nieuws

Misschien wel de tweede bekendste wet in de elektronica, na de wet van Ohm, is de wet van Moore: het aantal transistors dat op een geïntegreerd circuit kan worden vervaardigd, verdubbelt ongeveer elke twee jaar. Omdat de fysieke grootte van de chip ongeveer hetzelfde blijft, betekent dit dat individuele transistors in de loop van de tijd kleiner zullen worden. We verwachten nu dat er een nieuwe generatie chips met kleinere featuregroottes met normale snelheid zal verschijnen, maar wat heeft het voor zin om dingen kleiner te maken? Betekent kleiner altijd beter?
De afgelopen eeuw heeft de elektronische techniek enorme vooruitgang geboekt. In de jaren twintig bestonden de meest geavanceerde AM-radio's uit verschillende vacuümbuizen, verschillende enorme inductoren, condensatoren en weerstanden, tientallen meters draden die als antennes werden gebruikt, en een groot aantal batterijen om het hele apparaat van stroom te voorzien. Tegenwoordig kun je naar meer dan een dozijn muziekstreamingdiensten luisteren op het apparaat in je zak, en je kunt nog meer doen. Maar miniaturisatie is niet alleen bedoeld voor draagbaarheid: het is absoluut noodzakelijk om de prestaties te bereiken die we vandaag de dag van onze apparaten verwachten.
Een voor de hand liggend voordeel van kleinere componenten is dat u meer functionaliteit in hetzelfde volume kunt opnemen. Dit is vooral belangrijk voor digitale circuits: meer componenten betekent dat je meer verwerking in dezelfde tijd kunt doen. In theorie is de hoeveelheid informatie die door een 64-bits processor wordt verwerkt bijvoorbeeld acht keer zo groot als die van een 8-bits CPU die op dezelfde klokfrequentie draait. Maar er zijn ook acht keer zoveel componenten voor nodig: registers, optellers, bussen etc. zijn allemaal acht keer groter. Je hebt dus óf een chip nodig die acht keer groter is, óf je hebt een transistor nodig die acht keer kleiner is.
Hetzelfde geldt voor geheugenchips: door kleinere transistors te maken, heb je meer opslagruimte in hetzelfde volume. De pixels in de meeste beeldschermen van tegenwoordig zijn gemaakt van dunne-filmtransistors, dus het is logisch om ze te verkleinen en hogere resoluties te bereiken. Hoe kleiner de transistor, hoe beter, en er is nog een cruciale reden: hun prestaties zijn aanzienlijk verbeterd. Maar waarom precies?
Wanneer je een transistor maakt, worden er gratis enkele extra componenten meegeleverd. Elke aansluiting heeft een weerstand in serie. Elk object dat stroom voert, heeft ook zelfinductie. Ten slotte is er een capaciteit tussen twee naar elkaar gerichte geleiders. Al deze effecten verbruiken stroom en vertragen de snelheid van de transistor. Parasitaire capaciteiten zijn bijzonder lastig: transistors moeten elke keer dat ze worden in- of uitgeschakeld worden opgeladen en ontladen, wat tijd en stroom van de voeding vergt.
De capaciteit tussen twee geleiders is een functie van hun fysieke grootte: een kleinere afmeting betekent een kleinere capaciteit. En omdat kleinere condensatoren hogere snelheden en een lager vermogen betekenen, kunnen kleinere transistors op hogere klokfrequenties werken en daarbij minder warmte afvoeren.
Naarmate je de omvang van transistors kleiner maakt, is de capaciteit niet het enige effect dat verandert: er zijn veel vreemde kwantummechanische effecten die niet duidelijk zijn voor grotere apparaten. Over het algemeen zal het kleiner maken van transistors ze echter sneller maken. Maar elektronische producten zijn meer dan alleen transistors. Hoe presteren ze als je andere componenten verkleint?
Over het algemeen zullen passieve componenten zoals weerstanden, condensatoren en inductoren niet beter worden als ze kleiner worden: in veel opzichten zullen ze slechter worden. Daarom is de miniaturisatie van deze componenten vooral bedoeld om ze tot een kleiner volume te kunnen comprimeren, waardoor PCB-ruimte wordt bespaard.
