أخبار

ولعل القانون الثاني الأكثر شهرة في الإلكترونيات بعد قانون أوم هو قانون مور: يتضاعف عدد الترانزستورات التي يمكن تصنيعها على دائرة متكاملة كل عامين أو نحو ذلك. نظرًا لأن الحجم الفعلي للرقاقة يظل كما هو تقريبًا، فهذا يعني أن الترانزستورات الفردية ستصبح أصغر بمرور الوقت. لقد بدأنا نتوقع ظهور جيل جديد من الرقائق ذات أحجام ميزات أصغر وبسرعة عادية، ولكن ما الفائدة من جعل الأشياء أصغر؟ هل الأصغر دائمًا يعني الأفضل؟
في القرن الماضي، حققت الهندسة الإلكترونية تقدما هائلا. في عشرينيات القرن الماضي، كانت أجهزة الراديو AM الأكثر تقدمًا تتكون من عدة أنابيب مفرغة، والعديد من المحاثات الضخمة، والمكثفات والمقاومات، وعشرات الأمتار من الأسلاك المستخدمة كهوائيات، ومجموعة كبيرة من البطاريات لتشغيل الجهاز بأكمله. اليوم، يمكنك الاستماع إلى أكثر من اثنتي عشرة خدمة بث الموسيقى على الجهاز الموجود في جيبك، ويمكنك القيام بالمزيد. لكن التصغير لا يقتصر على سهولة النقل فحسب، بل إنه ضروري للغاية لتحقيق الأداء الذي نتوقعه من أجهزتنا اليوم.
إحدى الفوائد الواضحة للمكونات الأصغر هي أنها تسمح لك بتضمين المزيد من الوظائف في نفس المجلد. وهذا مهم بشكل خاص للدوائر الرقمية: المزيد من المكونات يعني أنه يمكنك إجراء المزيد من المعالجة في نفس الوقت. على سبيل المثال، من الناحية النظرية، فإن كمية المعلومات التي تتم معالجتها بواسطة معالج 64 بت هي ثمانية أضعاف وحدة المعالجة المركزية 8 بت التي تعمل بنفس تردد الساعة. ولكنه يتطلب أيضًا ثمانية أضعاف عدد المكونات: السجلات، والمجمعات، والحافلات، وما إلى ذلك، جميعها أكبر بثماني مرات. لذا فأنت إما تحتاج إلى شريحة أكبر بثماني مرات، أو تحتاج إلى ترانزستور أصغر بثماني مرات.
وينطبق الشيء نفسه على رقائق الذاكرة: من خلال صنع ترانزستورات أصغر، لديك مساحة تخزين أكبر في نفس الحجم. تتكون وحدات البكسل الموجودة في معظم شاشات العرض اليوم من ترانزستورات رقيقة، لذا فمن المنطقي تصغير حجمها وتحقيق دقة أعلى. ومع ذلك، كلما كان الترانزستور أصغر، كان ذلك أفضل، وهناك سبب حاسم آخر: تحسن أدائه بشكل كبير. ولكن لماذا بالضبط؟
عندما تصنع ترانزستورًا، فإنه سيزودك ببعض المكونات الإضافية مجانًا. كل محطة لديها المقاوم على التوالي. أي جسم يحمل تيارًا له أيضًا محاثة ذاتية. وأخيرًا، هناك سعة بين أي موصلين يواجهان بعضهما البعض. كل هذه التأثيرات تستهلك الطاقة وتبطئ سرعة الترانزستور. تعتبر السعات الطفيلية مزعجة بشكل خاص: يجب شحن الترانزستورات وتفريغها في كل مرة يتم تشغيلها أو إيقاف تشغيلها، الأمر الذي يتطلب الوقت والتيار من مصدر الطاقة.
إن السعة بين موصلين هي دالة لحجمهما المادي: الحجم الأصغر يعني سعة أصغر. ولأن المكثفات الأصغر حجمًا تعني سرعات أعلى وطاقة أقل، يمكن للترانزستورات الأصغر حجمًا أن تعمل بترددات ساعة أعلى وتبدد حرارة أقل أثناء القيام بذلك.
