Bəlkə də Ohm qanunundan sonra elektronikada ikinci ən məşhur qanun Mur qanunudur: İnteqral sxemdə istehsal oluna bilən tranzistorların sayı hər iki ildən bir iki dəfə artır. Çipin fiziki ölçüsü təxminən eyni qaldığından, bu o deməkdir ki, fərdi tranzistorlar zaman keçdikcə kiçiləcək. Biz daha kiçik funksiya ölçülərinə malik yeni nəsil çiplərin normal sürətlə görünməsini gözləməyə başlamışıq, lakin hər şeyi kiçikləşdirməyin mənası nədir? Kiçik həmişə daha yaxşı deməkdirmi?
Keçən əsrdə elektron mühəndislik böyük irəliləyiş əldə etdi. 1920-ci illərdə ən qabaqcıl AM radioları bir neçə vakuum borusu, bir neçə nəhəng induktor, kondansatör və rezistor, antena kimi istifadə edilən onlarla metr naqil və çoxlu batareya dəstindən ibarət idi. bütün cihazı gücləndirmək üçün.Bu gün siz cibinizdə olan cihazda ondan çox musiqi axını xidmətinə qulaq asa bilərsiniz və daha çoxunu edə bilərsiniz. Lakin miniatürləşdirmə təkcə daşınma üçün deyil: bu gün cihazlarımızdan gözlədiyimiz performansa nail olmaq üçün mütləq lazımdır.
Kiçik komponentlərin aşkar faydalarından biri də odur ki, onlar sizə eyni həcmə daha çox funksionallıq daxil etməyə imkan verir. Bu, rəqəmsal sxemlər üçün xüsusilə vacibdir: daha çox komponent eyni vaxtda daha çox emal edə biləcəyiniz deməkdir. Məsələn, nəzəri olaraq, 64 bitlik prosessor tərəfindən emal edilən məlumatın miqdarı eyni takt tezliyində işləyən 8 bitlik CPU ilə müqayisədə səkkiz dəfədir. Lakin bunun üçün həm də səkkiz dəfə çox komponent tələb olunur: registrlər, toplayıcılar, avtobuslar və s. hamısı səkkiz dəfə böyükdür. .Beləliklə, sizə ya səkkiz dəfə böyük çip, ya da səkkiz dəfə kiçik tranzistor lazımdır.
Eyni şey yaddaş çipləri üçün də keçərlidir: Daha kiçik tranzistorlar hazırlamaqla siz eyni həcmdə daha çox yaddaşa sahib olursunuz. Bu gün əksər displeylərdəki piksellər nazik filmli tranzistorlardan ibarətdir, ona görə də onları kiçildirmək və daha yüksək qətnamələrə nail olmaq məntiqlidir. , tranzistor nə qədər kiçik olsa, bir o qədər yaxşıdır və başqa mühüm səbəb də var: onların performansı xeyli yaxşılaşmışdır. Bəs niyə məhz?
Hər dəfə bir tranzistor hazırladığınız zaman o, bəzi əlavə komponentləri pulsuz təmin edəcək. Hər bir terminalda ardıcıl olaraq bir rezistor var. Cərəyan keçirən istənilən obyektin də öz-induktivliyi var. Nəhayət, bir-birinə baxan istənilən iki keçirici arasında bir tutum var. Bütün bu təsirlər enerji istehlak etmək və tranzistorun sürətini yavaşlatmaq.Parazit tutumlar xüsusilə problemlidir: tranzistorlar hər dəfə açıldıqda və ya söndürüldükdə onları doldurmaq və boşaltmaq lazımdır, bu da enerji təchizatından vaxt və cərəyan tələb edir.
İki keçirici arasındakı tutum onların fiziki ölçüsündən asılıdır: daha kiçik ölçü daha kiçik tutum deməkdir. Və daha kiçik kondansatörlər daha yüksək sürət və aşağı güc demək olduğundan, daha kiçik tranzistorlar daha yüksək saat tezliklərində işləyə bilər və bunu edərkən daha az istilik yayır.
