nyheter

Kanske efter Ohms lag är den näst mest kända lagen inom elektronik Moores lag: Antalet transistorer som kan tillverkas på en integrerad krets fördubblas vartannat år eller så. Eftersom den fysiska storleken på chippet förblir ungefär densamma betyder det att enskilda transistorer blir mindre med tiden. Vi har börjat förvänta oss att en ny generation marker med mindre funktionsstorlekar ska dyka upp i normal hastighet, men vad är poängen med att göra saker mindre? Betyder mindre alltid bättre?
Under det senaste århundradet har elektronikteknik gjort enorma framsteg. På 1920-talet bestod de mest avancerade AM-radioapparaterna av flera vakuumrör, flera enorma induktorer, kondensatorer och motstånd, dussintals meter med ledningar som användes som antenner och en stor uppsättning batterier för att driva hela enheten. Idag kan du lyssna på mer än ett dussin musikstreamingtjänster på enheten i fickan, och du kan göra mer. Men miniatyrisering är inte bara för portabilitet: det är absolut nödvändigt för att uppnå den prestanda vi förväntar oss av våra enheter idag.
En uppenbar fördel med mindre komponenter är att de låter dig inkludera mer funktionalitet i samma volym. Detta är särskilt viktigt för digitala kretsar: fler komponenter betyder att du kan göra mer bearbetning på samma tid. Till exempel, i teorin är mängden information som behandlas av en 64-bitars processor åtta gånger så stor som en 8-bitars CPU som körs på samma klockfrekvens. Men det kräver också åtta gånger så många komponenter: register, adderare, bussar etc. är alla åtta gånger större. Så du behöver antingen ett chip som är åtta gånger större, eller så behöver du en transistor som är åtta gånger mindre.
Detsamma gäller för minneschips: Genom att göra mindre transistorer har du mer lagringsutrymme i samma volym. Pixlarna i de flesta skärmar idag är gjorda av tunnfilmstransistorer, så det är vettigt att skala ner dem och uppnå högre upplösningar. Men ju mindre transistorn är, desto bättre, och det finns en annan avgörande anledning: deras prestanda förbättras avsevärt. Men varför exakt?
När du gör en transistor kommer den att tillhandahålla några ytterligare komponenter gratis. Varje terminal har ett motstånd i serie. Alla föremål som bär ström har också självinduktans. Slutligen finns det en kapacitans mellan två ledare som är vända mot varandra. Alla dessa effekter förbrukar ström och saktar ner transistorns hastighet. Parasitiska kapacitanser är särskilt besvärliga: transistorer måste laddas och laddas ur varje gång de slås på eller av, vilket kräver tid och ström från strömförsörjningen.
Kapacitansen mellan två ledare är en funktion av deras fysiska storlek: en mindre storlek betyder en mindre kapacitans. Och eftersom mindre kondensatorer betyder högre hastigheter och lägre effekt, kan mindre transistorer köras med högre klockfrekvenser och avleda mindre värme när de gör det.
När du krymper storleken på transistorer är kapacitansen inte den enda effekten som förändras: det finns många konstiga kvantmekaniska effekter som inte är uppenbara för större enheter. Men generellt sett kommer att göra transistorer mindre göra dem snabbare. Men elektroniska produkter är mer än bara transistorer. När du skalar ner andra komponenter, hur fungerar de?
Generellt sett kommer passiva komponenter som motstånd, kondensatorer och induktorer inte att bli bättre när de blir mindre: på många sätt kommer de att bli sämre. Därför är miniatyriseringen av dessa komponenter främst för att kunna komprimera dem till en mindre volym och därigenom spara PCB-utrymme.
Storleken på motståndet kan minskas utan att orsaka för mycket förlust. Motståndet hos ett materialstycke ges av, där l är längden, A är tvärsnittsarean och ρ är materialets resistivitet. Du kan helt enkelt minska längden och tvärsnittet, och sluta med ett fysiskt mindre motstånd, men ändå ha samma motstånd. Den enda nackdelen är att när man förbrukar samma effekt kommer fysiskt mindre motstånd att generera mer värme än större motstånd. Därför kan små motstånd endast användas i lågeffektkretsar. Den här tabellen visar hur den maximala effekten för SMD-motstånd minskar när deras storlek minskar.
Idag är det minsta motstånd du kan köpa den metriska storleken 03015 (0,3 mm x 0,15 mm). Deras märkeffekt är endast 20 mW och används endast för kretsar som avger väldigt lite effekt och är extremt begränsade i storlek. Ett mindre metriskt 0201-paket (0,2 mm x 0,1 mm) har släppts, men har ännu inte satts i produktion. Men även om de förekommer i tillverkarens katalog, förvänta dig inte att de finns överallt: de flesta plockningsrobotar är inte tillräckligt noggranna för att hantera dem, så de kan fortfarande vara nischprodukter.
