Lajme

Ndoshta pas ligjit të Ohm-it, ligji i dytë më i famshëm në elektronikë është ligji i Moore: Numri i transistorëve që mund të prodhohen në një qark të integruar dyfishohet çdo dy vjet ose më shumë.Meqenëse madhësia fizike e çipit mbetet afërsisht e njëjtë, kjo do të thotë që transistorët individualë do të bëhen më të vegjël me kalimin e kohës.Ne kemi filluar të presim që një gjeneratë e re e çipave me madhësi më të vogla të veçorive të shfaqet me një shpejtësi normale, por cili është qëllimi për t'i bërë gjërat më të vogla?A do të thotë gjithmonë më e vogël më mirë?
Në shekullin e kaluar, inxhinieria elektronike ka bërë përparim të jashtëzakonshëm.Në vitet 1920, radiot më të avancuara AM përbëheshin nga disa tuba vakum, disa induktorë të mëdhenj, kondensatorë dhe rezistorë, dhjetëra metra tela të përdorura si antena dhe një grup i madh baterish për të fuqizuar të gjithë pajisjen.Sot, ju mund të dëgjoni më shumë se një duzinë shërbimesh të transmetimit të muzikës në pajisjen në xhep dhe mund të bëni më shumë.Por miniaturizimi nuk është vetëm për transportueshmëri: është absolutisht e nevojshme për të arritur performancën që presim nga pajisjet tona sot.
Një përfitim i dukshëm i komponentëve më të vegjël është se ata ju lejojnë të përfshini më shumë funksionalitet në të njëjtin vëllim.Kjo është veçanërisht e rëndësishme për qarqet dixhitale: më shumë komponentë do të thotë që mund të bëni më shumë përpunim në të njëjtën kohë.Për shembull, në teori, sasia e informacionit të përpunuar nga një procesor 64-bit është tetë herë më i madh se një CPU 8-bit që funksionon në të njëjtën frekuencë ore.Por gjithashtu kërkon tetë herë më shumë komponentë: regjistrat, grumbulluesit, autobusët, etj. janë të gjitha tetë herë më të mëdha.Pra, ju duhet ose një çip që është tetë herë më i madh, ose keni nevojë për një transistor që është tetë herë më i vogël.
E njëjta gjë vlen edhe për çipat e memories: Duke bërë transistorë më të vegjël, ju keni më shumë hapësirë ​​ruajtëse në të njëjtin vëllim.Piksele në shumicën e ekraneve sot janë bërë nga transistorë me film të hollë, kështu që ka kuptim t'i zvogëloni ato dhe të arrini rezolucion më të lartë.Sidoqoftë, sa më i vogël të jetë transistori, aq më mirë, dhe ka një arsye tjetër thelbësore: performanca e tyre është përmirësuar shumë.Por pse pikërisht?
Sa herë që bëni një tranzistor, ai do të sigurojë disa komponentë shtesë falas.Çdo terminal ka një rezistencë në seri.Çdo objekt që mbart rrymë ka gjithashtu vetë-induktivitet.Më në fund, ekziston një kapacitet midis çdo dy përcjellësi përballë njëri-tjetrit.Të gjitha këto efekte konsumojnë energji dhe ngadalësojnë shpejtësinë e tranzistorit.Kapacitetet parazitare janë veçanërisht të mundimshme: transistorët duhet të ngarkohen dhe shkarkohen sa herë që ndizen ose fiken, gjë që kërkon kohë dhe rrymë nga furnizimi me energji elektrike.
Kapaciteti midis dy përcjellësve është një funksion i madhësisë së tyre fizike: një madhësi më e vogël nënkupton një kapacitet më të vogël.Dhe për shkak se kondensatorët më të vegjël nënkuptojnë shpejtësi më të larta dhe fuqi më të ulët, transistorët më të vegjël mund të funksionojnë në frekuenca më të larta të orës dhe të shpërndajnë më pak nxehtësi duke e bërë këtë.
