notícies

Potser després de la llei d'Ohm, la segona llei més famosa de l'electrònica és la llei de Moore: el nombre de transistors que es poden fabricar en un circuit integrat es duplica cada dos anys més o menys. Com que la mida física del xip segueix aproximadament la mateixa, això significa que els transistors individuals es tornaran més petits amb el temps. Hem començat a esperar que una nova generació de xips amb mides de característiques més petites aparegui a una velocitat normal, però quin sentit té fer les coses més petites? Més petit sempre vol dir millor?
Durant el segle passat, l'enginyeria electrònica ha avançat enormement. A la dècada de 1920, les ràdios AM més avançades constaven de diversos tubs de buit, diversos inductors enormes, condensadors i resistències, desenes de metres de cables utilitzats com a antenes i un gran conjunt de bateries per alimentar tot el dispositiu. Avui, podeu escoltar més d'una dotzena de serveis de reproducció de música al dispositiu a la butxaca i podeu fer més. Però la miniaturització no és només per a la portabilitat: és absolutament necessari per aconseguir el rendiment que esperem dels nostres dispositius actuals.
Un avantatge evident dels components més petits és que us permeten incloure més funcionalitats al mateix volum. Això és especialment important per als circuits digitals: més components significa que podeu fer més processament en el mateix temps. Per exemple, en teoria, la quantitat d'informació processada per un processador de 64 bits és vuit vegades la d'una CPU de 8 bits que funciona a la mateixa freqüència de rellotge. Però també requereix vuit vegades més components: registres, sumadors, busos, etc. són vuit vegades més grans. Per tant, necessiteu un xip vuit vegades més gran o un transistor vuit vegades més petit.
El mateix passa amb els xips de memòria: en fer transistors més petits, teniu més espai d'emmagatzematge al mateix volum. Els píxels de la majoria de les pantalles actuals estan fets de transistors de pel·lícula fina, de manera que té sentit reduir-los i aconseguir resolucions més altes. Tanmateix, com més petit sigui el transistor, millor, i hi ha un altre motiu crucial: el seu rendiment millora molt. Però per què exactament?
Sempre que feu un transistor, proporcionarà alguns components addicionals de forma gratuïta. Cada terminal té una resistència en sèrie. Qualsevol objecte que transporta corrent també té autoinductància. Finalment, hi ha una capacitat entre dos conductors qualsevol enfront de l'altre. Tots aquests efectes consumeixen energia i alenteixen la velocitat del transistor. Les capacitats paràsites són especialment molestes: els transistors s'han de carregar i descarregar cada vegada que s'encenen o s'apaguen, la qual cosa requereix temps i corrent de la font d'alimentació.
La capacitat entre dos conductors és una funció de la seva mida física: una mida més petita significa una capacitat més petita. I com que els condensadors més petits signifiquen velocitats més altes i menor potència, els transistors més petits poden funcionar a freqüències de rellotge més altes i dissipar menys calor en fer-ho.
A mesura que es redueix la mida dels transistors, la capacitat no és l'únic efecte que canvia: hi ha molts efectes mecànics quàntics estranys que no són evidents per a dispositius més grans. Tanmateix, en termes generals, fer els transistors més petits els farà més ràpids. Però els productes electrònics són més que transistors. Quan reduïu altres components, com funcionen?
En termes generals, els components passius com resistències, condensadors i inductors no milloraran quan siguin més petits: en molts aspectes, empitjoraran. Per tant, la miniaturització d'aquests components és principalment per poder comprimir-los en un volum més petit, estalviant així espai de PCB.
La mida de la resistència es pot reduir sense causar massa pèrdues. La resistència d'una peça de material ve donada per, on l és la longitud, A és l'àrea de la secció transversal i ρ és la resistivitat del material. Simplement podeu reduir la longitud i la secció transversal i acabar amb una resistència físicament més petita, però encara tenint la mateixa resistència. L'únic desavantatge és que quan es dissipa la mateixa potència, les resistències físicament més petites generaran més calor que les resistències més grans. Per tant, les resistències petites només es poden utilitzar en circuits de baixa potència. Aquesta taula mostra com la potència màxima de les resistències SMD disminueix a mesura que disminueix la seva mida.
Avui, la resistència més petita que podeu comprar és la mida mètrica 03015 (0,3 mm x 0,15 mm). La seva potència nominal és de només 20 mW i només s'utilitzen per a circuits que dissipen molt poca potència i tenen una mida extremadament limitada. S'ha llançat un paquet mètric 0201 més petit (0,2 mm x 0,1 mm), però encara no s'ha posat en producció. Però fins i tot si apareixen al catàleg del fabricant, no espereu que estiguin a tot arreu: la majoria dels robots de selecció i col·locació no són prou precisos per manejar-los, de manera que encara poden ser productes de nínxol.
