жаңалықтар

Мүмкін Ом заңынан кейін электроникадағы ең танымал екінші заң - Мур заңы: Интегралды схемада жасауға болатын транзисторлар саны екі жыл сайын немесе одан да көп сайын екі есе артады. Чиптің физикалық өлшемі шамамен бірдей болып қалатындықтан, бұл жеке транзисторлар уақыт өте кішірейеді. Біз кішірек функция өлшемдері бар чиптердің жаңа ұрпағы қалыпты жылдамдықта пайда болады деп күте бастадық, бірақ заттарды кішірейтудің мәні неде? Кіші әрқашан жақсы дегенді білдіре ме?
Өткен ғасырда электронды инженерия үлкен 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 батареялардың үлкен жиынтығынан тұрды. бүкіл құрылғыны қуаттандыру үшін. Бүгін қалтаңыздағы құрылғыда оннан астам музыкалық ағындық қызметтерді тыңдай аласыз және одан да көп нәрсені жасай аласыз. Бірақ миниатюризация тек тасымалдау үшін ғана емес: бұл біздің бүгінгі құрылғыларымыздан күткен өнімділікке жету үшін өте қажет.
Кішігірім құрамдастардың бір айқын артықшылығы - олар бірдей көлемде көбірек функционалдылықты қосуға мүмкіндік береді. Бұл сандық схемалар үшін әсіресе маңызды: көп құрамдас бөліктер бірдей уақыт көлемінде көбірек өңдеуді орындауға болатындығын білдіреді. Мысалы, теориялық түрде, 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, шиналар және т.б. барлығы сегіз есе үлкен. .Сондықтан сізге не сегіз есе үлкен чип немесе сегіз есе кіші транзистор қажет.
Жад микросхемалары үшін де солай: кішірек транзисторларды жасау арқылы сізде бірдей көлемде көбірек сақтау орны болады. Бүгінгі дисплейлердің көпшілігінде пикселдер жұқа пленкалы транзисторлардан жасалған, сондықтан оларды кішірейтіп, жоғары ажыратымдылыққа қол жеткізген дұрыс. , транзистор неғұрлым аз болса, соғұрлым жақсы және тағы бір маңызды себеп бар: олардың өнімділігі айтарлықтай жақсарды. Бірақ дәл неге?
Сіз транзистор жасаған сайын, ол кейбір қосымша компоненттерді тегін қамтамасыз етеді. Әрбір терминалда тізбектей резистор бар. Ток өткізетін кез келген нысанның өзіндік индуктивтілігі де бар. Соңында, бір-біріне қарама-қарсы кез келген екі өткізгіштің арасында сыйымдылық бар. Осы әсерлердің барлығы қуатты тұтынады және транзистордың жылдамдығын бәсеңдетеді.Паразиттік сыйымдылықтар ерекше қиындық тудырады: транзисторлар қосылған немесе өшірілген сайын оларды зарядтау және зарядсыздандыру қажет, бұл қуат көзінен уақыт пен токты қажет етеді.
Екі өткізгіш арасындағы сыйымдылық олардың физикалық өлшемінің функциясы болып табылады: кішірек өлшем кішірек сыйымдылықты білдіреді. Ал кіші конденсаторлар жоғары жылдамдық пен төмен қуатты білдіретіндіктен, кіші транзисторлар жоғары тактілік жиіліктерде жұмыс істей алады және осылайша жылуды аз таратады.
Транзисторлардың өлшемін кішірейткен сайын сыйымдылық өзгеретін жалғыз әсер емес: үлкенірек құрылғылар үшін анық емес көптеген оғаш кванттық механикалық әсерлер бар. Дегенмен, жалпы айтқанда, транзисторларды кішірейту оларды жылдамдатады. Бірақ электронды өнімдер көбірек. транзисторлар ғана емес. Басқа құрамдастарды кішірейткен кезде, олар қалай жұмыс істейді?