Ndërsa zvogëloni madhësinë e transistorëve, kapaciteti nuk është efekti i vetëm që ndryshon: ka shumë efekte të çuditshme mekanike kuantike që nuk janë të dukshme për pajisjet më të mëdha.Sidoqoftë, duke folur në përgjithësi, zvogëlimi i transistorëve do t'i bëjë ata më të shpejtë.Por produktet elektronike janë më shumë se thjesht transistorë.Kur zvogëloni komponentët e tjerë, si funksionojnë ata?
Në përgjithësi, përbërësit pasivë si rezistorët, kondensatorët dhe induktorët nuk do të përmirësohen kur ato bëhen më të vogla: në shumë mënyra, ato do të përkeqësohen.Prandaj, miniaturizimi i këtyre komponentëve është kryesisht për të qenë në gjendje t'i ngjesh ato në një vëllim më të vogël, duke kursyer kështu hapësirën e PCB-ve.
Madhësia e rezistencës mund të zvogëlohet pa shkaktuar shumë humbje.Rezistenca e një pjese materiali jepet nga, ku l është gjatësia, A është zona e prerjes tërthore dhe ρ është rezistenca e materialit.Ju thjesht mund të zvogëloni gjatësinë dhe seksionin kryq, dhe të përfundoni me një rezistencë fizikisht më të vogël, por ende duke pasur të njëjtën rezistencë.Disavantazhi i vetëm është se kur shpërndahet e njëjta fuqi, rezistorët fizikisht më të vegjël do të gjenerojnë më shumë nxehtësi sesa rezistorët më të mëdhenj.Prandaj, rezistorët e vegjël mund të përdoren vetëm në qarqet me fuqi të ulët.Kjo tabelë tregon se si zvogëlohet vlera maksimale e fuqisë së rezistorëve SMD me zvogëlimin e madhësisë së tyre.
Sot, rezistenca më e vogël që mund të blini është madhësia metrike 03015 (0,3 mm x 0,15 mm).Fuqia e tyre e vlerësuar është vetëm 20 mW dhe përdoren vetëm për qarqet që shpërndajnë shumë pak energji dhe janë jashtëzakonisht të kufizuara në madhësi.Një paketë më e vogël metrike 0201 (0.2 mm x 0.1 mm) është lëshuar, por ende nuk është vënë në prodhim.Por edhe nëse shfaqen në katalogun e prodhuesit, mos prisni që të jenë kudo: shumica e robotëve të përzgjedhjes dhe vendosjes nuk janë mjaft të saktë për t'i trajtuar ato, kështu që ato mund të jenë ende produkte të veçanta.
Kondensatorët gjithashtu mund të zvogëlohen, por kjo do të zvogëlojë kapacitetin e tyre.Formula për llogaritjen e kapacitetit të një kondensatori shunt është, ku A është zona e tabelës, d është distanca midis tyre dhe ε është konstanta dielektrike (vetia e materialit të ndërmjetëm).Nëse kondensatori (në thelb një pajisje e sheshtë) është miniaturizuar, zona duhet të zvogëlohet, duke zvogëluar kështu kapacitetin.Nëse ende dëshironi të paketoni shumë nafara në një vëllim të vogël, e vetmja mundësi është të grumbulloni disa shtresa së bashku.Për shkak të përparimeve në materiale dhe prodhim, të cilat gjithashtu kanë bërë të mundur filma të hollë (d të vegjël) dhe dielektrikë specialë (me ε më të madh), madhësia e kondensatorëve është zvogëluar ndjeshëm në dekadat e fundit.
Kondensatori më i vogël i disponueshëm sot është në një paketë metrike ultra të vogël 0201: vetëm 0,25 mm x 0,125 mm.Kapaciteti i tyre është i kufizuar në 100 nF ende të dobishme dhe voltazhi maksimal i funksionimit është 6,3 V. Gjithashtu, këto paketa janë shumë të vogla dhe kërkojnë pajisje të avancuara për t'i trajtuar ato, duke kufizuar adoptimin e tyre të gjerë.
