil legge til er at mange IC-er, spesielt eldre design og analoge brikker, faktisk ikke er redusert, i hvert fall internt. På grunn av forbedringer i automatisert produksjon har pakkene blitt mindre, men det er fordi DIP-pakker vanligvis har mye gjenværende plass inni, ikke fordi transistorer etc. har blitt mindre.
I tillegg til problemet med å gjøre roboten nøyaktig nok til å faktisk håndtere små komponenter i høyhastighets pick-and-place-applikasjoner, er et annet problem pålitelig sveising av små komponenter. Spesielt når du fortsatt trenger større komponenter på grunn av kraft/kapasitetskrav. Ved å bruke spesiell loddepasta begynte spesielle trinn-loddepasta-maler (påfør en liten mengde loddepasta der det er nødvendig, men gi nok loddepasta til store komponenter) å bli veldig dyrt. Så jeg tror det er et platå, og ytterligere miniatyrisering på kretskortnivå er bare en kostbar og gjennomførbar måte. På dette tidspunktet kan du like godt gjøre mer integrasjon på silisiumwafer-nivå og forenkle antallet diskrete komponenter til et absolutt minimum.
Du vil se dette på telefonen. Rundt 1995 kjøpte jeg noen tidlige mobiltelefoner i garasjesalg for noen få dollar hver. De fleste IC-er er gjennomgående. Gjenkjennelig CPU og NE570-kompander, stor gjenbrukbar IC.
Så endte jeg opp med noen oppdaterte håndholdte telefoner. Det er svært få komponenter og nesten ingenting kjent. I et lite antall IC-er er ikke bare tettheten høyere, men også en ny design (se SDR) er tatt i bruk, som eliminerer de fleste diskrete komponentene som tidligere var uunnværlige.
> (Påfør en liten mengde loddepasta der det er nødvendig, men sørg for nok loddepasta for store komponenter)
Hei, jeg forestilte meg "3D/Wave"-malen for å løse dette problemet: tynnere der de minste komponentene er, og tykkere der strømkretsen er.
I dag er SMT-komponenter veldig små, du kan bruke ekte diskrete komponenter (ikke 74xx og annet søppel) for å designe din egen CPU og skrive den ut på PCB. Dryss den med LED, du kan se den fungere i sanntid.
Gjennom årene setter jeg absolutt pris på den raske utviklingen av komplekse og små komponenter. De gir en enorm fremgang, men samtidig tilfører de et nytt nivå av kompleksitet til den iterative prosessen med prototyping.
Justerings- og simuleringshastigheten til analoge kretser er mye raskere enn det du gjør i laboratoriet. Når frekvensen til digitale kretser stiger, blir PCB en del av sammenstillingen. For eksempel overføringslinjeeffekter, forplantningsforsinkelse. Prototyping av enhver banebrytende teknologi er best brukt på å fullføre designet riktig, i stedet for å gjøre justeringer i laboratoriet.
Når det gjelder hobbyartikler, evaluering. Kretskort og moduler er en løsning på krympende komponenter og forhåndstesting av moduler.
Dette kan få ting til å miste "moro", men jeg tror det kan være mer meningsfullt å få prosjektet ditt til å fungere for første gang på grunn av jobb eller hobbyer.
Jeg har konvertert noen design fra gjennomgående hull til SMD. Lag billigere produkter, men det er ikke gøy å bygge prototyper for hånd. En liten feil: "parallell plass" bør leses som "parallell plate".
Nei. Etter at et system vinner, vil arkeologer fortsatt være forvirret over funnene. Hvem vet, kanskje i det 23. århundre vil Planetary Alliance ta i bruk et nytt system...
Jeg kunne ikke vært mer enig. Hva er størrelsen på 0603? Selvfølgelig er det ikke så vanskelig å beholde 0603 som den keiserlige størrelsen og "kalle" den metriske 0603-størrelsen 0604 (eller 0602), selv om det kan være teknisk feil (dvs. faktisk samsvarende størrelse - ikke på den måten) uansett. Strenge), men alle vil i det minste vite hvilken teknologi du snakker om (metrisk/imperial)!
"Generelt sett vil passive komponenter som motstander, kondensatorer og induktorer ikke bli bedre hvis du gjør dem mindre."