жаңалықтар

Мүмкін Ом заңынан кейін электроникадағы ең әйгілі екінші заң - Мур заңы: Интегралдық схемада жасауға болатын транзисторлар саны екі жыл сайын немесе одан да көп екі есе өседі. Чиптің физикалық өлшемі шамамен бірдей болғандықтан, бұл жеке транзисторлар уақыт өте кішірейетінін білдіреді. Біз кішірек функция өлшемдері бар чиптердің жаңа буынын қалыпты жылдамдықта пайда болуын күте бастадық, бірақ заттарды кішірейтудің мәні неде? Кіші әрқашан жақсы дегенді білдіре ме?
Өткен ғасырда электронды инженерия орасан зор прогреске қол жеткізді. 1920 жылдары ең жетілдірілген AM радиостанциялары бірнеше вакуумдық түтіктерден, бірнеше үлкен индукторлардан, конденсаторлардан және резисторлардан, антенна ретінде пайдаланылатын ондаған метр сымдардан және бүкіл құрылғыны қуаттандыруға арналған үлкен батареялардан тұрды. Бүгін қалтаңыздағы құрылғыда оннан астам музыкалық ағындық қызметтерді тыңдай аласыз және одан да көп нәрсені жасай аласыз. Бірақ миниатюризация тек портативтілік үшін ғана емес: бұл біздің бүгінгі құрылғыларымыздан күткен өнімділікке жету үшін өте қажет.
Кішірек құрамдастардың бір айқын артықшылығы - олар бірдей көлемде көбірек функционалдылықты қосуға мүмкіндік береді. Бұл сандық схемалар үшін әсіресе маңызды: көп құрамдас бөліктер бірдей уақыт ішінде көбірек өңдеуді орындауға болатындығын білдіреді. Мысалы, теорияда 64 биттік процессор өңдейтін ақпарат көлемі бірдей тактілік жиілікте жұмыс істейтін 8 биттік процессордан сегіз есе көп. Бірақ ол сонымен қатар сегіз есе көп құрамдастарды қажет етеді: регистрлер, қосқыштар, автобустар және т.б. барлығы сегіз есе үлкен. Сондықтан сізге не сегіз есе үлкен чип қажет, не сегіз есе кіші транзистор қажет.
Жад микросхемаларына да қатысты: кішірек транзисторлар жасау арқылы сізде бірдей көлемде көбірек сақтау орны болады. Бүгінгі таңда көптеген дисплейлердегі пикселдер жұқа пленка транзисторларынан жасалған, сондықтан оларды кішірейтіп, жоғары ажыратымдылыққа қол жеткізу мағынасы бар. Дегенмен, транзистор неғұрлым аз болса, соғұрлым жақсы және тағы бір маңызды себеп бар: олардың өнімділігі айтарлықтай жақсарды. Бірақ дәл неге?
Транзистор жасаған сайын, ол кейбір қосымша компоненттерді тегін қамтамасыз етеді. Әрбір терминалда тізбектей резистор бар. Ток өткізетін кез келген объектінің өзіндік индуктивтілігі де болады. Соңында, бір-біріне қарама-қарсы кез келген екі өткізгіш арасында сыйымдылық бар. Барлық осы әсерлер қуатты тұтынады және транзистордың жылдамдығын баяулатады. Паразиттік сыйымдылықтар әсіресе қиындық тудырады: транзисторлар қосылған немесе өшірілген сайын зарядталып, разрядталуы керек, бұл қуат көзінен уақыт пен токты қажет етеді.
Екі өткізгіштің арасындағы сыйымдылық олардың физикалық өлшеміне байланысты: кішірек өлшем сыйымдылықтың кішірек екенін білдіреді. Кішірек конденсаторлар жоғары жылдамдық пен төмен қуатты білдіретіндіктен, кішігірім транзисторлар жоғары тактілік жиіліктерде жұмыс істей алады және осылайша жылуды аз таратады.