De grootte van de weerstand kan worden verkleind zonder al te veel verlies te veroorzaken. De weerstand van een stuk materiaal wordt gegeven door, waarbij l de lengte is, A het dwarsdoorsnedeoppervlak is en ρ de soortelijke weerstand van het materiaal is. Je kunt eenvoudigweg de lengte en doorsnede verkleinen en uiteindelijk een fysiek kleinere weerstand krijgen, maar nog steeds dezelfde weerstand hebben. Het enige nadeel is dat fysiek kleinere weerstanden bij het dissiperen van hetzelfde vermogen meer warmte zullen genereren dan grotere weerstanden. Daarom kunnen kleine weerstanden alleen worden gebruikt in circuits met laag vermogen. Deze tabel laat zien hoe het maximale vermogen van SMD-weerstanden afneemt naarmate hun formaat afneemt.
Tegenwoordig is de kleinste weerstand die u kunt kopen de metrische 03015-maat (0,3 mm x 0,15 mm). Hun nominale vermogen bedraagt ​​slechts 20 mW en wordt alleen gebruikt voor circuits die zeer weinig vermogen dissiperen en uiterst beperkt van omvang zijn. Een kleiner metrisch 0201-pakket (0,2 mm x 0,1 mm) is uitgebracht, maar is nog niet in productie genomen. Maar ook al verschijnen ze wel in de catalogus van de fabrikant, verwacht niet dat ze overal te vinden zijn: de meeste pick-and-place-robots zijn niet nauwkeurig genoeg om ermee om te gaan, dus het kunnen nog steeds nicheproducten zijn.
Condensatoren kunnen ook worden verkleind, maar dit zal hun capaciteit verminderen. De formule voor het berekenen van de capaciteit van een shuntcondensator is, waarbij A het oppervlak van het bord is, d de afstand daartussen en ε de diëlektrische constante is (de eigenschap van het tussenmateriaal). Als de condensator (in principe een plat apparaat) wordt geminiaturiseerd, moet het oppervlak worden verkleind, waardoor de capaciteit wordt verminderd. Als je toch veel nafara in een klein volume wilt verpakken, is de enige optie meerdere lagen op elkaar te stapelen. Als gevolg van de vooruitgang op het gebied van materialen en productie, die ook dunne films (kleine d) en speciale diëlektrica (met grotere ε) mogelijk hebben gemaakt, is de omvang van condensatoren de afgelopen decennia aanzienlijk gekrompen.
De kleinste condensator die momenteel beschikbaar is, zit in een ultrakleine metrische 0201-verpakking: slechts 0,25 mm x 0,125 mm. Hun capaciteit is beperkt tot de nog steeds bruikbare 100 nF, en de maximale bedrijfsspanning is 6,3 V. Bovendien zijn deze pakketten erg klein en vereisen ze geavanceerde apparatuur om ermee om te gaan, waardoor de wijdverbreide acceptatie ervan wordt beperkt.
Voor inductoren is het verhaal een beetje lastig. De inductantie van een rechte spoel wordt gegeven door, waarbij N het aantal windingen is, A het dwarsdoorsnedeoppervlak van de spoel is, l de lengte is en μ de materiaalconstante (permeabiliteit). Als alle afmetingen met de helft worden verkleind, wordt de inductantie ook met de helft verminderd. De weerstand van de draad blijft echter hetzelfde: dit komt doordat de lengte en doorsnede van de draad worden teruggebracht tot een kwart van de oorspronkelijke waarde. Dit betekent dat je in de helft van de inductie dezelfde weerstand krijgt, dus halveer je de kwaliteitsfactor (Q) van de spoel.
De kleinste in de handel verkrijgbare discrete inductor heeft de inchmaat 01005 (0,4 mm x 0,2 mm). Deze zijn maar liefst 56 nH en hebben een weerstand van enkele ohm. Inductoren in een ultraklein metrisch 0201-pakket zijn in 2014 uitgebracht, maar blijkbaar zijn ze nooit op de markt geïntroduceerd.
De fysieke beperkingen van inductoren zijn opgelost door gebruik te maken van een fenomeen dat dynamische inductie wordt genoemd en dat kan worden waargenomen in spoelen gemaakt van grafeen. Maar toch, als het op een commercieel haalbare manier kan worden geproduceerd, kan het met 50% toenemen. Ten slotte kan de spoel niet goed worden geminiaturiseerd. Als uw circuit echter op hoge frequenties werkt, is dit niet noodzakelijkerwijs een probleem. Als uw signaal zich in het GHz-bereik bevindt, zijn meestal enkele nH-spoelen voldoende.