Kondensatorer kan också skalas ner, men detta kommer att minska deras kapacitans. Formeln för att beräkna kapacitansen för en shuntkondensator är, där A är ytan på kortet, d är avståndet mellan dem och ε är den dielektriska konstanten (egenskapen hos mellanmaterialet). Om kondensatorn (i princip en platt enhet) är miniatyriserad, måste arean minskas, vilket minskar kapacitansen. Om du ändå vill packa mycket nafara i en liten volym är det enda alternativet att stapla flera lager tillsammans. På grund av framsteg inom material och tillverkning, som också har gjort tunna filmer (liten d) och speciella dielektrika (med större ε) möjliga, har storleken på kondensatorerna krympt avsevärt under de senaste decennierna.
Den minsta kondensatorn som finns tillgänglig idag är i ett ultralitet metriskt 0201-paket: endast 0,25 mm x 0,125 mm. Deras kapacitans är begränsad till de fortfarande användbara 100 nF, och den maximala driftspänningen är 6,3 V. Dessutom är dessa paket mycket små och kräver avancerad utrustning för att hantera dem, vilket begränsar deras utbredda användning.
För induktorer är historien lite knepig. Induktansen för en rak spole ges av, där N är antalet varv, A är spolens tvärsnittsarea, l är dess längd och μ är materialkonstanten (permeabilitet). Om alla dimensioner reduceras till hälften, kommer induktansen också att halveras. Trådens motstånd förblir dock detsamma: detta beror på att trådens längd och tvärsnitt reduceras till en fjärdedel av dess ursprungliga värde. Det betyder att du får samma resistans i hälften av induktansen, så du halverar spolens kvalitetsfaktor (Q).
Den minsta kommersiellt tillgängliga diskreta induktorn använder tumstorleken 01005 (0,4 mm x 0,2 mm). Dessa är så höga som 56 nH och har ett motstånd på några ohm. Induktorer i ett ultralitet metriskt 0201-paket släpptes 2014, men uppenbarligen har de aldrig introducerats på marknaden.
De fysiska begränsningarna för induktorer har lösts genom att använda ett fenomen som kallas dynamisk induktans, som kan observeras i spolar gjorda av grafen. Men trots det, om det kan tillverkas på ett kommersiellt gångbart sätt, kan det öka med 50 %. Slutligen kan spolen inte miniatyriseras väl. Men om din krets fungerar vid höga frekvenser är detta inte nödvändigtvis ett problem. Om din signal ligger i GHz-intervallet räcker det vanligtvis med några nH-spolar.
Detta för oss till en annan sak som har miniatyriserats under det senaste århundradet men som du kanske inte märker direkt: våglängden vi använder för kommunikation. Tidiga radiosändningar använde en mellanvågs AM-frekvens på cirka 1 MHz med en våglängd på cirka 300 meter. FM-frekvensbandet centrerat på 100 MHz eller 3 meter blev populärt runt 1960-talet och idag använder vi främst 4G-kommunikation kring 1 eller 2 GHz (cirka 20 cm). Högre frekvenser innebär mer informationsöverföringskapacitet. Det är på grund av miniatyrisering som vi har billiga, pålitliga och energisnåla radioapparater som fungerar på dessa frekvenser.
Krympande våglängder kan krympa antenner eftersom deras storlek är direkt relaterad till den frekvens de behöver för att sända eller ta emot. Dagens mobiltelefoner behöver inte långa utskjutande antenner, tack vare deras dedikerade kommunikation på GHz-frekvenser, för vilka antennen bara behöver vara cirka en centimeter lång. Det är därför de flesta mobiltelefoner som fortfarande innehåller FM-mottagare kräver att du kopplar in hörlurarna före användning: radion måste använda hörlurarnas sladd som antenn för att få tillräckligt med signalstyrka från de en meter långa vågorna.
När det gäller kretsarna som är anslutna till våra miniatyrantenner, när de är mindre blir de faktiskt lättare att tillverka. Detta beror inte bara på att transistorer har blivit snabbare, utan också på att transmissionslinjeeffekter inte längre är ett problem. Kort sagt, när längden på en tråd överstiger en tiondel av våglängden, måste du överväga fasförskjutningen längs dess längd när du designar kretsen. Vid 2,4 GHz betyder det att endast en centimeter tråd har påverkat din krets; löder man ihop diskreta komponenter är det huvudvärk, men lägger man ut kretsen på några kvadratmillimeter är det inga problem.
