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Vielleicht nach dem Ohmschen Gesetz ist das Mooresche Gesetz das zweitbekannteste Gesetz in der Elektronik: Die Anzahl der Transistoren, die auf einem integrierten Schaltkreis hergestellt werden können, verdoppelt sich etwa alle zwei Jahre. Da die physikalische Größe des Chips in etwa gleich bleibt, bedeutet dies, dass einzelne Transistoren mit der Zeit kleiner werden. Wir gehen davon aus, dass eine neue Generation von Chips mit kleineren Funktionsgrößen mit normaler Geschwindigkeit auf den Markt kommen wird, aber welchen Sinn hat es, die Dinge kleiner zu machen? Bedeutet kleiner immer besser?
Im vergangenen Jahrhundert hat die Elektrotechnik enorme Fortschritte gemacht. In den 1920er Jahren bestanden die fortschrittlichsten AM-Radios aus mehreren Vakuumröhren, mehreren riesigen Induktivitäten, Kondensatoren und Widerständen, Dutzenden Metern Drähten, die als Antennen dienten, und einem großen Satz Batterien, die das gesamte Gerät mit Strom versorgten. Heutzutage können Sie auf dem Gerät in Ihrer Tasche mehr als ein Dutzend Musik-Streaming-Dienste hören und noch mehr tun. Aber Miniaturisierung dient nicht nur der Portabilität: Sie ist absolut notwendig, um die Leistung zu erreichen, die wir heute von unseren Geräten erwarten.
Ein offensichtlicher Vorteil kleinerer Komponenten besteht darin, dass sie es Ihnen ermöglichen, mehr Funktionalität im gleichen Volumen unterzubringen. Dies ist besonders wichtig für digitale Schaltkreise: Mehr Komponenten bedeuten, dass Sie mehr Verarbeitung in der gleichen Zeit durchführen können. Theoretisch ist beispielsweise die von einem 64-Bit-Prozessor verarbeitete Informationsmenge achtmal so groß wie die einer 8-Bit-CPU mit derselben Taktfrequenz. Dafür werden aber auch achtmal so viele Komponenten benötigt: Register, Addierer, Busse usw. sind alle achtmal größer. Sie benötigen also entweder einen achtmal größeren Chip oder einen achtmal kleineren Transistor.
Das Gleiche gilt auch für Speicherchips: Durch die Verkleinerung der Transistoren steht mehr Speicherplatz bei gleichem Volumen zur Verfügung. Die Pixel in den meisten Displays bestehen heutzutage aus Dünnschichttransistoren, daher ist es sinnvoll, sie zu verkleinern und höhere Auflösungen zu erreichen. Allerdings gilt: Je kleiner der Transistor, desto besser, und es gibt noch einen weiteren entscheidenden Grund: Ihre Leistung wird deutlich verbessert. Aber warum genau?
Wenn Sie einen Transistor herstellen, werden Ihnen einige zusätzliche Komponenten kostenlos zur Verfügung gestellt. Jeder Anschluss hat einen Widerstand in Reihe. Jedes Objekt, das Strom führt, verfügt auch über Selbstinduktivität. Schließlich besteht zwischen zwei beliebigen, einander zugewandten Leitern eine Kapazität. Alle diese Effekte verbrauchen Strom und verlangsamen die Geschwindigkeit des Transistors. Besonders problematisch sind parasitäre Kapazitäten: Transistoren müssen bei jedem Ein- und Ausschalten geladen und entladen werden, was Zeit und Strom von der Stromversorgung erfordert.
Die Kapazität zwischen zwei Leitern hängt von ihrer physikalischen Größe ab: Eine kleinere Größe bedeutet eine kleinere Kapazität. Und weil kleinere Kondensatoren höhere Geschwindigkeiten und eine geringere Leistung bedeuten, können kleinere Transistoren mit höheren Taktfrequenzen laufen und dabei weniger Wärme abgeben.
