اخبار

شاید بعد از قانون اهم، دومین قانون معروف در الکترونیک، قانون مور باشد: تعداد ترانزیستورهایی که می توان در مدار مجتمع تولید کرد هر دو سال یا بیشتر دو برابر می شود. از آنجایی که اندازه فیزیکی تراشه تقریباً یکسان است، این بدان معنی است که ترانزیستورهای جداگانه در طول زمان کوچکتر می شوند. ما انتظار داریم نسل جدیدی از تراشه‌ها با اندازه ویژگی‌های کوچک‌تر با سرعت عادی ظاهر شوند، اما کوچک‌تر کردن چیزها چه اهمیتی دارد؟ آیا کوچکتر همیشه به معنای بهتر است؟
در قرن گذشته، مهندسی الکترونیک پیشرفت چشمگیری داشته است. در دهه 1920، پیشرفته ترین رادیوهای AM شامل چندین لوله خلاء، چندین سلف بزرگ، خازن و مقاومت، ده ها متر سیم مورد استفاده به عنوان آنتن و مجموعه بزرگی از باتری ها برای تامین انرژی کل دستگاه بود. امروزه، می‌توانید به بیش از ده‌ها سرویس پخش موسیقی در دستگاهی که در جیبتان است گوش دهید و کارهای بیشتری انجام دهید. اما کوچک‌سازی فقط برای قابل حمل بودن نیست: برای دستیابی به عملکردی که امروز از دستگاه‌هایمان انتظار داریم، کاملاً ضروری است.
یکی از مزایای آشکار اجزای کوچکتر این است که به شما امکان می دهند عملکرد بیشتری را در همان حجم قرار دهید. این به ویژه برای مدارهای دیجیتال مهم است: اجزای بیشتر به این معنی است که می توانید پردازش های بیشتری را در مدت زمان مشابه انجام دهید. به عنوان مثال، در تئوری، مقدار اطلاعات پردازش شده توسط یک پردازنده 64 بیتی هشت برابر یک CPU 8 بیتی است که با فرکانس ساعت مشابهی کار می کند. اما به هشت برابر بیشتر مؤلفه ها نیز نیاز دارد: ثبات ها، جمع کننده ها، اتوبوس ها و غیره همگی هشت برابر بزرگتر هستند. بنابراین شما یا به تراشه ای نیاز دارید که هشت برابر بزرگتر باشد یا به ترانزیستوری نیاز دارید که هشت برابر کوچکتر باشد.
همین امر در مورد تراشه های حافظه نیز صادق است: با ساخت ترانزیستورهای کوچکتر، فضای ذخیره سازی بیشتری در همان حجم خواهید داشت. پیکسل ها در اکثر نمایشگرهای امروزی از ترانزیستورهای لایه نازک ساخته شده اند، بنابراین کوچک کردن آنها و دستیابی به وضوح بالاتر منطقی است. با این حال، هر چه ترانزیستور کوچکتر باشد، بهتر است، و دلیل مهم دیگری نیز وجود دارد: عملکرد آنها بسیار بهبود یافته است. اما چرا دقیقا؟
هر زمان که یک ترانزیستور بسازید، برخی از اجزای اضافی را به صورت رایگان ارائه می دهد. هر ترمینال دارای یک مقاومت سری است. هر جسمی که حامل جریان باشد، خود القایی نیز دارد. در نهایت، بین هر دو هادی روبه‌روی هم یک ظرفیت وجود دارد. تمام این اثرات باعث مصرف انرژی و کاهش سرعت ترانزیستور می شود. ظرفیت‌های انگلی به‌ویژه مشکل‌ساز هستند: ترانزیستورها هر بار که روشن یا خاموش می‌شوند باید شارژ و دشارژ شوند، که به زمان و جریان برق نیاز دارد.
ظرفیت بین دو هادی تابعی از اندازه فیزیکی آنهاست: اندازه کوچکتر به معنای ظرفیت کوچکتر است. و از آنجایی که خازن های کوچکتر به معنای سرعت بالاتر و توان کمتر است، ترانزیستورهای کوچکتر می توانند در فرکانس های کلاک بالاتر کار کنند و در این کار گرمای کمتری را از خود دفع کنند.
