أخبار

ربما بعد قانون أوم، فإن القانون الثاني الأكثر شهرة في الإلكترونيات هو قانون مور: يتضاعف عدد الترانزستورات التي يمكن تصنيعها على دائرة متكاملة كل عامين أو نحو ذلك. وبما أن الحجم المادي للرقاقة يبقى كما هو تقريبًا، فهذا يعني أن سوف تصبح الترانزستورات الفردية أصغر بمرور الوقت. لقد بدأنا نتوقع ظهور جيل جديد من الرقائق ذات أحجام ميزات أصغر بسرعة عادية، ولكن ما الفائدة من جعل الأشياء أصغر؟ هل يعني الأصغر دائمًا الأفضل؟
في القرن الماضي، حققت الهندسة الإلكترونية تقدمًا هائلاً. لتشغيل الجهاز بأكمله. اليوم، يمكنك الاستماع إلى أكثر من اثنتي عشرة خدمة بث موسيقى 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 الحجم. وهذا مهم بشكل خاص للدوائر الرقمية: المزيد من المكونات يعني أنه يمكنك إجراء المزيد من المعالجة في نفس المقدار من الوقت. على سبيل المثال، من الناحية النظرية، تبلغ كمية المعلومات التي تتم معالجتها بواسطة معالج 64 بت ثمانية أضعاف ما تعالجه وحدة المعالجة المركزية (CPU) 8 بت التي تعمل بنفس تردد الساعة. ولكنها تتطلب أيضًا ثمانية أضعاف عدد المكونات: المسجلات، والإضافات، والحافلات، وما إلى ذلك، كلها أكبر بثماني مرات لذا فأنت إما بحاجة إلى شريحة أكبر بثماني مرات أو ترانزستور أصغر بثماني مرات.
وينطبق الشيء نفسه على رقائق الذاكرة: من خلال صنع ترانزستورات أصغر، يكون لديك مساحة تخزين أكبر في نفس الحجم. تتكون وحدات البكسل الموجودة في معظم شاشات العرض اليوم من ترانزستورات رقيقة، لذا فمن المنطقي تصغيرها وتحقيق دقة أعلى. كلما كان الترانزستور أصغر، كان ذلك أفضل، وهناك سبب حاسم آخر: تحسن أدائه بشكل كبير. ولكن لماذا بالضبط؟
كلما صنعت ترانزستور، فإنه سيوفر بعض المكونات الإضافية مجانًا. كل طرف لديه مقاوم على التسلسل. أي جسم يحمل تيارًا لديه 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: فهي تحتاج إلى الشحن والتفريغ في كل مرة يتم فيها تشغيل الترانزستورات أو إيقاف تشغيلها، الأمر الذي يتطلب وقتًا وتيارًا من مصدر الطاقة.
السعة بين موصلين هي دالة لحجمهما الفيزيائي: الحجم الأصغر يعني سعة أصغر. ولأن المكثفات الأصغر 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 لا تكون واضحة بالنسبة للأجهزة الأكبر حجمًا. ومع ذلك، بشكل عام، فإن جعل الترانزستورات أصغر حجمًا سيجعلها أسرع. لكن المنتجات الإلكترونية أكثر أهمية من مجرد الترانزستورات. 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. لذلك، فإن تصغير هذه المكونات هو في المقام الأول للتمكن من ضغطها إلى حجم أصغر ، وبالتالي توفير مساحة ثنائي الفينيل متعدد الكلور.
يمكن تقليل حجم المقاوم دون التسبب في خسارة كبيرة. يتم تحديد مقاومة قطعة من المادة من خلال، حيث l هو الطول، وA هي مساحة المقطع العرضي، وρ هي مقاومة المادة. يمكنك ما عليك سوى تقليل الطول والمقطع العرضي، وينتهي الأمر بمقاومة أصغر فيزيائيًا، ولكن لا تزال تتمتع بنفس المقاومة. العيب الوحيد هو أنه عند تبديد نفس الطاقة، فإن المقاومات الأصغر فيزيائيًا ستولد حرارة أكثر من المقاومات الأكبر. لا يمكن استخدام المقاومات إلا في دوائر 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 قوتها المقدرة 20 ميجاوات فقط وتستخدم فقط للدوائر التي تبدد طاقة قليلة جدًا ومحدودة الحجم للغاية. متري أصغر 0201 تم إصدار العبوة (0.2 مم × 0.1 مم)، ولكن لم يتم وضعها في مرحلة الإنتاج بعد. ولكن حتى لو ظهرت في كتالوج الشركة المصنعة، فلا تتوقع وجودها في كل مكان: فمعظم روبوتات الاختيار والوضع ليست دقيقة بدرجة كافية للتعامل معها، لذلك قد تظل منتجات متخصصة.