Për induktorët, historia është paksa e ndërlikuar.Induktiviteti i një spiraleje të drejtë jepet nga, ku N është numri i kthesave, A është zona e prerjes tërthore të spirales, l është gjatësia e saj dhe μ është konstanta e materialit (përshkueshmëria).Nëse të gjitha dimensionet zvogëlohen përgjysmë, induktiviteti gjithashtu do të zvogëlohet përgjysmë.Megjithatë, rezistenca e telit mbetet e njëjtë: kjo ndodh sepse gjatësia dhe seksioni kryq i telit zvogëlohet në një të katërtën e vlerës së tij origjinale.Kjo do të thotë që ju përfundoni me të njëjtën rezistencë në gjysmën e induktivitetit, kështu që ju përgjysmoni faktorin e cilësisë (Q) të spirales.
Induktori diskret më i vogël i disponueshëm në treg ka madhësinë e inçit 01005 (0,4 mm x 0,2 mm).Këto janë deri në 56 nH dhe kanë një rezistencë prej disa ohmi.Induktorët në një paketë metrike ultra të vogël 0201 u lëshuan në vitin 2014, por me sa duket ata nuk janë futur kurrë në treg.
Kufizimet fizike të induktorëve janë zgjidhur duke përdorur një fenomen të quajtur induktivitet dinamik, i cili mund të vërehet në mbështjelljet e bëra nga grafeni.Por edhe kështu, nëse mund të prodhohet në një mënyrë komerciale të qëndrueshme, mund të rritet me 50%.Së fundi, spiralja nuk mund të miniaturizohet mirë.Megjithatë, nëse qarku juaj funksionon në frekuenca të larta, ky nuk është domosdoshmërisht një problem.Nëse sinjali juaj është në intervalin GHz, zakonisht mjaftojnë disa mbështjellje nH.
Kjo na çon te një gjë tjetër që është miniaturizuar në shekullin e kaluar, por mund të mos e vini re menjëherë: gjatësinë e valës që përdorim për komunikim.Transmetimet e hershme të radios përdorën një frekuencë AM me valë të mesme prej rreth 1 MHz me një gjatësi vale prej rreth 300 metrash.Brezi i frekuencave FM me qendër në 100 MHz ose 3 metra u bë i njohur rreth viteve 1960, dhe sot ne përdorim kryesisht komunikime 4G rreth 1 ose 2 GHz (rreth 20 cm).Frekuenca më të larta do të thotë më shumë kapacitet transmetimi informacioni.Është për shkak të miniaturizimit që ne kemi radio të lira, të besueshme dhe që kursejnë energji që punojnë në këto frekuenca.
Zvogëlimi i gjatësive valore mund të tkurret antenat sepse madhësia e tyre lidhet drejtpërdrejt me frekuencën që duhet të transmetojnë ose marrin.Telefonat celularë të sotëm nuk kanë nevojë për antena të gjata të zgjatura, falë komunikimit të tyre të dedikuar në frekuencat GHz, për të cilat antena duhet të jetë vetëm rreth një centimetër e gjatë.Kjo është arsyeja pse shumica e telefonave celularë që ende përmbajnë marrës FM kërkojnë që t'i futni kufjet përpara përdorimit: radio duhet të përdorë telin e kufjes si antenë në mënyrë që të marrë fuqi të mjaftueshme sinjali nga ato valë të gjata një metër.
Sa i përket qarqeve të lidhura me antenat tona në miniaturë, kur ato janë më të vogla, në fakt bëhen më të lehta për t'u bërë.Kjo jo vetëm sepse transistorët janë bërë më të shpejtë, por edhe sepse efektet e linjës së transmetimit nuk janë më problem.Shkurtimisht, kur gjatësia e një teli tejkalon një të dhjetën e gjatësisë së valës, duhet të merrni parasysh zhvendosjen e fazës përgjatë gjatësisë së tij kur dizajnoni qarkun.Në 2.4 GHz, kjo do të thotë se vetëm një centimetër teli ka prekur qarkun tuaj;nëse bashkoni komponentë diskrete së bashku, kjo është një dhimbje koke, por nëse e vendosni qarkun në disa milimetra katrorë, nuk është problem.
