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Forse, dopo la legge di Ohm, la seconda legge più famosa in elettronica è la legge di Moore: il numero di transistor che possono essere prodotti su un circuito integrato raddoppia ogni due anni circa. Poiché la dimensione fisica del chip rimane più o meno la stessa, ciò significa che i singoli transistor diventeranno più piccoli nel tempo. Abbiamo iniziato ad aspettarci che una nuova generazione di chip con caratteristiche di dimensioni più piccole appaia a una velocità normale, ma che senso ha rendere le cose più piccole? Più piccolo significa sempre migliore?
Nell’ultimo secolo l’ingegneria elettronica ha fatto enormi progressi. Negli anni '20, le radio AM più avanzate erano costituite da diversi tubi a vuoto, diversi enormi induttori, condensatori e resistori, decine di metri di cavi utilizzati come antenne e un ampio set di batterie per alimentare l'intero dispositivo. Oggi puoi ascoltare più di una dozzina di servizi di streaming musicale sul dispositivo che hai in tasca e puoi fare di più. Ma la miniaturizzazione non riguarda solo la portabilità: è assolutamente necessaria per raggiungere le prestazioni che oggi ci aspettiamo dai nostri dispositivi.
Un vantaggio evidente dei componenti più piccoli è che consentono di includere più funzionalità nello stesso volume. Ciò è particolarmente importante per i circuiti digitali: più componenti significano che è possibile eseguire più elaborazioni nello stesso lasso di tempo. Ad esempio, in teoria, la quantità di informazioni elaborate da un processore a 64 bit è otto volte quella di una CPU a 8 bit che funziona alla stessa frequenza di clock. Ma richiede anche un numero di componenti otto volte superiore: registri, sommatori, bus, ecc. sono tutti otto volte più grandi. Quindi o hai bisogno di un chip otto volte più grande, oppure di un transistor otto volte più piccolo.
Lo stesso vale per i chip di memoria: realizzando transistor più piccoli, si dispone di più spazio di archiviazione nello stesso volume. I pixel nella maggior parte dei display odierni sono costituiti da transistor a film sottile, quindi ha senso ridimensionarli e ottenere risoluzioni più elevate. Tuttavia, più piccolo è il transistor, meglio è, e c'è un'altra ragione cruciale: le loro prestazioni sono notevolmente migliorate. Ma perché esattamente?
Ogni volta che crei un transistor, fornirà alcuni componenti aggiuntivi gratuitamente. Ogni terminale ha un resistore in serie. Qualsiasi oggetto che trasporta corrente ha anche autoinduttanza. Infine, c'è una capacità tra due conduttori qualsiasi uno di fronte all'altro. Tutti questi effetti consumano energia e rallentano la velocità del transistor. Le capacità parassite sono particolarmente problematiche: i transistor devono essere caricati e scaricati ogni volta che vengono accesi o spenti, il che richiede tempo e corrente dall'alimentatore.
La capacità tra due conduttori è funzione della loro dimensione fisica: una dimensione minore significa una capacità minore. E poiché condensatori più piccoli significano velocità più elevate e potenza inferiore, i transistor più piccoli possono funzionare a frequenze di clock più elevate e dissipare meno calore.
Man mano che si riducono le dimensioni dei transistor, la capacità non è l’unico effetto che cambia: ci sono molti strani effetti quantomeccanici che non sono evidenti per i dispositivi più grandi. Tuttavia, in generale, ridurre i transistor li renderà più veloci. Ma i prodotti elettronici sono molto più che semplici transistor. Quando riduci gli altri componenti, come si comportano?
In generale, i componenti passivi come resistori, condensatori e induttori non miglioreranno quando diventeranno più piccoli: in molti modi, peggioreranno. Pertanto, la miniaturizzazione di questi componenti consiste principalmente nel poterli comprimere in un volume più piccolo, risparmiando così spazio sul PCB.