Siz tranzistorların ölçüsünü kiçilddikcə, dəyişən yeganə təsir tutum deyil: daha böyük cihazlar üçün açıq-aydın olmayan bir çox qəribə kvant mexaniki effektləri var.Lakin, ümumiyyətlə, tranzistorların kiçildilməsi onları daha sürətli edəcək.Lakin elektron məhsullar daha çoxdur. yalnız tranzistorlardan daha çox. Digər komponentləri kiçilddiyiniz zaman onlar necə işləyir?
Ümumiyyətlə, rezistorlar, kondensatorlar və induktorlar kimi passiv komponentlər kiçildikcə yaxşılaşmayacaqlar: bir çox cəhətdən pisləşəcəklər. Buna görə də, bu komponentlərin miniatürləşdirilməsi əsasən onları daha kiçik həcmdə sıxışdıra bilməkdir. , bununla da PCB sahəsinə qənaət edir.
Rezistorun ölçüsü çox itkiyə səbəb olmadan azaldıla bilər. Material parçasının müqaviməti ilə verilir, burada l uzunluq, A kəsik sahəsi, ρ isə materialın müqavimətidir. sadəcə olaraq uzunluğu və en kəsiyi azaldın və fiziki cəhətdən daha kiçik rezistorla nəticələnsin, lakin yenə də eyni müqavimətə malikdir. Yeganə dezavantaj odur ki, eyni gücü sərf edərkən, fiziki olaraq daha kiçik rezistorlar daha böyük rezistorlardan daha çox istilik yaradacaqlar.Buna görə də kiçik rezistorlar yalnız aşağı güc dövrələrində istifadə edilə bilər. Bu cədvəl SMD rezistorlarının ölçüləri azaldıqca onların maksimum güc reytinqinin necə azaldığını göstərir.
Bu gün ala biləcəyiniz ən kiçik rezistor metrik 03015 ölçüsüdür (0,3 mm x 0,15 mm). Onların nominal gücü cəmi 20 mVt-dir və yalnız çox az enerji sərf edən və ölçüləri olduqca məhdud olan sxemlər üçün istifadə olunur. Daha kiçik metrik 0201 paket (0,2 mm x 0,1 mm) buraxılıb, lakin hələ istehsala buraxılmayıb. Lakin onlar istehsalçının kataloqunda görünsələr belə, onların hər yerdə olmasını gözləməyin: əksər seçmə və yerləşdirmə robotları kifayət qədər dəqiq deyil. onları idarə etmək, belə ki, onlar hələ də niş məhsul ola bilərlər.
Kondansatörlər də kiçilə bilər, lakin bu, onların tutumunu azaldacaq. Şönt kondansatörünün tutumunun hesablanması düsturu belədir, burada A lövhənin sahəsi, d onların arasındakı məsafə, ε isə dielektrik sabitidir. (aralıq materialın mülkiyyəti).Kondensator (əsasən düz bir cihaz) miniatürləşdirilmişdirsə, ərazini azaltmaq lazımdır, bununla da tutum azalır. Əgər hələ də kiçik həcmdə bir çox nafara yığmaq istəyirsinizsə, yeganə seçimdir. bir neçə təbəqəni bir yerə yığmaqdan ibarətdir. Materiallar və istehsal sahəsindəki irəliləyişlər, həmçinin nazik təbəqələri (kiçik d) və xüsusi dielektrikləri (daha böyük ε ilə) mümkün etdi, son bir neçə onillikdə kondansatörlərin ölçüsü əhəmiyyətli dərəcədə kiçildi.
Bu gün mövcud olan ən kiçik kondansatör ultra kiçik metrik 0201 paketindədir: cəmi 0,25 mm x 0,125 mm. Onların tutumu hələ də faydalı olan 100 nF ilə məhdudlaşır və maksimum işləmə gərginliyi 6,3 V-dir. Həmçinin, bu paketlər çox kiçik və onları idarə etmək üçün qabaqcıl avadanlıq tələb edir ki, bu da onların geniş yayılmasını məhdudlaşdırır.