Att förutsäga Moores lags bortgång, eller att visa att dessa förutsägelser är felaktiga om och om igen, har blivit ett återkommande tema inom vetenskaps- och teknikjournalistiken. Faktum kvarstår att Intel, Samsung och TSMC, de tre konkurrenterna som fortfarande ligger i framkant av spelet, fortsätter att komprimera fler funktioner per kvadratmikrometer och planerar att introducera flera generationer av förbättrade chips i framtiden. Även om de framsteg de har gjort vid varje steg kanske inte är så stora som för två decennier sedan, fortsätter miniatyriseringen av transistorer.
Men för diskreta komponenter verkar vi ha nått en naturlig gräns: att göra dem mindre förbättrar inte deras prestanda, och de minsta komponenterna som finns tillgängliga för närvarande är mindre än vad de flesta användningsfall kräver. Det verkar som att det inte finns någon Moores lag för diskreta enheter, men om det finns Moores lag skulle vi gärna se hur mycket en person kan driva SMD-lödningsutmaningen.
Jag har alltid velat ta en bild på ett PTH-motstånd som jag använde på 1970-talet, och sätta ett SMD-motstånd på det, precis som jag byter in/ut nu. Mitt mål är att göra mina bröder och systrar (ingen av dem är elektroniska produkter) hur mycket förändring, inklusive jag till och med kan se delarna av mitt arbete, (eftersom min syn blir sämre, mina händer blir sämre darrande).
Jag gillar att säga, är det tillsammans eller inte. Jag hatar verkligen "förbättra, bli bättre." Ibland fungerar din layout bra, men du kan inte längre få delar. Vad fan är det? . Ett bra koncept är ett bra koncept, och det är bättre att behålla det som det är, snarare än att förbättra det utan anledning. Gantt
"Faktum kvarstår att de tre företagen Intel, Samsung och TSMC fortfarande tävlar i framkanten av detta spel och ständigt pressar ut fler funktioner per kvadratmikrometer."
Elektroniska komponenter är stora och dyra. 1971 hade den genomsnittliga familjen bara ett fåtal radioapparater, en stereo och en TV. År 1976 hade datorer, miniräknare, digitala klockor och klockor kommit ut, som var små och billiga för konsumenterna.
Viss miniatyrisering kommer från design. Operationsförstärkare tillåter användning av gyratorer, som i vissa fall kan ersätta stora induktorer. Aktiva filter eliminerar också induktorer.
Större komponenter främjar andra saker: minimering av kretsen, det vill säga att försöka använda så få komponenter som möjligt för att få kretsen att fungera. Idag bryr vi oss inte så mycket. Behöver du något för att vända signalen? Ta en operationsförstärkare. Behöver du en statsmaskin? Ta en mpu. etc. Komponenterna idag är riktigt små, men det finns faktiskt många komponenter inuti. Så i princip ökar din kretsstorlek och strömförbrukningen ökar. En transistor som används för att invertera en signal använder mindre effekt för att utföra samma jobb än en operationsförstärkare. Men återigen, miniatyrisering kommer att ta hand om maktanvändningen. Det är bara det att innovation har gått i en annan riktning.
Du har verkligen missat några av de största fördelarna/orsakerna till minskad storlek: minskade paketparasiter och ökad krafthantering (vilket verkar kontraintuitivt).
Ur praktisk synvinkel, när funktionsstorleken når cirka 0,25u, kommer du att nå GHz-nivån, då det stora SOP-paketet börjar producera den största* effekten. Långa bindningstrådar och dessa kablar kommer så småningom att döda dig.
Vid det här laget har QFN/BGA-paketen förbättrats avsevärt vad gäller prestanda. När du dessutom monterar paketet plant så här får du *betydligt* bättre termisk prestanda och exponerade pads.
Dessutom kommer Intel, Samsung och TSMC säkert att spela en viktig roll, men ASML kan vara mycket viktigare i den här listan. Detta kanske inte gäller den passiva rösten...
Det handlar inte bara om att minska kiselkostnaderna genom nästa generations processnoder. Andra saker, som väskor. Mindre paket kräver mindre material och wcsp eller ännu mindre. Mindre paket, mindre kretskort eller moduler osv.
Jag ser ofta vissa katalogprodukter, där den enda drivande faktorn är kostnadsreduktion. MHz/minnesstorlek är densamma, SOC-funktion och stiftarrangemang är samma. Vi kan använda ny teknik för att minska strömförbrukningen (vanligtvis är detta inte gratis, så det måste finnas några konkurrensfördelar som kunderna bryr sig om)
En av fördelarna med stora komponenter är antistrålningsmaterialet. Små transistorer är mer mottagliga för effekterna av kosmiska strålar i denna viktiga situation. Till exempel i rymden och till och med observatorier på hög höjd.
