uutiset

Ehkä Ohmin lain jälkeen elektroniikan toiseksi tunnetuin laki on Mooren laki: Integroidulle piirille valmistettavien transistorien määrä kaksinkertaistuu noin kahden vuoden välein. Koska sirun fyysinen koko pysyy suunnilleen samana, tämä tarkoittaa, että yksittäiset transistorit pienenevät ajan myötä. Olemme alkaneet odottaa uuden sukupolven siruja pienemmillä ominaisuuksilla ilmestyvän normaalilla nopeudella, mutta mitä järkeä on tehdä asioista pienempiä? Tarkoittaako pienempi aina parempaa?
Viime vuosisadalla elektroniikkatekniikka on edistynyt valtavasti. 1920-luvulla kehittyneimmät AM-radiot koostuivat useista tyhjiöputkista, useista valtavista induktoreista, kondensaattoreista ja vastuksista, kymmenistä metreistä antenneina käytettäviä johtoja ja suuresta paristosarjasta koko laitteen virtalähteeksi. Nykyään voit kuunnella yli tusinaa musiikin suoratoistopalvelua taskussasi olevalla laitteella, ja voit tehdä enemmän. Miniatyrisointi ei kuitenkaan tarkoita vain siirrettävyyttä: se on ehdottoman välttämätöntä saavuttaaksemme sen suorituskyvyn, jota odotamme laitteiltamme tänään.
Yksi ilmeinen etu pienistä komponenteista on, että niiden avulla voit sisällyttää enemmän toimintoja samaan asemaan. Tämä on erityisen tärkeää digitaalisille piireille: enemmän komponentteja voit tehdä enemmän käsittelyä samassa ajassa. Esimerkiksi teoriassa 64-bittisen prosessorin käsittelemän tiedon määrä on kahdeksan kertaa suurempi kuin samalla kellotaajuudella toimivan 8-bittisen prosessorin. Mutta se vaatii myös kahdeksan kertaa enemmän komponentteja: rekisterit, summaimet, väylät jne. ovat kaikki kahdeksan kertaa suurempia. Joten tarvitset joko kahdeksan kertaa suuremman sirun tai kahdeksan kertaa pienemmän transistorin.
Sama pätee muistisiruihin: tekemällä pienempiä transistoreita, sinulla on enemmän tallennustilaa samassa tilavuudessa. Useimpien nykyisten näyttöjen pikselit on valmistettu ohutkalvotransistoreista, joten on järkevää pienentää niitä ja saavuttaa suurempi resoluutio. Kuitenkin, mitä pienempi transistori on, sitä parempi, ja on toinenkin ratkaiseva syy: niiden suorituskyky on parantunut huomattavasti. Mutta miksi juuri?
Aina kun teet transistorin, se tarjoaa joitain lisäkomponentteja ilmaiseksi. Jokaisessa liittimessä on vastus sarjassa. Kaikilla esineillä, jotka kuljettavat virtaa, on myös itseinduktanssi. Lopuksi minkä tahansa kahden vastakkain olevan johtimen välillä on kapasitanssi. Kaikki nämä vaikutukset kuluttavat tehoa ja hidastavat transistorin nopeutta. Parasiittiset kapasitanssit ovat erityisen hankalia: transistorit on ladattava ja purettava joka kerta, kun ne kytketään päälle tai pois päältä, mikä vaatii aikaa ja virtaa virtalähteestä.
Kahden johtimen välinen kapasitanssi riippuu niiden fyysisestä koosta: pienempi koko tarkoittaa pienempää kapasitanssia. Ja koska pienemmät kondensaattorit tarkoittavat suurempia nopeuksia ja pienempää tehoa, pienemmät transistorit voivat toimia korkeammilla kellotaajuuksilla ja haihduttaa vähemmän lämpöä.
Kun pienennät transistorien kokoa, kapasitanssi ei ole ainoa vaikutus, joka muuttuu: on monia outoja kvanttimekaanisia vaikutuksia, jotka eivät ole ilmeisiä suuremmille laitteille. Yleisesti ottaen transistorien pienentäminen tekee niistä kuitenkin nopeampia. Mutta elektroniikkatuotteet ovat enemmän kuin vain transistoreita. Kun pienennät muita komponentteja, miten ne toimivat?
Yleisesti ottaen passiiviset komponentit, kuten vastukset, kondensaattorit ja induktorit, eivät parane pienentyessään: ne monin tavoin huononevat. Siksi näiden komponenttien miniatyrisointi on pääasiassa mahdollistaa niiden puristaminen pienempään tilavuuteen, mikä säästää PCB-tilaa.