Parashikimi i rënies së Ligjit të Moore-it, ose të tregosh se këto parashikime janë të gabuara vazhdimisht, është bërë një temë e përsëritur në gazetarinë shkencore dhe teknologjike.Fakti mbetet se Intel, Samsung dhe TSMC, tre konkurrentët që janë ende në ballë të lojës, vazhdojnë të kompresojnë më shumë veçori për mikrometër katror dhe planifikojnë të prezantojnë disa gjenerata të çipave të përmirësuar në të ardhmen.Edhe pse përparimi që ata kanë bërë në çdo hap mund të mos jetë aq i madh sa dy dekada më parë, miniaturizimi i transistorëve vazhdon.
Megjithatë, për komponentët diskrete, duket se kemi arritur një kufi të natyrshëm: zvogëlimi i tyre nuk përmirëson performancën e tyre dhe komponentët më të vegjël të disponueshëm aktualisht janë më të vegjël se sa kërkojnë shumica e rasteve të përdorimit.Duket se nuk ka ligj Moore për pajisjet diskrete, por nëse ekziston Ligji i Moore, do të donim të shihnim se sa një person mund ta shtyjë sfidën e saldimit SMD.
Gjithmonë kam dashur të bëj një fotografi të një rezistence PTH që kam përdorur në vitet 1970 dhe të vendos një rezistencë SMD mbi të, ashtu siç po e ndërroj/dal tani.Qëllimi im është t'i bëj vëllezërit dhe motrat e mia (asnjëri prej tyre nuk është produkt elektronik) sa shumë të ndryshojnë, duke përfshirë edhe unë mund të shoh pjesët e punës sime, (pasi shikimi im po përkeqësohet, duart më keqësohen duke u dridhur).
Më pëlqen të them, është bashkë apo jo.Unë vërtet e urrej "përmirësohu, bëhu më mirë".Ndonjëherë faqosja juaj funksionon mirë, por nuk mund të merrni më pjesë.Cfare dreqin eshte ajo?.Një koncept i mirë është një koncept i mirë dhe është më mirë ta mbash ashtu siç është, në vend që ta përmirësosh pa arsye.Gantt
“Fakti mbetet se tre kompanitë Intel, Samsung dhe TSMC janë ende duke konkurruar në ballë të kësaj loje, duke shtrydhur vazhdimisht më shumë karakteristika për mikrometër katror.
Komponentët elektronikë janë të mëdhenj dhe të shtrenjtë.Në vitin 1971, një familje mesatare kishte vetëm disa radio, një stereo dhe një TV.Deri në vitin 1976, kompjuterët, kalkulatorët, orët dixhitale dhe orët kishin dalë në treg, të cilat ishin të vogla dhe të lira për konsumatorët.
Njëfarë miniaturizimi vjen nga dizajni.Përforcuesit operacionalë lejojnë përdorimin e rrotulluesve, të cilët mund të zëvendësojnë induktorët e mëdhenj në disa raste.Filtrat aktiv eliminojnë gjithashtu induktorët.
Komponentët më të mëdhenj promovojnë gjëra të tjera: minimizimin e qarkut, domethënë përpjekjen për të përdorur sa më pak komponentë për ta bërë qarkun të funksionojë.Sot nuk na intereson aq shumë.Keni nevojë për diçka për të kthyer sinjalin?Merrni një përforcues operacional.Keni nevojë për një makinë shtetërore?Merrni një mpu.etj. Komponentët sot janë vërtet të vegjël, por në fakt ka shumë komponentë brenda.Pra, në thelb madhësia e qarkut tuaj rritet dhe konsumi i energjisë rritet.Një transistor i përdorur për të përmbysur një sinjal përdor më pak energji për të kryer të njëjtën punë sesa një përforcues operacional.Por përsëri, miniaturizimi do të kujdeset për përdorimin e fuqisë.Thjesht, inovacioni ka ecur në një drejtim tjetër.
Ju humbët vërtet disa nga përfitimet/arsyet më të mëdha të madhësisë së reduktuar: pakësimi i parazitëve të paketimit dhe rritja e përdorimit të energjisë (që duket e kundërt).