عندما تقوم بتقليص حجم الترانزستورات، فإن السعة ليست هي التأثير الوحيد الذي يتغير: هناك العديد من التأثيرات الميكانيكية الكمومية الغريبة التي ليست واضحة بالنسبة للأجهزة الأكبر حجمًا. ومع ذلك، بشكل عام، فإن جعل الترانزستورات أصغر حجمًا سيجعلها أسرع. لكن المنتجات الإلكترونية هي أكثر من مجرد ترانزستورات. عندما تقوم بتقليص المكونات الأخرى، كيف تؤدي؟
بشكل عام، المكونات السلبية مثل المقاومات، والمكثفات، والمحاثات لن تتحسن عندما تصبح أصغر: في كثير من النواحي، سوف تصبح أسوأ. ولذلك، فإن تصغير هذه المكونات يهدف بشكل أساسي إلى القدرة على ضغطها في حجم أصغر، وبالتالي توفير مساحة ثنائي الفينيل متعدد الكلور.
يمكن تقليل حجم المقاوم دون التسبب في خسارة كبيرة. يتم تحديد مقاومة قطعة من المادة بواسطة، حيث l هو الطول، وA هي مساحة المقطع العرضي، وρ هي مقاومة المادة. يمكنك ببساطة تقليل الطول والمقطع العرضي، وينتهي الأمر بمقاومة أصغر ماديًا، ولكن لا تزال تتمتع بنفس المقاومة. العيب الوحيد هو أنه عند تبديد نفس الطاقة، فإن المقاومات الأصغر حجمًا ستولد حرارة أكثر من المقاومات الأكبر حجمًا. لذلك، لا يمكن استخدام المقاومات الصغيرة إلا في الدوائر منخفضة الطاقة. يوضح هذا الجدول كيف يتناقص الحد الأقصى لمعدل الطاقة لمقاومات SMD مع انخفاض حجمها.
اليوم، أصغر مقاوم يمكنك شراؤه هو الحجم المتري 03015 (0.3 مم × 0.15 مم). تبلغ قدرتها المقدرة 20 ميجاوات فقط وتستخدم فقط للدوائر التي تبدد طاقة قليلة جدًا ومحدودة الحجم للغاية. تم إصدار حزمة متري 0201 أصغر (0.2 مم × 0.1 مم)، ولكن لم يتم وضعها في الإنتاج بعد. ولكن حتى لو ظهرت في كتالوج الشركة المصنعة، فلا تتوقع وجودها في كل مكان: فمعظم روبوتات الاختيار والوضع ليست دقيقة بما يكفي للتعامل معها، لذلك قد تظل منتجات متخصصة.
يمكن أيضًا تقليص حجم المكثفات، لكن هذا سيؤدي إلى تقليل سعتها. صيغة حساب سعة مكثف التحويل هي حيث A هي مساحة اللوحة، d هي المسافة بينهما، و ε هو ثابت العزل الكهربائي (خاصية المادة الوسيطة). إذا تم تصغير المكثف (جهاز مسطح بشكل أساسي)، فيجب تقليل المساحة، وبالتالي تقليل السعة. إذا كنت لا تزال ترغب في تعبئة الكثير من النفارة في حجم صغير، فالخيار الوحيد هو تكديس عدة طبقات معًا. نظرًا للتقدم في المواد والتصنيع، والذي أدى أيضًا إلى صنع أغشية رقيقة (d صغيرة) وعوازل خاصة (مع ε أكبر)، فقد تقلص حجم المكثفات بشكل كبير في العقود القليلة الماضية.
أصغر مكثف متوفر اليوم هو في حزمة مترية صغيرة جدًا 0201: فقط 0.25 مم × 0.125 مم. تقتصر سعتها على 100 نانومتر التي لا تزال مفيدة، والحد الأقصى لجهد التشغيل هو 6.3 فولت. كما أن هذه الحزم صغيرة جدًا وتتطلب معدات متقدمة للتعامل معها، مما يحد من اعتمادها على نطاق واسع.