Транзисторлардың өлшемін кішірейткен сайын сыйымдылық өзгеретін жалғыз әсер емес: үлкен құрылғылар үшін анық емес көптеген оғаш кванттық механикалық әсерлер бар. Дегенмен, жалпы айтқанда, транзисторларды кішірейту оларды жылдамырақ етеді. Бірақ электронды өнімдер транзисторлар ғана емес. Басқа құрамдастарды кішірейткен кезде, олар қалай жұмыс істейді?
Жалпы алғанда, резисторлар, конденсаторлар және индукторлар сияқты пассивті компоненттер кішірейген кезде жақсармайды: көптеген жолдармен олар нашарлайды. Сондықтан, бұл компоненттерді миниатюризациялау, негізінен, оларды кішірек көлемге қысу, осылайша ПХД кеңістігін үнемдеу болып табылады.
Резистордың өлшемін тым көп жоғалтусыз азайтуға болады. Материал бөлігінің кедергісі мына түрде анықталады, мұндағы l – ұзындық, А – көлденең қима ауданы, ρ – материалдың кедергісі. Сіз жай ғана ұзындық пен көлденең қиманы азайта аласыз және физикалық тұрғыдан кішірек резистормен аяқтай аласыз, бірақ бәрібір бірдей қарсылыққа ие. Жалғыз кемшілігі - бірдей қуатты таратқанда физикалық кіші резисторлар үлкен резисторларға қарағанда көбірек жылу шығарады. Сондықтан шағын резисторларды тек төмен қуатты тізбектерде қолдануға болады. Бұл кестеде SMD резисторларының максималды қуат рейтингі олардың өлшемі азайған сайын төмендейтінін көрсетеді.
Бүгінгі таңда сатып алуға болатын ең кішкентай резистор - 03015 метрикалық өлшемі (0,3 мм x 0,15 мм). Олардың номиналды қуаты небәрі 20 мВт және өте аз қуатты тарататын және өлшемдері өте шектеулі тізбектер үшін ғана пайдаланылады. Кішірек метрикалық 0201 пакеті (0,2 мм x 0,1 мм) шығарылды, бірақ әлі өндіріске енгізілген жоқ. Бірақ олар өндірушінің каталогында пайда болса да, олар барлық жерде болады деп күтпеңіз: таңдау және орналастыру роботтарының көпшілігі оларды өңдеуге жеткілікті дәл емес, сондықтан олар әлі де тауашалық өнімдер болуы мүмкін.
Конденсаторларды да кішірейтуге болады, бірақ бұл олардың сыйымдылығын азайтады. Шунттық конденсатордың сыйымдылығын есептеу формуласы, мұнда A - тақтаның ауданы, d - олардың арасындағы қашықтық, ε - диэлектрлік тұрақты (аралық материалдың қасиеті). Егер конденсатор (негізінен жалпақ құрылғы) кішірейтілген болса, аумақты азайту керек, осылайша сыйымдылықты азайтады. Егер сіз әлі де көп нафараны шағын көлемде жинағыңыз келсе, жалғыз нұсқа - бірнеше қабатты біріктіру. Жұқа қабықшаларды (кіші d) және арнайы диэлектриктерді (үлкен ε бар) жасауға мүмкіндік беретін материалдар мен өндірістегі жетістіктерге байланысты соңғы бірнеше онжылдықта конденсаторлардың өлшемдері айтарлықтай қысқарды.
Бүгінгі таңда қол жетімді ең кішкентай конденсатор ультра-кіші метрикалық 0201 пакетінде: бар болғаны 0,25 мм x 0,125 мм. Олардың сыйымдылығы әлі де пайдалы 100 нФ шектелген, ал максималды жұмыс кернеуі 6,3 В. Сондай-ақ, бұл пакеттер өте кішкентай және оларды өңдеу үшін кеңейтілген жабдықты қажет етеді, бұл олардың кең таралуын шектейді.