Nga pikëpamja praktike, sapo madhësia e veçorisë të arrijë rreth 0.25u, do të arrini nivelin GHz, kohë në të cilën paketa e madhe SOP fillon të prodhojë efektin* më të madh.Telat e lidhjes së gjatë dhe ato plumba përfundimisht do t'ju vrasin.
Në këtë pikë, paketat QFN/BGA janë përmirësuar shumë për sa i përket performancës.Përveç kësaj, kur e montoni paketimin në mënyrë të sheshtë, përfundoni me *ndjeshmërisht* performancë më të mirë termike dhe jastëkë të ekspozuar.
Për më tepër, Intel, Samsung dhe TSMC sigurisht që do të luajnë një rol të rëndësishëm, por ASML mund të jetë shumë më i rëndësishëm në këtë listë.Sigurisht, kjo mund të mos zbatohet për zërin pasiv…
Nuk ka të bëjë vetëm me uljen e kostove të silikonit përmes nyjeve të procesit të gjeneratës së ardhshme.Gjëra të tjera, të tilla si çanta.Paketat më të vogla kërkojnë më pak materiale dhe wcsp ose edhe më pak.Paketa më të vogla, PCB ose module më të vogla, etj.
Unë shpesh shoh disa produkte të katalogut, ku i vetmi faktor nxitës është ulja e kostos.Madhësia MHz/memoria është e njëjtë, funksioni SOC dhe rregullimi i pineve janë të njëjta.Ne mund të përdorim teknologji të reja për të reduktuar konsumin e energjisë (zakonisht kjo nuk është falas, kështu që duhet të ketë disa avantazhe konkurruese për të cilat interesohen klientët)
Një nga avantazhet e komponentëve të mëdhenj është materiali kundër rrezatimit.Transistorët e vegjël janë më të ndjeshëm ndaj efekteve të rrezeve kozmike, në këtë situatë të rëndësishme.Për shembull, në hapësirë ​​dhe madje edhe në observatorë në lartësi të madhe.
Nuk pashë një arsye kryesore për rritjen e shpejtësisë.Shpejtësia e sinjalit është afërsisht 8 inç për nanosekondë.Pra, vetëm duke zvogëluar madhësinë, janë të mundshme patate të skuqura më të shpejta.
Ju mund të dëshironi të kontrolloni matematikën tuaj duke llogaritur diferencën në vonesën e përhapjes për shkak të ndryshimeve të paketimit dhe cikleve të reduktuara (1/frekuencë).Kjo është për të zvogëluar vonesën/periudhën e fraksioneve.Do të zbuloni se nuk shfaqet as si faktor rrumbullakues.
Një gjë që dua të shtoj është se shumë IC, veçanërisht dizajne më të vjetra dhe çipa analoge, nuk janë në të vërtetë pakësuar, të paktën nga brenda.Për shkak të përmirësimeve në prodhimin e automatizuar, paketat janë bërë më të vogla, por kjo ndodh sepse paketat DIP zakonisht kanë shumë hapësirë ​​të mbetur brenda, jo sepse transistorët etj. janë bërë më të vegjël.
Përveç problemit të bërjes së robotit mjaftueshëm të saktë për të trajtuar në fakt komponentë të vegjël në aplikacionet e zgjedhjes dhe vendosjes me shpejtësi të lartë, një çështje tjetër është saldimi i besueshëm i komponentëve të vegjël.Sidomos kur keni ende nevojë për komponentë më të mëdhenj për shkak të kërkesave të fuqisë/kapacitetit.Duke përdorur pastën speciale të saldimit, shabllonet speciale të pastës së saldimit me hapa (aplikoni një sasi të vogël paste saldimi aty ku është e nevojshme, por gjithsesi siguroni ngjitës të mjaftueshëm për përbërës të mëdhenj) filluan të bëhen shumë të shtrenjta.Kështu që unë mendoj se ka një pllajë, dhe miniaturizimi i mëtejshëm në nivelin e bordit të qarkut është thjesht një mënyrë e kushtueshme dhe e realizueshme.Në këtë pikë, ju gjithashtu mund të bëni më shumë integrim në nivelin e vaferës së silikonit dhe të thjeshtoni numrin e përbërësve diskretë në një minimum absolut.