İnduktivatorlar üçün hekayə bir qədər mürəkkəbdir. Düz bobinin endüktansı aşağıdakılarla verilir, burada N - döngələrin sayı, A - bobinin en kəsik sahəsi, l - onun uzunluğu və μ - material sabiti (keçiricilik).Bütün ölçülər yarıya endirilirsə, endüktans da yarıya qədər azalacaq.Lakin telin müqaviməti dəyişməz olaraq qalır: bunun səbəbi naqilin uzunluğu və en kəsiyinin bir qədər azaldılmasıdır. onun ilkin dəyərinin dörddə biri. Bu o deməkdir ki, siz induktivliyin yarısında eyni müqavimətlə başa çatırsınız, beləliklə, bobinin keyfiyyət (Q) amilini yarıya endirirsiniz.
Ticarətdə mövcud olan ən kiçik diskret induktor 01005 (0,4 mm x 0,2 mm) düym ölçüsünü qəbul edir. Bunlar 56 nH qədər yüksəkdir və bir neçə ohm müqavimətə malikdir. Ultra kiçik metrik 0201 paketində olan induktorlar 2014-cü ildə buraxıldı, lakin görünür, onlar heç vaxt bazara çıxarılmayıb.
İnduktorların fiziki məhdudiyyətləri qrafendən hazırlanmış rulonlarda müşahidə oluna bilən dinamik endüktans adlı bir fenomendən istifadə etməklə həll edilmişdir. Amma buna baxmayaraq, kommersiya baxımından əlverişli bir şəkildə istehsal olunarsa, 50% arta bilər. Nəhayət, bobin yaxşı miniatürləşdirilə bilməz. Lakin, əgər dövrəniz yüksək tezliklərdə işləyirsə, bu, mütləq problem deyil. Əgər siqnalınız GHz diapazonundadırsa, adətən bir neçə nH sarğı kifayətdir.
Bu, bizi ötən əsrdə kiçildilmiş başqa bir şeyə gətirir, lakin siz dərhal fərq etməzsiniz: rabitə üçün istifadə etdiyimiz dalğa uzunluğu. İlkin radio yayımlarında təxminən 300 metr dalğa uzunluğu ilə təxminən 1 MHz orta dalğalı AM tezliyindən istifadə edilir. Mərkəzi 100 MHz və ya 3 metr olan FM tezlik diapazonu 1960-cı illərdə populyarlaşdı və bu gün biz əsasən 1 və ya 2 GHz (təxminən 20 sm) ətrafında 4G rabitəsindən istifadə edirik. Daha yüksək tezliklər daha çox məlumat ötürmə qabiliyyəti deməkdir.Məhz miniatürləşdirmə sayəsində bu tezliklərdə işləyən ucuz, etibarlı və enerjiyə qənaət edən radiolarımız var.
Dalğa uzunluqlarının daralması antenaları kiçilə bilər, çünki onların ölçüsü birbaşa ötürmək və ya qəbul etmək üçün lazım olan tezliklə bağlıdır. Bugünkü cib telefonları GHz tezliklərində xüsusi rabitə sayəsində uzun çıxıntılı antenalara ehtiyac duymur, bunun üçün antenna yalnız təxminən bir olmalıdır. santimetr uzunluğundadır. Buna görə də hələ də FM qəbulediciləri olan mobil telefonların əksəriyyəti istifadə etməzdən əvvəl sizdən qulaqcıqları qoşmağı tələb edir: radio bir metr uzunluğunda dalğalardan kifayət qədər siqnal gücü əldə etmək üçün qulaqlıq naqilindən antenna kimi istifadə etməlidir.
Miniatür antenalarımıza qoşulan sxemlərə gəlincə, onlar daha kiçik olduqda, əslində onları düzəltmək daha asan olur. Bu, təkcə tranzistorların sürətləndiyinə görə deyil, həm də ötürmə xətti effektlərinin artıq problem olmadığına görədir. Bir sözlə, uzunluq naqilin dalğa uzunluğunun onda birindən çox olduğu halda, dövrəni tərtib edərkən onun uzunluğu boyunca faza sürüşməsini nəzərə almalısınız. 2,4 GHz-də bu o deməkdir ki, yalnız bir santimetr naqil dövrənizə təsir edib;diskret komponentləri birlikdə lehimləyirsinizsə, bu, baş ağrısıdır, ancaq dövrəni bir neçə kvadrat millimetrə düzsəniz, problem deyil.