Wenn man die Größe von Transistoren verkleinert, ist die Kapazität nicht der einzige Effekt, der sich ändert: Es gibt viele seltsame quantenmechanische Effekte, die bei größeren Geräten nicht offensichtlich sind. Im Allgemeinen werden Transistoren jedoch schneller, wenn sie kleiner werden. Aber elektronische Produkte sind mehr als nur Transistoren. Wie funktionieren andere Komponenten, wenn Sie sie verkleinern?
Im Allgemeinen werden passive Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten nicht besser, wenn sie kleiner werden: In vielerlei Hinsicht werden sie sogar schlechter. Daher besteht die Miniaturisierung dieser Komponenten hauptsächlich darin, sie auf ein kleineres Volumen komprimieren zu können und dadurch Platz auf der Leiterplatte zu sparen.
Die Größe des Widerstands kann reduziert werden, ohne zu große Verluste zu verursachen. Der Widerstand eines Materialstücks ist gegeben durch, wobei l die Länge, A die Querschnittsfläche und ρ der spezifische Widerstand des Materials ist. Sie können einfach die Länge und den Querschnitt reduzieren und am Ende einen physikalisch kleineren Widerstand erhalten, der aber immer noch den gleichen Widerstandswert hat. Der einzige Nachteil besteht darin, dass physikalisch kleinere Widerstände bei gleicher Verlustleistung mehr Wärme erzeugen als größere Widerstände. Daher können kleine Widerstände nur in Stromkreisen mit geringer Leistung verwendet werden. Diese Tabelle zeigt, wie die maximale Nennleistung von SMD-Widerständen mit abnehmender Größe abnimmt.
Heutzutage ist der kleinste Widerstand, den Sie kaufen können, die metrische Größe 03015 (0,3 mm x 0,15 mm). Ihre Nennleistung beträgt nur 20 mW und sie werden nur für Schaltkreise verwendet, die sehr wenig Leistung verbrauchen und in ihrer Größe äußerst begrenzt sind. Ein kleineres metrisches 0201-Gehäuse (0,2 mm x 0,1 mm) wurde veröffentlicht, aber noch nicht in Produktion genommen. Aber selbst wenn sie im Katalog des Herstellers auftauchen, sollten Sie nicht davon ausgehen, dass sie überall zu finden sind: Die meisten Pick-and-Place-Roboter sind nicht genau genug, um sie zu handhaben, sodass es sich möglicherweise immer noch um Nischenprodukte handelt.
Kondensatoren können auch verkleinert werden, allerdings verringert sich dadurch ihre Kapazität. Die Formel zur Berechnung der Kapazität eines Nebenschlusskondensators lautet: Dabei ist A die Fläche der Platine, d der Abstand zwischen ihnen und ε die Dielektrizitätskonstante (die Eigenschaft des Zwischenmaterials). Wenn der Kondensator (im Grunde ein flaches Gerät) miniaturisiert wird, muss die Fläche verringert werden, wodurch die Kapazität verringert wird. Wenn Sie dennoch viel Nafara auf kleinem Raum verpacken möchten, bleibt nur das Stapeln mehrerer Schichten übereinander. Aufgrund der Fortschritte in Material und Fertigung, die auch dünne Schichten (kleines d) und spezielle Dielektrika (mit größerem ε) ermöglicht haben, ist die Größe von Kondensatoren in den letzten Jahrzehnten deutlich geschrumpft.
Der kleinste derzeit erhältliche Kondensator befindet sich in einem ultrakleinen metrischen 0201-Gehäuse: nur 0,25 mm x 0,125 mm. Ihre Kapazität ist auf die immer noch brauchbaren 100 nF begrenzt und die maximale Betriebsspannung beträgt 6,3 V. Außerdem sind diese Gehäuse sehr klein und erfordern für ihre Handhabung fortschrittliche Ausrüstung, was ihre weitverbreitete Verbreitung einschränkt.