Dit brengt ons bij iets anders dat de afgelopen eeuw is geminiaturiseerd, maar dat je misschien niet meteen opmerkt: de golflengte die we gebruiken voor communicatie. Vroege radio-uitzendingen gebruikten een middengolf AM-frequentie van ongeveer 1 MHz met een golflengte van ongeveer 300 meter. De FM-frequentieband rond 100 MHz of 3 meter werd populair rond de jaren zestig, en tegenwoordig gebruiken we voornamelijk 4G-communicatie rond 1 of 2 GHz (ongeveer 20 cm). Hogere frequenties betekenen meer informatietransmissiecapaciteit. Het is dankzij de miniaturisering dat we goedkope, betrouwbare en energiebesparende radio's hebben die op deze frequenties werken.
Krimpende golflengten kunnen antennes verkleinen omdat hun grootte direct verband houdt met de frequentie die ze nodig hebben om te zenden of te ontvangen. De huidige mobiele telefoons hebben geen lange uitstekende antennes nodig, dankzij hun speciale communicatie op GHz-frequenties, waarvoor de antenne slechts ongeveer een centimeter lang hoeft te zijn. Dit is de reden waarom de meeste mobiele telefoons die nog steeds FM-ontvangers bevatten, vereisen dat je de oortelefoon aansluit voordat je hem gebruikt: de radio moet de draad van de oortelefoon als antenne gebruiken om voldoende signaalsterkte uit die één meter lange golven te halen.
Wat betreft de circuits die op onze miniatuurantennes zijn aangesloten: als ze kleiner zijn, worden ze feitelijk gemakkelijker te maken. Dit komt niet alleen omdat transistors sneller zijn geworden, maar ook omdat transmissielijneffecten niet langer een probleem zijn. Kortom, wanneer de lengte van een draad groter is dan een tiende van de golflengte, moet je bij het ontwerpen van het circuit rekening houden met de faseverschuiving over de lengte ervan. Bij 2,4 GHz betekent dit dat slechts één centimeter draad uw circuit heeft beïnvloed; als je afzonderlijke componenten aan elkaar soldeert, is dat hoofdpijn, maar als je de schakeling op een paar vierkante millimeter uitzet, is dat geen probleem.
Het voorspellen van de ondergang van de wet van Moore, of het aantonen dat deze voorspellingen keer op keer fout zijn, is een terugkerend thema geworden in de wetenschaps- en technologiejournalistiek. Het feit blijft dat Intel, Samsung en TSMC, de drie concurrenten die nog steeds voorop lopen in het spel, doorgaan met het comprimeren van meer functies per vierkante micrometer en van plan zijn in de toekomst verschillende generaties verbeterde chips te introduceren. Ook al is de vooruitgang die ze bij elke stap hebben geboekt misschien niet zo groot als twintig jaar geleden, de miniaturisering van transistors gaat door.
Voor discrete componenten lijken we echter een natuurlijke limiet te hebben bereikt: ze kleiner maken verbetert hun prestaties niet, en de kleinste componenten die momenteel beschikbaar zijn, zijn kleiner dan de meeste gebruiksscenario's vereisen. Het lijkt erop dat er geen wet van Moore bestaat voor discrete apparaten, maar als die er wel is, zouden we graag willen zien hoeveel één persoon de uitdaging van SMD-solderen kan opdrijven.
Ik heb altijd al een foto willen maken van een PTH-weerstand die ik in de jaren zeventig gebruikte, en er een SMD-weerstand op zetten, net zoals ik nu aan het in- en uitschakelen ben. Mijn doel is om mijn broers en zussen (geen van hen zijn elektronische producten) veel te laten veranderen, inclusief dat ik zelfs de delen van mijn werk kan zien (aangezien mijn gezichtsvermogen slechter wordt, worden mijn handen steeds slechter).
Ik zeg graag: is het samen of niet. Ik heb echt een hekel aan ‘verbeteren, beter worden’. Soms werkt je layout goed, maar kun je geen onderdelen meer krijgen. Wat is dat in vredesnaam? . Een goed concept is een goed concept, en het is beter om het te behouden zoals het is, dan om het zonder reden te verbeteren. Gant
“Feit blijft dat de drie bedrijven Intel, Samsung en TSMC nog steeds in de voorhoede van dit spel concurreren, waarbij ze voortdurend meer functies per vierkante micrometer uitpersen,”
Elektronische componenten zijn groot en duur. In 1971 beschikte het gemiddelde gezin over slechts enkele radio's, een stereo-installatie en een televisie. In 1976 waren er computers, rekenmachines, digitale klokken en horloges op de markt gekomen, die klein en goedkoop waren voor de consument.