Jag såg ingen större anledning till hastighetsökning. Signalhastigheten är cirka 8 tum per nanosekund. Så bara genom att minska storleken är snabbare marker möjliga.
Du kanske vill kontrollera din egen matematik genom att beräkna skillnaden i utbredningsfördröjning på grund av förpackningsändringar och minskade cykler (1/frekvens). Det är för att minska förseningen/perioden för fraktioner. Du kommer att upptäcka att det inte ens dyker upp som en avrundningsfaktor.
En sak jag vill tillägga är att många IC:er, särskilt äldre konstruktioner och analoga chips, faktiskt inte är förminskade, åtminstone inte internt. På grund av förbättringar inom automatiserad tillverkning har paketen blivit mindre, men det beror på att DIP-paketen vanligtvis har mycket kvarvarande utrymme inuti, inte för att transistorer etc har blivit mindre.
Förutom problemet med att göra roboten tillräckligt noggrann för att faktiskt hantera små komponenter i höghastighets pick-and-place-applikationer, är en annan fråga att tillförlitligt svetsa små komponenter. Speciellt när du fortfarande behöver större komponenter på grund av effekt/kapacitetskrav. Med hjälp av speciell lödpasta började speciella steglödpastamallar (applicera en liten mängd lödpasta där det behövs, men tillhandahåll fortfarande tillräckligt med lödpasta för stora komponenter) att bli mycket dyrt. Så jag tror att det finns en platå, och ytterligare miniatyrisering på kretskortsnivå är bara ett kostsamt och genomförbart sätt. Vid det här laget kan du lika gärna göra mer integration på kiselwafernivån och förenkla antalet diskreta komponenter till ett absolut minimum.
Du kommer att se detta på din telefon. Runt 1995 köpte jag några tidiga mobiltelefoner i garageförsäljning för några dollar styck. De flesta IC:er är genomgående. Igenkännbar CPU och NE570-kompander, stor återanvändbar IC.
Sedan slutade jag med några uppdaterade handhållna telefoner. Det finns väldigt få komponenter och nästan inget bekant. I ett litet antal IC:er är inte bara densiteten högre, utan också en ny design (se SDR) antas, vilket eliminerar de flesta av de diskreta komponenterna som tidigare var oumbärliga.
> (Applicera en liten mängd lödpasta där det behövs, men ge fortfarande tillräckligt med lödpasta för stora komponenter)
Hej, jag föreställde mig mallen "3D/Wave" för att lösa det här problemet: tunnare där de minsta komponenterna finns och tjockare där strömkretsen är.
Nuförtiden är SMT-komponenter väldigt små, du kan använda riktiga diskreta komponenter (inte 74xx och annat skräp) för att designa din egen CPU och skriva ut den på PCB:n. Strö den med LED, du kan se den fungera i realtid.
Under åren har jag verkligen uppskattat den snabba utvecklingen av komplexa och små komponenter. De ger enorma framsteg, men samtidigt lägger de till en ny nivå av komplexitet till den iterativa processen för prototypframställning.
Justerings- och simuleringshastigheten för analoga kretsar är mycket snabbare än vad du gör i laboratoriet. När frekvensen av digitala kretsar stiger blir kretskortet en del av aggregatet. Till exempel transmissionsledningseffekter, utbredningsfördröjning. Att skapa prototyper av någon banbrytande teknik är bäst att spendera på att slutföra designen korrekt, snarare än att göra justeringar i laboratoriet.
När det gäller hobbyartiklar, utvärdering. Kretskort och moduler är en lösning för att krympa komponenter och förtesta moduler.
Detta kan få saker att förlora "kul", men jag tror att det kan vara mer meningsfullt att få ditt projekt att fungera för första gången på grund av arbete eller hobbyer.
Jag har konverterat några mönster från genomgående hål till SMD. Gör billigare produkter, men det är inte kul att bygga prototyper för hand. Ett litet misstag: "parallell plats" ska läsas som "parallell platta".
Nej. Efter att ett system har vunnit, kommer arkeologer fortfarande att vara förvirrade av dess fynd. Vem vet, kanske under 2200-talet kommer Planetary Alliance att anta ett nytt system...
Jag kunde inte hålla med mer. Vad är storleken på 0603? Naturligtvis är det inte så svårt att behålla 0603 som den kejserliga storleken och "kalla" den 0603 metriska storleken 0604 (eller 0602), även om det kan vara tekniskt felaktigt (dvs: faktisk matchande storlek - inte på det sättet) ändå. Strikt), men alla kommer åtminstone att veta vilken teknik du pratar om (metrisk/imperialistisk)!
"Generellt sett kommer passiva komponenter som motstånd, kondensatorer och induktorer inte att bli bättre om du gör dem mindre."