Жалпы айтқанда, резисторлар, конденсаторлар және индукторлар сияқты пассивті құрамдас бөліктер кішірейген кезде жақсармайды: көптеген жолдармен олар нашарлайды. Сондықтан бұл компоненттерді кішірейту негізінен оларды кішірек көлемге сығу мүмкіндігі болып табылады. , осылайша ПХД кеңістігін үнемдейді.
Резистордың өлшемін тым көп шығын келтірместен азайтуға болады. Материал бөлігінің кедергісі мына формуламен беріледі, мұндағы l – ұзындық, A – көлденең қима ауданы, ρ – материалдың меншікті кедергісі. жай ғана ұзындығы мен көлденең қимасын азайтып, физикалық тұрғыдан кішірек резистормен аяқталады, бірақ бәрібір бірдей кедергіге ие. Жалғыз кемшілігі - бірдей қуатты таратқанда, физикалық жағынан кіші резисторлар үлкен резисторларға қарағанда көбірек жылу шығарады. Сондықтан, шағын резисторларды тек төмен қуатты тізбектерде пайдалануға болады. Бұл кестеде SMD резисторларының максималды қуат рейтингі олардың өлшемдері азайған сайын қалай төмендейтіні көрсетілген.
Бүгінгі таңда сатып алуға болатын ең кішкентай резистор 03015 метрикалық өлшемі (0,3 мм x 0,15 мм) болып табылады. Олардың номиналды қуаты небәрі 20 мВт және тек өте аз қуатты тарататын және өлшемдері өте шектеулі тізбектер үшін пайдаланылады. Кіші метрика 0201 қаптама (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 жеткілікті дәл емес. оларды өңдеу үшін, сондықтан олар әлі де тауашалық өнімдер болуы мүмкін.
Конденсаторларды да кішірейтуге болады, бірақ бұл олардың сыйымдылығын азайтады. Маневрлік конденсатордың сыйымдылығын есептеу формуласы, мұндағы A - тақтаның ауданы, d - олардың арасындағы қашықтық, ε - диэлектрлік тұрақты (аралық материалдың қасиеті).Егер конденсатор (негізінен тегіс құрылғы) миниатюрленген болса, аумақты азайту керек, осылайша сыйымдылықты азайту керек.Егер сіз әлі де аз көлемде нафара көп жинағыңыз келсе, жалғыз нұсқа. бірнеше қабаттарды біріктіру болып табылады. Сондай-ақ жұқа қабықшаларды (кіші d) және арнайы диэлектриктерді (үлкен ε бар) мүмкін еткен материалдар мен өндірістегі жетістіктерге байланысты соңғы бірнеше онжылдықта конденсаторлардың өлшемдері айтарлықтай қысқарды.
Бүгінгі таңда қол жетімді ең кіші 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 жетілдірілген жабдықты талап етеді, бұл олардың кең таралуын шектейді.
Индукторлар үшін әңгіме біршама күрделі. Тікелей катушканың индуктивтілігі келесі түрде беріледі, мұнда N - айналымдар саны, A - катушканың көлденең қимасының ауданы, l - оның ұзындығы, μ - материал тұрақтысы (өткізгіштік).Егер барлық өлшемдер екі есе азайса, индуктивтілік те екі есе азаяды.Алайда, сымның кедергісі өзгеріссіз қалады: бұл сымның ұзындығы мен көлденең қимасы азаяды. оның бастапқы мәнінің төрттен бір бөлігі. Бұл индуктивтіліктің жартысында бірдей кедергіге ие болатыныңызды білдіреді, осылайша сіз катушканың сапа (Q) коэффициентін екі есе азайтасыз.
