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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 physische Größe des Chips ungefähr gleich bleibt, bedeutet dies, dass Einzelne Transistoren werden mit der Zeit kleiner. Wir gehen davon aus, dass eine neue Generation von Chips mit kleineren Strukturgrößen 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 um das gesamte Gerät mit Strom zu versorgen. Heutzutage können Sie mehr als ein Dutzend Musik-Streaming-Dienste auf dem Gerät in Ihrer Tasche 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 damit mehr Funktionalität im gleichen Volumen unterbringen können. Dies ist besonders wichtig für digitale Schaltkreise: Mehr Komponenten bedeuten, dass Sie mehr Verarbeitung in der gleichen Zeit durchführen können. Theoretisch ist beispielsweise die Die von einem 64-Bit-Prozessor verarbeitete Informationsmenge ist achtmal so groß wie die einer 8-Bit-CPU mit der gleichen Taktfrequenz. Allerdings sind auch achtmal so viele Komponenten erforderlich: Register, Addierer, Busse usw. sind alle achtmal größer .Man braucht also entweder einen achtmal größeren Chip oder einen achtmal kleineren Transistor.
Das Gleiche gilt auch für Speicherchips: Durch die Herstellung kleinerer Transistoren steht mehr Speicherplatz bei gleichem Volumen zur Verfügung. Da die Pixel in den meisten Displays heutzutage aus Dünnschichttransistoren bestehen, ist es sinnvoll, sie zu verkleinern und höhere Auflösungen zu erzielen. Allerdings , je kleiner der Transistor, desto besser, und es gibt noch einen weiteren entscheidenden Grund: Ihre Leistung wird erheblich verbessert. Aber warum genau?
Wann immer Sie einen Transistor herstellen, stellt dieser einige zusätzliche Komponenten kostenlos zur Verfügung. Jeder Anschluss hat einen Widerstand in Reihe. Jedes Objekt, das Strom führt, hat auch Selbstinduktivität. Schließlich gibt es eine Kapazität zwischen zwei beliebigen Leitern, die einander zugewandt sind. Alle diese Effekte Sie verbrauchen Strom und verlangsamen die Geschwindigkeit des Transistors. Besonders problematisch sind parasitäre Kapazitäten: Sie müssen jedes Mal geladen und entladen werden, wenn die Transistoren ein- oder ausgeschaltet 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 man sie kleiner macht. Aber elektronische Produkte sind mehr als nur Transistoren. Wie funktionieren andere Komponenten, wenn man sie verkleinert?
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 , wodurch Platz auf der Leiterplatte gespart wird.
Die Größe des Widerstands kann reduziert werden, ohne zu große Verluste zu verursachen. Der Widerstand eines Materialstücks wird durch gegeben, wobei l die Länge, A die Querschnittsfläche und ρ der spezifische Widerstand des Materials ist. Das ist möglich Reduzieren Sie einfach die Länge und den Querschnitt und erhalten Sie einen physisch kleineren Widerstand, der aber immer noch den gleichen Widerstandswert hat. Der einzige Nachteil besteht darin, dass physisch kleinere Widerstände bei der Verlustleistung der gleichen Leistung mehr Wärme erzeugen als größere Widerstände. Daher klein Widerstände können 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 wird nur für Schaltkreise verwendet, die sehr wenig Leistung verbrauchen und in der Größe äußerst begrenzt sind. Eine kleinere metrische Größe 0201 Paket (0,2 mm x 0,1 mm) wurde veröffentlicht, wurde aber noch nicht in Produktion genommen. Aber selbst wenn sie im Katalog des Herstellers erscheinen, sollten Sie nicht damit rechnen, dass sie überall zu finden sind: Die meisten Pick-and-Place-Roboter sind nicht genau genug um damit umzugehen, 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 Shunt-Kondensators lautet: A ist 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 reduziert werden, wodurch die Kapazität verringert wird. Wenn Sie immer noch viel Nafara in ein kleines Volumen packen möchten, ist dies die einzige Option besteht darin, mehrere Schichten aufeinander zu stapeln. 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 erheblich geschrumpft.
Der kleinste derzeit verfügbare Kondensator befindet sich in einem ultrakleinen metrischen 0201-Gehäuse: nur 0,25 mm x 0,125 mm. Ihre Kapazität ist auf die immer noch nützlichen 100 nF begrenzt, und die maximale Betriebsspannung beträgt 6,3 V. Außerdem sind diese Gehäuse sehr klein und Für ihre Handhabung sind fortschrittliche Geräte erforderlich, was ihre weitverbreitete Verbreitung einschränkt.
