חֲדָשׁוֹת

אולי אחרי חוק אוהם, החוק השני הכי מפורסם באלקטרוניקה הוא חוק מור: מספר הטרנזיסטורים שניתן לייצר במעגל משולב מוכפל כל שנתיים בערך. מכיוון שהגודל הפיזי של השבב נשאר בערך זהה, זה אומר שטרנזיסטורים בודדים ילכו וקטנו עם הזמן. התחלנו לצפות שדור חדש של שבבים עם גדלי תכונה קטנים יותר יופיעו במהירות רגילה, אבל מה הטעם להקטין דברים? האם קטן יותר תמיד אומר טוב יותר?
במאה האחרונה, הנדסת אלקטרוניקה עשתה התקדמות אדירה. בשנות ה-20, מכשירי הרדיו AM המתקדמים ביותר היו מורכבים מכמה צינורות ואקום, כמה משרנים ענקיים, קבלים ונגדים, עשרות מטרים של חוטים ששימשו כאנטנות ומערכת גדולה של סוללות להפעלת המכשיר כולו. כיום, אתה יכול להאזין ליותר מתריסר שירותי הזרמת מוזיקה במכשיר בכיס שלך, ואתה יכול לעשות יותר. אבל מזעור הוא לא רק עבור ניידות: זה הכרחי כדי להשיג את הביצועים שאנחנו מצפים מהמכשירים שלנו היום.
יתרון ברור אחד של רכיבים קטנים יותר הוא שהם מאפשרים לך לכלול יותר פונקציונליות באותו נפח. זה חשוב במיוחד עבור מעגלים דיגיטליים: יותר רכיבים אומר שאתה יכול לבצע יותר עיבוד באותו פרק זמן. לדוגמה, בתיאוריה, כמות המידע המעובד על ידי מעבד 64 סיביות היא פי שמונה מזו של מעבד 8 סיביות הפועל באותו תדר שעון. אבל זה גם דורש פי שמונה יותר רכיבים: אוגרים, אדפים, אוטובוסים וכו' כולם גדולים פי שמונה. אז אתה צריך שבב גדול פי שמונה, או שאתה צריך טרנזיסטור קטן פי שמונה.
הדבר נכון גם לגבי שבבי זיכרון: על ידי יצירת טרנזיסטורים קטנים יותר, יש לך יותר שטח אחסון באותו נפח. הפיקסלים ברוב המסכים כיום עשויים מטרנזיסטורי סרט דק, ולכן הגיוני להקטין אותם ולהשיג רזולוציות גבוהות יותר. עם זאת, ככל שהטרנזיסטור קטן יותר, כך טוב יותר, וישנה סיבה מכרעת נוספת: הביצועים שלהם השתפרו מאוד. אבל למה בדיוק?
בכל פעם שאתה יוצר טרנזיסטור, הוא יספק כמה רכיבים נוספים בחינם. לכל טרמינל יש נגד בסדרה. לכל עצם הנושא זרם יש גם השראות עצמית. לבסוף, יש קיבול בין כל שני מוליכים הפונים זה לזה. כל ההשפעות הללו צורכות כוח ומאטות את מהירות הטרנזיסטור. קיבולים טפיליים מטרידים במיוחד: יש לטעון ולפרוק טרנזיסטורים בכל פעם שהם מופעלים או כיבויים, מה שדורש זמן וזרם מאספקת החשמל.
הקיבול בין שני מוליכים הוא פונקציה של הגודל הפיזי שלהם: גודל קטן יותר פירושו קיבול קטן יותר. ומכיוון שקבלים קטנים יותר פירושם מהירויות גבוהות יותר והספק נמוך יותר, טרנזיסטורים קטנים יותר יכולים לפעול בתדרי שעון גבוהים יותר ולפזר פחות חום בכך.