La dimensione del resistore può essere ridotta senza causare troppe perdite. La resistenza di un pezzo di materiale è data da, dove l è la lunghezza, A è l'area della sezione trasversale e ρ è la resistività del materiale. Puoi semplicemente ridurre la lunghezza e la sezione trasversale e ritrovarti con un resistore fisicamente più piccolo, ma con la stessa resistenza. L'unico svantaggio è che, dissipando la stessa potenza, i resistori fisicamente più piccoli genereranno più calore rispetto ai resistori più grandi. Pertanto, piccoli resistori possono essere utilizzati solo in circuiti a bassa potenza. Questa tabella mostra come la potenza nominale massima dei resistori SMD diminuisce al diminuire delle loro dimensioni.
Oggi, il resistore più piccolo che è possibile acquistare è quello metrico 03015 (0,3 mm x 0,15 mm). La loro potenza nominale è di soli 20 mW e vengono utilizzati solo per circuiti che dissipano pochissima potenza e hanno dimensioni estremamente limitate. È stato rilasciato un pacchetto metrico 0201 più piccolo (0,2 mm x 0,1 mm), ma non è stato ancora messo in produzione. Ma anche se compaiono nel catalogo del produttore, non aspettarti che siano ovunque: la maggior parte dei robot pick and place non sono sufficientemente precisi per gestirli, quindi potrebbero essere ancora prodotti di nicchia.
È anche possibile ridurre le dimensioni dei condensatori, ma ciò ridurrà la loro capacità. La formula per calcolare la capacità di un condensatore shunt è, dove A è l'area della scheda, d è la distanza tra loro e ε è la costante dielettrica (la proprietà del materiale intermedio). Se il condensatore (sostanzialmente un dispositivo piatto) è miniaturizzato, l'area deve essere ridotta, riducendo così la capacità. Se vuoi comunque imballare molta nafara in un piccolo volume, l'unica opzione è impilare diversi strati insieme. A causa dei progressi nei materiali e nella produzione, che hanno reso possibili anche film sottili (piccolo d) e dielettrici speciali (con ε maggiore), le dimensioni dei condensatori si sono notevolmente ridotte negli ultimi decenni.
Il condensatore più piccolo oggi disponibile è in un contenitore metrico 0201 ultracompatto: solo 0,25 mm x 0,125 mm. La loro capacità è limitata ai ancora utili 100 nF e la tensione operativa massima è 6,3 V. Inoltre, questi contenitori sono molto piccoli e richiedono apparecchiature avanzate per gestirli, limitandone l'adozione diffusa.
Per gli induttori la storia è un po’ complicata. L'induttanza di una bobina diritta è data da, dove N è il numero di spire, A è l'area della sezione trasversale della bobina, l è la sua lunghezza e μ è la costante del materiale (permeabilità). Se tutte le dimensioni vengono ridotte della metà, anche l'induttanza verrà ridotta della metà. La resistenza del filo però rimane la stessa: questo perché la lunghezza e la sezione del filo sono ridotte ad un quarto del suo valore originario. Ciò significa che ti ritroverai con la stessa resistenza in metà dell'induttanza, quindi dimezzerai il fattore di qualità (Q) della bobina.
L'induttore discreto più piccolo disponibile in commercio adotta la dimensione in pollici 01005 (0,4 mm x 0,2 mm). Questi raggiungono i 56 nH e hanno una resistenza di pochi ohm. Gli induttori in un package metrico ultra-piccolo 0201 sono stati lanciati sul mercato nel 2014, ma a quanto pare non sono mai stati introdotti sul mercato.
I limiti fisici degli induttori sono stati risolti utilizzando un fenomeno chiamato induttanza dinamica, che può essere osservato nelle bobine di grafene. Ma anche così, se potesse essere prodotto in modo commercialmente sostenibile, potrebbe aumentare del 50%. Infine, la bobina non può essere miniaturizzata bene. Tuttavia, se il tuo circuito funziona ad alte frequenze, questo non è necessariamente un problema. Se il segnale è nella gamma dei GHz, in genere sono sufficienti poche bobine nH.