Këtë do ta shihni në telefonin tuaj.Rreth vitit 1995, bleva disa telefona celularë të hershëm në shitje në garazh për disa dollarë secili.Shumica e IC-ve janë me vrima.CPU i njohur dhe kompander NE570, IC i madh i ripërdorshëm.
Pastaj përfundova me disa telefona dore të përditësuar.Ka shumë pak komponentë dhe pothuajse asgjë të njohur.Në një numër të vogël të IC-ve, jo vetëm që densiteti është më i lartë, por gjithashtu miratohet një dizajn i ri (shih SDR), i cili eliminon shumicën e përbërësve diskretë që më parë ishin të domosdoshëm.
> (Aplikoni një sasi të vogël paste saldimi aty ku është e nevojshme, por gjithsesi siguroni paste të mjaftueshme për përbërës të mëdhenj)
Hej, imagjinova shabllonin "3D/Wave" për të zgjidhur këtë problem: më i hollë ku janë komponentët më të vegjël dhe më i trashë ku është qarku i energjisë.
Në ditët e sotme, komponentët SMT janë shumë të vegjël, ju mund të përdorni përbërës të vërtetë diskretë (jo 74xx dhe mbeturina të tjera) për të dizajnuar CPU-në tuaj dhe për ta printuar atë në PCB.Spërkateni me LED, mund ta shihni duke punuar në kohë reale.
Me kalimin e viteve, sigurisht që vlerësoj zhvillimin e shpejtë të komponentëve kompleksë dhe të vegjël.Ato ofrojnë përparim të jashtëzakonshëm, por në të njëjtën kohë i shtojnë një nivel të ri kompleksitetit procesit përsëritës të prototipit.
Rregullimi dhe shpejtësia e simulimit të qarqeve analoge është shumë më e shpejtë se ajo që bëni në laborator.Ndërsa frekuenca e qarqeve dixhitale rritet, PCB bëhet pjesë e asamblesë.Për shembull, efektet e linjës së transmetimit, vonesa e përhapjes.Prototipi i çdo teknologjie më të fundit shpenzohet më së miri për kompletimin e dizajnit në mënyrë korrekte, në vend që të bëhen rregullime në laborator.
Sa për artikujt e hobi, vlerësimi.Pllakat e qarkut dhe modulet janë një zgjidhje për tkurrjen e komponentëve dhe moduleve të para-testimit.
Kjo mund t'i bëjë gjërat të humbasin "argëtimin", por mendoj se realizimi i projektit tuaj për herë të parë mund të jetë më kuptimplotë për shkak të punës ose hobi.
Unë kam konvertuar disa modele nga vrima përmes vrimës në SMD.Bëni produkte më të lira, por nuk është kënaqësi të ndërtosh prototipe me dorë.Një gabim i vogël: "vend paralel" duhet lexuar si "pllakë paralele".
Jo. Pasi një sistem të fitojë, arkeologët do të jenë akoma të hutuar nga gjetjet e tij.Kush e di, ndoshta në shekullin e 23-të, Aleanca Planetare do të miratojë një sistem të ri…
Nuk mund të pajtohesha më shumë.Sa është madhësia e 0603?Natyrisht, mbajtja e 0603 si madhësia perandorake dhe "thirrja" e madhësisë metrike 0603 0604 (ose 0602) nuk është aq e vështirë, edhe nëse mund të jetë teknikisht e pasaktë (dmth: madhësia aktuale e përputhjes - jo në atë mënyrë) gjithsesi.E rreptë), por të paktën të gjithë do ta dinë se për çfarë teknologjie po flisni (metrike/perandorake)!
"Në përgjithësi, përbërësit pasivë si rezistorët, kondensatorët dhe induktorët nuk do të përmirësohen nëse i bëni më të vegjël."