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, fərdi tranzistorların zaman keçdikcə kiçik olacağı deməkdir.Biz daha kiçik xüsusiyyət ölçülərinə malik yeni nəsil çiplərin normal sürətlə görünməsini gözləməyə başlamışıq, lakin hər şeyi kiçikləşdirməyin nə mənası var?Kiçik həmişə daha yaxşı deməkdir?
Keçən əsrdə elektron mühəndislik böyük irəliləyiş əldə etdi.1920-ci illərdə ən qabaqcıl AM radioları bir neçə vakuum borularından, bir neçə nəhəng induktordan, kondansatördən və rezistordan, antena kimi istifadə olunan onlarla metr naqillərdən və bütün cihazı gücləndirmək üçün böyük bir batareya dəstindən ibarət idi.Bu gün siz cibinizdə olan cihazda ondan çox musiqi axını xidmətini dinləyə və daha çoxunu edə bilərsiniz.Lakin miniatürləşdirmə təkcə daşınma üçün deyil: bu gün cihazlarımızdan gözlədiyimiz performansa nail olmaq üçün mütləq lazımdır.
Kiçik komponentlərin açıq üstünlüklərindən biri, eyni həcmdə daha çox funksionallıq daxil etməyə imkan verməsidir.Bu, rəqəmsal sxemlər üçün xüsusilə vacibdir: daha çox komponent eyni vaxtda daha çox emal edə biləcəyiniz deməkdir.Məsələn, nəzəri olaraq, 64 bitlik bir prosessor tərəfindən işlənmiş məlumatın miqdarı eyni saat tezliyində işləyən 8 bitlik CPU-dan səkkiz dəfə çoxdur.Amma 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 lazımdır, ya da səkkiz dəfə kiçik tranzistor lazımdır.
Eyni şey yaddaş çipləri üçün də keçərlidir: Daha kiçik tranzistorlar hazırlamaqla eyni həcmdə daha çox yaddaşa sahib olursunuz.Bu gün əksər displeylərdəki piksellər nazik film tranzistorlarından hazırlanır, ona görə də onların ölçüsünü azaltmaq və daha yüksək qətnamələrə nail olmaq məntiqlidir.Bununla belə, tranzistor nə qədər kiçik olsa, bir o qədər yaxşıdır və başqa bir vacib səbəb var: onların performansı çox yaxşılaşdırılır.Bəs niyə məhz?
Hər dəfə tranzistor hazırladığınız zaman o, bəzi əlavə komponentləri pulsuz təmin edəcək.Hər bir terminalda ardıcıl olaraq bir rezistor var.Cərəyan keçirən hər hansı bir cisim də öz induksiyasına malikdir.Nəhayət, bir-birinə baxan hər hansı iki keçirici arasında bir tutum var.Bütün bu təsirlər enerji istehlak edir və tranzistorun sürətini yavaşlatır.Parazitar tutumlar xüsusilə problemlidir: tranzistorlar hər dəfə açıldıqda və ya söndürüldükdə doldurulmalı və boşaldılmalıdır ki, bu da enerji təchizatından vaxt və cərəyan tələb edir.
İki keçirici arasındakı tutum onların fiziki ölçüsündən asılıdır: daha kiçik ölçü daha kiçik bir tutum deməkdir.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.
Tranzistorların ölçüsünü kiçildikcə, dəyişən yeganə təsir tutum deyil: daha böyük cihazlar üçün aşkar olmayan bir çox qəribə kvant mexaniki effektləri var.Bununla belə, ümumiyyətlə, tranzistorların kiçildilməsi onları daha sürətli edəcək.Lakin elektron məhsullar yalnız tranzistorlardan daha çox şeydir.Digər komponentləri kiçilddiyiniz zaman onlar necə işləyir?
Ümumiyyətlə, rezistorlar, kondansatörlər və induktorlar kimi passiv komponentlər kiçik olanda yaxşılaşmayacaq: bir çox cəhətdən daha da pisləşəcəklər.Buna görə də, bu komponentlərin miniatürləşdirilməsi əsasən onları daha kiçik bir həcmdə sıxışdırmaq və bununla da PCB sahəsinə qənaət etməkdir.