Bei Induktoren ist die Geschichte etwas knifflig. Die Induktivität einer geraden Spule ist gegeben durch, wobei N die Anzahl der Windungen, A die Querschnittsfläche der Spule, l ihre Länge und μ die Materialkonstante (Permeabilität) ist. Wenn alle Abmessungen um die Hälfte reduziert werden, verringert sich auch die Induktivität um die Hälfte. Der Widerstand des Drahtes bleibt jedoch gleich: Dies liegt daran, dass Länge und Querschnitt des Drahtes auf ein Viertel des ursprünglichen Wertes reduziert werden. Dies bedeutet, dass Sie am Ende den gleichen Widerstand in der Hälfte der Induktivität haben, sodass sich der Qualitätsfaktor (Q) der Spule halbiert.
Der kleinste im Handel erhältliche diskrete Induktor hat die Zollgröße 01005 (0,4 mm x 0,2 mm). Diese liegen bei bis zu 56 nH und haben einen Widerstand von einigen Ohm. Induktoren in einem ultrakleinen metrischen 0201-Gehäuse wurden 2014 auf den Markt gebracht, aber offenbar nie auf den Markt gebracht.
Die physikalischen Einschränkungen von Induktoren wurden mithilfe eines Phänomens namens dynamischer Induktivität gelöst, das in Spulen aus Graphen beobachtet werden kann. Aber selbst dann, wenn es kommerziell rentabel hergestellt werden kann, kann es um 50 % steigen. Schließlich lässt sich die Spule nicht gut miniaturisieren. Wenn Ihre Schaltung jedoch mit hohen Frequenzen arbeitet, ist dies nicht unbedingt ein Problem. Wenn Ihr Signal im GHz-Bereich liegt, reichen in der Regel ein paar nH-Spulen aus.
Dies bringt uns zu einer weiteren Sache, die im letzten Jahrhundert miniaturisiert wurde, die Ihnen aber vielleicht nicht sofort auffällt: der Wellenlänge, die wir für die Kommunikation nutzen. Frühe Radiosendungen nutzten eine Mittelwellen-AM-Frequenz von etwa 1 MHz mit einer Wellenlänge von etwa 300 Metern. Das UKW-Frequenzband mit einer Mittenfrequenz von 100 MHz oder 3 Metern wurde etwa in den 1960er Jahren populär, und heute nutzen wir hauptsächlich 4G-Kommunikationen um 1 oder 2 GHz (ca. 20 cm). Höhere Frequenzen bedeuten eine größere Informationsübertragungskapazität. Dank der Miniaturisierung verfügen wir über günstige, zuverlässige und energiesparende Radios, die auf diesen Frequenzen arbeiten.
Schrumpfende Wellenlängen können zu einer Schrumpfung der Antennen führen, da ihre Größe in direktem Zusammenhang mit der Frequenz steht, die sie zum Senden oder Empfangen benötigen. Heutige Mobiltelefone benötigen dank ihrer dedizierten Kommunikation im GHz-Frequenzbereich, für den die Antenne nur etwa einen Zentimeter lang sein muss, keine langen, hervorstehenden Antennen. Aus diesem Grund müssen Sie bei den meisten Mobiltelefonen, die noch über einen FM-Empfänger verfügen, vor der Verwendung die Kopfhörer anschließen: Das Radio muss das Kabel des Kopfhörers als Antenne nutzen, um eine ausreichende Signalstärke von den ein Meter langen Wellen zu erhalten.
Was die Schaltkreise betrifft, die mit unseren Miniaturantennen verbunden sind: Je kleiner sie sind, desto einfacher ist es, sie herzustellen. Das liegt nicht nur daran, dass die Transistoren schneller geworden sind, sondern auch daran, dass Übertragungsleitungseffekte kein Problem mehr darstellen. Kurz gesagt: Wenn die Länge eines Drahtes ein Zehntel der Wellenlänge überschreitet, müssen Sie beim Entwurf der Schaltung die Phasenverschiebung entlang seiner Länge berücksichtigen. Bei 2,4 GHz bedeutet dies, dass nur ein Zentimeter Kabel Ihren Stromkreis beeinträchtigt hat; Wenn man einzelne Bauteile zusammenlötet, bereitet das Kopfzerbrechen, aber wenn man die Schaltung auf ein paar Quadratmillimeter auslegt, ist das kein Problem.