Vastuksen kokoa voidaan pienentää aiheuttamatta liikaa hävikkiä. Materiaalikappaleen vastus saadaan kaavalla, jossa l on pituus, A on poikkileikkauspinta-ala ja ρ on materiaalin ominaisvastus. Voit yksinkertaisesti pienentää pituutta ja poikkileikkausta ja päätyä fyysisesti pienempään vastukseen, mutta silti samalla resistanssilla. Ainoa haittapuoli on, että samalla teholla haihduttaessaan fyysisesti pienemmät vastukset tuottavat enemmän lämpöä kuin suuret vastukset. Siksi pieniä vastuksia voidaan käyttää vain pienitehoisissa piireissä. Tämä taulukko näyttää, kuinka SMD-vastusten maksimiteho laskee niiden koon pienentyessä.
Nykyään pienin ostettava vastus on metrisen kokoinen 03015 (0,3 mm x 0,15 mm). Niiden nimellisteho on vain 20 mW ja niitä käytetään vain piireissä, jotka haihduttavat hyvin vähän tehoa ja ovat kooltaan erittäin rajoitettuja. Pienempi metrinen 0201-paketti (0,2 mm x 0,1 mm) on julkaistu, mutta sitä ei ole vielä otettu tuotantoon. Mutta vaikka ne esiintyisivät valmistajan luettelossa, älä odota niiden olevan kaikkialla: useimmat poiminta- ja paikkarobotit eivät ole riittävän tarkkoja käsittelemään niitä, joten ne voivat silti olla erikoistuotteita.
Kondensaattoreita voidaan myös pienentää, mutta tämä vähentää niiden kapasitanssia. Shunttikondensaattorin kapasitanssin laskentakaava on, jossa A on levyn pinta-ala, d on niiden välinen etäisyys ja ε on dielektrisyysvakio (välimateriaalin ominaisuus). Jos kondensaattori (periaatteessa litteä laite) on pienikokoinen, pinta-alaa on pienennettävä, mikä pienentää kapasitanssia. Jos haluat silti pakata paljon nafaraa pieneen määrään, ainoa vaihtoehto on pinota useita kerroksia yhteen. Materiaalien ja valmistuksen kehityksen ansiosta, jotka ovat mahdollistaneet myös ohutkalvot (pieni d) ja erikoiseristeet (suuremmilla ε), kondensaattorien koko on pienentynyt merkittävästi viime vuosikymmeninä.
Pienin saatavilla oleva kondensaattori on erittäin pienessä metrisessä 0201-pakkauksessa: vain 0,25 mm x 0,125 mm. Niiden kapasitanssi on rajoitettu edelleen käyttökelpoiseen 100 nF:iin, ja suurin käyttöjännite on 6,3 V. Nämä paketit ovat myös erittäin pieniä ja vaativat kehittyneitä laitteita käsitelläkseen niitä, mikä rajoittaa niiden laajaa käyttöä.
Induktoreille tarina on hieman hankala. Suoran kelan induktanssi saadaan kaavalla, jossa N on kierrosten lukumäärä, A on käämin poikkipinta-ala, l on sen pituus ja μ on materiaalivakio (läpäisevyys). Jos kaikki mitat puolitetaan, myös induktanssi pienenee puoleen. Johdon resistanssi pysyy kuitenkin samana: tämä johtuu siitä, että langan pituus ja poikkileikkaus pienenevät neljännekseen sen alkuperäisestä arvosta. Tämä tarkoittaa, että päädyt samaan resistanssiin puolessa induktanssista, joten puolitat kelan laatukertoimen (Q).
Pienin kaupallisesti saatavilla oleva erillinen kela käyttää tuumaa 01005 (0,4 mm x 0,2 mm). Nämä ovat jopa 56 nH ja niiden vastus on muutaman ohmin. Induktorit erittäin pienessä metrisessä 0201-paketissa julkaistiin vuonna 2014, mutta ilmeisesti niitä ei ole koskaan tuotu markkinoille.
Induktorien fysikaaliset rajoitukset on ratkaistu käyttämällä ilmiötä nimeltä dynaaminen induktanssi, joka voidaan havaita grafeenista valmistetuissa keloissa. Mutta silti, jos se voidaan valmistaa kaupallisesti kannattavalla tavalla, se voi nousta 50 prosenttia. Lopuksi kelaa ei voi pienentää hyvin. Kuitenkin, jos piirisi toimii korkeilla taajuuksilla, tämä ei välttämättä ole ongelma. Jos signaalisi on GHz-alueella, muutama nH-kela yleensä riittää.