Rezistorun ölçüsü çox itkiyə səbəb olmadan azaldıla bilər.Material parçasının müqaviməti ilə verilir, burada l uzunluq, A kəsik sahəsi, ρ isə materialın müqavimətidir.Siz sadəcə olaraq uzunluğu və kəsiyi azalda bilərsiniz və fiziki olaraq daha kiçik bir rezistorla nəticələnə bilərsiniz, lakin yenə də eyni müqavimətə malikdir.Yeganə çatışmazlıq odur ki, eyni gücü sərf edərkən, fiziki olaraq daha kiçik rezistorlar daha böyük rezistorlardan daha çox istilik əmələ gətirir.Buna görə də, kiçik rezistorlar yalnız aşağı güc sxemlərində istifadə edilə bilər.Bu cədvəl SMD rezistorlarının ölçüləri azaldıqca maksimum güc reytinqinin necə azaldığını göstərir.
Bu gün satın 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 paketi (0,2 mm x 0,1 mm) buraxıldı, lakin hələ istehsala buraxılmayıb.Lakin onlar istehsalçının kataloqunda görünsələr belə, onların hər yerdə olmasını gözləməyin: əksər seçmə və yerləşdirmə robotları onları idarə etmək üçün kifayət qədər dəqiq deyil, buna görə də onlar hələ də niş məhsul ola bilər.
Kondansatörlər də kiçilə bilər, lakin bu, onların tutumunu azaldacaq.Bir şunt kondensatorunun tutumunu hesablamaq üçün düstur, burada A lövhənin sahəsi, d onların arasındakı məsafə və ε dielektrik sabitidir (aralıq materialın xüsusiyyəti).Kondansatör (əsasən düz bir cihaz) miniatürləşdirilmişsə, sahəni azaltmaq lazımdır, bununla da kapasitansı azaldır.Hələ kiçik həcmdə çoxlu nafara yığmaq istəyirsinizsə, yeganə seçim bir neçə təbəqəni bir yerə yığmaqdır.İncə təbəqələrin (kiçik d) və xüsusi dielektriklərin (daha böyük ε ilə) mümkün olmasına imkan verən materiallar və istehsalatdakı irəliləyişlər sayəsində son bir neçə onillikdə kondansatörlərin ölçüsü əhəmiyyətli dərəcədə azalmışdır.
Bu gün mövcud olan ən kiçik kondansatör ultra kiçik metrik 0201 paketindədir: yalnız 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 kiçikdir və onları idarə etmək üçün qabaqcıl avadanlıq tələb edir, onların geniş yayılmasını məhdudlaşdırır.
İnduktorlar üçün hekayə bir az çətin olur.Düz bir bobinin endüktansı ilə verilir, burada N - döngələrin sayı, A - bobinin kəsişmə sahəsi, l - uzunluğu və μ - material sabitidir (keçiricilik).Bütün ölçülər yarıya endirilirsə, endüktans da yarıya enəcək.Bununla belə, telin müqaviməti dəyişməz olaraq qalır: bunun səbəbi telin uzunluğunun və kəsiyinin orijinal dəyərinin dörddə birinə qədər azalmasıdır.Bu o deməkdir ki, endüktansın 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 paketindəki induktorlar 2014-cü ildə buraxıldı, lakin görünür, onlar heç vaxt bazara çıxarılmayıb.
İnduktorların fiziki məhdudiyyətləri qrafendən hazırlanmış rulonlarda müşahidə oluna bilən dinamik endüktans adlı fenomendən istifadə etməklə həll edilmişdir.Amma buna baxmayaraq, kommersiya baxımından əlverişli şəkildə istehsal oluna bilsə, 50% arta bilər.Nəhayət, bobin yaxşı miniatürləşdirilə bilməz.Bununla belə, 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.Erkən radio yayımlarında təxminən 300 metr dalğa uzunluğu ilə təxminən 1 MHz orta dalğalı AM tezliyindən istifadə olunurdu.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 daralda bilər, çünki onların ölçüsü ötürmək və ya qəbul etmək lazım olan tezliklə birbaşa bağlıdır.Bugünkü cib telefonları GHz tezliklərində xüsusi rabitə sayəsində uzun çıxıntılı antenalara ehtiyac duymur, bunun üçün antenanın yalnız bir santimetr uzunluğunda olması lazımdır.Buna görə hələ də FM qəbulediciləri olan cib telefonlarının əksəriyyəti istifadə etməzdən əvvəl 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 kiçik olduqda, əslində onları düzəltmək daha asan olur.Bu, təkcə tranzistorların daha sürətli olmasına görə deyil, həm də ötürmə xətti effektlərinin artıq problem olmadığına görədir.Bir sözlə, telin uzunluğu dalğa uzunluğunun onda birindən çox olduqda, dövrəni tərtib edərkən onun uzunluğu boyunca faza sürüşməsini nəzərə almaq lazımdır.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 məhvini proqnozlaşdırmaq və ya bu proqnozların təkrar-təkrar yanlış olduğunu göstərmək elm və texnologiya jurnalistikasında təkrarlanan mövzuya çevrilib.Fakt budur ki, hələ də oyunun ön sıralarında olan üç rəqib olan Intel, Samsung və TSMC hər kvadrat mikrometr üçün daha çox funksiyanı sıxışdırmağa davam edir və gələcəkdə bir neçə nəsil təkmilləşdirilmiş çiplər təqdim etməyi planlaşdırır.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 qurğular üçün Mur Qanunu yoxdur, lakin Mur Qanunu varsa, bir nəfərin SMD lehimləmə problemini nə qədər itələyə biləcəyini görmək istərdik.