Een deel van de miniaturisering komt voort uit het ontwerp. Operationele versterkers maken het gebruik van gyrators mogelijk, die in sommige gevallen grote inductoren kunnen vervangen. Actieve filters elimineren ook inductoren.
Grotere componenten bevorderen andere dingen: het minimaliseren van het circuit, dat wil zeggen, proberen zo min mogelijk componenten te gebruiken om het circuit te laten werken. Tegenwoordig maakt het ons niet zoveel uit. Heb je iets nodig om het signaal om te keren? Neem een ​​operationele versterker. Heeft u een staatsmachine nodig? Neem een ​​mpu. etc. De componenten zijn tegenwoordig erg klein, maar er zitten eigenlijk veel componenten in. Dus feitelijk neemt uw circuitgrootte toe en neemt het stroomverbruik toe. Een transistor die wordt gebruikt om een ​​signaal te inverteren, gebruikt minder stroom om hetzelfde werk te doen dan een operationele versterker. Maar aan de andere kant zal miniaturisatie zorgen voor het gebruik van macht. Het is alleen zo dat de innovatie een andere kant op is gegaan.
Je hebt echt een aantal van de grootste voordelen/redenen van de kleinere omvang gemist: minder pakketparasitaire problemen en een betere belastbaarheid (wat contra-intuïtief lijkt).
Vanuit praktisch oogpunt bereik je, zodra de featuregrootte ongeveer 0,25u bereikt, het GHz-niveau, op welk moment het grote SOP-pakket het grootste* effect begint te produceren. Lange verbindingsdraden en die kabels zullen je uiteindelijk doden.
Op dit punt zijn de QFN/BGA-pakketten aanzienlijk verbeterd qua prestaties. Als u het pakket op deze manier plat monteert, krijgt u bovendien *aanzienlijk* betere thermische prestaties en zichtbare pads.
Daarnaast zullen Intel, Samsung en TSMC zeker een belangrijke rol spelen, maar ASML is mogelijk nog veel belangrijker in dit rijtje. Dit geldt uiteraard niet voor de passieve stem...
Het gaat niet alleen om het verlagen van de siliciumkosten via procesknooppunten van de volgende generatie. Andere dingen, zoals tassen. Kleinere pakketten vereisen minder materialen en wcsp of zelfs minder. Kleinere pakketten, kleinere PCB's of modules, enz.
Ik zie vaak catalogusproducten waarbij de enige drijvende factor kostenreductie is. MHz/geheugengrootte is hetzelfde, SOC-functie en pin-opstelling zijn hetzelfde. We kunnen nieuwe technologieën gebruiken om het energieverbruik te verminderen (meestal is dit niet gratis, dus er moeten een aantal concurrentievoordelen zijn waar klanten om geven)
Een van de voordelen van grote componenten is het antistralingsmateriaal. In deze belangrijke situatie zijn kleine transistors gevoeliger voor de effecten van kosmische straling. Bijvoorbeeld in de ruimte en zelfs in observatoria op grote hoogte.
Ik zag geen belangrijke reden voor de snelheidsverhoging. De signaalsnelheid is ongeveer 8 inch per nanoseconde. Dus alleen al door de grootte te verkleinen, zijn snellere chips mogelijk.
Misschien wilt u uw eigen wiskunde controleren door het verschil in voortplantingsvertraging te berekenen als gevolg van verpakkingsveranderingen en verminderde cycli (1/frequentie). Dat is om de vertraging/periode van facties te verminderen. U zult merken dat het niet eens als afrondingsfactor wordt weergegeven.
Eén ding dat ik wil toevoegen is dat veel IC's, vooral oudere ontwerpen en analoge chips, niet echt zijn verkleind, althans intern. Door verbeteringen in de geautomatiseerde productie zijn pakketten kleiner geworden, maar dat komt omdat DIP-pakketten meestal veel resterende ruimte binnenin hebben, niet omdat transistors etc. kleiner zijn geworden.