با کوچک شدن اندازه ترانزیستورها، ظرفیت خازن تنها اثری نیست که تغییر می کند: بسیاری از اثرات مکانیکی کوانتومی عجیبی وجود دارد که برای دستگاه های بزرگتر آشکار نیستند. با این حال، به طور کلی، کوچکتر کردن ترانزیستورها آنها را سریعتر می کند. اما محصولات الکترونیکی چیزی فراتر از ترانزیستور هستند. وقتی اجزای دیگر را کوچک می کنید، چگونه کار می کنند؟
به طور کلی، اجزای غیرفعال مانند مقاومت ها، خازن ها و سلف ها با کوچکتر شدن بهتر نمی شوند: از بسیاری جهات، بدتر می شوند. بنابراین، کوچک سازی این قطعات عمدتاً به این دلیل است که بتوان آنها را در حجم کمتری فشرده کرد و در نتیجه فضای PCB را ذخیره کرد.
اندازه مقاومت را می توان بدون ایجاد تلفات زیاد کاهش داد. مقاومت یک قطعه از مواد به این صورت است که l طول، A سطح مقطع و ρ مقاومت ماده است. شما می توانید به سادگی طول و سطح مقطع را کاهش دهید و در نهایت با مقاومت فیزیکی کوچکتری بسازید، اما همچنان همان مقاومت را داشته باشید. تنها عیب آن این است که هنگام اتلاف توان یکسان، مقاومت‌های فیزیکی کوچک‌تر گرمای بیشتری نسبت به مقاومت‌های بزرگتر تولید می‌کنند. بنابراین مقاومت های کوچک فقط در مدارهای کم مصرف قابل استفاده هستند. این جدول نشان می دهد که چگونه حداکثر توان مقاومت مقاومت های SMD با کاهش اندازه آنها کاهش می یابد.
امروزه کوچکترین مقاومتی که می توانید بخرید اندازه متریک 03015 (0.3 میلی متر در 0.15 میلی متر) است. توان نامی آنها تنها 20 مگاوات است و فقط برای مدارهایی استفاده می شود که توان بسیار کمی را تلف می کنند و اندازه آنها بسیار محدود است. بسته متریک 0201 کوچکتر (0.2 میلی متر در 0.1 میلی متر) عرضه شده است، اما هنوز به تولید نرسیده است. اما حتی اگر آنها در کاتالوگ سازنده ظاهر شوند، انتظار نداشته باشید که همه جا باشند: اکثر ربات‌های انتخاب و قرار دادن به اندازه کافی دقیق نیستند که بتوانند با آنها کار کنند، بنابراین ممکن است هنوز هم محصولاتی خاص باشند.
خازن ها را نیز می توان کوچک کرد، اما این باعث کاهش ظرفیت خازن می شود. فرمول محاسبه ظرفیت خازن شنت به این صورت است که A مساحت تخته، d فاصله بین آنها و ε ثابت دی الکتریک (ویژگی ماده میانی) است. اگر خازن (عموماً یک دستگاه تخت) کوچک شده باشد، باید مساحت را کاهش داد و در نتیجه ظرفیت خازن را کاهش داد. اگر همچنان می‌خواهید مقدار زیادی نافارا را در حجم کم ببندید، تنها گزینه این است که چندین لایه را روی هم قرار دهید. با توجه به پیشرفت در مواد و ساخت، که همچنین لایه های نازک (d کوچک) و دی الکتریک های خاص (با ε بزرگتر) را ممکن ساخته است، اندازه خازن ها در چند دهه گذشته به طور قابل توجهی کوچک شده است.
کوچکترین خازن موجود امروز در بسته بندی متریک 0201 بسیار کوچک است: فقط 0.25 میلی متر x 0.125 میلی متر. ظرفیت آنها به 100 nF هنوز مفید محدود شده است، و حداکثر ولتاژ کاری 6.3 ولت است. همچنین، این پکیج ها بسیار کوچک هستند و برای جابجایی آنها به تجهیزات پیشرفته ای نیاز دارند که پذیرش گسترده آنها را محدود می کند.