Индукторлар үшін әңгіме біршама күрделі. Тікелей катушканың индуктивтілігі анықталады, мұнда N - бұрылыстар саны, A - катушканың көлденең қимасының ауданы, l - оның ұзындығы, μ - материалдың тұрақтысы (өткізгіштігі). Барлық өлшемдер екі есе азайса, индуктивтілік те екі есе азаяды. Дегенмен, сымның кедергісі өзгеріссіз қалады: бұл сымның ұзындығы мен көлденең қимасы бастапқы мәнінің төрттен біріне дейін азаяды. Бұл индуктивтіліктің жартысында бірдей қарсылыққа ие болатындығын білдіреді, осылайша сіз катушканың сапа (Q) коэффициентін екі есе азайтасыз.
Сатып алынатын ең кішкентай дискретті индуктор 01005 дюймдік өлшемін (0,4 мм x 0,2 мм) қабылдайды. Бұлар 56 нН жоғары және бірнеше Ом кедергісі бар. Өте кішкентай метрикалық 0201 пакетіндегі индукторлар 2014 жылы шығарылды, бірақ олар нарыққа ешқашан енгізілмеген сияқты.
Индукторлардың физикалық шектеулері динамикалық индуктивтілік деп аталатын құбылысты қолдану арқылы шешілді, оны графеннен жасалған катушкаларда байқауға болады. Бірақ соған қарамастан, егер оны коммерциялық тұрғыдан тиімді жолмен өндіруге болатын болса, ол 50%-ға артуы мүмкін. Ақырында, катушканы жақсы кішірейту мүмкін емес. Дегенмен, сіздің схемаңыз жоғары жиіліктерде жұмыс істеп тұрса, бұл міндетті түрде мәселе емес. Сигналыңыз ГГц диапазонында болса, әдетте бірнеше nH катушкалары жеткілікті.
Бұл бізді өткен ғасырда кішірейтілген тағы бір нәрсеге әкеледі, бірақ сіз бірден байқамауыңыз мүмкін: біз байланыс үшін пайдаланатын толқын ұзындығы. Ертедегі радиохабарларда толқын ұзындығы шамамен 300 метр болатын шамамен 1 МГц орташа толқынды AM жиілігі пайдаланылды. Орталығы 100 МГц немесе 3 метр болатын FM жиілік диапазоны шамамен 1960 жылдары танымал болды және бүгінде біз негізінен 1 немесе 2 ГГц (шамамен 20 см) айналасында 4G байланысын пайдаланамыз. Жоғары жиіліктер ақпаратты тасымалдау мүмкіндігін білдіреді. Миниатюризацияның арқасында бізде осы жиіліктерде жұмыс істейтін арзан, сенімді және энергияны үнемдейтін радиолар бар.
Толқын ұзындығының қысқаруы антенналарды қысқартуы мүмкін, себебі олардың мөлшері жіберу немесе қабылдау қажет жиілікке тікелей байланысты. Қазіргі ұялы телефондар ГГц жиіліктеріндегі арнайы байланысының арқасында ұзын шығыңқы антенналарды қажет етпейді, ол үшін антеннаның ұзындығы шамамен бір сантиметр болуы керек. Сондықтан FM қабылдағыштары бар ұялы телефондардың көпшілігі қолданар алдында құлаққапты қосуды талап етеді: радио бір метрлік толқындардан жеткілікті сигнал күшін алу үшін құлаққаптың сымын антенна ретінде пайдалануы керек.
Біздің миниатюралық антенналарға қосылған тізбектерге келетін болсақ, олар кішірек болғанда, оларды жасау оңайырақ болады. Бұл транзисторлар жылдамырақ болғандықтан ғана емес, сонымен қатар электр беру желісінің әсерлері енді проблема емес. Қысқаша айтқанда, сымның ұзындығы толқын ұзындығының оннан бір бөлігінен асқанда, тізбекті жобалау кезінде оның ұзындығы бойынша фазалық ығысуды ескеру қажет. 2,4 ГГц жиілікте бұл тізбекке тек бір сантиметр сым әсер еткенін білдіреді; егер сіз дискретті компоненттерді бірге дәнекерлесеңіз, бұл бас ауруы, бірақ егер сіз тізбекті бірнеше шаршы миллиметрге орналастырсаңыз, бұл проблема емес.
