nieuws

Na de wet van Ohm is misschien wel de op een na bekendste wet in de elektronica 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 zullen in de loop van de tijd kleiner worden. We verwachten dat er met een normale snelheid een nieuwe generatie chips met kleinere featuregroottes zal verschijnen, maar wat heeft het voor zin om dingen kleiner te maken? Betekent kleiner altijd beter?
In 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 draad 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 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 je meer functionaliteit in hetzelfde volume kunt opnemen. Dit is vooral belangrijk voor digitale circuits: meer componenten betekent dat je meer verwerking in dezelfde hoeveelheid tijd kunt doen. In theorie zou de De hoeveelheid informatie die door een 64-bits processor wordt verwerkt, is 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, enz. zijn allemaal acht keer groter Je hebt dus ofwel een chip nodig die acht keer groter is, ofwel een transistor 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 zijn tegenwoordig 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?
Elke keer dat je een transistor maakt, levert deze gratis een aantal extra componenten op. 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: ze moeten elke keer dat de transistors 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 kleiner formaat 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 verkleint, is de capaciteit niet het enige effect dat verandert: er zijn veel vreemde kwantummechanische effecten die niet voor de hand liggen bij 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 voornamelijk 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 en ρ de soortelijke weerstand van het materiaal. verklein simpelweg de lengte en doorsnede, en eindig met een fysiek kleinere weerstand, maar met nog steeds dezelfde weerstand. Het enige nadeel is dat fysiek kleinere weerstanden bij het dissiperen van hetzelfde vermogen meer warmte zullen genereren dan grotere weerstanden. weerstanden kunnen 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 je kunt kopen de metrische 03015-maat (0,3 mm x 0,15 mm). Hun nominale vermogen is slechts 20 mW en wordt alleen gebruikt voor circuits die zeer weinig stroom dissiperen en extreem beperkt in omvang zijn. Een kleinere metrische 0201 pakket (0,2 mm x 0,1 mm) is uitgebracht, maar nog niet in productie genomen. Maar zelfs als ze wel in de catalogus van de fabrikant voorkomen, verwacht dan niet dat ze overal te vinden zijn: de meeste pick-and-place-robots zijn niet nauwkeurig genoeg om ermee om te gaan, zodat het nog steeds nicheproducten kunnen 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 nog steeds veel nafara in een klein volume wilt verpakken, is de enige optie is het op elkaar stapelen van meerdere lagen. Dankzij de vooruitgang in 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 vandaag beschikbaar is, zit in een ultraklein metrisch 0201-pakket: 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. Deze pakketten zijn ook erg klein en hebben geavanceerde apparatuur nodig om ermee om te gaan, waardoor de wijdverbreide toepassing 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 dwarsdoorsnede-oppervlak van de spoel is, l de lengte is en μ de materiaalconstante (permeabiliteit). Als alle afmetingen met de helft worden verminderd, 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 verkleind tot een een kwart van de oorspronkelijke waarde. Dit betekent dat je dezelfde weerstand krijgt in de helft van de inductie, 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 werden 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 vervaardigd, kan het met 50% toenemen. de spoel kan 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 een paar nH-spoelen meestal 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 een grotere capaciteit voor de overdracht van informatie. Het is dankzij de miniaturisering dat we goedkope, betrouwbare en energiebesparende radio's hebben die op deze frequenties werken.
Krimpende golflengten kunnen antennes doen krimpen, omdat hun grootte rechtstreeks 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 één meter hoeft te zijn. centimeter lang. Daarom vereisen de meeste mobiele telefoons die nog steeds FM-ontvangers bevatten 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, als de lengte Als een draad een tiende van de golflengte overschrijdt, moet u bij het ontwerpen van het circuit rekening houden met de faseverschuiving langs 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 laten zien dat deze voorspellingen keer op keer fout zijn, is een terugkerend thema geworden in de wetenschaps- en technologiejournalistiek. Feit blijft dat Intel, Samsung en TSMC, de drie concurrenten die nog steeds voorop lopen van het spel, doorgaan met het comprimeren van meer features per vierkante micrometer, en zijn van plan om 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 de 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 er de wet van Moore bestaat, zouden we graag zien hoeveel één persoon de SMD-soldeeruitdaging kan stimuleren.