Den Untergang des Mooreschen Gesetzes vorherzusagen oder immer wieder zu zeigen, dass diese Vorhersagen falsch sind, ist zu einem wiederkehrenden Thema im Wissenschafts- und Technologiejournalismus geworden. Tatsache ist, dass Intel, Samsung und TSMC, die drei Konkurrenten, die immer noch an der Spitze des Spiels stehen, weiterhin mehr Funktionen pro Quadratmikrometer komprimieren und planen, in Zukunft mehrere Generationen verbesserter Chips auf den Markt zu bringen. Auch wenn die Fortschritte bei jedem einzelnen Schritt nicht mehr so ​​groß sind wie vor zwei Jahrzehnten, schreitet die Miniaturisierung von Transistoren weiter voran.
Bei diskreten Komponenten scheinen wir jedoch eine natürliche Grenze erreicht zu haben: Wenn man sie kleiner macht, verbessert sich ihre Leistung nicht, und die kleinsten derzeit verfügbaren Komponenten sind kleiner, als es die meisten Anwendungsfälle erfordern. Es scheint, dass es für diskrete Geräte kein Mooresches Gesetz gibt, aber wenn es das Mooresche Gesetz gibt, würden wir gerne sehen, wie sehr eine Person die Herausforderung des SMD-Lötens vorantreiben kann.
Ich wollte schon immer ein Foto von einem PTH-Widerstand machen, den ich in den 1970er Jahren verwendet habe, und einen SMD-Widerstand darauf anbringen, genau wie ich es jetzt tusche. Mein Ziel ist es, meinen Brüdern und Schwestern (bei keinem davon handelt es sich um elektronische Produkte) zu zeigen, wie viel sich verändert, einschließlich, dass ich die Teile meiner Arbeit überhaupt sehen kann (da meine Sehkraft immer schlechter wird, zittern meine Hände immer mehr).
Ich sage gerne, ob es zusammen ist oder nicht. Ich hasse es wirklich, sich zu verbessern, besser zu werden. Manchmal funktioniert Ihr Layout gut, aber Sie können keine Teile mehr bekommen. Was zum Teufel ist das? . Ein gutes Konzept ist ein gutes Konzept, und es ist besser, es so beizubehalten, als es ohne Grund zu verbessern. Gantt
„Tatsache bleibt, dass die drei Unternehmen Intel, Samsung und TSMC immer noch an der Spitze dieses Spiels konkurrieren und ständig mehr Funktionen pro Quadratmikrometer herausquetschen.“
Elektronische Bauteile sind groß und teuer. Im Jahr 1971 verfügte eine durchschnittliche Familie nur über wenige Radios, eine Stereoanlage und einen Fernseher. Bis 1976 kamen Computer, Taschenrechner und Digitaluhren auf den Markt, die klein und für Verbraucher kostengünstig waren.
Eine gewisse Miniaturisierung ist auf das Design zurückzuführen. Operationsverstärker ermöglichen den Einsatz von Gyratoren, die in manchen Fällen große Induktoren ersetzen können. Aktive Filter eliminieren auch Induktoren.
Größere Komponenten fördern andere Dinge: die Minimierung der Schaltung, also den Versuch, die wenigsten Komponenten zu verwenden, damit die Schaltung funktioniert. Heute ist uns das egal. Brauchen Sie etwas, um das Signal umzukehren? Nehmen Sie einen Operationsverstärker. Benötigen Sie eine Zustandsmaschine? Nimm eine MPU. usw. Die Komponenten sind heutzutage wirklich klein, aber es sind tatsächlich viele Komponenten drin. Im Grunde nimmt also die Größe Ihres Schaltkreises zu und der Stromverbrauch steigt. Ein Transistor, der zum Invertieren eines Signals verwendet wird, verbraucht für die gleiche Aufgabe weniger Strom als ein Operationsverstärker. Aber andererseits wird sich die Miniaturisierung auch um den Stromverbrauch kümmern. Es ist nur so, dass die Innovation in eine andere Richtung gegangen ist.