Tämä tuo meidät toiseen asiaan, jota on pienennetty viime vuosisadalla, mutta jota et välttämättä huomaa heti: viestinnässä käyttämämme aallonpituuteen. Varhaiset radiolähetykset käyttivät keskiaaltoaallon AM-taajuutta noin 1 MHz ja aallonpituutta noin 300 metriä. 100 MHz tai 3 metriin keskitetty FM-taajuusalue yleistyi 1960-luvulla, ja nykyään käytämme pääasiassa 4G-viestintää noin 1 tai 2 GHz (noin 20 cm). Korkeammat taajuudet tarkoittavat enemmän tiedonsiirtokapasiteettia. Pienentämisen ansiosta meillä on edullisia, luotettavia ja energiaa säästäviä radioita, jotka toimivat näillä taajuuksilla.
Kutistuvat aallonpituudet voivat kutistaa antenneja, koska niiden koko riippuu suoraan taajuudesta, jota ne tarvitsevat lähettämään tai vastaanottamaan. Nykypäivän matkapuhelimet eivät tarvitse pitkiä ulkonevia antenneja, kiitos niiden omistetun tiedonsiirron GHz-taajuuksilla, joita varten antennin tarvitsee olla vain noin senttimetri pitkä. Tästä syystä useimmat matkapuhelimet, joissa on edelleen FM-vastaanottimet, vaativat kuulokkeiden kytkemisen ennen käyttöä: radion on käytettävä kuulokkeiden johtoa antennina saadakseen riittävän voimakkaan signaalin noista metrin pituisista aalloista.
Mitä tulee miniatyyriantenneihimme kytkettyihin piireihin, kun ne ovat pienempiä, niistä tulee itse asiassa helpompi valmistaa. Tämä ei johdu vain siitä, että transistorit ovat nopeutuneet, vaan myös siitä, että siirtojohtovaikutukset eivät ole enää ongelma. Lyhyesti sanottuna, kun johdon pituus ylittää yhden kymmenesosan aallonpituudesta, sinun on otettava huomioon vaihesiirto sen pituudella piiriä suunniteltaessa. 2,4 GHz:llä tämä tarkoittaa, että vain yksi senttimetri johtoa on vaikuttanut piiriisi. jos juottaa erillisiä komponentteja yhteen, se on päänsärky, mutta jos asetat piirin muutamalle neliömillimetrille, se ei ole ongelma.
Mooren lain katoamisen ennustamisesta tai näiden ennusteiden osoittamisesta väärin kerta toisensa jälkeen on tullut toistuva teema tiede- ja teknologiajournalismissa. Tosiasia on, että Intel, Samsung ja TSMC, kolme kilpailijaa, jotka ovat edelleen pelin kärjessä, jatkavat enemmän ominaisuuksien pakkaamista neliömikrometriä kohden ja aikovat esitellä useita sukupolvia parannettuja siruja tulevaisuudessa. Vaikka edistyminen jokaisessa vaiheessa ei ehkä ole yhtä suurta kuin kaksi vuosikymmentä sitten, transistorien miniatyrisointi jatkuu.
Erillisten komponenttien kohdalla näytämme kuitenkin saavuttaneen luonnollisen rajan: niiden pienentäminen ei paranna niiden suorituskykyä, ja pienimmät tällä hetkellä saatavilla olevat komponentit ovat pienempiä kuin useimmat käyttötapaukset vaativat. Näyttää siltä, ​​​​että erillisille laitteille ei ole Mooren lakia, mutta jos Mooren laki on olemassa, haluaisimme nähdä kuinka paljon yksi henkilö voi työntää SMD-juottohaastetta.
Olen aina halunnut ottaa kuvan 1970-luvulla käyttämästäni PTH-vastuksesta ja laittaa siihen SMD-vastuksen, aivan kuten vaihdan nyt. Tavoitteeni on saada veljilleni ja sisaruksilleni (kukaan heistä ei ole elektroniikkatuotteita) kuinka paljon muutosta, mukaan lukien voin jopa nähdä osat työstäni (kun näköni huononee, käteni pahenevat Vapina).
Haluan sanoa, onko se yhdessä vai ei. Inhoan todella "parannu, parane". Joskus ulkoasu toimii hyvin, mutta et saa enää osia. Mitä helvettiä se on? . Hyvä konsepti on hyvä konsepti, ja on parempi pitää se sellaisenaan kuin parantaa sitä ilman syytä. Gantt
"Tosiasia on, että kolme yritystä Intel, Samsung ja TSMC kilpailevat edelleen tämän pelin kärjessä ja puristavat jatkuvasti lisää ominaisuuksia neliömikrometriä kohti."