Els condensadors també es poden reduir, però això reduirà la seva capacitat. La fórmula per calcular la capacitat d'un condensador de derivació és, on A és l'àrea de la placa, d és la distància entre ells i ε és la constant dielèctrica (la propietat del material intermedi). Si el condensador (bàsicament un dispositiu pla) està miniaturitzat, s'ha de reduir l'àrea, reduint així la capacitat. Si encara voleu empaquetar molta nafara en un volum petit, l'única opció és apilar diverses capes juntes. A causa dels avenços en materials i fabricació, que també han fet possibles pel·lícules primes (d petita) i dielèctrics especials (amb ε més gran), la mida dels condensadors s'ha reduït significativament en les últimes dècades.
El condensador més petit disponible avui en dia es troba en un paquet mètric 0201 ultra petit: només 0,25 mm x 0,125 mm. La seva capacitat està limitada als 100 nF encara útils, i la tensió de funcionament màxima és de 6,3 V. A més, aquests paquets són molt petits i requereixen equips avançats per manejar-los, limitant la seva adopció generalitzada.
Per als inductors, la història és una mica complicada. La inductància d'una bobina recta ve donada per, on N és el nombre de voltes, A és l'àrea de la secció transversal de la bobina, l és la seva longitud i μ és la constant del material (permeabilitat). Si totes les dimensions es redueixen a la meitat, la inductància també es reduirà a la meitat. Tanmateix, la resistència del cable segueix sent la mateixa: això es deu al fet que la longitud i la secció transversal del cable es redueixen a una quarta part del seu valor original. Això vol dir que acabeu amb la mateixa resistència a la meitat de la inductància, de manera que reduïu a la meitat el factor de qualitat (Q) de la bobina.
L'inductor discret més petit disponible comercialment adopta la mida de polzada 01005 (0,4 mm x 0,2 mm). Aquests són tan alts com 56 nH i tenen una resistència d'uns pocs ohms. Els inductors en un paquet mètric ultra petit 0201 es van llançar el 2014, però pel que sembla mai no s'han introduït al mercat.
Les limitacions físiques dels inductors s'han resolt utilitzant un fenomen anomenat inductància dinàmica, que es pot observar en bobines fetes de grafè. Però tot i així, si es pot fabricar d'una manera comercialment viable, pot augmentar un 50%. Finalment, la bobina no es pot miniaturitzar bé. Tanmateix, si el vostre circuit funciona a freqüències altes, això no és necessàriament un problema. Si el vostre senyal es troba en el rang de GHz, normalment n'hi ha prou amb unes quantes bobines nH.
Això ens porta a una altra cosa que s'ha miniaturitzat durant el segle passat però que potser no us adoneu immediatament: la longitud d'ona que fem servir per a la comunicació. Les primeres emissions de ràdio utilitzaven una freqüència AM d'ona mitjana d'aproximadament 1 MHz amb una longitud d'ona d'uns 300 metres. La banda de freqüència FM centrada en 100 MHz o 3 metres es va popularitzar al voltant dels anys 60, i avui en dia fem servir principalment comunicacions 4G al voltant d'1 o 2 GHz (uns 20 cm). Les freqüències més altes signifiquen més capacitat de transmissió d'informació. És a causa de la miniaturització que tenim ràdios barates, fiables i que estalvien energia que funcionen en aquestes freqüències.
Les longituds d'ona que es redueixen poden reduir les antenes perquè la seva mida està directament relacionada amb la freqüència que necessiten transmetre o rebre. Els telèfons mòbils actuals no necessiten antenes llargues que sobresurten, gràcies a la seva comunicació dedicada a freqüències de GHz, per a les quals l'antena només ha de tenir aproximadament un centímetre de llargada. És per això que la majoria de telèfons mòbils que encara contenen receptors FM requereixen que connecteu els auriculars abans d'utilitzar-los: la ràdio ha d'utilitzar el cable dels auriculars com a antena per tal d'obtenir prou força del senyal d'aquestes ones d'un metre de llarg.
Pel que fa als circuits connectats a les nostres antenes en miniatura, quan són més petits, en realitat són més fàcils de fer. Això no és només perquè els transistors s'han tornat més ràpids, sinó també perquè els efectes de la línia de transmissió ja no són un problema. En resum, quan la longitud d'un cable supera la desena part de la longitud d'ona, cal tenir en compte el canvi de fase al llarg de la seva longitud a l'hora de dissenyar el circuit. A 2,4 GHz, això significa que només un centímetre de cable ha afectat el vostre circuit; si soldeu components discrets, és un mal de cap, però si distribuïu el circuit en uns quants mil·límetres quadrats, no és cap problema.