Mur qanununun iflasını proqnozlaşdırmaq və ya bu proqnozların təkrar-təkrar yanlış olduğunu göstərmək elm və texnologiya jurnalistikasında təkrarlanan mövzuya çevrilib. Fakt budur ki, hələ də ön planda olan üç rəqib olan Intel, Samsung və TSMC oyunun hər kvadrat mikrometrinə daha çox funksiyanı sıxmağa davam edin və gələcəkdə təkmilləşdirilmiş çiplərin bir neçə nəslini təqdim etməyi planlaşdırın. Onların hər addımda əldə etdikləri irəliləyiş iyirmi il əvvəlki qədər böyük olmasa da, tranzistorların miniatürləşdirilməsi davam edir.
Bununla belə, diskret komponentlər üçün, deyəsən, təbii həddə çatmışıq: onların kiçildilməsi onların performansını yaxşılaşdırmır və hazırda mövcud olan ən kiçik komponentlər əksər istifadə hallarının tələb etdiyindən daha kiçikdir. Deyəsən, diskret cihazlar üçün Mur qanunu yoxdur, lakin Mur Qanunu varsa, bir insanın SMD lehimləmə problemini nə qədər itələyə biləcəyini görmək istərdik.
Mən həmişə 1970-ci illərdə istifadə etdiyim PTH rezistorunun şəklini çəkmək və üzərinə SMD rezistoru qoymaq istəmişəm, necə ki, indi daxil olub-çıxıram. elektron məhsullar) nə qədər dəyişir, o cümlədən işimin hissələrini belə görə bilirəm (görmə qabiliyyətim pisləşdikcə əllərim daha da pisləşir Titreyiş).
Deməyi xoşlayıram ki, birlikdədir, yoxsa yox. Mən həqiqətən “inkişaf et, yaxşılaş”a nifrət edirəm.Bəzən planınız yaxşı işləyir, lakin siz artıq hissələri əldə edə bilmirsiniz. Bu nədir?
"Fakt budur ki, üç şirkət Intel, Samsung və TSMC hələ də bu oyunun önündə rəqabət aparır və daim hər kvadrat mikrometr üçün daha çox funksiyanı sıxışdırırlar"
Elektron komponentlər böyük və bahalıdır. 1971-ci ildə orta hesabla bir ailənin yalnız bir neçə radiosu, stereo və televizoru var idi. 1976-cı ilə qədər kompüterlər, kalkulyatorlar, rəqəmsal saatlar və saatlar çıxdı ki, bunlar istehlakçılar üçün kiçik və ucuz idi.
Bəzi miniatürləşdirmə dizayndan irəli gəlir. Əməliyyat gücləndiriciləri bəzi hallarda böyük induktorları əvəz edə bilən giratorların istifadəsinə imkan verir. Aktiv filtrlər həmçinin induktorları aradan qaldırır.
Daha böyük komponentlər başqa şeyləri təşviq edir: dövrənin minimuma endirilməsi, yəni dövrəni işləmək üçün ən az komponentdən istifadə etməyə çalışmaq. Bu gün bizi o qədər də maraqlandırmır. Siqnalın əks olunması üçün nəsə lazımdır? Əməliyyat gücləndiricisi götürün. Bir dövlət maşınına ehtiyacınız varmı? Bir mpu. və s. götürün. Bu gün komponentlər həqiqətən kiçikdir, lakin içərisində əslində bir çox komponent var. Beləliklə, əsasən dövrə ölçüsü artır və enerji istehlakı artır. Siqnalın çevrilməsi üçün istifadə edilən tranzistor daha az güc istifadə edir. əməliyyat gücləndirici ilə eyni işi yerinə yetirmək. Amma sonra yenə miniatürləşdirmə gücün istifadəsinin qayğısına qalacaq. Sadəcə olaraq, yenilik fərqli istiqamətə getdi.
Siz, həqiqətən, kiçildilmiş ölçüsün bəzi ən böyük faydalarını/səbəblərini əldən verdiniz: paket parazitlərinin azaldılması və güclə işləmənin artması (bu, əks-intuitiv görünür).