Elektroniset komponentit ovat suuria ja kalliita. Vuonna 1971 keskimääräisellä perheellä oli vain muutama radio, stereot ja televisio. Vuoteen 1976 mennessä markkinoille tulivat tietokoneet, laskimet, digitaaliset kellot ja kellot, jotka olivat pieniä ja kuluttajille edullisia.
Jonkin verran miniatyrisointia tulee suunnittelusta. Operaatiovahvistimet mahdollistavat pyörittimien käytön, jotka voivat joissain tapauksissa korvata suuret induktorit. Aktiivisuotimet eliminoivat myös induktorit.
Suuremmat komponentit edistävät muita asioita: piirin minimointia, eli sitä, että yritetään käyttää mahdollisimman vähän komponentteja saadakseen piiri toimimaan. Nykyään emme välitä niin paljon. Tarvitsetko jotain signaalin kääntämiseen? Ota operaatiovahvistin. Tarvitsetko valtion koneen? Ota mpu. jne. Nykyään komponentit ovat todella pieniä, mutta sisällä on itse asiassa monia komponentteja. Joten periaatteessa piirisi koko kasvaa ja virrankulutus kasvaa. Transistori, jota käytetään signaalin invertoimiseen, käyttää vähemmän tehoa saman työn suorittamiseen kuin operaatiovahvistin. Mutta sitten taas miniatyrisointi huolehtii tehon käytöstä. Innovaatiot ovat vain menneet eri suuntaan.
Sinä todella menetit joitain pienen koon suurimmista eduista/syistä: vähentyneet pakkausparasiitteet ja lisääntynyt tehonkäsittely (mikä vaikuttaa epäintuitiiviselta).
Käytännön näkökulmasta, kun ominaisuuden koko saavuttaa noin 0,25u, saavutat GHz-tason, jolloin suuri SOP-paketti alkaa tuottaa suurimman* efektin. Pitkät liitosjohdot ja nuo johdot tappavat sinut lopulta.
Tässä vaiheessa QFN/BGA-paketit ovat parantuneet huomattavasti suorituskyvyn suhteen. Lisäksi, kun asennat pakkauksen litteäksi näin, saat *merkittävästi* paremman lämpösuorituskyvyn ja paljaat pehmusteet.
Lisäksi Intel, Samsung ja TSMC ovat varmasti tärkeässä roolissa, mutta ASML voi olla paljon tärkeämpi tässä luettelossa. Tämä ei tietenkään päde passiiviseen ääneen…
Kyse ei ole vain piikustannusten alentamisesta seuraavan sukupolven prosessisolmujen avulla. Muut asiat, kuten laukut. Pienemmät pakkaukset vaativat vähemmän materiaaleja ja wcsp:tä tai jopa vähemmän. Pienemmät paketit, pienemmät piirilevyt tai moduulit jne.
Näen usein joitain luettelotuotteita, joissa ainoa liikkeellepaneva tekijä on kustannusten alentaminen. MHz/muistin koko on sama, SOC-toiminto ja nastajärjestely ovat samat. Saatamme käyttää uusia teknologioita vähentääksemme virrankulutusta (yleensä tämä ei ole ilmaista, joten asiakkailla on oltava joitain kilpailuetuja, joista asiakkaat välittävät)
Yksi suurten komponenttien eduista on säteilyä estävä materiaali. Pienet transistorit ovat herkempiä kosmisten säteiden vaikutuksille tässä tärkeässä tilanteessa. Esimerkiksi avaruudessa ja jopa korkeissa observatorioissa.
En nähnyt suurta syytä nopeuden lisäämiseen. Signaalin nopeus on noin 8 tuumaa nanosekunnissa. Joten pelkkä kokoa pienentämällä, nopeammat sirut ovat mahdollisia.
Haluat ehkä tarkistaa oman matematiikkasi laskemalla eron etenemisviiveessä, joka johtuu pakkausmuutoksista ja vähentyneistä jaksoista (1/taajuus). Tämä on ryhmien viiveen/ajan vähentämiseksi. Huomaat, että se ei edes näy pyöristystekijänä.
Yksi asia, jonka haluan lisätä, on, että monia IC:itä, varsinkin vanhempia malleja ja analogisia siruja, ei itse asiassa pienennetä ainakaan sisäisesti. Automaattisen valmistuksen parannuksista johtuen paketit ovat pienentyneet, mutta tämä johtuu siitä, että DIP-paketeissa on yleensä paljon jäljellä tilaa, ei siksi, että transistorit jne. ovat pienentyneet.