بالنسبة للمحرِّضات، القصة صعبة بعض الشيء. يتم الحصول على محاثة الملف المستقيم من خلال، حيث N هو عدد اللفات، A هي مساحة المقطع العرضي للملف، l هو طوله، و μ هو ثابت المادة (النفاذية). إذا تم تقليل جميع الأبعاد بمقدار النصف، فسيتم أيضًا تقليل الحث بمقدار النصف. ومع ذلك، تظل مقاومة السلك كما هي: وذلك لأن طول السلك ومقطعه العرضي قد انخفض إلى ربع قيمته الأصلية. هذا يعني أنه سينتهي بك الأمر بنفس المقاومة في نصف الحث، وبالتالي تقلل عامل الجودة (Q) للملف إلى النصف.
أصغر محث منفصل متوفر تجاريًا يعتمد حجم البوصة 01005 (0.4 مم × 0.2 مم). تصل هذه المقاومة إلى 56 nH ولها مقاومة قليلة أوم. تم إطلاق المحاثات في حزمة مترية صغيرة جدًا 0201 في عام 2014، ولكن يبدو أنه لم يتم طرحها في السوق مطلقًا.
تم حل القيود الفيزيائية للمحرِّضات باستخدام ظاهرة تسمى الحث الديناميكي، والتي يمكن ملاحظتها في الملفات المصنوعة من الجرافين. ولكن حتى مع ذلك، إذا كان من الممكن تصنيعها بطريقة مجدية تجاريا، فقد تزيد بنسبة 50٪. وأخيرا، لا يمكن تصغير الملف بشكل جيد. ومع ذلك، إذا كانت دائرتك تعمل بترددات عالية، فهذه ليست مشكلة بالضرورة. إذا كانت إشارتك في نطاق جيجاهرتز، فعادةً ما يكون عدد قليل من ملفات nH كافيًا.
يقودنا هذا إلى شيء آخر تم تصغيره في القرن الماضي ولكنك قد لا تلاحظه على الفور: الطول الموجي الذي نستخدمه للاتصالات. استخدمت عمليات البث الإذاعي المبكرة تردد AM متوسط ​​الموجة يبلغ حوالي 1 ميجاهرتز وطول موجة يبلغ حوالي 300 متر. أصبح نطاق تردد FM المتمركز عند 100 ميجا هرتز أو 3 أمتار شائعًا في ستينيات القرن الماضي، واليوم نستخدم بشكل أساسي اتصالات 4G حوالي 1 أو 2 جيجا هرتز (حوالي 20 سم). الترددات الأعلى تعني قدرة أكبر على نقل المعلومات. بفضل التصغير أصبح لدينا أجهزة راديو رخيصة وموثوقة وموفرة للطاقة تعمل على هذه الترددات.
يمكن أن يؤدي تقلص الأطوال الموجية إلى تقليص الهوائيات لأن حجمها يرتبط ارتباطًا مباشرًا بالتردد الذي تحتاجه للإرسال أو الاستقبال. لا تحتاج الهواتف المحمولة اليوم إلى هوائيات بارزة طويلة، وذلك بفضل اتصالاتها المخصصة بترددات جيجاهرتز، حيث يحتاج الهوائي إلى حوالي سنتيمتر واحد فقط. ولهذا السبب تطلب منك معظم الهواتف المحمولة التي لا تزال تحتوي على أجهزة استقبال FM توصيل سماعات الأذن قبل الاستخدام: يحتاج الراديو إلى استخدام سلك سماعة الأذن كهوائي للحصول على قوة إشارة كافية من تلك الموجات الطويلة التي يبلغ طولها مترًا واحدًا.
أما بالنسبة للدوائر المتصلة بهوائياتنا المصغرة، فعندما تكون أصغر حجمًا، يصبح تصنيعها أسهل. وهذا ليس فقط لأن الترانزستورات أصبحت أسرع، ولكن أيضًا لأن تأثيرات خط النقل لم تعد مشكلة. باختصار، عندما يتجاوز طول السلك عُشر الطول الموجي، عليك أن تأخذ في الاعتبار تحول الطور على طوله عند تصميم الدائرة. عند التردد 2.4 جيجا هرتز، هذا يعني أن سنتيمترًا واحدًا فقط من السلك قد أثر على دائرتك؛ إذا قمت بلحام المكونات المنفصلة معًا، فهذا يمثل صداعًا، ولكن إذا قمت بتخطيط الدائرة على بضعة ملليمترات مربعة، فلن تكون هناك مشكلة.