Mən həmişə 1970-ci illərdə istifadə etdiyim PTH rezistorunun şəklini çəkmək və onun üzərinə SMD rezistoru qoymaq istəmişəm, necə ki, indi daxil olub-çıxıram.Məqsədim bacı və qardaşlarımı (heç biri elektron məhsul deyil) nə qədər dəyişdirməkdir, o cümlədən işimin hissələrini belə görə bilirəm (gözlərim pisləşdikcə əllərim titrəyir).
Deməyi xoşlayıram, birlikdədir, yoxsa yox.Mən “inkişaf et, yaxşılaş”a nifrət edirəm.Bəzən planınız yaxşı işləyir, lakin siz artıq hissələri əldə edə bilmirsiniz.Bu nə cəhənnəmdir?.Yaxşı konsepsiya yaxşı anlayışdır və onu heç bir səbəb olmadan təkmilləşdirməkdənsə, olduğu kimi saxlamaq daha yaxşıdır.Gantt
"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 ailədə yalnız bir neçə radio, stereo və televizor var idi.1976-cı ilə qədər istehlakçılar üçün kiçik və ucuz olan kompüterlər, kalkulyatorlar, rəqəmsal saatlar və saatlar çıxdı.
Bəzi miniatürləşdirmə dizayndan gəlir.Əməliyyat gücləndiriciləri bəzi hallarda böyük induktorları əvəz edə bilən giratorların istifadəsinə imkan verir.Aktiv filtrlər induktorları da aradan qaldırır.
Daha böyük komponentlər başqa şeyləri təşviq edir: dövrənin minimuma endirilməsi, yəni dövrənin işləməsi üçün ən az komponentdən istifadə etməyə çalışmaq.Bu gün bizi o qədər də maraqlandırmır.Siqnalı geri qaytarmaq üçün bir şey lazımdır?Əməliyyat gücləndiricisini götürün.Sizə dövlət maşını lazımdır?Bir mpu götürün.və s. Bu gün komponentlər həqiqətən kiçikdir, lakin içərisində əslində çoxlu komponentlər var.Beləliklə, əsasən dövrə ölçüsü artır və enerji istehlakı artır.Siqnalın çevrilməsi üçün istifadə edilən tranzistor eyni işi yerinə yetirmək üçün əməliyyat gücləndiricisindən daha az güc istifadə edir.Ancaq yenə də miniatürləşdirmə gücün istifadəsinə diqqət yetirəcəkdir.Sadəcə olaraq, yenilik başqa istiqamətə gedib.
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, xüsusiyyət ölçüsü təxminən 0.25u-a çatdıqdan sonra siz GHz səviyyəsinə çatacaqsınız, bu zaman böyük SOP paketi ən böyük* effekti verməyə başlayır.Uzun birləşdirici məftillər və bu tellər nəhayət sizi öldürəcək.
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 əlbəttə 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 silisium xərclərinin azaldılmasından getmir.Digər şeylər, məsələn, çantalar.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.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 vacib vəziyyətdə kosmik şüaların təsirinə daha çox həssasdırlar.Məsələn, kosmosda və hətta yüksəklikdəki rəsədxanalarda.
Sürət artımının əsas səbəbini görmədim.Siqnal sürəti nanosaniyədə təxminən 8 düymdür.Beləliklə, yalnız ölçüsü azaltmaqla, daha sürətli çiplər mümkündür.
Qablaşdırma dəyişiklikləri və azaldılmış dövrlər (1/tezlik) səbəbindən yayılma gecikməsindəki fərqi hesablayaraq öz riyaziyyatınızı yoxlamaq istəyə bilərsiniz.Yəni fraksiyaların gecikməsini/müddətini azaltmaqdır.Bunun hətta yuvarlaqlaşdırma faktoru kimi görünmədiyini görəcəksiniz.