Sie haben wirklich einige der größten Vorteile/Gründe der reduzierten Größe verpasst: weniger Gehäuseparasiten und eine höhere Leistungsaufnahme (was kontraintuitiv erscheint).
Aus praktischer Sicht erreichen Sie, sobald die Feature-Größe etwa 0,25u erreicht, das GHz-Niveau, zu diesem Zeitpunkt beginnt das große SOP-Paket, den größten* Effekt zu erzielen. Lange Bonddrähte und diese Leitungen werden Sie irgendwann töten.
Zu diesem Zeitpunkt haben sich QFN/BGA-Pakete hinsichtlich der Leistung erheblich verbessert. Wenn Sie das Paket auf diese Weise flach montieren, erhalten Sie außerdem eine *deutlich* bessere Wärmeleistung und freiliegende Pads.
Darüber hinaus werden sicherlich Intel, Samsung und TSMC eine wichtige Rolle spielen, ASML könnte in dieser Liste jedoch eine viel größere Rolle spielen. Dies trifft natürlich nicht auf das Passiv zu …
Es geht nicht nur darum, die Siliziumkosten durch Prozessknoten der nächsten Generation zu senken. Andere Dinge, wie zum Beispiel Taschen. Kleinere Pakete erfordern weniger Material und WCSP oder sogar weniger. Kleinere Pakete, kleinere Leiterplatten oder Module usw.
Ich sehe oft einige Katalogprodukte, bei denen der einzige treibende Faktor die Kostenreduzierung ist. MHz/Speichergröße ist gleich, SOC-Funktion und Pin-Anordnung sind gleich. Wir nutzen möglicherweise neue Technologien, um den Stromverbrauch zu senken (normalerweise ist dies nicht kostenlos, daher müssen einige Wettbewerbsvorteile vorhanden sein, die den Kunden am Herzen liegen).
Einer der Vorteile großer Bauteile ist das strahlungsabweisende Material. In dieser wichtigen Situation sind winzige Transistoren anfälliger für die Auswirkungen der kosmischen Strahlung. Zum Beispiel im Weltraum und sogar in Observatorien in großer Höhe.
Ich habe keinen wesentlichen Grund für eine Geschwindigkeitssteigerung gesehen. Die Signalgeschwindigkeit beträgt etwa 8 Zoll pro Nanosekunde. Allein durch die Reduzierung der Größe sind schnellere Chips möglich.
Möglicherweise möchten Sie Ihre eigene Mathematik überprüfen, indem Sie den Unterschied in der Ausbreitungsverzögerung aufgrund von Verpackungsänderungen und reduzierten Zyklen (1/Frequenz) berechnen. Das dient dazu, die Verzögerung/Zeitspanne der Fraktionen zu verkürzen. Sie werden feststellen, dass er nicht einmal als Rundungsfaktor angezeigt wird.
Eine Sache, die ich hinzufügen möchte, ist, dass viele ICs, insbesondere ältere Designs und analoge Chips, zumindest intern nicht wirklich verkleinert werden. Aufgrund von Verbesserungen in der automatisierten Fertigung sind die Gehäuse kleiner geworden, aber das liegt daran, dass DIP-Gehäuse in der Regel viel Platz im Inneren haben, und nicht daran, dass Transistoren usw. kleiner geworden sind.
Neben dem Problem, den Roboter präzise genug zu machen, um winzige Bauteile in Hochgeschwindigkeits-Pick-and-Place-Anwendungen tatsächlich handhaben zu können, besteht ein weiteres Problem darin, winzige Bauteile zuverlässig zu schweißen. Vor allem, wenn Sie aufgrund der Leistungs-/Kapazitätsanforderungen noch größere Komponenten benötigen. Die Verwendung spezieller Lotpasten und spezieller Stufenlotpastenschablonen (bei Bedarf eine kleine Menge Lotpaste auftragen, aber immer noch genug Lotpaste für große Bauteile bereitstellen) wurden sehr teuer. Ich denke also, dass es ein Plateau gibt und eine weitere Miniaturisierung auf Leiterplattenebene nur ein kostspieliger und machbarer Weg ist. An diesem Punkt könnten Sie genauso gut eine stärkere Integration auf Siliziumwaferebene vornehmen und die Anzahl der diskreten Komponenten auf ein absolutes Minimum reduzieren.