أصبح التنبؤ بزوال قانون مور، أو إظهار خطأ هذه التنبؤات مرارًا وتكرارًا، موضوعًا متكررًا في صحافة العلوم والتكنولوجيا. وتبقى الحقيقة أن شركات Intel وSamsung وTSMC، المنافسون الثلاثة الذين ما زالوا في طليعة اللعبة، يواصلون ضغط المزيد من الميزات لكل ميكرومتر مربع، ويخططون لتقديم عدة أجيال من الرقائق المحسنة في المستقبل. وعلى الرغم من أن التقدم الذي أحرزوه في كل خطوة قد لا يكون كبيرًا كما كان الحال قبل عقدين من الزمن، إلا أن تصغير الترانزستورات مستمر.
ومع ذلك، بالنسبة للمكونات المنفصلة، ​​يبدو أننا وصلنا إلى الحد الطبيعي: إن تصغيرها لا يؤدي إلى تحسين أدائها، وأصغر المكونات المتوفرة حاليًا أصغر مما تتطلبه معظم حالات الاستخدام. يبدو أنه لا يوجد قانون مور للأجهزة المنفصلة، ​​ولكن إذا كان هناك قانون مور، فإننا نود أن نرى إلى أي مدى يمكن لشخص واحد أن يدفع تحدي اللحام SMD.
لقد أردت دائمًا التقاط صورة لمقاوم PTH الذي استخدمته في السبعينيات، ووضع مقاوم SMD عليه، تمامًا كما أقوم بالتبديل الآن. هدفي هو أن أجعل إخواني وأخواتي (ليس أحد منهم منتجات إلكترونية) مقدار التغيير، بما في ذلك أن أتمكن من رؤية أجزاء من عملي، (حيث أن بصري يزداد سوءًا، ويدي تزداد سوءًا ارتعاشًا).
أحب أن أقول، هل هو معًا أم لا؟ أنا حقًا أكره عبارة "التحسين، التحسن". في بعض الأحيان يعمل تخطيطك بشكل جيد، ولكن لم يعد بإمكانك الحصول على الأجزاء. ما هذا بحق الجحيم؟ . المفهوم الجيد هو مفهوم جيد، ومن الأفضل الاحتفاظ به كما هو، بدلاً من تحسينه بلا سبب. جانت
"تظل الحقيقة أن الشركات الثلاث Intel وSamsung وTSMC لا تزال تتنافس على صدارة هذه اللعبة، وتضغط باستمرار على المزيد من الميزات لكل ميكرومتر مربع."
المكونات الإلكترونية كبيرة ومكلفة. في عام 1971، لم يكن لدى الأسرة المتوسطة سوى عدد قليل من أجهزة الراديو وجهاز الاستريو والتلفزيون. وبحلول عام 1976، ظهرت أجهزة الكمبيوتر والآلات الحاسبة والساعات الرقمية والساعات، والتي كانت صغيرة الحجم وغير مكلفة بالنسبة للمستهلكين.
بعض التصغير يأتي من التصميم. تسمح مكبرات الصوت التشغيلية باستخدام الجيراترات، والتي يمكن أن تحل محل المحاثات الكبيرة في بعض الحالات. تقوم المرشحات النشطة أيضًا بإزالة المحاثات.
تعمل المكونات الأكبر حجمًا على تعزيز أشياء أخرى: تقليل حجم الدائرة، أي محاولة استخدام أقل عدد من المكونات لتشغيل الدائرة. اليوم، نحن لا نهتم كثيرا. هل تحتاج إلى شيء لعكس الإشارة؟ خذ مكبر للصوت التشغيلي. هل تحتاج إلى آلة الدولة؟ خذ مبو. إلخ. المكونات اليوم صغيرة حقًا، ولكن يوجد بالفعل العديد من المكونات بداخلها. لذلك يزداد حجم دائرتك ويزداد استهلاك الطاقة. يستخدم الترانزستور المستخدم لعكس الإشارة طاقة أقل لإنجاز نفس المهمة مقارنة بمكبر الصوت التشغيلي. ولكن مرة أخرى، سوف يعتني التصغير باستخدام القوة. لقد ذهب الابتكار في اتجاه مختلف.
لقد فاتتك حقًا بعض أكبر الفوائد/أسباب انخفاض الحجم: انخفاض طفيليات الحزمة وزيادة التعامل مع الطاقة (وهو ما يبدو غير بديهي).
