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Talvez depois da lei de Ohm, a segunda lei mais famosa da eletrônica seja a lei de Moore: o número de transistores que podem ser fabricados em um circuito integrado dobra a cada dois anos ou mais. Como o tamanho físico do chip permanece praticamente o mesmo, isso significa que os transistores individuais ficarão menores com o tempo. Começamos a esperar que uma nova geração de chips com recursos menores apareça em uma velocidade normal, mas qual é o sentido de tornar as coisas menores? Menor sempre significa melhor?
No século passado, a engenharia eletrônica fez um tremendo progresso. Na década de 1920, os rádios AM mais avançados consistiam em vários tubos de vácuo, vários indutores, capacitores e resistores enormes, dezenas de metros de fios usados ​​como antenas e um grande conjunto de baterias para alimentar todo o dispositivo. Hoje, você pode ouvir mais de uma dúzia de serviços de streaming de música no dispositivo que está no seu bolso e fazer muito mais. Mas a miniaturização não serve apenas para portabilidade: é absolutamente necessária para alcançar o desempenho que esperamos dos nossos dispositivos hoje.
Um benefício óbvio dos componentes menores é que eles permitem incluir mais funcionalidades no mesmo volume. Isto é especialmente importante para circuitos digitais: mais componentes significam que você pode fazer mais processamento no mesmo período de tempo. Por exemplo, em teoria, a quantidade de informações processadas por um processador de 64 bits é oito vezes maior que uma CPU de 8 bits rodando na mesma frequência de clock. Mas também requer oito vezes mais componentes: registradores, somadores, barramentos, etc. são oito vezes maiores. Portanto, você precisa de um chip oito vezes maior ou de um transistor oito vezes menor.
O mesmo se aplica aos chips de memória: ao fabricar transistores menores, você tem mais espaço de armazenamento no mesmo volume. Os pixels na maioria dos monitores hoje são feitos de transistores de película fina, por isso faz sentido reduzi-los e obter resoluções mais altas. Contudo, quanto menor o transistor, melhor, e há outra razão crucial: seu desempenho é bastante melhorado. Mas por que exatamente?
Sempre que você fabrica um transistor, ele fornece alguns componentes adicionais gratuitamente. Cada terminal possui um resistor em série. Qualquer objeto que transporte corrente também possui autoindutância. Finalmente, existe uma capacitância entre quaisquer dois condutores frente a frente. Todos esses efeitos consomem energia e diminuem a velocidade do transistor. As capacitâncias parasitas são particularmente problemáticas: os transistores precisam ser carregados e descarregados cada vez que são ligados ou desligados, o que requer tempo e corrente da fonte de alimentação.
A capacitância entre dois condutores é função do seu tamanho físico: um tamanho menor significa uma capacitância menor. E como capacitores menores significam velocidades mais altas e menor potência, transistores menores podem funcionar em frequências de clock mais altas e dissipar menos calor ao fazê-lo.
À medida que você diminui o tamanho dos transistores, a capacitância não é o único efeito que muda: há muitos efeitos mecânicos quânticos estranhos que não são óbvios para dispositivos maiores. No entanto, de modo geral, tornar os transistores menores os tornará mais rápidos. Mas os produtos eletrônicos são mais do que apenas transistores. Quando você reduz outros componentes, como eles funcionam?
De modo geral, os componentes passivos, como resistores, capacitores e indutores, não melhorarão quando ficarem menores: em muitos aspectos, piorarão. Portanto, a miniaturização desses componentes visa principalmente poder comprimi-los em um volume menor, economizando assim espaço no PCB.
O tamanho do resistor pode ser reduzido sem causar muita perda. A resistência de um pedaço de material é dada por, onde l é o comprimento, A é a área da seção transversal e ρ é a resistividade do material. Você pode simplesmente reduzir o comprimento e a seção transversal e acabar com um resistor fisicamente menor, mas ainda com a mesma resistência. A única desvantagem é que, ao dissipar a mesma potência, resistores fisicamente menores gerarão mais calor do que resistores maiores. Portanto, pequenos resistores só podem ser usados ​​em circuitos de baixa potência. Esta tabela mostra como a potência máxima dos resistores SMD diminui à medida que seu tamanho diminui.
Hoje, o menor resistor que você pode comprar é o tamanho métrico 03015 (0,3 mm x 0,15 mm). Sua potência nominal é de apenas 20 mW e é usada apenas para circuitos que dissipam muito pouca energia e são extremamente limitados em tamanho. Um pacote métrico menor 0201 (0,2 mm x 0,1 mm) foi lançado, mas ainda não foi colocado em produção. Mas mesmo que apareçam no catálogo do fabricante, não espere que estejam em todos os lugares: a maioria dos robôs pick and place não são precisos o suficiente para manuseá-los, então ainda podem ser produtos de nicho.