برای سلاطین، داستان کمی پیچیده است. اندوکتانس یک سیم پیچ مستقیم به این صورت است که N تعداد چرخش ها، A سطح مقطع سیم پیچ، l طول آن و μ ثابت ماده (نفوذپذیری) است. اگر تمام ابعاد به نصف کاهش یابد، اندوکتانس نیز به نصف کاهش می یابد. با این حال، مقاومت سیم ثابت باقی می ماند: این به این دلیل است که طول و مقطع سیم به یک چهارم مقدار اولیه آن کاهش می یابد. این بدان معنی است که شما در نهایت با همان مقاومت در نیمی از اندوکتانس مواجه می شوید، بنابراین ضریب کیفیت (Q) سیم پیچ را به نصف کاهش می دهید.
کوچکترین سلف گسسته موجود در بازار از اندازه اینچ 01005 (0.4 میلی متر در 0.2 میلی متر) استفاده می کند. اینها تا 56 nH بالا هستند و مقاومتی در حد چند اهم دارند. سلف ها در بسته بندی متریک 0201 بسیار کوچک در سال 2014 عرضه شدند، اما ظاهراً هرگز به بازار معرفی نشده اند.
محدودیت های فیزیکی سلف ها با استفاده از پدیده ای به نام اندوکتانس دینامیکی حل شده است که می توان آن را در سیم پیچ های ساخته شده از گرافن مشاهده کرد. اما با این وجود، اگر بتوان آن را به روش تجاری مناسب تولید کرد، ممکن است 50 درصد افزایش یابد. در نهایت، سیم پیچ را نمی توان به خوبی مینیاتوری کرد. با این حال، اگر مدار شما در فرکانس های بالا کار می کند، این لزوما مشکلی نیست. اگر سیگنال شما در محدوده گیگاهرتز است، معمولاً چند سیم پیچ nH کافی است.
این ما را به چیز دیگری می‌رساند که در قرن گذشته کوچک‌سازی شده است، اما ممکن است بلافاصله متوجه آن نشوید: طول موجی که ما برای ارتباط استفاده می‌کنیم. پخش های اولیه رادیویی از فرکانس AM موج متوسط ​​حدود 1 مگاهرتز با طول موج حدود 300 متر استفاده می کردند. باند فرکانس FM با مرکز 100 مگاهرتز یا 3 متر در حدود دهه 1960 رایج شد و امروزه ما عمدتاً از ارتباطات 4G در حدود 1 یا 2 گیگاهرتز (حدود 20 سانتی متر) استفاده می کنیم. فرکانس های بالاتر به معنای ظرفیت بیشتر انتقال اطلاعات است. به دلیل کوچک سازی است که ما رادیوهای ارزان، قابل اعتماد و کم مصرفی داریم که روی این فرکانس ها کار می کنند.
طول موج های کوچک می توانند آنتن ها را کوچک کنند زیرا اندازه آنها مستقیماً با فرکانس مورد نیاز برای ارسال یا دریافت در ارتباط است. تلفن های همراه امروزی به لطف ارتباط اختصاصی خود در فرکانس های گیگاهرتز که طول آنتن فقط حدود یک سانتی متر است، نیازی به آنتن های بیرون زده طولانی ندارند. به همین دلیل است که اکثر تلفن‌های همراه که هنوز دارای گیرنده‌های FM هستند، از شما می‌خواهند قبل از استفاده، هدفون را وصل کنید: رادیو باید از سیم هدفون به‌عنوان آنتن استفاده کند تا قدرت سیگنال کافی را از آن امواج یک متری دریافت کند.
در مورد مدارهای متصل به آنتن های مینیاتوری ما، وقتی کوچکتر می شوند، در واقع ساخت آنها آسان تر می شود. این نه تنها به این دلیل است که ترانزیستورها سریعتر شده اند، بلکه به این دلیل است که اثرات خط انتقال دیگر مسئله ای نیست. به طور خلاصه، زمانی که طول یک سیم از یک دهم طول موج بیشتر می‌شود، هنگام طراحی مدار باید تغییر فاز را در طول آن در نظر بگیرید. در فرکانس 2.4 گیگاهرتز، این بدان معناست که تنها یک سانتی متر سیم بر مدار شما تأثیر گذاشته است. اگر قطعات گسسته را به هم لحیم کنید سردرد است اما اگر مدار را روی چند میلی متر مربع قرار دهید مشکلی نیست.