ככל שאתה מכווץ את גודל הטרנזיסטורים, קיבול הוא לא ההשפעה היחידה שמשתנה: יש הרבה השפעות מכאניות קוונטיות מוזרות שאינן ברורות עבור מכשירים גדולים יותר. עם זאת, באופן כללי, הפיכת טרנזיסטורים לקטנים יותר תהפוך אותם למהירים יותר. אבל מוצרים אלקטרוניים הם יותר מסתם טרנזיסטורים. כאשר אתה מקטין רכיבים אחרים, כיצד הם מתפקדים?
באופן כללי, רכיבים פסיביים כמו נגדים, קבלים ומשרנים לא ישתפרו כשהם קטנים: במובנים רבים הם יחמירו. לכן, המזעור של רכיבים אלה הוא בעיקר כדי להיות מסוגל לדחוס אותם לנפח קטן יותר, ובכך לחסוך מקום PCB.
ניתן להקטין את גודל הנגד מבלי לגרום לאובדן גדול מדי. ההתנגדות של חתיכת חומר ניתנת על ידי, כאשר l הוא האורך, A הוא שטח החתך, ו-ρ היא ההתנגדות של החומר. אתה יכול פשוט להקטין את האורך והחתך, ולסיים עם נגד קטן יותר פיזית, אבל עדיין עם אותה התנגדות. החיסרון היחיד הוא שכאשר מפיצים את אותו הספק, נגדים קטנים יותר פיזית ייצרו יותר חום מאשר נגדים גדולים יותר. לכן, נגדים קטנים יכולים לשמש רק במעגלים בעלי הספק נמוך. טבלה זו מראה כיצד דירוג ההספק המרבי של נגדי SMD יורד ככל שגודלם פוחת.
כיום, הנגד הקטן ביותר שתוכלו לקנות הוא גודל 03015 המטרי (0.3 מ"מ x 0.15 מ"מ). ההספק המדורג שלהם הוא רק 20 mW ומשמשים רק למעגלים שמפיצים מעט מאוד הספק ומוגבלים ביותר בגודלם. חבילת 0201 מטרית קטנה יותר (0.2 מ"מ x 0.1 מ"מ) שוחררה, אך טרם הוכנסה לייצור. אבל גם אם הם אכן מופיעים בקטלוג של היצרן, אל תצפו שהם יהיו בכל מקום: רוב רובוטי הבחירה והמקום אינם מדויקים מספיק כדי לטפל בהם, כך שהם עדיין עשויים להיות מוצרי נישה.
ניתן גם להקטין קבלים, אבל זה יפחית את הקיבול שלהם. הנוסחה לחישוב הקיבול של קבל shunt היא, כאשר A הוא שטח הלוח, d הוא המרחק ביניהם, ו-ε הוא הקבוע הדיאלקטרי (התכונה של חומר הביניים). אם הקבל (בעצם מכשיר שטוח) ממוזער, יש להקטין את השטח, ובכך להפחית את הקיבול. אם בכל זאת תרצו לארוז הרבה נפארה בנפח קטן, האפשרות היחידה היא לערום כמה שכבות יחד. בשל התקדמות בחומרים ובייצור, אשר אפשרו גם סרטים דקים (ד קטן) ודיאלקטריות מיוחדות (עם ε גדול יותר), גודל הקבלים הצטמצם משמעותית בעשורים האחרונים.
הקבל הקטן ביותר הקיים כיום הוא באריזת 0201 מטרית קטנה במיוחד: 0.25 מ"מ על 0.125 מ"מ בלבד. הקיבול שלהם מוגבל ל-100 nF שעדיין שימושי, ומתח ההפעלה המרבי הוא 6.3 V. כמו כן, החבילות הללו קטנות מאוד ודורשות ציוד מתקדם לטיפול בהן, מה שמגביל את האימוץ הנרחב שלהן.