Questo ci porta a un’altra cosa che è stata miniaturizzata nel secolo scorso ma che potresti non notare immediatamente: la lunghezza d’onda che usiamo per la comunicazione. Le prime trasmissioni radiofoniche utilizzavano una frequenza AM a onde medie di circa 1 MHz con una lunghezza d'onda di circa 300 metri. La banda di frequenza FM centrata a 100 MHz o 3 metri è diventata popolare intorno agli anni '60, e oggi utilizziamo principalmente le comunicazioni 4G intorno a 1 o 2 GHz (circa 20 cm). Frequenze più alte significano maggiore capacità di trasmissione delle informazioni. È grazie alla miniaturizzazione che disponiamo di radio economiche, affidabili e a risparmio energetico che funzionano su queste frequenze.
La riduzione delle lunghezze d'onda può ridurre le antenne perché la loro dimensione è direttamente correlata alla frequenza di cui hanno bisogno per trasmettere o ricevere. I telefoni cellulari di oggi non hanno bisogno di antenne sporgenti, grazie alla comunicazione dedicata su frequenze GHz, per le quali è sufficiente che l'antenna sia lunga circa un centimetro. Questo è il motivo per cui la maggior parte dei telefoni cellulari che contengono ancora ricevitori FM richiedono di collegare gli auricolari prima dell'uso: la radio deve utilizzare il cavo degli auricolari come antenna per ottenere una potenza di segnale sufficiente da quelle onde lunghe un metro.
Per quanto riguarda i circuiti collegati alle nostre antenne miniaturizzate, quando sono più piccoli diventano effettivamente più facili da realizzare. Questo non solo perché i transistor sono diventati più veloci, ma anche perché gli effetti della linea di trasmissione non sono più un problema. In breve, quando la lunghezza di un filo supera un decimo della lunghezza d'onda, è necessario considerare lo sfasamento lungo la sua lunghezza durante la progettazione del circuito. A 2,4 GHz, ciò significa che solo un centimetro di filo ha interessato il tuo circuito; se si saldano insieme componenti discreti, è un mal di testa, ma se si dispone il circuito su pochi millimetri quadrati, non è un problema.
Prevedere la fine della Legge di Moore, o mostrare che queste previsioni sono ripetutamente sbagliate, è diventato un tema ricorrente nel giornalismo scientifico e tecnologico. Resta il fatto che Intel, Samsung e TSMC, i tre concorrenti ancora in prima linea, continuano a comprimere più funzionalità per micrometro quadrato e pianificano di introdurre diverse generazioni di chip migliorati in futuro. Anche se i progressi compiuti passo dopo passo potrebbero non essere così grandi come due decenni fa, la miniaturizzazione dei transistor continua.
Tuttavia, per i componenti discreti, sembra che abbiamo raggiunto un limite naturale: renderli più piccoli non ne migliora le prestazioni, e i componenti più piccoli attualmente disponibili sono più piccoli di quanto richiesto dalla maggior parte dei casi d’uso. Sembra che non esista una legge di Moore per i dispositivi discreti, ma se esistesse, ci piacerebbe vedere quanto una persona può spingere la sfida della saldatura SMD.
Ho sempre desiderato scattare una foto di un resistore PTH che usavo negli anni '70 e inserirvi un resistore SMD, proprio come lo sto scambiando adesso. Il mio obiettivo è far sì che i miei fratelli e sorelle (nessuno di loro siano prodotti elettronici) quanto cambiamento, incluso il fatto che posso persino vedere le parti del mio lavoro, (poiché la mia vista sta peggiorando, le mie mani stanno tremando).
Mi piace dire, è insieme o no. Odio davvero "migliorare, migliorare". A volte il tuo layout funziona bene, ma non puoi più ottenere parti. Che diavolo è quello? . Un buon concetto è un buon concetto ed è meglio mantenerlo così com'è piuttosto che migliorarlo senza motivo. Gantt
“Resta il fatto che le tre società Intel, Samsung e TSMC sono ancora in prima linea in questo gioco, spremendo costantemente più funzionalità per micrometro quadrato”,
I componenti elettronici sono grandi e costosi. Nel 1971, la famiglia media aveva solo poche radio, uno stereo e una TV. Nel 1976 erano usciti computer, calcolatrici, orologi digitali e orologi, che erano piccoli ed economici per i consumatori.