پیش‌بینی نابودی قانون مور، یا نشان دادن اینکه این پیش‌بینی‌ها بارها و بارها اشتباه هستند، به موضوعی تکراری در روزنامه‌نگاری علم و فناوری تبدیل شده است. واقعیت این است که اینتل، سامسونگ و TSMC، سه رقیب که هنوز در خط مقدم بازی هستند، همچنان به فشرده سازی ویژگی های بیشتر در هر میکرومتر مربع ادامه می دهند و قصد دارند چندین نسل از تراشه های بهبود یافته را در آینده معرفی کنند. حتی اگر پیشرفتی که آنها در هر مرحله انجام داده اند ممکن است به اندازه دو دهه قبل نباشد، کوچک سازی ترانزیستورها همچنان ادامه دارد.
با این حال، به نظر می رسد که برای اجزای گسسته به یک حد طبیعی رسیده ایم: کوچکتر کردن آنها عملکرد آنها را بهبود نمی بخشد و کوچکترین اجزای موجود در حال حاضر کوچکتر از نیاز بیشتر موارد استفاده هستند. به نظر می رسد که قانون مور برای دستگاه های گسسته وجود ندارد، اما اگر قانون مور وجود داشته باشد، ما دوست داریم ببینیم یک نفر چقدر می تواند چالش لحیم کاری SMD را تحت فشار قرار دهد.
من همیشه می خواستم از یک مقاومت PTH که در دهه 1970 استفاده می کردم، عکسی بگیرم و یک مقاومت SMD روی آن قرار دهم، درست مثل این که الان در حال تعویض/خارج کردن هستم. هدف من این است که برادران و خواهرانم (هیچکدام از آنها محصولات الکترونیکی نیستند) چقدر تغییر کنند، از جمله اینکه بتوانم حتی قسمت های کارم را ببینم، (چون بینایی من بدتر می شود، دستانم بدتر می شوند و می لرزند).
دوست دارم بگم با هم هستن یا نه من واقعاً از "بهبود، بهتر شدن" متنفرم. گاهی اوقات چیدمان شما به خوبی کار می کند، اما دیگر نمی توانید قطعات را دریافت کنید. این چه جهنمی است؟ . یک مفهوم خوب یک مفهوم خوب است و بهتر است آن را همانطور که هست نگه دارید، نه اینکه بی دلیل آن را بهبود ببخشید. گانت
واقعیت این است که سه شرکت اینتل، سامسونگ و TSMC همچنان در خط مقدم این بازی رقابت می کنند و دائماً ویژگی های بیشتری را در هر میکرومتر مربع فشرده می کنند.
قطعات الکترونیکی بزرگ و گران هستند. در سال 1971، خانواده معمولی تنها چند رادیو، استریو و تلویزیون داشتند. تا سال 1976، کامپیوترها، ماشین‌حساب‌ها، ساعت‌های دیجیتال و ساعت‌ها به بازار آمدند که برای مصرف‌کنندگان کوچک و ارزان بودند.
مقداری کوچک سازی از طراحی ناشی می شود. تقویت کننده های عملیاتی امکان استفاده از ژیراتورها را می دهند که می توانند در برخی موارد جایگزین سلف های بزرگ شوند. فیلترهای فعال نیز سلف ها را حذف می کنند.
قطعات بزرگتر چیزهای دیگری را ترویج می کنند: به حداقل رساندن مدار، یعنی تلاش برای استفاده از کمترین اجزا برای کارکرد مدار. امروز ما خیلی اهمیت نمی دهیم. چیزی برای معکوس کردن سیگنال نیاز دارید؟ یک تقویت کننده عملیاتی بگیرید. آیا به ماشین دولتی نیاز دارید؟ یک mpu بگیرید. اجزای امروزی واقعاً کوچک هستند، اما در واقع اجزای زیادی در داخل وجود دارد. بنابراین اساسا اندازه مدار شما افزایش می یابد و مصرف برق افزایش می یابد. ترانزیستوری که برای معکوس کردن یک سیگنال استفاده می‌شود، نسبت به تقویت‌کننده‌های عملیاتی، از توان کمتری برای انجام همان کار استفاده می‌کند. اما باز هم، کوچک‌سازی استفاده از قدرت را مورد توجه قرار می‌دهد. فقط این است که نوآوری به سمت دیگری رفته است.