Bei Induktivitäten ist die Geschichte etwas knifflig. Die Induktivität einer geraden Spule ergibt sich aus: Materialkonstante (Permeabilität). 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 a reduziert werden Viertel seines ursprünglichen Wertes. Dies bedeutet, dass Sie am Ende den gleichen Widerstand in der Hälfte der Induktivität haben, also halbieren Sie den Qualitätsfaktor (Q) der Spule.
Der kleinste im Handel erhältliche diskrete Induktor hat die Zollgröße 01005 (0,4 mm x 0,2 mm). Diese betragen bis zu 56 nH und haben einen Widerstand von einigen Ohm. Induktoren in einem ultrakleinen metrischen 0201-Gehäuse wurden 2014 auf den Markt gebracht offenbar wurden sie nie auf den Markt gebracht.
Die physikalischen Einschränkungen von Induktoren wurden durch die Nutzung eines Phänomens namens dynamischer Induktivität gelöst, das in Spulen aus Graphen beobachtet werden kann. Aber selbst dann, wenn es auf kommerziell realisierbare Weise hergestellt werden kann, kann es um 50 % steigen. Schließlich Die Spule lässt sich 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 einige nH-Spulen aus.
Dies bringt uns zu einer anderen Sache, die im letzten Jahrhundert miniaturisiert wurde, die Sie jedoch möglicherweise nicht sofort bemerken: die Wellenlänge, die wir für die Kommunikation verwenden. Frühe Radiosendungen verwendeten 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 verwenden 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.
Durch schrumpfende Wellenlängen können Antennen schrumpfen, da ihre Größe in direktem Zusammenhang mit der Frequenz steht, die sie zum Senden oder Empfangen benötigen. Heutige Mobiltelefone benötigen dank ihrer dedizierten Kommunikation bei GHz-Frequenzen, für die die Antenne nur etwa eins lang sein muss, keine langen, hervorstehenden Antennen Zentimeter lang. Aus diesem Grund müssen Sie bei den meisten Mobiltelefonen, die noch über einen FM-Empfänger verfügen, die Kopfhörer vor der Verwendung anschließen: Das Radio muss das Kabel des Kopfhörers als Antenne nutzen, um von den ein Meter langen Wellen genügend Signalstärke zu erhalten.
Was die Schaltkreise betrifft, die mit unseren Miniaturantennen verbunden sind: Wenn sie kleiner sind, lassen sie sich tatsächlich einfacher herstellen. 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 Wenn ein Draht ein Zehntel der Wellenlänge überschreitet, müssen Sie beim Entwurf der Schaltung die Phasenverschiebung entlang seiner Länge berücksichtigen. Bei 2,4 GHz bedeutet dies, dass sich nur ein Zentimeter Draht auf Ihre Schaltung ausgewirkt hat. Wenn man einzelne Bauteile zusammenlötet, bereitet das Kopfzerbrechen, aber wenn man die Schaltung auf ein paar Quadratmillimeter auslegt, ist das kein Problem.
Das Ende 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 bleibt, dass Intel, Samsung und TSMC die drei Konkurrenten sind, die immer noch an der Spitze stehen des Spiels komprimieren weiterhin mehr Features pro Quadratmikrometer und planen die Einführung mehrerer Generationen verbesserter Chips in der Zukunft. Auch wenn die Fortschritte, die sie bei jedem Schritt gemacht haben, möglicherweise nicht mehr so ​​groß sind wie vor zwei Jahrzehnten, die Miniaturisierung von Transistoren geht weiter.
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 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 weit 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 tausche. Mein Ziel ist es, meine Brüder und Schwestern zu machen (keiner von ihnen ist es). elektronische Produkte), wie viel Veränderung, einschließlich ich kann sogar die Teile meiner Arbeit sehen (da meine Sehkraft schlechter wird, werden meine Hände immer schlechter und zittern).
Ich sage gerne, ob es zusammen ist oder nicht. Ich hasse es wirklich, „sich verbessern, besser 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 zu lassen, wie es ist, 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 Komponenten sind groß und teuer. 1971 verfügte die durchschnittliche Familie nur über wenige Radios, eine Stereoanlage und einen Fernseher. 1976 kamen Computer, Taschenrechner und Digitaluhren auf den Markt, die klein und für Verbraucher kostengünstig waren.
Eine gewisse Miniaturisierung ergibt sich aus dem Design. Operationsverstärker ermöglichen die Verwendung von Gyratoren, die in einigen Fällen große Induktoren ersetzen können. Aktive Filter eliminieren auch Induktoren.