Os capacitores também podem ser reduzidos, mas isso reduzirá sua capacitância. A fórmula para calcular a capacitância de um capacitor shunt é onde A é a área da placa, d é a distância entre eles e ε é a constante dielétrica (propriedade do material intermediário). Se o capacitor (basicamente um dispositivo plano) for miniaturizado, a área deverá ser reduzida, reduzindo assim a capacitância. Se você ainda quiser embalar muita nafara em um volume pequeno, a única opção é empilhar várias camadas juntas. Devido aos avanços nos materiais e na fabricação, que também tornaram possíveis filmes finos (d pequeno) e dielétricos especiais (com ε maior), o tamanho dos capacitores diminuiu significativamente nas últimas décadas.
O menor capacitor disponível hoje está em um pacote métrico 0201 ultrapequeno: apenas 0,25 mm x 0,125 mm. Sua capacitância é limitada aos ainda úteis 100 nF, e a tensão operacional máxima é de 6,3 V. Além disso, esses pacotes são muito pequenos e requerem equipamentos avançados para manuseá-los, limitando sua ampla adoção.
Para indutores, a história é um pouco complicada. A indutância de uma bobina reta é dada por, onde N é o número de voltas, A é a área da seção transversal da bobina, l é o seu comprimento e μ é a constante do material (permeabilidade). Se todas as dimensões forem reduzidas pela metade, a indutância também será reduzida pela metade. No entanto, a resistência do fio permanece a mesma: isto ocorre porque o comprimento e a seção transversal do fio são reduzidos a um quarto do seu valor original. Isso significa que você acaba com a mesma resistência na metade da indutância, reduzindo pela metade o fator de qualidade (Q) da bobina.
O menor indutor discreto disponível comercialmente adota o tamanho em polegadas 01005 (0,4 mm x 0,2 mm). Estes chegam a 56 nH e têm uma resistência de alguns ohms. Os indutores em um pacote métrico ultrapequeno 0201 foram lançados em 2014, mas aparentemente nunca foram introduzidos no mercado.
As limitações físicas dos indutores foram resolvidas com a utilização de um fenômeno denominado indutância dinâmica, que pode ser observado em bobinas feitas de grafeno. Mas mesmo assim, se puder ser fabricado de forma comercialmente viável, poderá aumentar em 50%. Finalmente, a bobina não pode ser bem miniaturizada. Porém, se o seu circuito estiver operando em altas frequências, isso não é necessariamente um problema. Se o seu sinal estiver na faixa de GHz, algumas bobinas nH geralmente são suficientes.
Isto nos leva a outra coisa que foi miniaturizada no século passado, mas que você pode não perceber imediatamente: o comprimento de onda que usamos para comunicação. As primeiras transmissões de rádio usavam uma frequência AM de onda média de cerca de 1 MHz com comprimento de onda de cerca de 300 metros. A banda de frequência FM centrada em 100 MHz ou 3 metros tornou-se popular por volta da década de 1960 e hoje usamos principalmente comunicações 4G em torno de 1 ou 2 GHz (cerca de 20 cm). Frequências mais altas significam mais capacidade de transmissão de informações. É por causa da miniaturização que temos rádios baratos, confiáveis ​​e economizadores de energia que funcionam nessas frequências.
A redução dos comprimentos de onda pode reduzir as antenas porque seu tamanho está diretamente relacionado à frequência que precisam para transmitir ou receber. Os telemóveis de hoje não necessitam de antenas longas e salientes, graças à sua comunicação dedicada nas frequências GHz, para as quais a antena só precisa de ter cerca de um centímetro de comprimento. É por isso que a maioria dos telefones celulares que ainda contêm receptores FM exigem que você conecte os fones de ouvido antes de usar: o rádio precisa usar o fio do fone de ouvido como antena para obter intensidade de sinal suficiente dessas ondas de um metro de comprimento.
Quanto aos circuitos conectados às nossas antenas em miniatura, quando são menores, ficam mais fáceis de fazer. Isto não ocorre apenas porque os transistores se tornaram mais rápidos, mas também porque os efeitos das linhas de transmissão não são mais um problema. Resumindo, quando o comprimento de um fio excede um décimo do comprimento de onda, é necessário considerar a mudança de fase ao longo de seu comprimento ao projetar o circuito. Em 2,4 GHz, isso significa que apenas um centímetro de fio afetou seu circuito; se você soldar componentes discretos, será uma dor de cabeça, mas se você distribuir o circuito em alguns milímetros quadrados, não será um problema.