Sen lisäksi, että robotin saaminen riittävän tarkaksi käsittelemään pieniä komponentteja nopeissa poiminta-asennuksissa, toinen ongelma on pienten komponenttien luotettava hitsaus. Varsinkin kun tarvitset vielä suurempia komponentteja teho/kapasiteettivaatimusten vuoksi. Erikoisjuotepastan avulla erityiset porrasjuotepastamallit (lisää pieni määrä juotospastaa tarvittaessa, mutta silti riittävä määrä juotospastaa suurille komponenteille) alkoivat tulla erittäin kalliiksi. Joten mielestäni on olemassa tasanne, ja edelleen miniatyrisointi piirilevytasolla on vain kallis ja toteuttamiskelpoinen tapa. Tässä vaiheessa voit yhtä hyvin tehdä enemmän integrointia piikiekkotasolla ja yksinkertaistaa erillisten komponenttien määrää ehdottomaan minimiin.
Näet tämän puhelimessasi. Vuoden 1995 tienoilla ostin autotallimyynnistä joitakin varhaisia ​​matkapuhelimia muutamalla dollarilla. Useimmat IC:t ovat läpimeneviä. Tunnistettava CPU ja NE570 compander, suuri uudelleenkäytettävä IC.
Sitten päädyin joihinkin päivitettyihin kämmenpuhelimiin. Komponentteja on hyvin vähän, eikä juuri mitään tuttua. Pienessä määrässä IC:itä ei vain tiheys ole suurempi, vaan myös uusi muotoilu (katso SDR) on otettu käyttöön, mikä eliminoi suurimman osan aiemmin välttämättömistä erillisistä komponenteista.
> (Levitä pieni määrä juotospastaa tarvittaessa, mutta anna silti riittävästi juotospastaa suurille komponenteille)
Hei, kuvittelin "3D/Wave" -mallin ratkaisemaan tämän ongelman: ohuempi siellä, missä pienimmät komponentit ovat, ja paksumpi siellä, missä virtapiiri on.
Nykyään SMT-komponentit ovat hyvin pieniä, voit käyttää oikeita erillisiä komponentteja (ei 74xx:ää ja muuta roskaa) oman CPU:n suunnitteluun ja sen tulostamiseen piirilevylle. Ripottele se LEDillä, näet sen toimivan reaaliajassa.
Vuosien varrella arvostan varmasti monimutkaisten ja pienten komponenttien nopeaa kehitystä. Ne tarjoavat valtavaa edistystä, mutta samalla ne lisäävät uuden tason monimutkaisuutta iteratiiviseen prototyyppien valmistusprosessiin.
Analogisten piirien säätö- ja simulointinopeus on paljon nopeampi kuin mitä teet laboratoriossa. Digitaalisten piirien taajuuden kasvaessa piirilevystä tulee osa kokoonpanoa. Esimerkiksi voimajohtovaikutukset, etenemisviive. Minkä tahansa huipputeknologian prototyyppien tekeminen on parasta käyttää suunnittelun viimeistelyyn sen sijaan, että laboratoriossa tehdään muutoksia.
Mitä tulee harrastukseen, arviointiin. Piirilevyt ja moduulit ovat ratkaisu kutistuviin komponentteihin ja moduulien esitestaukseen.
Tämä voi saada asiat menemään "hauskuuteen", mutta uskon, että projektisi saattaminen toimimaan ensimmäistä kertaa voi olla mielekkäämpää työn tai harrastuksen takia.
Olen muuntanut joitain malleja läpireiästä SMD: ksi. Tee halvempia tuotteita, mutta ei ole hauskaa rakentaa prototyyppejä käsin. Yksi pieni virhe: "rinnakkaispaikka" tulisi lukea "rinnakkaislevyksi".
Ei. Järjestelmän voittamisen jälkeen arkeologit ovat edelleen hämmentyneitä sen löydöistä. Kuka tietää, ehkä 23. vuosisadalla Planetary Alliance ottaa käyttöön uuden järjestelmän…
En voisi olla enempää samaa mieltä. Mikä on 0603:n koko? Tietenkään 0603:n pitäminen keisarillisena kokona ja 0603:n metrikokoisena "kutsuminen" 0604:ksi (tai 0602:ksi) ei tietenkään ole niin vaikeaa, vaikka se voisi olla teknisesti virheellinen (eli todellinen yhteensopivuuskoko - ei niin) joka tapauksessa. Tiukka), mutta ainakin kaikki tietävät, mistä tekniikasta puhut (metrinen / keisarillinen)!
"Yleisesti ottaen passiiviset komponentit, kuten vastukset, kondensaattorit ja induktorit, eivät parane, jos teet niistä pienempiä."