Naast het probleem om de robot nauwkeurig genoeg te maken om kleine componenten daadwerkelijk te kunnen verwerken in snelle pick-and-place-toepassingen, is een ander probleem het betrouwbaar lassen van kleine componenten. Zeker als je vanwege vermogens-/capaciteitseisen toch grotere componenten nodig hebt. Met behulp van speciale soldeerpasta begonnen speciale soldeerpasta-sjablonen (breng een kleine hoeveelheid soldeerpasta aan waar nodig, maar zorg toch voor voldoende soldeerpasta voor grote componenten) erg duur te worden. Ik denk dus dat er sprake is van een plateau, en dat verdere miniaturisering op het niveau van de printplaten slechts een kostbare en haalbare manier is. Op dit punt zou je net zo goed meer integratie op siliciumwafelniveau kunnen doen en het aantal afzonderlijke componenten tot een absoluut minimum kunnen vereenvoudigen.
Dit zie je op je telefoon. Rond 1995 kocht ik een aantal vroege mobiele telefoons in garageverkopen voor een paar dollar per stuk. De meeste IC's zijn doorlopende gaten. Herkenbare CPU en NE570 compander, groot herbruikbaar IC.
Toen kreeg ik een aantal bijgewerkte draagbare telefoons. Er zijn heel weinig componenten en bijna niets bekends. Bij een klein aantal IC's is niet alleen de dichtheid hoger, maar wordt ook een nieuw ontwerp (zie SDR) toegepast, waardoor de meeste discrete componenten worden geëlimineerd die voorheen onmisbaar waren.
> (Breng waar nodig een kleine hoeveelheid soldeerpasta aan, maar zorg wel voor voldoende soldeerpasta voor grote componenten)
Hé, ik stelde me de “3D/Wave”-sjabloon voor om dit probleem op te lossen: dunner waar de kleinste componenten zijn, en dikker waar het stroomcircuit is.
Tegenwoordig zijn SMT-componenten erg klein, je kunt echte discrete componenten gebruiken (geen 74xx en ander afval) om je eigen CPU te ontwerpen en deze op de printplaat af te drukken. Bestrooi het met LED, je kunt het in realtime zien werken.
Door de jaren heen waardeer ik zeker de snelle ontwikkeling van complexe en kleine componenten. Ze zorgen voor enorme vooruitgang, maar voegen tegelijkertijd een nieuw niveau van complexiteit toe aan het iteratieve proces van prototyping.
De aanpassings- en simulatiesnelheid van analoge circuits is veel sneller dan wat je in het laboratorium doet. Naarmate de frequentie van digitale circuits stijgt, wordt de PCB onderdeel van de assemblage. Bijvoorbeeld transmissielijneffecten, voortplantingsvertraging. Prototyping van elke geavanceerde technologie kan het beste worden besteed aan het correct voltooien van het ontwerp, in plaats van aanpassingen aan te brengen in het laboratorium.
Wat betreft hobbyartikelen, evaluatie. Printplaten en modules zijn een oplossing voor het verkleinen van componenten en het vooraf testen van modules.
Dit kan ervoor zorgen dat dingen ‘leuk’ worden, maar ik denk dat het voor de eerste keer zinvoller is om je project te laten werken vanwege werk of hobby’s.
Ik heb een aantal ontwerpen omgezet van through-hole naar SMD. Maak goedkopere producten, maar het is niet leuk om prototypes met de hand te bouwen. Eén klein foutje: “parallelle plaats” moet gelezen worden als “parallelle plaat”.
Nee. Nadat een systeem heeft gewonnen, zullen archeologen nog steeds in verwarring raken door de bevindingen ervan. Wie weet zal de Planetaire Alliantie in de 23e eeuw een nieuw systeem adopteren...
Ik ben het daar volledig mee eens. Wat is de maat van 0603? Natuurlijk is het niet zo moeilijk om 0603 als imperiale maat te behouden en de 0603-metrische maat 0604 (of 0602) te 'noemen', ook al kan het sowieso technisch incorrect zijn (dat wil zeggen: de werkelijke overeenkomende maat - niet zo). Strikt), maar in ieder geval weet iedereen over welke technologie je het hebt (metrisch/imperiaal)!
“Over het algemeen worden passieve componenten zoals weerstanden, condensatoren en inductoren niet beter als je ze kleiner maakt.”