من الناحية العملية، بمجرد أن يصل حجم الميزة إلى حوالي 0.25u، ستصل إلى مستوى جيجاهرتز، وفي ذلك الوقت تبدأ حزمة SOP الكبيرة في إنتاج أكبر* تأثير. أسلاك الربط الطويلة وتلك الخيوط ستقتلك في النهاية.
في هذه المرحلة، تحسنت حزم QFN/BGA بشكل كبير من حيث الأداء. بالإضافة إلى ذلك، عندما تقوم بتركيب الحزمة بشكل مسطح بهذه الطريقة، سينتهي بك الأمر بأداء حراري أفضل *بشكل ملحوظ* ومنصات مكشوفة.
بالإضافة إلى ذلك، من المؤكد أن Intel وSamsung وTSMC ستلعب دورًا مهمًا، لكن ASML قد يكون أكثر أهمية في هذه القائمة. وبطبيعة الحال، هذا قد لا ينطبق على صيغة المبني للمجهول ...
لا يتعلق الأمر فقط بتقليل تكاليف السيليكون من خلال عقد عملية الجيل التالي. أشياء أخرى، مثل الحقائب. تتطلب الحزم الأصغر حجمًا مواد ووسائط أقل أو حتى أقل. حزم أصغر، وثنائي الفينيل متعدد الكلور أو وحدات أصغر، وما إلى ذلك.
كثيرًا ما أرى بعض منتجات الكتالوج، حيث يكون العامل الدافع الوحيد هو تقليل التكلفة. حجم الذاكرة/MHz هو نفسه، ووظيفة SOC وترتيب الدبوس متماثلان. قد نستخدم تقنيات جديدة لتقليل استهلاك الطاقة (عادةً هذا ليس مجانيًا، لذلك يجب أن تكون هناك بعض المزايا التنافسية التي يهتم بها العملاء)
إحدى مزايا المكونات الكبيرة هي المادة المضادة للإشعاع. تكون الترانزستورات الصغيرة أكثر عرضة لتأثيرات الأشعة الكونية في هذا الوضع المهم. على سبيل المثال، في الفضاء وحتى المراصد عالية الارتفاع.
لم أر سببا رئيسيا لزيادة السرعة. تبلغ سرعة الإشارة حوالي 8 بوصات لكل نانو ثانية. لذلك فقط من خلال تقليل الحجم، يصبح من الممكن الحصول على رقائق أسرع.
قد ترغب في التحقق من الرياضيات الخاصة بك عن طريق حساب الفرق في تأخير النشر بسبب تغييرات التغليف والدورات المنخفضة (1/التكرار). وذلك لتقليل تأخير/فترة الفصائل. ستجد أنه لا يظهر حتى كعامل تقريب.
شيء واحد أريد إضافته هو أن العديد من الدوائر المتكاملة، وخاصة التصميمات القديمة والرقائق التناظرية، لم يتم تقليص حجمها فعليًا، على الأقل داخليًا. نظرًا للتحسينات في التصنيع الآلي، أصبحت الحزم أصغر، ولكن ذلك لأن حزم DIP عادةً ما تحتوي على مساحة كبيرة متبقية بالداخل، وليس لأن الترانزستورات وما إلى ذلك أصبحت أصغر.
بالإضافة إلى مشكلة جعل الروبوت دقيقًا بما يكفي للتعامل فعليًا مع المكونات الصغيرة في تطبيقات الالتقاط والمكان عالية السرعة، هناك مشكلة أخرى وهي لحام المكونات الصغيرة بشكل موثوق. خاصة عندما لا تزال بحاجة إلى مكونات أكبر بسبب متطلبات الطاقة/السعة. باستخدام معجون لحام خاص، بدأت قوالب لصق اللحام ذات الخطوات الخاصة (ضع كمية صغيرة من معجون اللحام عند الحاجة، مع توفير ما يكفي من معجون اللحام للمكونات الكبيرة) تصبح باهظة الثمن. لذلك أعتقد أن هناك ثباتًا، والمزيد من التصغير على مستوى لوحة الدائرة هو مجرد وسيلة مكلفة وممكنة. في هذه المرحلة، يمكنك أيضًا إجراء المزيد من التكامل على مستوى رقاقة السيليكون وتبسيط عدد المكونات المنفصلة إلى الحد الأدنى المطلق.