Praktik nöqteyi-nəzərdən, funksiya ölçüsü təxminən 0,25u-a çatdıqdan sonra siz GHz səviyyəsinə çatacaqsınız, bu zaman böyük SOP paketi ən böyük* effekti verməyə başlayır.
Bu nöqtədə QFN/BGA paketləri performans baxımından çox yaxşılaşmışdır.Bundan əlavə, paketi bu şəkildə düz quraşdırdığınız zaman, * əhəmiyyətli dərəcədə * daha yaxşı istilik performansı və açıq yastıqlar əldə edirsiniz.
Bundan əlavə, Intel, Samsung və TSMC şübhəsiz ki, mühüm rol oynayacaq, lakin ASML bu siyahıda daha vacib ola bilər. Təbii ki, bu, passiv səsə aid olmaya bilər...
Söhbət təkcə yeni nəsil proses qovşaqları vasitəsilə silikon xərclərinin azaldılmasından getmir. Çantalar kimi digər şeylər. Daha kiçik paketlər daha az material və wcsp və ya daha az tələb edir. Daha kiçik paketlər, daha kiçik PCB və ya modullar və s.
Mən tez-tez bəzi kataloq məhsulları görürəm, burada yeganə hərəkətverici amil xərclərin azaldılmasıdır. MHz/yaddaş ölçüsü eynidir, SOC funksiyası və pin təşkili eynidir. Biz enerji istehlakını azaltmaq üçün yeni texnologiyalardan istifadə edə bilərik (adətən bu pulsuz deyil, ona görə də müştərilərin maraqlandığı bəzi rəqabət üstünlükləri olmalıdır)
Böyük komponentlərin üstünlüklərindən biri anti-radiasiya materialıdır. Kiçik tranzistorlar bu mühüm vəziyyətdə kosmik şüaların təsirinə daha çox həssasdırlar. Məsələn, kosmosda və hətta yüksək hündürlükdə olan rəsədxanalarda.
Sürət artımının əsas səbəbini görmədim. Siqnal sürəti nanosaniyədə təxminən 8 düym təşkil edir. Beləliklə, sadəcə ölçüsü azaltmaqla daha sürətli çiplər mümkündür.
Qablaşdırma dəyişiklikləri və azaldılmış dövrlər (1/tezlik) səbəbiylə yayılma gecikməsindəki fərqi hesablayaraq öz riyaziyyatınızı yoxlamaq istəyə bilərsiniz. Yəni fraksiyaların gecikməsini/müddətini azaltmaq üçündür. Onun hətta belə görünmədiyini görəcəksiniz. yuvarlaqlaşdırıcı amildir.
Əlavə etmək istədiyim bir şey odur ki, bir çox IC-lər, xüsusən də köhnə dizaynlar və analoq çiplər əslində ən azı daxili olaraq kiçilmir. Avtomatlaşdırılmış istehsalda təkmilləşdirmələr sayəsində paketlər kiçildi, lakin bunun səbəbi DIP paketlərinin adətən çoxlu sayda olmasıdır. tranzistorlar kiçildiyi üçün deyil, içəridə qalan boşluq.
Yüksək sürətli seç və yerləşdir tətbiqlərində kiçik komponentləri həqiqətən idarə etmək üçün robotu kifayət qədər dəqiq etmək probleminə əlavə olaraq, başqa bir problem kiçik komponentləri etibarlı şəkildə qaynaq etməkdir. Xüsusilə güc/tutum tələblərinə görə hələ də daha böyük komponentlərə ehtiyacınız olduqda. İstifadə xüsusi lehim pastası, xüsusi pilləli lehim pastası şablonları (lazım olan yerlərdə az miqdarda lehim pastası tətbiq edin, lakin yenə də böyük komponentlər üçün kifayət qədər lehim pastası təmin edin) çox bahalaşmağa başladı. Buna görə də, bir yayla olduğunu düşünürəm və dövrədə daha da miniatürləşdirmə var. board səviyyəsi yalnız bahalı və həyata keçirilə bilən bir yoldur. Bu nöqtədə, siz həmçinin silikon vafli səviyyəsində daha çox inteqrasiya edə və diskret komponentlərin sayını mütləq minimuma qədər sadələşdirə bilərsiniz.