شما واقعاً برخی از بزرگترین مزایا/دلایل کاهش سایز را از دست دادید: کاهش انگل‌های بسته‌بندی و افزایش قدرت کنترل (که غیرقابل تصور به نظر می‌رسد).
از نقطه نظر عملی، هنگامی که اندازه ویژگی به حدود 0.25u رسید، به سطح گیگاهرتز خواهید رسید، در این زمان بسته بزرگ SOP شروع به تولید بزرگترین اثر * می کند. سیم های اتصال طولانی و آن سرنخ ها در نهایت شما را خواهند کشت.
در این مرحله، بسته‌های QFN/BGA از نظر عملکرد بسیار بهبود یافته‌اند. علاوه بر این، هنگامی که بسته را به صورت صاف نصب می کنید، در نهایت عملکرد حرارتی *به طور قابل توجهی* و پدهای در معرض دید بهتری خواهید داشت.
علاوه بر این، اینتل، سامسونگ و TSMC قطعا نقش مهمی خواهند داشت، اما ASML ممکن است در این لیست بسیار مهمتر باشد. البته این ممکن است در مورد صدای غیرفعال صدق نکند…
این فقط در مورد کاهش هزینه های سیلیکون از طریق گره های فرآیند نسل بعدی نیست. چیزهای دیگر مانند کیف. بسته های کوچکتر به مواد کمتر و wcsp یا حتی کمتر نیاز دارند. بسته های کوچکتر، PCB ها یا ماژول های کوچکتر و غیره.
من اغلب برخی از محصولات کاتالوگ را می بینم که تنها عامل محرک آن کاهش هزینه است. اندازه مگاهرتز/حافظه یکسان است، عملکرد SOC و ترتیب پین یکسان است. ممکن است از فناوری‌های جدید برای کاهش مصرف برق استفاده کنیم (معمولاً این رایگان نیست، بنابراین باید مزایای رقابتی وجود داشته باشد که مشتریان به آن اهمیت می‌دهند)
یکی از مزایای قطعات بزرگ مواد ضد تشعشع است. ترانزیستورهای کوچک در این موقعیت مهم بیشتر در معرض تأثیرات پرتوهای کیهانی هستند. مثلاً در فضا و حتی رصدخانه های مرتفع.
من دلیل عمده ای برای افزایش سرعت ندیدم. سرعت سیگنال تقریباً 8 اینچ در هر نانوثانیه است. بنابراین فقط با کاهش اندازه، تراشه های سریعتر امکان پذیر است.
ممکن است بخواهید ریاضیات خود را با محاسبه تفاوت تاخیر انتشار به دلیل تغییرات بسته بندی و کاهش چرخه (1/فرکانس) بررسی کنید. یعنی کاهش تاخیر/دوره جناح بندی ها. متوجه خواهید شد که حتی به عنوان یک عامل گرد کننده نیز نشان داده نمی شود.
چیزی که می‌خواهم اضافه کنم این است که بسیاری از آی‌سی‌ها، به‌ویژه طرح‌های قدیمی‌تر و تراشه‌های آنالوگ، در واقع کوچک‌تر نیستند، حداقل در داخل. به دلیل پیشرفت در تولید خودکار، بسته‌ها کوچک‌تر شده‌اند، اما به این دلیل است که بسته‌های DIP معمولاً فضای زیادی در داخل دارند، نه به این دلیل که ترانزیستورها و غیره کوچکتر شده‌اند.
علاوه بر مشکل دقیق ساختن ربات به اندازه کافی برای رسیدگی به اجزای کوچک در برنامه‌های انتخاب و جابجایی با سرعت بالا، مشکل دیگر جوشکاری مطمئن اجزای کوچک است. به خصوص زمانی که به دلیل نیاز به توان/ظرفیت، هنوز به قطعات بزرگتر نیاز دارید. با استفاده از خمیر لحیم کاری ویژه، الگوهای خمیر لحیم کاری مرحله ای خاص (مقدار کمی از خمیر لحیم کاری را در جاهایی که لازم است اعمال کنید، اما همچنان خمیر لحیم کاری کافی برای قطعات بزرگ فراهم کنید) شروع به گران شدن کردند. بنابراین من فکر می‌کنم فلات وجود دارد، و کوچک‌سازی بیشتر در سطح برد مدار فقط یک راه پرهزینه و امکان‌پذیر است. در این مرحله، می‌توانید ادغام بیشتری را در سطح ویفر سیلیکونی انجام دهید و تعداد اجزای گسسته را به حداقل مطلق ساده کنید.