Prever o fim da Lei de Moore, ou mostrar que estas previsões estão sempre erradas, tornou-se um tema recorrente no jornalismo científico e tecnológico. O fato é que Intel, Samsung e TSMC, os três concorrentes que ainda estão na vanguarda do jogo, continuam a comprimir mais recursos por micrômetro quadrado e planejam introduzir várias gerações de chips aprimorados no futuro. Mesmo que o progresso que fizeram em cada etapa possa não ser tão grande como há duas décadas, a miniaturização dos transistores continua.
No entanto, para componentes discretos, parece que atingimos um limite natural: torná-los menores não melhora o seu desempenho, e os menores componentes atualmente disponíveis são menores do que a maioria dos casos de uso exige. Parece que não existe a Lei de Moore para dispositivos discretos, mas se houver a Lei de Moore, adoraríamos ver o quanto uma pessoa pode superar o desafio da soldagem SMD.
Sempre quis tirar uma foto de um resistor PTH que usei na década de 1970 e colocar um resistor SMD nele, assim como estou trocando dentro/desligando agora. Meu objetivo é fazer com que meus irmãos (nenhum deles são produtos eletrônicos) mudem bastante, inclusive eu consigo até ver as partes do meu trabalho, (conforme minha visão está piorando, minhas mãos estão piorando tremendo).
Eu gosto de dizer, estamos juntos ou não. Eu realmente odeio “melhorar, melhorar”. Às vezes, seu layout funciona bem, mas você não consegue mais peças. O que diabos é isso? . Um bom conceito é um bom conceito e é melhor mantê-lo como está do que melhorá-lo sem motivo. Gantt
“O fato é que as três empresas Intel, Samsung e TSMC ainda estão competindo na vanguarda deste jogo, extraindo constantemente mais recursos por micrômetro quadrado”,
Os componentes eletrônicos são grandes e caros. Em 1971, a família média tinha apenas alguns rádios, um aparelho de som e uma TV. Em 1976, foram lançados computadores, calculadoras, relógios digitais e relógios, que eram pequenos e baratos para os consumidores.
Alguma miniaturização vem do design. Os amplificadores operacionais permitem o uso de giradores, que podem substituir grandes indutores em alguns casos. Os filtros ativos também eliminam indutores.
Componentes maiores promovem outras coisas: a minimização do circuito, ou seja, tentar usar o menor número de componentes para fazer o circuito funcionar. Hoje, não nos importamos tanto. Precisa de algo para reverter o sinal? Pegue um amplificador operacional. Você precisa de uma máquina de estado? Pegue um mpu. etc. Os componentes hoje são muito pequenos, mas na verdade existem muitos componentes dentro. Então, basicamente, o tamanho do seu circuito aumenta e o consumo de energia aumenta. Um transistor usado para inverter um sinal usa menos energia para realizar o mesmo trabalho do que um amplificador operacional. Mas, novamente, a miniaturização cuidará do uso da energia. Acontece que a inovação seguiu uma direção diferente.
Você realmente perdeu alguns dos maiores benefícios/razões do tamanho reduzido: redução de parasitas de pacotes e aumento do manuseio de energia (o que parece contra-intuitivo).
Do ponto de vista prático, quando o tamanho do recurso atingir cerca de 0,25u, você atingirá o nível de GHz, momento em que o grande pacote SOP começa a produzir o maior efeito*. Fios de ligação longos e esses cabos acabarão por matá-lo.
Neste ponto, os pacotes QFN/BGA melhoraram muito em termos de desempenho. Além disso, quando você monta o pacote dessa forma, você obtém desempenho térmico *significativamente* melhor e almofadas expostas.
Além disso, Intel, Samsung e TSMC certamente desempenharão um papel importante, mas ASML pode ser muito mais importante nesta lista. Claro, isso pode não se aplicar à voz passiva…
Não se trata apenas de reduzir os custos de silício através de nós de processo de próxima geração. Outras coisas, como bolsas. Pacotes menores requerem menos materiais e wcsp ou até menos. Pacotes menores, PCBs ou módulos menores, etc.
Costumo ver alguns produtos de catálogo, onde o único fator determinante é a redução de custos. O tamanho de MHz/memória é o mesmo, a função SOC e a disposição dos pinos são iguais. Podemos usar novas tecnologias para reduzir o consumo de energia (geralmente isso não é gratuito, portanto deve haver algumas vantagens competitivas que interessem aos clientes)
Uma das vantagens dos componentes grandes é o material anti-radiação. Pequenos transistores são mais suscetíveis aos efeitos dos raios cósmicos, nesta importante situação. Por exemplo, no espaço e até em observatórios de alta altitude.