Мур заңының жойылуын болжау немесе бұл болжамдардың қайта-қайта қате екенін көрсету ғылыми-техникалық журналистиканың қайталанатын тақырыбына айналды. Әзірге ойынның алдыңғы қатарында тұрған үш бәсекелес Intel, Samsung және TSMC бір шаршы микрометрге көбірек мүмкіндіктерді сығуды жалғастыруда және болашақта жетілдірілген чиптердің бірнеше буынын енгізуді жоспарлап отыр. Олардың әрбір қадамда қол жеткізген жетістіктері жиырма жыл бұрынғыдай үлкен болмаса да, транзисторларды миниатюризациялау жалғасуда.
Дегенмен, дискретті құрамдас бөліктер үшін біз табиғи шекке жеткен сияқтымыз: оларды кішірейту олардың өнімділігін жақсартпайды және қазіргі уақытта қол жетімді ең кішкентай құрамдас бөліктер көптеген пайдалану жағдайлары талап етілетіннен кішірек. Дискретті құрылғылар үшін Мур заңы жоқ сияқты, бірақ егер Мур заңы болса, біз бір адамның SMD дәнекерлеу мәселесін қаншалықты итермелейтінін көргіміз келеді.
Мен әрқашан 1970-ші жылдары қолданған PTH резисторын суретке түсіріп, оған SMD резисторын қоюды қалайтынмын, дәл қазір мен ауыстырып/шығатын сияқтымын. Менің мақсатым - аға-әпкелерімді (олардың ешқайсысы электронды өнім емес) қанша өзгерту, соның ішінде жұмысымның бөліктерін де көруге мүмкіндік беру (көзімнің көруі нашарлаған сайын, қолым дірілдеп барады).
Мен айтқым келеді, бұл бірге ме, жоқ па. Мен «жақсартуды, жақсартуды» жек көремін. Кейде сіздің орналасуыңыз жақсы жұмыс істейді, бірақ сіз енді бөліктерді ала алмайсыз. Бұл не? . Жақсы концепция – жақсы ұғым, оны себепсіз жетілдірмей, сол күйінде сақтаған абзал. Гант
«Үш компания Intel, Samsung және TSMC әлі де осы ойынның алдыңғы қатарында бәсекелес болып, бір шаршы микрометрге көбірек мүмкіндіктерді үнемі сығады», - деді.
Электрондық компоненттер үлкен және қымбат. 1971 жылы орташа отбасында бірнеше радио, стерео және теледидар ғана болды. 1976 жылға қарай компьютерлер, калькуляторлар, цифрлық сағаттар мен сағаттар шықты, олар тұтынушылар үшін шағын және арзан болды.
Кейбір миниатюризация дизайннан келеді. Операциялық күшейткіштер кейбір жағдайларда үлкен индукторларды алмастыра алатын гираторларды қолдануға мүмкіндік береді. Белсенді сүзгілер индукторларды да жояды.
Үлкенірек құрамдас бөліктер басқа нәрселерге ықпал етеді: схеманы азайту, яғни схеманы жұмыс істеу үшін ең аз құрамдастарды пайдалануға тырысу. Бүгін біз онша мән бермейміз. Сигналды кері қайтаратын нәрсе керек пе? Операциялық күшейткішті алыңыз. Сізге мемлекеттік машина керек пе? mpu алыңыз. және т.б. Бүгінгі құрамдас бөліктер шынымен кішкентай, бірақ ішінде көптеген компоненттер бар. Осылайша, негізінен сіздің схема өлшемі артады және қуат тұтынуы артады. Сигналды инверсиялау үшін қолданылатын транзистор операциялық күшейткішке қарағанда бірдей жұмысты орындау үшін аз қуатты пайдаланады. Бірақ содан кейін миниатюризация қуатты пайдалану туралы қамқорлық жасайды. Тек инновация басқа бағытта кетті.
Сіз шынымен кішірейтілген өлшемдердің кейбір ең үлкен артықшылықтарын/себептерін жіберіп алдыңыз: пакет паразиттерін азайту және қуатты өңдеуді арттыру (бұл қарама-қайшы болып көрінеді).