این را در گوشی خود خواهید دید. در حدود سال 1995، من تعدادی تلفن همراه اولیه را در گاراژ فروش به قیمت چند دلار خریدم. اکثر آی سی ها از طریق سوراخ هستند. CPU قابل تشخیص و کامپاندر NE570، آی سی بزرگ قابل استفاده مجدد.
سپس به چند گوشی دستی به روز رسیدم. اجزای بسیار کمی وجود دارد و تقریباً هیچ چیز آشنا نیست. در تعداد کمی از آی‌سی‌ها، نه تنها چگالی بالاتر است، بلکه طراحی جدیدی نیز اتخاذ شده است (به SDR مراجعه کنید) که بسیاری از اجزای مجزا را که قبلاً ضروری بودند حذف می‌کند.
> (مقدار کمی از خمیر لحیم کاری را در جایی که لازم است بمالید، اما همچنان خمیر لحیم کاری کافی برای قطعات بزرگ فراهم کنید)
هی، من الگوی "3D/Wave" را برای حل این مشکل تصور کردم: در جایی که کوچکترین اجزا هستند نازک تر و در جایی که مدار برق ضخیم تر است.
امروزه اجزای SMT بسیار کوچک هستند، شما می توانید از اجزای گسسته واقعی (نه 74xx و دیگر زباله ها) برای طراحی CPU خود و چاپ آن بر روی PCB استفاده کنید. آن را با LED بپاشید، می توانید آن را در زمان واقعی مشاهده کنید.
در طول سال ها، من مطمئناً از توسعه سریع اجزای پیچیده و کوچک قدردانی می کنم. آنها پیشرفت فوق العاده ای را ارائه می دهند، اما در عین حال سطح جدیدی از پیچیدگی را به فرآیند تکراری نمونه سازی اضافه می کنند.
سرعت تنظیم و شبیه سازی مدارهای آنالوگ بسیار سریعتر از آنچه در آزمایشگاه انجام می دهید است. با افزایش فرکانس مدارهای دیجیتال، PCB بخشی از مجموعه می شود. به عنوان مثال، اثرات خط انتقال، تاخیر انتشار. نمونه‌سازی اولیه هر فناوری پیشرفته به جای انجام تنظیمات در آزمایشگاه، بهتر است صرف تکمیل طراحی به درستی شود.
در مورد موارد سرگرمی، ارزیابی. بردهای مدار و ماژول ها راه حلی برای جمع شدن اجزا و ماژول های پیش تست هستند.
این ممکن است باعث شود همه چیز "سرگرم کننده" از بین برود، اما من فکر می کنم که اجرای پروژه شما برای اولین بار ممکن است به دلیل کار یا سرگرمی ها معنی دارتر باشد.
من برخی از طرح ها را از سوراخ سوراخ به SMD تبدیل کرده ام. محصولات ارزان‌تری بسازید، اما ساختن نمونه‌های اولیه با دست جالب نیست. یک اشتباه کوچک: "مکان موازی" باید به عنوان "صفحه موازی" خوانده شود.
نه. پس از برنده شدن یک سیستم، باستان شناسان همچنان با یافته های آن سردرگم خواهند شد. چه کسی می داند، شاید در قرن بیست و سوم، اتحاد سیاره ای سیستم جدیدی را اتخاذ کند…
نمی توانستم بیشتر موافق باشم. سایز 0603 چنده؟ البته، نگه داشتن 0603 به عنوان اندازه امپریالیستی و "صدا کردن" اندازه متریک 0603 0604 (یا 0602) چندان دشوار نیست، حتی اگر ممکن است از نظر فنی نادرست باشد (یعنی: اندازه واقعی مطابقت دارد - نه به آن صورت). سختگیرانه)، اما حداقل همه می دانند که شما در مورد چه فناوری صحبت می کنید (متریک/امپریال)!
"به طور کلی، اجزای غیرفعال مانند مقاومت ها، خازن ها و سلف ها اگر آنها را کوچکتر کنید بهتر نمی شوند."