עבור משרנים, הסיפור קצת מסובך. השראות של סליל ישר ניתנת על ידי, כאשר N הוא מספר הסיבובים, A הוא שטח החתך של הסליל, l הוא אורכו, ו-μ הוא קבוע החומר (חדירות). אם כל הממדים מצטמצמים בחצי, גם השראות תופחת בחצי. עם זאת, ההתנגדות של החוט נשארת זהה: הסיבה לכך היא שאורך וחתך החוט מצטמצמים לרבע מערכו המקורי. זה אומר שבסופו של דבר אתה מקבל את אותה התנגדות במחצית מההשראות, אז אתה מפחית בחצי את גורם האיכות (Q) של הסליל.
המשרן הדיסקרטי הקטן ביותר הזמין מסחרית מאמץ את גודל אינץ' 01005 (0.4 מ"מ x 0.2 מ"מ). אלה גבוהים עד 56 nH ויש להם התנגדות של כמה אוהם. משרנים בחבילת 0201 מטרית קטנה במיוחד שוחררו בשנת 2014, אך ככל הנראה הם מעולם לא הוצגו לשוק.
המגבלות הפיזיקליות של משרנים נפתרו על ידי שימוש בתופעה הנקראת השראות דינמית, אותה ניתן לראות בסלילים העשויים מגרפן. אבל למרות זאת, אם ניתן לייצר אותו בצורה משתלמת מבחינה מסחרית, הוא עשוי לגדול ב-50%. לבסוף, לא ניתן למזער היטב את הסליל. עם זאת, אם המעגל שלך פועל בתדרים גבוהים, זו לא בהכרח בעיה. אם האות שלך נמצא בטווח ה-GHz, בדרך כלל מספיקים כמה סלילי nH.
זה מביא אותנו לדבר נוסף שהצטמצם במאה האחרונה אבל אולי לא תשים לב מיד: אורך הגל שבו אנו משתמשים לתקשורת. שידורי רדיו מוקדמים השתמשו בתדר AM-גל בינוני של כ-1 מגה-הרץ עם אורך גל של כ-300 מטר. פס התדרים FM שמרכזו 100 מגה-הרץ או 3 מטרים הפך לפופולרי בסביבות שנות ה-60, וכיום אנו משתמשים בעיקר בתקשורת 4G סביב 1 או 2 גיגה-הרץ (כ-20 ס"מ). תדרים גבוהים יותר פירושם יותר קיבולת העברת מידע. בגלל מזעור יש לנו מכשירי רדיו זולים, אמינים וחסכוניים באנרגיה שעובדים על התדרים האלה.
אורכי גל מתכווצים יכולים לכווץ אנטנות מכיוון שגודלן קשור ישירות לתדר שהם צריכים לשדר או לקלוט. הטלפונים הניידים של היום אינם זקוקים לאנטנות בולטות ארוכות, הודות לתקשורת הייעודית שלהם בתדרי גיגה-הרץ, שעבורה האנטנה צריכה להיות באורך של כסנטימטר אחד בלבד. זו הסיבה שרוב הטלפונים הניידים שעדיין מכילים מקלטי FM מחייבים אותך לחבר את האוזניות לפני השימוש: הרדיו צריך להשתמש בחוט האוזניות כאנטנה כדי לקבל מספיק עוצמת אות מאותם גלים באורך מטר אחד.
באשר למעגלים המחוברים לאנטנות המיניאטוריות שלנו, כאשר הם קטנים יותר, הם למעשה הופכים קלים יותר להכנה. זה לא רק בגלל שהטרנזיסטורים הפכו למהירים יותר, אלא גם בגלל שהשפעות קו השידור כבר לא מהוות בעיה. בקיצור, כאשר אורך החוט עולה על עשירית מאורך הגל, אתה צריך לשקול את הסטת הפאזה לאורכו בעת תכנון המעגל. ב-2.4 GHz, זה אומר שרק סנטימטר אחד של חוט השפיע על המעגל שלך; אם אתה מלחם רכיבים נפרדים, זה כאב ראש, אבל אם אתה פורס את המעגל על ​​כמה מילימטרים רבועים, זו לא בעיה.