Практикалық тұрғыдан алғанда, мүмкіндік өлшемі шамамен 0,25u жеткенде, сіз ГГц деңгейіне жетесіз, сол кезде үлкен SOP пакеті ең үлкен* әсерді бере бастайды. Ұзын байланыстыратын сымдар және бұл сымдар сізді өлтіреді.
Осы кезде QFN/BGA пакеттері өнімділік тұрғысынан айтарлықтай жақсарды. Бұған қоса, қаптаманы осылай тегіс орнатқанда, сіз *айтарлықтай* жақсырақ термиялық өнімділікке және ашық төсемдерге ие боласыз.
Сонымен қатар, Intel, Samsung және TSMC маңызды рөл атқарады, бірақ ASML бұл тізімде әлдеқайда маңызды болуы мүмкін. Әрине, бұл пассивті дауысқа қатысты болмауы мүмкін…
Бұл тек келесі ұрпақтың технологиялық түйіндері арқылы кремний шығындарын азайту туралы ғана емес. Басқа заттар, мысалы, сөмкелер. Кішірек пакеттер азырақ материалдарды және wcsp немесе одан да азырақ талап етеді. Кішірек пакеттер, кішірек ПХД немесе модульдер және т.б.
Мен кейбір каталог өнімдерін жиі көремін, мұнда жалғыз қозғаушы фактор шығындарды азайту болып табылады. МГц/жад өлшемі бірдей, SOC функциясы мен түйреуіш орналасуы бірдей. Біз қуат тұтынуды азайту үшін жаңа технологияларды қолдануымыз мүмкін (әдетте бұл тегін емес, сондықтан тұтынушылар қызықтыратын кейбір бәсекелестік артықшылықтар болуы керек)
Үлкен компоненттердің артықшылықтарының бірі - радиацияға қарсы материал. Кішкентай транзисторлар бұл маңызды жағдайда ғарыштық сәулелердің әсеріне көбірек сезімтал. Мысалы, ғарышта және тіпті биік таулы обсерваторияларда.
Мен жылдамдықты арттырудың негізгі себебін көрмедім. Сигнал жылдамдығы наносекунд үшін шамамен 8 дюймді құрайды. Осылайша, өлшемді азайту арқылы жылдам чиптер мүмкін болады.
Қаптаманың өзгеруіне және қысқартылған циклдерге (1/жиілік) байланысты таралу кідірісіндегі айырмашылықты есептеу арқылы өзіңіздің математикаңызды тексергіңіз келуі мүмкін. Яғни, фракциялардың кешігуін/кезеңін қысқарту. Сіз оның тіпті дөңгелектеу факторы ретінде көрсетілмейтінін көресіз.
Мен қосқым келетін бір нәрсе, көптеген IC-лер, әсіресе ескі конструкциялар мен аналогтық чиптер, кем дегенде, ішкі жағынан қысқартылмайды. Автоматтандырылған өндірістің жетілдірілуіне байланысты пакеттер кішірейді, бірақ бұл транзисторлар т.б. кішірейгендіктен емес, DIP пакеттерінің ішінде әдетте көп орын қалдыруымен байланысты.
Роботты жоғары жылдамдықты таңдау және орналастыру қолданбаларында кішкентай құрамдас бөліктерді нақты өңдеу үшін жеткілікті дәл ету мәселесінен басқа, тағы бір мәселе кішкентай компоненттерді сенімді дәнекерлеу болып табылады. Әсіресе қуат/қуат талаптарына байланысты үлкенірек құрамдас бөліктер қажет болғанда. Арнайы дәнекерлеу пастасын қолданып, арнайы қадамдық дәнекерлеу пастасы үлгілері (қажет жерде аз мөлшерде дәнекерлеу пастасын қолданыңыз, бірақ үлкен компоненттер үшін жеткілікті дәнекерлеу пастасын қамтамасыз етіңіз) өте қымбат бола бастады. Сондықтан, менің ойымша, плато бар, және плата деңгейінде одан әрі миниатюризация - бұл қымбат және мүмкін әдіс. Осы кезде сіз кремний пластинасы деңгейінде көбірек интеграция жасай аласыз және дискретті компоненттердің санын абсолютті минимумға дейін жеңілдете аласыз.