Коммерциялық қол жетімді ең кішкентай дискретті индуктор 01005 дюймдік өлшемін (0,4 мм x 0,2 мм) қабылдайды. Олар 56 нН-ға дейін 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 жасауға болатын болса, ол 50%-ға артуы мүмкін. Соңында, катушканы жақсы кішірейту мүмкін емес. Дегенмен, сіздің схемаңыз жоғары жиілікте жұмыс істеп тұрса, бұл міндетті түрде проблема 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. Ерте радиохабарлар толқын ұзындығы шамамен 300 метр болатын шамамен 1 МГц орташа толқынды AM жиілігін пайдаланды. Орталығы 100 МГц немесе 3 метр болатын FM жиілік диапазоны 1960-шы жылдар шамасында танымал болды және бүгінде біз негізінен 1 немесе 2 ГГц (шамамен 20 см) айналасындағы 4G байланысын пайдаланамыз. Жиіліктің жоғарырақ болуы ақпаратты тасымалдау мүмкіндігінің көбірек екенін білдіреді. Миниатюризацияның арқасында бізде осы жиіліктерде жұмыс істейтін арзан, сенімді және энергияны үнемдейтін радиолар бар.
Толқын ұзындығының қысқаруы антенналарды кішірейтуі мүмкін, себебі олардың өлшемі жіберу немесе қабылдау қажет жиілікке тікелей байланысты. Бүгінгі ұялы телефондар ГГц жиіліктерінде арнайы байланысының арқасында ұзын шығып тұрған антенналарды қажет етпейді, ол үшін антенна тек шамамен бір болуы керек. сантиметр. Сондықтан әлі де 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 антенналарымызға қосылған тізбектерге келетін болсақ, олар кішірек болғанда, оларды жасау оңайырақ болады. Бұл транзисторлардың жылдамырақ болғандығынан ғана емес, сонымен қатар электр беру желісінің әсерлері енді мәселе емес. Қысқасы, ұзындығы қашан сым толқын ұзындығының оннан бір бөлігінен асса, тізбекті құрастырған кезде оның ұзындығы бойынша фазалық ығысуды ескеру қажет. 2,4 ГГц жиілікте, бұл тек бір сантиметр сымның тізбекке 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. Intel, Samsung және TSMC, әлі де алдыңғы қатарда тұрған үш бәсекелес екені белгілі. Ойынның бір шаршы микрометріне көбірек мүмкіндіктерді сығуды жалғастырыңыз және болашақта жетілдірілген чиптердің бірнеше ұрпағын енгізуді жоспарлаңыз. Олардың әрбір қадамында қол жеткізген жетістіктері жиырма жыл бұрынғыдай үлкен болмаса да, транзисторларды миниатюризациялау жалғастыруда.
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 ететіннен кішірек. Дискретті құрылғылар үшін Мур заңы жоқ сияқты, бірақ егер Мур заңы болса, біз бір адамның SMD дәнекерлеу мәселесін қаншалықты итермелей алатынын көргіміз келеді.
Мен әрқашан 1970-ші жылдары қолданған PTH резисторын суретке түсіріп, оған SMD резисторын салғым келді, дәл қазір мен қазір ауыстырып/шығып жатқандай. Менің мақсатым - бауырларымды жасау (олардың ешқайсысы да жоқ). электрондық өнімдер) қаншалықты өзгереді, соның ішінде мен жұмысымның бөліктерін де көре аламын (көзімнің көруі нашарлаған сайын, қолым нашарлап барады Дірілдеу).
Мен «бірге ме, жоқ па» деп айтқым келеді. Мен «жақсарту, жақсаруды» жек көремін. Кейде сіздің макетіңіз жақсы жұмыс істейді, бірақ сіз бұдан былай бөліктерді ала алмайсыз. Бұл не дегенім?.Жақсы концепция - жақсы тұжырымдама және оны себепсіз жақсартқанша, сол күйінде сақтаған дұрыс.Гант
«Үш компания Intel, Samsung және TSMC әлі де осы ойынның алдыңғы қатарында бәсекелес болып, бір шаршы микрометрге көбірек мүмкіндіктерді үнемі сығады», - деді.