سترى هذا على هاتفك. في حوالي عام 1995، اشتريت بعض الهواتف المحمولة المبكرة من مبيعات المرآب مقابل بضعة دولارات لكل منها. معظم المرحلية تكون من خلال الفتحة. وحدة المعالجة المركزية (CPU) ووحدة المعالجة المركزية NE570 التي يمكن التعرف عليها، ودائرة متكاملة كبيرة قابلة لإعادة الاستخدام.
ثم انتهى بي الأمر ببعض الهواتف المحمولة المحدثة. هناك عدد قليل جدًا من المكونات ولا شيء مألوف تقريبًا. في عدد صغير من المرحلية، ليست الكثافة أعلى فحسب، بل تم أيضًا اعتماد تصميم جديد (انظر حقوق السحب الخاصة)، مما يلغي معظم المكونات المنفصلة التي كانت لا غنى عنها سابقًا.
> (ضع كمية صغيرة من معجون اللحام عند الحاجة، مع توفير ما يكفي من معجون اللحام للمكونات الكبيرة)
مهلا، لقد تخيلت قالب "3D/Wave" لحل هذه المشكلة: أرق حيث تكون أصغر المكونات، وأكثر سمكا حيث توجد دائرة الطاقة.
في الوقت الحاضر، مكونات SMT صغيرة جدًا، يمكنك استخدام مكونات منفصلة حقيقية (وليس 74xx وغيرها من القمامة) لتصميم وحدة المعالجة المركزية الخاصة بك وطباعتها على PCB. رشها بمصباح LED، ويمكنك رؤيتها تعمل في الوقت الفعلي.
على مر السنين، أنا بالتأكيد أقدر التطور السريع للمكونات المعقدة والصغيرة. إنها توفر تقدمًا هائلاً، ولكنها في الوقت نفسه تضيف مستوى جديدًا من التعقيد إلى العملية التكرارية للنماذج الأولية.
تعد سرعة التعديل والمحاكاة للدوائر التناظرية أسرع بكثير مما تفعله في المختبر. ومع ارتفاع تردد الدوائر الرقمية، يصبح PCB جزءًا من التجميع. على سبيل المثال، تأثيرات خط النقل، وتأخير الانتشار. من الأفضل إنفاق النماذج الأولية لأي تقنية متطورة على إكمال التصميم بشكل صحيح، بدلاً من إجراء التعديلات في المختبر.
أما بالنسبة لعناصر الهوايات، التقييم. تعد لوحات الدوائر والوحدات حلاً لتقليص المكونات ووحدات الاختبار المسبق.
قد يؤدي هذا إلى فقدان "المتعة" للأشياء، لكنني أعتقد أن تنفيذ مشروعك لأول مرة قد يكون أكثر أهمية بسبب العمل أو الهوايات.
لقد قمت بتحويل بعض التصميمات من الفتحة إلى SMD. اصنع منتجات أرخص، لكن ليس من الممتع بناء نماذج أولية يدويًا. خطأ صغير واحد: يجب قراءة عبارة "المكان الموازي" على أنها "لوحة متوازية".
لا، فبعد فوز النظام، سيظل علماء الآثار في حيرة من أمرهم بسبب النتائج التي توصل إليها. من يدري، ربما في القرن الثالث والعشرين، سيتبنى تحالف الكواكب نظامًا جديدًا...
لا أستطيع أن أتفق أكثر من ذلك. ما هو حجم 0603؟ بالطبع، الاحتفاظ بالحجم الإمبراطوري 0603 و"استدعاء" الحجم المتري 0603 0604 (أو 0602) ليس بالأمر الصعب، حتى لو كان غير صحيح من الناحية الفنية (على سبيل المثال: حجم المطابقة الفعلي - ليس بهذه الطريقة) على أي حال. صارمة)، ولكن على الأقل سيعرف الجميع ما هي التكنولوجيا التي تتحدث عنها (مترية/إمبراطورية)!
"بشكل عام، المكونات السلبية مثل المقاومات والمكثفات والمحاثات لن تتحسن إذا قمت بتصغيرها."