Сіз мұны телефоныңызда көресіз. Шамамен 1995 жылы мен гараж сатылымдарынан әрқайсысы бірнеше долларға ертерек ұялы телефондарды сатып алдым. Көптеген IC-лер саңылаусыз. Танымал процессор және NE570 компандер, қайта пайдалануға болатын үлкен IC.
Содан кейін мен бірнеше жаңартылған ұялы телефондармен аяқталдым. Құрамдас бөліктер өте аз және таныс ештеңе жоқ. Кішкене ИК-де тығыздық жоғарырақ ғана емес, сонымен қатар бұрын қажет болған дискретті компоненттердің көпшілігін жоққа шығаратын жаңа дизайн (SDR қараңыз) қабылданған.
> (Қажетті жерде аз мөлшерде дәнекерлеу пастасын қолданыңыз, бірақ үлкен құрамдас бөліктерге жеткілікті дәнекерлеу пастасын беріңіз)
Эй, мен бұл мәселені шешу үшін «3D/Толқын» үлгісін елестеттім: ең кішкентай құрамдас бөліктер жұқа, ал қуат тізбегі орналасқан жерде қалыңырақ.
Қазіргі уақытта SMT компоненттері өте кішкентай, сіз өзіңіздің орталық процессорыңызды жобалау және оны ПХД-де басып шығару үшін нақты дискретті компоненттерді (74xx және басқа қоқыс емес) пайдалана аласыз. Оны жарықдиодты шаммен себіңіз, оның нақты уақытта жұмыс істейтінін көре аласыз.
Осы жылдар ішінде мен күрделі және кішігірім компоненттердің қарқынды дамуын бағалаймын. Олар орасан зор прогресті қамтамасыз етеді, бірақ сонымен бірге прототип жасаудың итерациялық процесіне күрделіліктің жаңа деңгейін қосады.
Аналогтық тізбектерді реттеу және имитациялау жылдамдығы зертханада жасағаннан әлдеқайда жылдам. Цифрлық тізбектердің жиілігі артқан сайын, ПХД жинақтың бір бөлігіне айналады. Мысалы, электр беру желісінің әсерлері, таралу кешігуі. Кез келген озық технологияның прототипін жасау зертханада түзетулер енгізуге емес, дизайнды дұрыс аяқтауға жұмсалады.
Хобби заттарына келетін болсақ, бағалау. Схемалық платалар мен модульдер кішірейтетін құрамдас бөліктерге және алдын ала сынақ модульдеріне арналған шешім болып табылады.
Бұл нәрселерді «қызықты» жоғалтуы мүмкін, бірақ менің ойымша, жобаңызды бірінші рет іске қосу жұмыс немесе хоббиге байланысты маңыздырақ болуы мүмкін.
Мен кейбір конструкцияларды тесіктен SMD-ге түрлендірдім. Арзан өнімдерді жасаңыз, бірақ прототиптерді қолмен жасау қызық емес. Бір кішкентай қате: «параллель орын» «параллель пластина» деп оқылу керек.
Жоқ. Жүйе жеңгеннен кейін, археологтар оның табылғандарымен әлі де шатастырады. Кім біледі, 23 ғасырда Планетарлық альянс жаңа жүйені қабылдайтын шығар...
Артық келісе алмадым. 0603 өлшемі қандай? Әрине, 0603-ті империялық өлшем ретінде сақтау және 0603 метрикалық өлшемін 0604 (немесе 0602) «шақыру» қиын емес, тіпті ол техникалық тұрғыдан қате болуы мүмкін болса да (яғни: нақты сәйкестік өлшемі - олай емес). Қатаң), бірақ сіз қандай технология туралы айтып жатқаныңызды кем дегенде барлығы біледі (метрикалық/империялық)!
«Жалпы айтқанда, резисторлар, конденсаторлар және индукторлар сияқты пассивті компоненттер, егер сіз оларды кішірейтсеңіз, жақсы болмайды».