Электрондық құрамдас бөліктер үлкен және қымбат. 1971 жылы орташа отбасында бірнеше радио, стерео және теледидар болды. 1976 жылға қарай компьютерлер, калькуляторлар, сандық сағаттар мен сағаттар шықты, олар тұтынушылар үшін шағын және арзан болды.
Кейбір миниатюризация дизайннан келеді. Операциялық күшейткіштер кейбір жағдайларда үлкен индукторларды алмастыра алатын гираторларды пайдалануға 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. Бүгінгі күні бізге онша мән бермейміз. Сигналды кері қайтаратын нәрсе керек пе? Жұмыс күшейткішті алыңыз. Сізге мемлекеттік машина керек пе? mpu.etc. алыңыз. Құрамдас бөліктер бүгінгі күні өте кішкентай, бірақ оның ішінде шын мәнінде көптеген компоненттер бар. Демек, сіздің схемаңыздың өлшемі ұлғаяды және қуат тұтынуы артады. Сигналды инверсиялау үшін пайдаланылатын транзистор аз қуат жұмсайды. операциялық күшейткішпен бірдей тапсырманы орындаңыз. Бірақ содан кейін тағы да миниатюризация қуатты пайдалануды қамтамасыз етеді. 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 байланыстырушы сымдар және сол сымдар ақырында 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.
Бұған қоса, Intel, Samsung және TSMC маңызды рөл атқаратыны сөзсіз, бірақ ASML бұл тізімде әлдеқайда маңыздырақ болуы мүмкін. Әрине, бұл пассивті дауысқа қатысты болмауы мүмкін…
Бұл тек келесі ұрпақтың технологиялық түйіндері арқылы кремний шығындарын азайту туралы ғана емес. Қалталар сияқты басқа нәрселер. Шағын пакеттер азырақ материалды және wcsp немесе одан да азырақ қажет етеді. Шағын пакеттер, кішірек ПХД немесе модульдер, 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 қуатты тұтынуды азайту үшін жаңа технологияларды пайдалануымыз мүмкін (әдетте бұл тегін емес, сондықтан тұтынушыларға көңіл бөлетін кейбір бәсекелестік артықшылықтар болуы керек)
Үлкен құрамдастардың артықшылықтарының бірі радиацияға қарсы материал болып табылады. Кішкентай транзисторлар бұл маңызды жағдайда ғарыштық сәулелердің әсеріне көбірек сезімтал. Мысалы, ғарышта және тіпті биіктіктегі обсерваторияларда.
Мен жылдамдықты арттырудың негізгі себебін көрмедім. Сигнал жылдамдығы шамамен наносекунд үшін 8 дюймді құрайды. Сондықтан тек өлшемді азайту арқылы микросхемалар жылдамырақ болуы мүмкін.
Қаптаманың өзгеруіне және қысқартылған циклдерге (1/жиілік) байланысты таралу кідірісіндегі айырмашылықты есептеу арқылы өзіңіздің математикаңызды тексергіңіз келуі мүмкін. Яғни, фракциялардың кідірісін/периодын азайту үшін. Сіз оның тіпті ретінде көрсетілмейтінін көресіз. дөңгелектеу факторы.
Мен қосқым келетін бір нәрсе, көптеген IC-лер, әсіресе ескі дизайндар мен аналогтық чиптер, кем дегенде, ішкі түрде қысқартылмайды. Автоматтандырылған өндірісті жақсартуға байланысты пакеттер кішірейді, бірақ бұл DIP пакеттерінде әдетте көп мөлшерде болатындығына байланысты. транзисторлар т.б. кішірейгендіктен емес, ішіндегі бос орын қалды.