Una certa miniaturizzazione deriva dal design. Gli amplificatori operazionali consentono l'uso di giratori, che in alcuni casi possono sostituire induttori di grandi dimensioni. I filtri attivi eliminano anche gli induttori.
I componenti più grandi promuovono altre cose: la minimizzazione del circuito, cioè il tentativo di utilizzare il minor numero di componenti per far funzionare il circuito. Oggi non ci interessa più di tanto. Hai bisogno di qualcosa per invertire il segnale? Prendi un amplificatore operazionale. Serve una macchina statale? Prendi un MPU. ecc. I componenti oggi sono davvero piccoli, ma in realtà ci sono molti componenti all'interno. Quindi, in pratica, le dimensioni del circuito aumentano e il consumo energetico aumenta. Un transistor utilizzato per invertire un segnale utilizza meno energia per svolgere lo stesso lavoro rispetto a un amplificatore operazionale. Ma ancora una volta, la miniaturizzazione si occuperà dell’uso del potere. È solo che l'innovazione è andata in una direzione diversa.
Hai davvero perso alcuni dei maggiori vantaggi/motivi delle dimensioni ridotte: riduzione dei parassiti del pacchetto e maggiore gestione della potenza (il che sembra controintuitivo).
Da un punto di vista pratico, una volta che la dimensione della caratteristica raggiunge circa 0,25u, si raggiunge il livello GHz, momento in cui il pacchetto SOP di grandi dimensioni inizia a produrre l'effetto più grande*. I fili di collegamento lunghi e quei cavi prima o poi ti uccideranno.
A questo punto, i pacchetti QFN/BGA sono notevolmente migliorati in termini di prestazioni. Inoltre, quando si monta il pacchetto piatto in questo modo, si ottengono prestazioni termiche *significativamente* migliori e cuscinetti esposti.
Inoltre, Intel, Samsung e TSMC giocheranno sicuramente un ruolo importante, ma ASML potrebbe essere molto più importante in questo elenco. Naturalmente, questo potrebbe non applicarsi alla voce passiva…
Non si tratta solo di ridurre i costi del silicio attraverso nodi di processo di prossima generazione. Altre cose, come le borse. Gli imballaggi più piccoli richiedono meno materiali e servizi igienici o anche meno. Pacchetti più piccoli, PCB o moduli più piccoli, ecc.
Vedo spesso alcuni prodotti a catalogo, dove l'unico fattore trainante è la riduzione dei costi. La dimensione MHz/memoria è la stessa, la funzione SOC e la disposizione dei pin sono le stesse. Potremmo utilizzare nuove tecnologie per ridurre il consumo energetico (di solito questo non è gratuito, quindi devono esserci alcuni vantaggi competitivi a cui i clienti tengono)
Uno dei vantaggi dei componenti di grandi dimensioni è il materiale antiradiazioni. I minuscoli transistor sono più suscettibili agli effetti dei raggi cosmici, in questa importante situazione. Ad esempio, nello spazio e persino negli osservatori ad alta quota.
Non ho visto una ragione importante per l'aumento della velocità. La velocità del segnale è di circa 8 pollici per nanosecondo. Quindi, semplicemente riducendo le dimensioni, sono possibili chip più veloci.
Potresti voler controllare i tuoi calcoli calcolando la differenza nel ritardo di propagazione dovuto ai cambiamenti di packaging e ai cicli ridotti (1/frequenza). Questo per ridurre il ritardo/periodo delle fazioni. Scoprirai che non viene nemmeno visualizzato come fattore di arrotondamento.
Una cosa che voglio aggiungere è che molti circuiti integrati, in particolare i modelli più vecchi e i chip analogici, non sono effettivamente ridimensionati, almeno internamente. Grazie ai miglioramenti nella produzione automatizzata, i contenitori sono diventati più piccoli, ma ciò è dovuto al fatto che i contenitori DIP di solito hanno molto spazio rimanente all'interno, non perché i transistor, ecc., siano diventati più piccoli.