Sie werden dies auf Ihrem Telefon sehen. Etwa 1995 kaufte ich auf Flohmärkten einige frühe Mobiltelefone für ein paar Dollar pro Stück. Die meisten ICs sind durchkontaktiert. Erkennbare CPU und NE570-Kompander, großer wiederverwendbarer IC.
Dann hatte ich einige aktualisierte Handheld-Telefone. Es gibt nur sehr wenige Komponenten und fast nichts Bekanntes. Bei einer kleinen Anzahl von ICs ist nicht nur die Dichte höher, sondern es wird auch ein neues Design (siehe SDR) übernommen, das die meisten der bisher unverzichtbaren diskreten Komponenten eliminiert.
> (Tragen Sie bei Bedarf eine kleine Menge Lotpaste auf, aber stellen Sie immer noch genug Lotpaste für große Bauteile bereit)
Hey, ich habe mir die „3D/Wave“-Vorlage vorgestellt, um dieses Problem zu lösen: dünner, wo die kleinsten Komponenten sind, und dicker, wo der Stromkreis ist.
Heutzutage sind SMT-Komponenten sehr klein. Sie können echte diskrete Komponenten (nicht 74xx und anderen Müll) verwenden, um Ihre eigene CPU zu entwerfen und auf die Leiterplatte zu drucken. Besprühen Sie es mit LED, Sie können in Echtzeit sehen, wie es funktioniert.
Im Laufe der Jahre schätze ich die rasante Entwicklung komplexer und kleiner Bauteile sehr. Sie sorgen für enorme Fortschritte, verleihen dem iterativen Prozess des Prototypings aber gleichzeitig eine neue Ebene der Komplexität.
Die Anpassungs- und Simulationsgeschwindigkeit analoger Schaltkreise ist viel schneller als im Labor. Mit zunehmender Häufigkeit digitaler Schaltungen wird die Leiterplatte Teil der Baugruppe. Zum Beispiel Übertragungsleitungseffekte, Ausbreitungsverzögerung. Beim Prototyping modernster Technologie geht es am besten darum, das Design korrekt fertigzustellen, anstatt Anpassungen im Labor vorzunehmen.
Was Hobbyartikel betrifft, Bewertung. Leiterplatten und Module sind eine Lösung für das Schrumpfen von Bauteilen und das Vortesten von Modulen.
Dadurch geht vielleicht der „Spaß“ verloren, aber ich denke, dass es aufgrund der Arbeit oder der Hobbys sinnvoller sein kann, Ihr Projekt zum ersten Mal zum Laufen zu bringen.
Ich habe einige Designs von Durchsteckmontage auf SMD umgestellt. Stellen Sie billigere Produkte her, aber es macht keinen Spaß, Prototypen von Hand zu bauen. Ein kleiner Fehler: „Parallelplatz“ sollte als „Parallelplatte“ gelesen werden.
Nein. Auch wenn ein System erfolgreich ist, werden Archäologen immer noch von seinen Erkenntnissen verwirrt sein. Wer weiß, vielleicht wird die Planetary Alliance im 23. Jahrhundert ein neues System einführen ...
Ich kann dem nur zustimmen. Wie groß ist 0603? Natürlich ist es nicht so schwierig, 0603 als imperiale Größe beizubehalten und die metrische Größe 0603 als 0604 (oder 0602) zu „benennen“, auch wenn es technisch möglicherweise inkorrekt ist (d. h. tatsächlich passende Größe – nicht so). Streng), aber zumindest wird jeder wissen, von welcher Technologie Sie sprechen (metrisch/imperial)!
„Im Allgemeinen werden passive Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten nicht besser, wenn man sie kleiner macht.“