Siz bunu telefonunuzda görəcəksiniz. Təxminən 1995-ci ildə mən qarajda satışdan hər biri bir neçə dollara bəzi erkən mobil telefonlar aldım. Əksər IC-lər deşikdir. Tanınan CPU və NE570 kompanderi, böyük təkrar istifadə edilə bilən IC.
Sonra bir neçə yenilənmiş əl telefonları ilə başa çatdım. Çox az komponent var və demək olar ki, tanış heç nə yoxdur. Az sayda IC-də nəinki sıxlıq daha yüksəkdir, həm də yeni dizayn (bax SDR) qəbul edilir ki, bu da onların əksəriyyətini aradan qaldırır. əvvəllər əvəzolunmaz olan diskret komponentlər.
> (Lazım olduqda az miqdarda lehim pastası tətbiq edin, lakin yenə də böyük komponentlər üçün kifayət qədər lehim pastası təmin edin)
Hey, mən bu problemi həll etmək üçün “3D/Dalğa” şablonunu təsəvvür etdim: ən kiçik komponentlərin olduğu yerdə daha incə, elektrik dövrəsinin olduğu yerdə isə daha qalın.
Hal-hazırda, SMT komponentləri çox kiçikdir, siz öz CPU-nu dizayn etmək və onu PCB-də çap etmək üçün real diskret komponentlərdən (74xx və digər zibillərdən deyil) istifadə edə bilərsiniz. Onu LED ilə səpin, onun real vaxt rejimində işlədiyini görə bilərsiniz.
İllər keçdikcə mən mürəkkəb və kiçik komponentlərin sürətli inkişafını, əlbəttə ki, yüksək qiymətləndirirəm. Onlar böyük tərəqqi təmin edir, lakin eyni zamanda prototipləşdirmənin təkrarlanan prosesinə mürəkkəbliyin yeni səviyyəsini əlavə edirlər.
Analoq sxemlərin tənzimlənməsi və simulyasiya sürəti laboratoriyada gördüyünüzdən daha sürətlidir. Rəqəmsal sxemlərin tezliyi artdıqca, PCB montajın bir hissəsinə çevrilir. Məsələn, ötürmə xəttinin effektləri, yayılma gecikməsi. İstənilən kəsmənin prototipi- kənar texnologiya ən yaxşısı laboratoriyada düzəlişlər etməkdənsə, dizaynı düzgün şəkildə tamamlamağa sərf olunur.
Hobbi maddələrinə gəlincə, qiymətləndirmə. Devre lövhələri və modullar kiçilən komponentlər və sınaqdan əvvəl modullar üçün bir həlldir.
Bu, işlərin “əyləncəsini” itirməsinə səbəb ola bilər, amma düşünürəm ki, layihənizi ilk dəfə işə salmaq iş və ya hobbi səbəbindən daha mənalı ola bilər.
Mən bəzi dizaynları çuxurdan SMD-ə çevirmişəm. Daha ucuz məhsullar hazırlayın, lakin əl ilə prototiplər yaratmaq əyləncəli deyil. Bir kiçik səhv: “paralel yer” “paralel boşqab” kimi oxunmalıdır.
Xeyr. Sistem qalib gəldikdən sonra, arxeoloqlar hələ də onun tapıntıları ilə çaşqın qalacaqlar. Kim bilir, bəlkə də 23-cü əsrdə Planet Alyansı yeni bir sistem qəbul edəcək...
Daha çox razılaşa bilmədim. 0603-ün ölçüsü nədir? Təbii ki, 0603-ü imperiya ölçüsü kimi saxlamaq və 0603 metrik ölçüsünü 0604 (və ya 0602) “zəng etmək” o qədər də çətin deyil, hətta texniki cəhətdən səhv olsa belə (yəni: faktiki uyğun ölçü - belə deyil) hər halda.Ciddi), lakin ən azı hər kəs hansı texnologiyadan danışdığınızı biləcək (metrik/imperator)!
"Ümumiyyətlə desək, rezistorlar, kondansatörlər və induktorlar kimi passiv komponentləri kiçik etsəniz, yaxşılaşmayacaq."
Göndərmə vaxtı: 31 dekabr 2021-ci il