Роботты жоғары жылдамдықты таңдау және орналастыру қолданбаларында кішкентай құрамдастарды нақты өңдеу үшін жеткілікті дәл ету мәселесінен басқа, тағы бір мәселе - кішкентай құрамдастарды сенімді дәнекерлеу. Әсіресе, қуат/қуат талаптарына байланысты үлкенірек құрамдас бөліктер қажет болғанда. Пайдалану арнайы дәнекерлеу пастасы, арнайы сатылы дәнекерлеу пастасы шаблондары (қажет жерде дәнекерлеу пастасын аз мөлшерде қолданыңыз, бірақ үлкен компоненттер үшін жеткілікті дәнекерлеу пастасын қамтамасыз етіңіз) өте қымбат бола бастады. Сондықтан, менің ойымша, плато және схемада одан әрі миниатюризация бар. тақта деңгейі - бұл қымбат және мүмкін болатын әдіс. Бұл кезде сіз кремний пластина деңгейінде көбірек интеграция жасай аласыз және дискретті құрамдастардың санын абсолютті минимумға дейін жеңілдете аласыз.
Сіз мұны телефоныңызда көресіз. Шамамен 1995 жылы мен гараждағы сатылымдағы кейбір ерте ұялы телефондарды әрқайсысын бірнеше долларға сатып алдым. IC-лердің көпшілігі саңылаулары бар. Танылатын CPU және NE570 компандер, үлкен қайта пайдалануға болатын IC.
Содан кейін мен бірнеше жаңартылған ұялы телефондармен аяқталдым. Құрамдас бөліктер өте аз және таныс ештеңе дерлік жоқ. IC-нің аз санында тығыздық жоғары ғана емес, сонымен қатар жаңа дизайн (SDR қараңыз) қабылданды, бұл олардың көпшілігін жояды. бұрын таптырмайтын дискретті компоненттер.
> (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 құрамдастары өте кішкентай, сіз өзіңіздің орталық процессорыңызды жобалау және оны ПХД-де басып шығару үшін нақты дискретті құрамдастарды (74xx және басқа қоқыс емес) пайдалана аласыз. Оны жарық диодымен себіңіз, оның нақты уақытта жұмыс істейтінін көре аласыз.
Осы жылдар ішінде мен күрделі және кішігірім құрамдастардың қарқынды дамуын бағалаймын. Олар орасан зор прогресті қамтамасыз етеді, бірақ сонымен бірге прототип жасаудың итерациялық процесіне күрделіліктің жаңа деңгейін қосады.
Аналогтық тізбектерді реттеу және модельдеу жылдамдығы зертханада орындағанға қарағанда әлдеқайда жылдам. Цифрлық тізбектердің жиілігі жоғарылаған сайын ПХД құрастырудың бір бөлігіне айналады. Мысалы, электр беру желісінің әсерлері, таралу кешігуі. Кез келген кесудің прототипі. шеткі технология зертханада түзетулер енгізуге емес, дизайнды дұрыс аяқтауға жұмсалады.
Хобби элементтеріне келетін болсақ, бағалау. Тақталар мен модульдер кішірейтетін компоненттер мен алдын ала тестілеу модульдерінің шешімі 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 тесігінен SMD-ге ауыстырдым. Өнімдерді арзанырақ жасаңыз, бірақ прототиптерді қолмен жасау қызық емес. Бір кішкене қателік: «параллель орын» «параллель пластина» деп оқу керек.
Жоқ. Жүйе жеңгеннен кейін, археологтар оның табылғандарымен әлі де шатастырады. Кім біледі, мүмкін, 23 ғасырда Планетарлық альянс жаңа жүйені қабылдайтын шығар...
Мен бұдан әрі келісе алмадым. 0603 өлшемі қандай? Әрине, 0603 өлшемін империялық өлшем ретінде сақтау және 0603 метрикалық өлшемін 0604 (немесе 0602) «шақыру» техникалық тұрғыдан дұрыс емес болса да (яғни: нақты сәйкес өлшем - бұлай емес) бәрібір. 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».