Não vi um motivo importante para o aumento da velocidade. A velocidade do sinal é de aproximadamente 8 polegadas por nanossegundo. Portanto, apenas reduzindo o tamanho, são possíveis chips mais rápidos.
Você pode querer verificar sua própria matemática calculando a diferença no atraso de propagação devido a alterações de empacotamento e ciclos reduzidos (1/frequência). Isso é para reduzir o atraso/período das facções. Você descobrirá que isso nem aparece como fator de arredondamento.
Uma coisa que quero acrescentar é que muitos ICs, especialmente designs mais antigos e chips analógicos, não são realmente reduzidos, pelo menos internamente. Devido a melhorias na fabricação automatizada, os pacotes tornaram-se menores, mas isso ocorre porque os pacotes DIP geralmente têm muito espaço restante em seu interior, e não porque os transistores, etc., tornaram-se menores.
Além do problema de tornar o robô preciso o suficiente para realmente manusear componentes minúsculos em aplicações de coleta e colocação em alta velocidade, outro problema é a soldagem confiável de componentes minúsculos. Especialmente quando você ainda precisa de componentes maiores devido aos requisitos de potência/capacidade. Usando pasta de solda especial, modelos de pasta de solda especiais (aplique uma pequena quantidade de pasta de solda quando necessário, mas ainda forneça pasta de solda suficiente para componentes grandes) começaram a se tornar muito caros. Portanto, acho que há um patamar, e a miniaturização adicional no nível da placa de circuito é apenas uma forma cara e viável. Neste ponto, você também pode fazer mais integração no nível do wafer de silício e simplificar o número de componentes discretos ao mínimo absoluto.
Você verá isso em seu telefone. Por volta de 1995, comprei alguns dos primeiros celulares em vendas de garagem por alguns dólares cada. A maioria dos ICs são passantes. CPU reconhecível e compander NE570, grande IC reutilizável.
Então acabei com alguns telefones portáteis atualizados. Existem poucos componentes e quase nada familiar. Num pequeno número de CIs, não só a densidade é maior, mas também é adotado um novo design (ver SDR), que elimina a maioria dos componentes discretos que antes eram indispensáveis.
> (Aplique uma pequena quantidade de pasta de solda quando necessário, mas ainda forneça pasta de solda suficiente para componentes grandes)
Ei, imaginei o modelo “3D/Wave” para resolver esse problema: mais fino onde estão os menores componentes e mais grosso onde está o circuito de alimentação.
Hoje em dia, os componentes SMT são muito pequenos, você pode usar componentes discretos reais (não 74xx e outros tipos de lixo) para projetar sua própria CPU e imprimi-la no PCB. Polvilhe com LED, você pode ver funcionando em tempo real.
Ao longo dos anos, certamente aprecio o rápido desenvolvimento de componentes pequenos e complexos. Eles proporcionam um progresso tremendo, mas ao mesmo tempo acrescentam um novo nível de complexidade ao processo iterativo de prototipagem.
A velocidade de ajuste e simulação de circuitos analógicos é muito mais rápida do que a que você faz em laboratório. À medida que a frequência dos circuitos digitais aumenta, o PCB passa a fazer parte da montagem. Por exemplo, efeitos na linha de transmissão, atraso de propagação. A prototipagem de qualquer tecnologia de ponta é melhor gasta na conclusão correta do projeto, em vez de fazer ajustes no laboratório.
Quanto aos itens de hobby, avaliação. Placas de circuito e módulos são uma solução para reduzir componentes e pré-teste de módulos.
Isso pode fazer com que as coisas percam a “diversão”, mas acho que fazer seu projeto funcionar pela primeira vez pode ser mais significativo por causa do trabalho ou dos hobbies.
Tenho convertido alguns projetos de furo passante para SMD. Faça produtos mais baratos, mas não é divertido construir protótipos manualmente. Um pequeno erro: “lugar paralelo” deveria ser lido como “placa paralela”.
Não. Depois de um sistema vencer, os arqueólogos ainda ficarão confusos com as suas descobertas. Quem sabe, talvez no século 23, a Aliança Planetária adote um novo sistema…
Eu não poderia concordar mais. Qual é o tamanho de 0603? É claro que manter 0603 como o tamanho imperial e “chamar” o tamanho métrico 0603 de 0604 (ou 0602) não é tão difícil, mesmo que possa ser tecnicamente incorreto (ou seja: tamanho correspondente real – não dessa forma). Estrito), mas pelo menos todos saberão de que tecnologia você está falando (métrica/imperial)!
“De modo geral, componentes passivos como resistores, capacitores e indutores não melhorarão se você os tornar menores.”