חיזוי פטירתו של חוק מור, או מראה שהתחזיות הללו שגויות שוב ושוב, הפכו לנושא חוזר בעיתונות המדע והטכנולוגיה. העובדה היא שאינטל, סמסונג ו-TSMC, שלוש המתחרות שעדיין נמצאות בחוד החנית של המשחק, ממשיכות לדחוס עוד פיצ'רים למיקרומטר מרובע ומתכננות להציג כמה דורות של שבבים משופרים בעתיד. למרות שההתקדמות שהם עשו בכל שלב אולי לא גדולה כמו לפני שני עשורים, המזעור של הטרנזיסטורים נמשך.
עם זאת, עבור רכיבים בדידים, נראה שהגענו לגבול טבעי: הקטנתם אינה משפרת את הביצועים שלהם, והרכיבים הקטנים ביותר הזמינים כיום קטנים יותר ממה שרוב מקרי השימוש דורשים. נראה שאין חוק מור למכשירים דיסקרטיים, אבל אם יש חוק מור, נשמח לראות עד כמה אדם אחד יכול לדחוף את אתגר הלחמת SMD.
תמיד רציתי לצלם תמונה של נגד PTH שהשתמשתי בו בשנות ה-70, ולשים עליו נגד SMD, בדיוק כמו שאני מחליף עכשיו. המטרה שלי היא להפוך את האחים והאחיות שלי (אף אחד מהם אינו מוצרים אלקטרוניים) לכמה שינויים, כולל אני יכול אפילו לראות את חלקי העבודה שלי, (ככל שהראייה שלי מחמירה, הידיים שלי מחמירות רועדות).
אני אוהב לומר, האם זה ביחד או לא. אני ממש שונאת "לשפר, להשתפר". לפעמים הפריסה שלך עובדת טוב, אבל אתה כבר לא יכול להשיג חלקים. מה זה לעזאזל? . קונספט טוב הוא רעיון טוב, ועדיף לשמור אותו כפי שהוא, במקום לשפר אותו ללא סיבה. גאנט
"העובדה נשארת ששלוש החברות אינטל, סמסונג ו-TSMC עדיין מתחרות בחזית המשחק הזה, וסוחטות ללא הרף יותר פיצ'רים לכל מיקרומטר מרובע."
רכיבים אלקטרוניים גדולים ויקרים. ב-1971, למשפחה הממוצעת היו רק כמה מכשירי רדיו, מערכת סטריאו וטלוויזיה. עד 1976 יצאו מחשבים, מחשבונים, שעונים דיגיטליים ושעונים, שהיו קטנים וזולים לצרכנים.
מזעור מסוים נובע מעיצוב. מגברים תפעוליים מאפשרים שימוש בגירטורים, שיכולים להחליף משרנים גדולים במקרים מסוימים. מסננים פעילים גם מבטלים משרנים.
רכיבים גדולים יותר אכן מקדמים דברים אחרים: מזעור המעגל, כלומר ניסיון להשתמש במעט רכיבים כדי לגרום למעגל לעבוד. היום, לא כל כך אכפת לנו. צריך משהו כדי להפוך את האות? קח מגבר תפעולי. אתה צריך מכונת מדינה? קח mpu. וכו' הרכיבים היום ממש קטנים, אבל בעצם יש הרבה רכיבים בפנים. אז בעצם גודל המעגל שלך גדל וצריכת החשמל עולה. טרנזיסטור המשמש להיפוך אות משתמש בפחות כוח כדי לבצע את אותה עבודה מאשר מגבר תפעולי. אבל אז שוב, מזעור ידאג לשימוש בכוח. רק שהחדשנות הלכה לכיוון אחר.
באמת פספסת כמה מהיתרונות/סיבות הגדולות ביותר של גודל מופחת: הפחתת טפילי החבילה וטיפול מוגבר בכוח (שנראה מנוגד לאינטואיציה).