Əlavə etmək istədiyim bir şey odur ki, bir çox IC-lər, xüsusən də köhnə dizaynlar və analoq çiplər, ən azı daxili olaraq, əslində kiçilməmişdir.Avtomatlaşdırılmış istehsalda irəliləyişlər sayəsində paketlər kiçildi, lakin bu, DIP paketlərinin adətən içərisində çoxlu yerə malik olmasıdır, nəinki tranzistorlar və s. kiçildiyi üçün.
Yüksək sürətli seç və yerləşdir tətbiqlərində kiçik komponentləri həqiqətən idarə etmək üçün robotu kifayət qədər dəqiq etmək probleminə əlavə olaraq, başqa bir məsələ kiçik komponentlərin etibarlı şəkildə qaynaqlanmasıdır.Xüsusilə güc/tutum tələblərinə görə hələ də daha böyük komponentlərə ehtiyacınız olduqda.Xüsusi lehim pastası istifadə edərək, xüsusi pilləli lehim pastası şablonları (lazım olan yerlərdə az miqdarda lehim pastası tətbiq edin, lakin hələ də böyük komponentlər üçün kifayət qədər lehim pastası təmin edin) çox bahalı olmağa başladı.Buna görə də düşünürəm ki, bir yayla var və elektron lövhə səviyyəsində daha da miniatürləşdirmə sadəcə bahalı və mümkün bir yoldur.Bu nöqtədə, siz həmçinin silikon vafli səviyyəsində daha çox inteqrasiya edə və diskret komponentlərin sayını mütləq minimuma qədər sadələşdirə bilərsiniz.
Bunu telefonunuzda görəcəksiniz.Təxminən 1995-ci ildə mən qaraj satışlarından hər biri bir neçə dollara bəzi erkən mobil telefonlar aldım.Əksər IC-lər deşiklidir.Tanınan CPU və NE570 kompanderi, böyük təkrar istifadə edilə bilən IC.
Sonra bəzi yenilənmiş əl telefonları ilə başa çatdım.Çox az komponent var və demək olar ki, tanış heç nə yoxdur.Az sayda IC-də yalnız sıxlıq daha yüksək deyil, həm də əvvəllər əvəzolunmaz olan diskret komponentlərin əksəriyyətini aradan qaldıran yeni dizayn (SDR-ə baxın) qəbul edilir.
> (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, öz CPU-nu dizayn etmək və onu PCB-də çap etmək üçün real diskret komponentlərdən (74xx və digər zibil deyil) istifadə edə bilərsiniz.Onu LED ilə səpin, real vaxt rejimində işlədiyini görə bilərsiniz.
İllər keçdikcə mən mürəkkəb və kiçik komponentlərin sürətli inkişafını yüksək qiymətləndirirəm.Onlar böyük tərəqqi təmin edir, lakin eyni zamanda prototipləşdirmənin iterativ prosesinə yeni bir mürəkkəblik səviyyəsi əlavə edirlər.
Analoq sxemlərin tənzimlənməsi və simulyasiya sürəti laboratoriyada gördüyünüzdən daha sürətlidir.Rəqəmsal sxemlərin tezliyi artdıqca, PCB montajın bir hissəsinə çevrilir.Məsələn, ötürmə xətti effektləri, yayılma gecikməsi.İstənilən qabaqcıl texnologiyanın prototipi ən yaxşı şəkildə laboratoriyada düzəlişlər etməkdənsə, dizaynı düzgün şəkildə tamamlamağa sərf olunur.
Hobbi maddələrinə gəlincə, qiymətləndirmə.Dövrə lövhələri və modullar kiçilən komponentlər və əvvəlcədən sınaq modulları üçün həll yoludur.
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 prototipləri əl ilə qurmaq əyləncəli deyil.Kiçik bir səhv: “paralel yer” “paralel boşqab” kimi oxunmalıdır.
Xeyr. Sistem qalib gəldikdən sonra onun tapıntıları arxeoloqları hələ də çaşdıracaq.Kim bilir, bəlkə 23-cü əsrdə Planet Alyansı yeni sistem qəbul edəcək...
Daha razılaşa bilmədim.0603 ölçüsü nədir?Əlbəttə 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: həqiqi uyğunluq ölçüsü - belə deyil).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: 20 dekabr 2021-ci il