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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. transistores individuais ficarão menores com o tempo.Começamos a esperar que uma nova geração de chips com tamanhos de 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 enorme 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 pode fazer mais. Mas a miniaturização não é apenas para portabilidade: é absolutamente necessária para alcançar o desempenho que esperamos de nossos dispositivos hoje.
Um benefício óbvio dos componentes menores é que eles permitem incluir mais funcionalidades no mesmo volume. Isso é especialmente importante para circuitos digitais: mais componentes significa que você pode fazer mais processamento no mesmo período de tempo. 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. .Então 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. , 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 transporta corrente também possui autoindutância. consomem energia e diminuem a velocidade do transistor. As capacitâncias parasitas são particularmente problemáticas: elas precisam ser carregadas e descarregadas cada vez que os transistores são ligados ou desligados, o que requer tempo e corrente da fonte de alimentação.
A capacitância entre dois condutores é uma função de 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, componentes passivos como resistores, capacitores e indutores não irão melhorar quando ficarem menores: em muitos aspectos, eles irão piorar.Portanto, a miniaturização desses componentes é principalmente para 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. simplesmente reduza o comprimento e a seção transversal e termine 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. os 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 usado apenas para circuitos que dissipam muito pouca energia e são extremamente limitados em tamanho. o pacote (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 lidar com eles, então eles 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 (a propriedade do material intermediário).Se o capacitor (basicamente um dispositivo plano) for miniaturizado, a área deve 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 ultrapequeno 0201: 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 exigem equipamentos avançados para lidar com eles, 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 seu comprimento e μ é o 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: isso ocorre porque o comprimento e a seção transversal do fio são reduzidos a um um quarto de 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). Eles chegam a 56 nH e têm uma resistência de alguns ohms. aparentemente eles nunca foram introduzidos no mercado.
As limitações físicas dos indutores foram resolvidas com a utilização de um fenômeno chamado indutância dinâmica, que pode ser observado em bobinas feitas de grafeno.Mas mesmo assim, se puder ser fabricado de forma comercialmente viável, pode aumentar em 50%.Finalmente, a bobina não pode ser bem miniaturizada. No entanto, 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.
Isso nos leva a outra coisa que foi miniaturizada no século passado, mas 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 um 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). 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 encolher as antenas porque seu tamanho está diretamente relacionado à frequência que precisam para transmitir ou receber. Os telefones celulares de hoje não precisam de antenas longas e salientes, graças à sua comunicação dedicada nas frequências de GHz, para as quais a antena só precisa 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, eles se tornam mais fáceis de fazer. Isso não ocorre apenas porque os transistores se tornaram mais rápidos, mas também porque os efeitos da linha de transmissão não são mais um problema. de um fio excede um décimo do comprimento de onda, você precisa 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 essas previsões estão erradas repetidas vezes, 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 compactar mais recursos por micrômetro quadrado e planejam introduzir várias gerações de chips aprimorados no futuro.Mesmo que o progresso que eles fizeram em cada etapa possa não ser tão grande quanto há duas décadas, a miniaturização dos transistores continua.
No entanto, para componentes discretos, parece que atingimos um limite natural: torná-los menores não melhora 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 existir 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 agora. Meu objetivo é fazer com que meus irmãos e irmãs (nenhum deles seja produtos eletrônicos) quanta mudança, inclusive posso até ver as partes do meu trabalho, (conforme minha visão está piorando, minhas mãos estão piorando tremendo).
Gosto de dizer, estamos juntos ou não. Eu realmente odeio “melhorar, melhorar”. Às vezes, seu layout funciona bem, mas você não consegue mais peças.Que diabos é isso?.Um bom conceito é um bom conceito, e é melhor mantê-lo como está, em vez de 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 os 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 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 começará a produzir o maior efeito*.
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 por meio 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 do MHz/memória é o mesmo, a função SOC e a disposição dos pinos são os mesmos. deve haver algumas vantagens competitivas com as quais os clientes se preocupam)
Uma das vantagens dos componentes grandes é o material anti-radiação. Transistores minúsculos 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 principal para o aumento da velocidade. A velocidade do sinal é de aproximadamente 8 polegadas por nanossegundo. Portanto, apenas reduzindo o tamanho, chips mais rápidos são possíveis.
Você pode querer verificar sua própria matemática calculando a diferença no atraso de propagação devido a mudanças de empacotamento e ciclos reduzidos (1/frequência).Isso é para reduzir o atraso/período das facções.Você descobrirá que nem sequer aparece como um 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 às melhorias na fabricação automatizada, os pacotes tornaram-se menores, mas isso ocorre porque os pacotes DIP geralmente têm muitos espaço restante dentro, não porque os transistores, etc., tenham se tornado menores.
Além do problema de tornar o robô preciso o suficiente para realmente manusear componentes minúsculos em aplicações de coleta e colocação de 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. 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. Então, acho que há um platô e mais miniaturização no circuito O nível da placa é apenas uma maneira 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 telefones celulares em vendas de garagem por alguns dólares cada.
Então acabei com alguns telefones portáteis atualizados.Existem muito poucos componentes e quase nada familiar.Em um pequeno número de ICs, não apenas a densidade é maior, mas também um novo design (ver SDR) é adotado, que elimina a maior parte de os 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 lixos) para projetar sua própria CPU e imprimi-la no PCB. Polvilhe-a com LED, você poderá vê-la funcionando em tempo real.
Ao longo dos anos, certamente aprecio o rápido desenvolvimento de componentes pequenos e complexos. Eles proporcionam um tremendo progresso, 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. a 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 e módulos de circuito são uma solução para reduzir componentes e módulos de pré-teste.
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.Faço produtos mais baratos, mas não é divertido construir protótipos manualmente.Um pequeno erro: “lugar paralelo” deve ser lido como “placa paralela”.
Não.Depois que um sistema vence, os arqueólogos ainda ficarão confusos com 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?Claro, 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) de qualquer maneira. 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.”