מנקודת מבט מעשית, ברגע שגודל הפיצ'ר מגיע לכ-0.25u, תגיע לרמת ה-GHz, אז חבילת ה-SOP הגדולה מתחילה לייצר את האפקט* הגדול ביותר. חוטי מליטה ארוכים והמובילים האלה יהרגו אותך בסופו של דבר.
בשלב זה, חבילות QFN/BGA השתפרו מאוד מבחינת ביצועים. בנוסף, כשאתה מתקין את החבילה בצורה שטוחה כך, אתה מגיע עם ביצועים תרמיים טובים יותר *באופן משמעותי* ורפידות חשופות.
בנוסף, אינטל, סמסונג ו-TSMC בהחלט ישחקו תפקיד חשוב, אבל ייתכן ש-ASML חשובה הרבה יותר ברשימה זו. כמובן, ייתכן שזה לא יחול על הקול הפסיבי...
לא מדובר רק בהפחתת עלויות הסיליקון באמצעות צמתי תהליך מהדור הבא. דברים אחרים, כמו תיקים. חבילות קטנות יותר דורשות פחות חומרים ו-wcsp או אפילו פחות. חבילות קטנות יותר, PCBs או מודולים קטנים יותר וכו'.
לעתים קרובות אני רואה כמה מוצרי קטלוג, שבהם הגורם המניע היחיד הוא הפחתת עלויות. גודל MHz/זיכרון זהה, פונקציית SOC וסידור הפינים זהים. אנו עשויים להשתמש בטכנולוגיות חדשות כדי להפחית את צריכת החשמל (בדרך כלל זה לא בחינם, אז חייבים להיות כמה יתרונות תחרותיים שחשובים ללקוחות)
אחד היתרונות של רכיבים גדולים הוא החומר נגד קרינה. טרנזיסטורים זעירים רגישים יותר להשפעות של קרניים קוסמיות, במצב חשוב זה. למשל בחלל ואפילו במצפה כוכבים בגובה רב.
לא ראיתי סיבה מרכזית לעלייה במהירות. מהירות האות היא כ-8 אינץ' לננו-שנייה. אז רק על ידי הקטנת הגודל, אפשר לקבל שבבים מהירים יותר.
ייתכן שתרצה לבדוק את המתמטיקה שלך על ידי חישוב ההבדל בעיכוב ההפצה עקב שינויים באריזה ומחזורים מופחתים (1/תדירות). כלומר לצמצם את העיכוב/תקופת הסיעות. תגלו שזה אפילו לא מופיע כגורם עיגול.
דבר אחד שאני רוצה להוסיף הוא שמעבדי IC רבים, במיוחד עיצובים ישנים יותר ושבבים אנלוגיים, למעשה אינם מצטמצמים, לפחות מבחינה פנימית. עקב שיפורים בייצור אוטומטי, החבילות הפכו קטנות יותר, אבל זה בגלל שלחבילות DIP בדרך כלל נשאר הרבה מקום בפנים, לא בגלל שטרנזיסטורים וכו' נעשו קטנים יותר.
בנוסף לבעיה של הפיכת הרובוט למדויק מספיק כדי לטפל בפועל ברכיבים זעירים ביישומי בחירה-ומקום במהירות גבוהה, בעיה נוספת היא ריתוך מהימן של רכיבים זעירים. במיוחד כאשר אתה עדיין צריך רכיבים גדולים יותר בגלל דרישות הספק/קיבולת. באמצעות משחת הלחמה מיוחדת, תבניות הדבקת הלחמה שלב מיוחדות (להחיל כמות קטנה של משחת הלחמה במידת הצורך, אך עדיין לספק משחת הלחמה מספקת עבור רכיבים גדולים) החלו להתייקר מאוד. אז אני חושב שיש רמה, ומיזעור נוסף ברמת המעגלים הוא רק דרך יקרה וישימה. בשלב זה, תוכל גם לעשות יותר אינטגרציה ברמת פרוסות סיליקון ולפשט את מספר הרכיבים הבדידים למינימום מוחלט.