Oltre al problema di rendere il robot sufficientemente preciso da gestire effettivamente piccoli componenti in applicazioni pick-and-place ad alta velocità, un altro problema è la saldatura affidabile di piccoli componenti. Soprattutto quando sono ancora necessari componenti più grandi a causa dei requisiti di potenza/capacità. Utilizzando una pasta saldante speciale, modelli speciali di pasta saldante a gradini (applicare una piccola quantità di pasta saldante dove necessario, ma fornire comunque abbastanza pasta saldante per componenti di grandi dimensioni) iniziarono a diventare molto costosi. Quindi penso che ci sia un plateau e un'ulteriore miniaturizzazione a livello del circuito stampato sia solo un modo costoso e fattibile. A questo punto, potresti anche fare una maggiore integrazione a livello di wafer di silicio e semplificare il numero di componenti discreti al minimo assoluto.
Lo vedrai sul tuo telefono. Intorno al 1995, comprai alcuni dei primi telefoni cellulari in un mercatino dell'usato per pochi dollari l'uno. La maggior parte dei circuiti integrati sono a foro passante. CPU riconoscibile e compander NE570, ampio circuito integrato riutilizzabile.
Poi mi sono ritrovato con alcuni telefoni portatili aggiornati. Ci sono pochissimi componenti e quasi nulla di familiare. In un numero limitato di circuiti integrati, non solo la densità è maggiore, ma viene adottato anche un nuovo design (vedi SDR), che elimina la maggior parte dei componenti discreti che prima erano indispensabili.
> (Applicare una piccola quantità di pasta saldante dove necessario, ma fornire comunque abbastanza pasta saldante per componenti di grandi dimensioni)
Ehi, ho immaginato il modello "3D/Wave" per risolvere questo problema: più sottile dove si trovano i componenti più piccoli e più spesso dove si trova il circuito di alimentazione.
Al giorno d'oggi, i componenti SMT sono molto piccoli, è possibile utilizzare componenti discreti reali (non 74xx e altra spazzatura) per progettare la propria CPU e stamparla sul PCB. Cospargilo di LED, puoi vederlo funzionare in tempo reale.
Nel corso degli anni apprezzo sicuramente il rapido sviluppo di componenti complessi e piccoli. Forniscono enormi progressi, ma allo stesso tempo aggiungono un nuovo livello di complessità al processo iterativo di prototipazione.
La velocità di regolazione e simulazione dei circuiti analogici è molto più rapida di quella che si ottiene in laboratorio. All'aumentare della frequenza dei circuiti digitali, il PCB diventa parte dell'assemblaggio. Ad esempio, effetti della linea di trasmissione, ritardo di propagazione. È meglio dedicare la prototipazione di qualsiasi tecnologia all'avanguardia al completamento corretto del progetto, piuttosto che apportare modifiche in laboratorio.
Per quanto riguarda gli oggetti hobbistici, valutazione. I circuiti stampati e i moduli rappresentano una soluzione per ridurre le dimensioni dei componenti e pre-testare i moduli.
Ciò potrebbe far perdere alle cose il "divertimento", ma penso che far funzionare il tuo progetto per la prima volta potrebbe essere più significativo a causa del lavoro o degli hobby.
Ho convertito alcuni progetti da foro passante a SMD. Realizza prodotti più economici, ma non è divertente costruire prototipi a mano. Un piccolo errore: “luogo parallelo” dovrebbe essere letto come “piatto parallelo”.
No. Dopo che un sistema ha vinto, gli archeologi saranno ancora confusi dalle sue scoperte. Chissà, forse nel 23° secolo, l’Alleanza Planetaria adotterà un nuovo sistema…
Non potrei essere più d'accordo. Qual è la dimensione di 0603? Naturalmente, mantenere 0603 come dimensione imperiale e "chiamare" la dimensione metrica 0603 0604 (o 0602) non è così difficile, anche se potrebbe essere tecnicamente errato (cioè: dimensione effettiva corrispondente, non in quel modo). Rigoroso), ma almeno tutti sapranno di quale tecnologia stai parlando (metrica/imperiale)!
"In generale, i componenti passivi come resistori, condensatori e induttori non miglioreranno se li rimpicciolisci."