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 willen zetten, net zoals ik nu aan het in- en uitschakelen ben. Mijn doel is om mijn broers en zussen (geen van hen zijn dat) elektronische producten) hoeveel verandering, inclusief dat ik zelfs de delen van mijn werk kan zien (naarmate mijn gezichtsvermogen slechter wordt, worden mijn handen slechter. Bevend).
Ik zeg graag: is het samen of niet. Ik heb echt een hekel aan ‘verbeteren, beter worden’. Soms werkt je lay-out 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 houden zoals het is, dan het zonder reden te verbeteren.
“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 had het gemiddelde gezin slechts een paar radio's, een stereo-installatie en een televisie. In 1976 kwamen computers, rekenmachines, digitale klokken en horloges op de markt, die klein en goedkoop waren voor de consument.
Een deel van de miniaturisatie 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. Heb je een staatsmachine nodig? Neem een ​​mpu.etc. De componenten zijn tegenwoordig erg klein, maar er zitten eigenlijk veel componenten in. Dus feitelijk neemt de grootte van je circuit toe en neemt het stroomverbruik toe. Een transistor die wordt gebruikt om een ​​signaal om te keren, gebruikt minder stroom om hetzelfde werk doen als een operationele versterker. Maar aan de andere kant zal miniaturisatie zorgen voor het gebruik van stroom. Alleen is de innovatie een andere kant op 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 de dood kosten.
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. Voor de passieve stem geldt dit uiteraard niet…
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 een aantal catalogusproducten, waarbij de enige drijvende factor kostenbesparing is. De MHz/geheugengrootte is hetzelfde, de SOC-functie en de 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. Kleine transistors zijn in deze belangrijke situatie 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 20 cm per nanoseconde. Dus alleen al door de grootte te verkleinen, zijn snellere chips mogelijk.
Misschien wil je je 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. Je zult merken dat het niet eens verschijnt als een afrondingsfactor.
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, niet omdat transistors enz. 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. Vooral als je nog steeds grotere componenten nodig hebt vanwege de stroom-/capaciteitsvereisten. speciale soldeerpasta, speciale stap-soldeerpasta-sjablonen (breng een kleine hoeveelheid soldeerpasta aan waar nodig, maar zorg toch voor voldoende soldeerpasta voor grote componenten) begonnen erg duur te worden. Dus ik denk dat er een plateau is en verdere miniaturisatie in het circuit bordniveau is slechts een kostbare en haalbare manier. Op dit punt kun je net zo goed meer integratie op siliciumwafelniveau doen en het aantal afzonderlijke componenten tot een absoluut minimum vereenvoudigen.
Je zult dit op je telefoon zien. Rond 1995 kocht ik een aantal vroege mobiele telefoons in de garageverkoop voor een paar dollar per stuk. De meeste IC's zijn doorlopende gaten. Herkenbare CPU en NE570-comander, grote herbruikbare IC.
Vervolgens kwam ik terecht bij een aantal bijgewerkte draagbare telefoons. Er zijn heel weinig componenten en bijna niets bekends. In een klein aantal IC's is niet alleen de dichtheid hoger, maar is er ook een nieuw ontwerp (zie SDR) aangenomen, waardoor de meeste van de IC's worden geëlimineerd. de discrete componenten 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 PCB af te drukken. Bestrooi hem met LED, je kunt hem in realtime zien werken.
Door de jaren heen heb ik zeker de snelle ontwikkeling van complexe en kleine componenten gewaardeerd. Ze zorgen voor een 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 eventuele snij- edge-technologie kan het beste worden besteed aan het correct voltooien van het ontwerp, in plaats van aanpassingen aan te brengen in het laboratorium.
Wat hobbyartikelen betreft, 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. Een klein foutje: "parallelle plaats" moet worden gelezen als "parallelle plaat".
Nee. Nadat een systeem heeft gewonnen, zullen archeologen nog steeds in verwarring raken door de bevindingen. Wie weet zal de Planetary Alliance 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 de imperiale maat te behouden en de 0603 metrische maat 0604 (of 0602) te ‘noemen’, zelfs als het technisch incorrect kan zijn (dat wil zeggen: werkelijke overeenkomende maat - niet op die manier) in ieder geval. 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.”