Predir la desaparició de la Llei de Moore, o mostrar que aquestes prediccions són incorrectes una i altra vegada, s'ha convertit en un tema recurrent en el periodisme científic i tecnològic. El fet és que Intel, Samsung i TSMC, els tres competidors que encara estan a l'avantguarda del joc, continuen comprimint més funcions per micròmetre quadrat i tenen previst introduir diverses generacions de xips millorats en el futur. Tot i que el progrés que han fet a cada pas pot no ser tan gran com fa dues dècades, la miniaturització dels transistors continua.
Tanmateix, per als components discrets, sembla que hem arribat a un límit natural: fer-los més petits no millora el seu rendiment, i els components més petits disponibles actualment són més petits del que requereixen la majoria dels casos d'ús. Sembla que no hi ha la llei de Moore per a dispositius discrets, però si hi ha la llei de Moore, ens agradaria veure fins a quin punt una persona pot impulsar el repte de soldadura SMD.
Sempre he volgut fer una foto d'una resistència PTH que vaig utilitzar a la dècada de 1970 i posar-hi una resistència SMD, tal com estic canviant / sortint ara. El meu objectiu és fer que els meus germans i germanes (cap d'ells siguin productes electrònics) canviïn, inclòs fins i tot pugui veure les parts del meu treball (a mesura que la meva vista empitjora, les meves mans empitjoren Tremolant).
M'agrada dir, estan junts o no. Realment odio "millorar, millorar". De vegades, el vostre disseny funciona bé, però ja no podeu obtenir peces. Què dimonis és això? . Un bon concepte és un bon concepte, i és millor mantenir-lo tal com és, en lloc de millorar-lo sense cap motiu. Gantt
"El fet és que les tres companyies Intel, Samsung i TSMC continuen competint a l'avantguarda d'aquest joc, esprémer constantment més funcions per micròmetre quadrat".
Els components electrònics són grans i cars. El 1971, la família mitjana només tenia poques ràdios, un equip de música i un televisor. El 1976 ja havien sortit ordinadors, calculadores, rellotges digitals i rellotges, petits i econòmics per als consumidors.
Una mica de miniaturització prové del disseny. Els amplificadors operacionals permeten l'ús de giradors, que poden substituir grans inductors en alguns casos. Els filtres actius també eliminen els inductors.
Els components més grans sí que promouen altres coses: la minimització del circuit, és a dir, intentar utilitzar el menor nombre de components perquè el circuit funcioni. Avui no ens importa tant. Necessites alguna cosa per invertir el senyal? Agafeu un amplificador operacional. Necessites una màquina d'estat? Agafa un mpu. etc. Els components d'avui són realment petits, però en realitat hi ha molts components a l'interior. Així, bàsicament, la mida del vostre circuit augmenta i el consum d'energia augmenta. Un transistor utilitzat per invertir un senyal utilitza menys potència per fer la mateixa feina que un amplificador operacional. Però, de nou, la miniaturització s'encarregarà de l'ús de l'energia. És que la innovació ha anat en una altra direcció.
Realment us heu perdut alguns dels avantatges/raons més importants de la mida reduïda: reducció de paràsits del paquet i major maneig de potència (cosa que sembla contraintuïtiu).
Des d'un punt de vista pràctic, un cop la mida de la característica arribi a uns 0,25u, arribareu al nivell de GHz, moment en què el gran paquet SOP comença a produir l'efecte més gran*. Els cables de connexió llargs i aquests cables eventualment us mataran.
En aquest punt, els paquets QFN/BGA han millorat molt pel que fa al rendiment. A més, quan munteu el paquet així, acabeu amb *significativament* un millor rendiment tèrmic i coixinets exposats.
A més, Intel, Samsung i TSMC tindran un paper important, però ASML pot ser molt més important en aquesta llista. Per descomptat, això pot no aplicar-se a la veu passiva...
No es tracta només de reduir els costos de silici mitjançant nodes de procés de nova generació. Altres coses, com bosses. Els paquets més petits requereixen menys materials i wcsp o fins i tot menys. Paquets més petits, PCB o mòduls més petits, etc.
Sovint veig alguns productes de catàleg, on l'únic factor impulsor és la reducció de costos. La mida de la memòria/MHz és la mateixa, la funció SOC i la disposició dels pins són iguals. És possible que utilitzem noves tecnologies per reduir el consum d'energia (normalment això no és gratuït, de manera que hi ha d'haver alguns avantatges competitius que els importin els clients)
Un dels avantatges dels components grans és el material anti-radiació. Els petits transistors són més susceptibles als efectes dels raigs còsmics, en aquesta situació tan important. Per exemple, a l'espai i fins i tot observatoris d'altitud.