אתה תראה את זה בטלפון שלך. בסביבות 1995, קניתי כמה טלפונים ניידים מוקדמים במכירות במוסך תמורת כמה דולרים כל אחד. רוב ה-ICs הם דרך חור. מעבד זיהוי וקומנדר NE570, IC גדול לשימוש חוזר.
ואז בסופו של דבר קיבלתי כמה טלפונים כף יד מעודכנים. יש מעט מאוד רכיבים וכמעט שום דבר לא מוכר. במספר קטן של ICs, לא רק הצפיפות גבוהה יותר, אלא גם מאומץ עיצוב חדש (ראה SDR), שמבטל את רוב הרכיבים הבדידים שהיו חיוניים בעבר.
> (מרחו כמות קטנה של משחת הלחמה במידת הצורך, אך עדיין ספקו מספיק משחת הלחמה עבור רכיבים גדולים)
היי, דמיינתי את התבנית "3D/Wave" כדי לפתור את הבעיה הזו: דקה יותר היכן שהרכיבים הקטנים ביותר נמצאים, ועבה יותר היכן שמעגל החשמל נמצא.
כיום, רכיבי SMT קטנים מאוד, אתה יכול להשתמש ברכיבים נפרדים אמיתיים (לא 74xx וזבל אחר) כדי לעצב את המעבד שלך ולהדפיס אותו על ה-PCB. מפזרים אותו עם LED, אתה יכול לראות אותו עובד בזמן אמת.
במהלך השנים, אני בהחלט מעריך את הפיתוח המהיר של רכיבים מורכבים וקטנים. הם מספקים התקדמות אדירה, אך במקביל הם מוסיפים רמה חדשה של מורכבות לתהליך האיטרטיבי של יצירת אב טיפוס.
מהירות ההתאמה והסימולציה של מעגלים אנלוגיים היא הרבה יותר מהירה ממה שאתה עושה במעבדה. ככל שתדירות המעגלים הדיגיטליים עולה, ה-PCB הופך לחלק מהמכלול. לדוגמה, השפעות קו תמסורת, עיכוב התפשטות. יצירת אב טיפוס של כל טכנולוגיה חדשנית עדיף להשלים את העיצוב בצורה נכונה, במקום לבצע התאמות במעבדה.
לגבי פריטי תחביב, הערכה. לוחות ומודולים הם פתרון לכיווץ רכיבים ולמודולים לבדיקה מוקדמת.
זה עלול לגרום לדברים לאבד "כיף", אבל אני חושב שהפרויקט שלך יפעל בפעם הראשונה עשוי להיות משמעותי יותר בגלל עבודה או תחביבים.
המרתי כמה עיצובים מחור דרך ל-SMD. מייצרים מוצרים זולים יותר, אבל זה לא כיף לבנות אבות טיפוס בעבודת יד. טעות אחת קטנה: "מקום מקביל" צריך להיקרא "צלחת מקבילה".
לא. אחרי שמערכת מנצחת, ארכיאולוגים עדיין יהיו מבולבלים מהממצאים שלה. מי יודע, אולי במאה ה-23, הברית הפלנטרית תאמץ שיטה חדשה...
לא יכולתי להסכים יותר. מה הגודל של 0603? כמובן, שמירת 0603 כגודל הקיסרי ו"קריאת" לגודל המטרי 0603 0604 (או 0602) היא לא כל כך קשה, גם אם היא עשויה להיות שגויה טכנית (כלומר: התאמה אמיתית של גודל - לא כך) בכל מקרה. קפדנית), אבל לפחות כולם יידעו על איזו טכנולוגיה אתה מדבר (מטרית/אימפריאלית)!
"באופן כללי, רכיבים פסיביים כמו נגדים, קבלים ומשרנים לא ישתפרו אם תקטינו אותם."