Größere Komponenten fördern andere Dinge: die Minimierung der Schaltung, das heißt der 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? Nehmen Sie eine MPU usw. Die Komponenten sind heutzutage sehr klein, aber tatsächlich sind viele Komponenten darin enthalten. Im Grunde nimmt also die Größe Ihrer Schaltung zu und der Stromverbrauch steigt. Ein Transistor, der zum Invertieren eines Signals verwendet wird, verbraucht weniger Strom Erledigen Sie die gleiche Aufgabe wie 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 Strukturgröße etwa 0,25u erreicht, das GHz-Niveau, und zu diesem Zeitpunkt beginnt das große SOP-Paket, den größten* Effekt zu erzeugen. Lange Bonddrähte und diese Leitungen werden Sie irgendwann umbringen.
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 Intel, Samsung und TSMC sicherlich eine wichtige Rolle spielen, aber ASML könnte in dieser Liste eine viel wichtigere Rolle spielen. Natürlich gilt dies möglicherweise nicht für das Passiv…
Es geht nicht nur darum, die Siliziumkosten durch Prozessknoten der nächsten Generation zu senken. Auch andere Dinge wie Taschen. Kleinere Pakete erfordern weniger Materialien 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 können neue Technologien verwenden, um den Stromverbrauch zu reduzieren (normalerweise ist dies nicht kostenlos, also Es muss einige Wettbewerbsvorteile geben, die den Kunden wichtig sind)
Einer der Vorteile großer Komponenten ist das Antistrahlungsmaterial. Winzige Transistoren sind in dieser wichtigen Situation 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 ungefähr 8 Zoll pro Nanosekunde. Allein durch die Reduzierung der Größe sind schnellere Chips möglich.
Vielleicht möchten Sie Ihre eigene Mathematik überprüfen, indem Sie den Unterschied in der Ausbreitungsverzögerung aufgrund von Verpackungsänderungen und reduzierten Zyklen (1/Häufigkeit) berechnen. Das dient dazu, die Verzögerung/Periode der Fraktionen zu reduzieren. Sie werden feststellen, dass es nicht einmal als angezeigt wird ein Rundungsfaktor.
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 normalerweise viele haben verbleibender Platz im Inneren, nicht weil Transistoren etc. 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. Insbesondere, wenn Sie aufgrund von Leistungs-/Kapazitätsanforderungen noch größere Bauteile benötigen. Verwendung Spezielle Lotpasten und spezielle Step-Lötpastenschablonen (eine kleine Menge Lotpaste auftragen, wo nötig, aber immer noch genügend Lotpaste für große Bauteile bereitstellen) wurden sehr teuer. Ich denke also, dass es ein Plateau und eine weitere Miniaturisierung der Schaltung gibt Platinenebene ist nur eine kostspielige und praktikable Möglichkeit. An diesem Punkt könnten Sie genauso gut mehr Integration auf Siliziumwaferebene durchführen und die Anzahl der diskreten Komponenten auf ein absolutes Minimum reduzieren.
Sie werden dies auf Ihrem Telefon sehen. Um 1995 kaufte ich einige frühe Mobiltelefone auf Flohmärkten für ein paar Dollar pro Stück. Die meisten ICs sind durchkontaktiert. Erkennbare CPU und NE570-Kompander, großer wiederverwendbarer IC.
Dann landete ich bei einigen aktualisierten Handheld-Telefonen. Es gibt nur sehr wenige Komponenten und fast nichts Vertrautes. Bei einer kleinen Anzahl von ICs ist nicht nur die Dichte höher, sondern es wird auch ein neues Design (siehe SDR) übernommen, wodurch die meisten davon eliminiert werden die bisher unentbehrlichen Einzelkomponenten.
> (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. Wenn Sie sie mit LEDs bestreuen, können Sie in Echtzeit sehen, wie sie funktioniert.
Im Laufe der Jahre schätze ich die rasante Entwicklung komplexer und kleiner Komponenten sehr. Sie bringen 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 Frequenz digitaler Schaltkreise wird die Leiterplatte Teil der Baugruppe. Zum Beispiel Übertragungsleitungseffekte, Ausbreitungsverzögerung. Prototyping aller Schneid- Spitzentechnologie wird am besten für die korrekte Fertigstellung des Entwurfs eingesetzt, anstatt Anpassungen im Labor vorzunehmen.
Was Hobbyartikel betrifft, Bewertung. Leiterplatten und Module sind eine Lösung für das Schrumpfen von Komponenten 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. Ich mache billigere Produkte, aber es macht keinen Spaß, Prototypen von Hand zu bauen. Ein kleiner Fehler: „Parallelplatz“ sollte als „Parallelplatte“ gelesen werden.
Nein. Nachdem ein System gewonnen hat, 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 nur zustimmen. Was ist die Größe von 0603? Natürlich ist es nicht so schwierig, 0603 als imperiale Größe beizubehalten und die metrische Größe 0603 0604 (oder 0602) zu „benennen“, auch wenn es technisch möglicherweise falsch ist (d. h.: tatsächliche passende Größe (nicht so) jedenfalls. 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.“