No vaig veure cap motiu important per augmentar la velocitat. La velocitat del senyal és d'aproximadament 8 polzades per nanosegon. Així que només reduint la mida, són possibles fitxes més ràpides.
És possible que vulgueu comprovar les vostres pròpies matemàtiques calculant la diferència en el retard de propagació a causa dels canvis d'embalatge i cicles reduïts (1/freqüència). És a dir, reduir el retard/període de les faccions. Trobareu que ni tan sols apareix com a factor d'arrodoniment.
Una cosa que vull afegir és que molts circuits integrats, especialment els dissenys més antics i els xips analògics, en realitat no es redueixen, almenys internament. A causa de les millores en la fabricació automatitzada, els paquets s'han tornat més petits, però això és perquè els paquets DIP solen tenir molt espai a l'interior, no perquè els transistors, etc., s'han fet més petits.
A més del problema de fer que el robot sigui prou precís per manejar components minúsculs en aplicacions de recollida i col·locació d'alta velocitat, un altre problema és soldar de manera fiable components petits. Sobretot quan encara necessiteu components més grans a causa dels requisits de potència/capacitat. Utilitzant pasta de soldadura especial, les plantilles de pasta de soldadura especials (aplicar una petita quantitat de pasta de soldadura quan calgui, però encara proporcionen prou pasta de soldadura per a components grans) van començar a ser molt cares. Per tant, crec que hi ha un altiplà i una miniaturització addicional a nivell de placa de circuit és només una manera costosa i factible. En aquest punt, també podeu fer més integració a nivell d'hòsties de silici i simplificar el nombre de components discrets al mínim absolut.
Això ho veuràs al teu telèfon. Al voltant de 1995, vaig comprar alguns telèfons mòbils primerencs a les vendes de garatge per uns quants dòlars cadascun. La majoria dels circuits integrats són de forat passant. CPU reconeixible i compander NE570, gran IC reutilitzable.
Llavors vaig acabar amb alguns telèfons de mà actualitzats. Hi ha molt pocs components i gairebé res familiar. En un nombre reduït d'IC, no només la densitat és més alta, sinó que també s'adopta un nou disseny (vegeu SDR), que elimina la majoria dels components discrets que abans eren indispensables.
> (Aplica una petita quantitat de pasta de soldadura quan sigui necessari, però encara proporciona suficient pasta de soldadura per a components grans)
Ei, vaig imaginar la plantilla "3D/Wave" per resoldre aquest problema: més prima on hi ha els components més petits i més gruixuda on hi ha el circuit d'alimentació.
Avui en dia, els components SMT són molt petits, podeu utilitzar components discrets reals (no 74xx i altres escombraries) per dissenyar la vostra pròpia CPU i imprimir-la a la PCB. Espolseu-lo amb LED, podreu veure-ho funcionant en temps real.
Amb els anys, sens dubte agraeixo el ràpid desenvolupament de components complexos i petits. Proporcionen un gran progrés, però al mateix temps afegeixen un nou nivell de complexitat al procés iteratiu de prototipatge.
La velocitat d'ajust i simulació dels circuits analògics és molt més ràpid que el que feu al laboratori. A mesura que augmenta la freqüència dels circuits digitals, el PCB passa a formar part del conjunt. Per exemple, efectes de la línia de transmissió, retard de propagació. La creació de prototips de qualsevol tecnologia d'avantguarda es destina millor a completar el disseny correctament, en lloc de fer ajustos al laboratori.
Pel que fa als articles d'afició, avaluació. Les plaques de circuit i els mòduls són una solució per reduir components i mòduls de prova prèvia.
Això pot fer que les coses perdin "divertides", però crec que fer que el vostre projecte funcioni per primera vegada pot ser més significatiu per la feina o les aficions.
He estat convertint alguns dissenys de forat passant a SMD. Feu productes més barats, però no és divertit construir prototips a mà. Un petit error: "lloc paral·lel" s'ha de llegir com "placa paral·lela".
No. Després que un sistema guanyi, els arqueòlegs encara es sentiran confosos per les seves troballes. Qui sap, potser al segle XXIII, l'Aliança Planetària adoptarà un nou sistema...
No podria estar més d'acord. Quina és la mida de 0603? Per descomptat, mantenir 0603 com a mida imperial i "anomenar" la mida mètrica 0603 0604 (o 0602) no és tan difícil, fins i tot si pot ser tècnicament incorrecte (és a dir: la mida real de concordança, no d'aquesta manera) de totes maneres. Estricte), però almenys tothom sabrà de quina tecnologia esteu parlant (mètrica/imperial)!
"En termes generals, els components passius, com ara resistències, condensadors i inductors, no milloraran si els feu més petits".