يمكن أيضًا تقليص المكثفات، لكن هذا سيؤدي إلى تقليل سعتها. صيغة حساب سعة مكثف التحويل هي، حيث A هي مساحة اللوحة، وd 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، فإن الخيار 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 متاح اليوم هو في حزمة متري 0201 صغيرة جدًا: فقط 0.25 مم × 0.125 مم. تقتصر سعتها على 100 nF التي لا تزال مفيدة، والحد الأقصى لجهد التشغيل هو 6.3 فولت. كما أن هذه الحزم صغيرة جدًا و تتطلب معدات متقدمة للتعامل معها، مما يحد من اعتمادها على نطاق واسع.
بالنسبة للمحاثات، القصة صعبة بعض الشيء. يتم تحديد 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 الطول والمقطع العرضي للسلك يتم تقليلهما 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 يستخدم حجم البوصة 01005 (0.4 مم × 0.2 مم). يصل ارتفاعها إلى 56 nH ولها مقاومة قليلة أوم. تم إصدار المحاثات في حزمة مترية صغيرة جدًا 0201 في عام 2014، ولكن يبدو أنهم لم يتم طرحهم 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 أمكن تصنيعها بطريقة مجدية تجاريًا، فقد تزيد بنسبة 50%. لا يمكن تصغير الملف بشكل جيد. ومع ذلك، إذا كانت دائرتك تعمل بترددات عالية، فهذا ليس بالضرورة مشكلة. إذا كانت إشارتك في نطاق جيجا هرتز، فعادةً ما يكون عدد قليل من ملفات nH كافية.
يقودنا هذا إلى شيء آخر تم تصغيره في القرن الماضي ولكن 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 المزيد من قدرة 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. ولا تحتاج الهواتف المحمولة اليوم إلى هوائيات بارزة طويلة، وذلك بفضل اتصالها المخصص بترددات جيجاهرتز، والتي يحتاج الهوائي فيها إلى حوالي واحد فقط يبلغ طوله سنتيمترًا. 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 يكون الطول لسلك يتجاوز عُشر الطول الموجي، عليك أن تأخذ في الاعتبار تحول الطور على طوله عند تصميم الدائرة. عند 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. وتظل الحقيقة أن شركات إنتل وسامسونج وTSMC، المنافسين الثلاثة الذين ما زالوا في المقدمة من اللعبة، يستمرون في ضغط المزيد من الميزات لكل ميكرومتر مربع، ويخططون لتقديم عدة أجيال من الرقائق المحسنة في المستقبل. على الرغم من أن التقدم الذي أحرزوه في كل خطوة قد لا يكون كبيرًا كما كان الحال قبل عقدين من الزمن، إلا أن تصغير الترانزستورات يستمر.
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. ويبدو 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 باستخدام SMD.
لقد أردت دائمًا التقاط صورة لمقاوم PTH الذي استخدمته في السبعينيات، ووضع مقاوم SMD عليه، تمامًا كما أقوم بالتبديل الآن. هدفي هو جعل إخوتي وأخواتي (لا أحد منهم كذلك) المنتجات الإلكترونية) مقدار التغيير، بما في ذلك حتى أنني أستطيع رؤية أجزاء من عملي، (نظرًا لأن بصري يزداد سوءًا، فإن يدي تزداد سوءًا بالارتعاش).
أحب أن أقول، هل هذا معًا أم لا. أنا حقًا أكره "التحسين، التحسن". في بعض الأحيان يعمل تخطيطك بشكل جيد، ولكن لم يعد بإمكانك الحصول على أجزاء. ما هذا بحق الجحيم؟. المفهوم الجيد هو مفهوم جيد، ومن الأفضل الاحتفاظ به كما هو، بدلاً من تحسينه بدون سبب.
"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 وستيريو وتلفزيون. بحلول عام 1976، ظهرت أجهزة الكمبيوتر والآلات الحاسبة والساعات الرقمية والساعات، والتي كانت صغيرة 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. كما 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، لا نهتم كثيرًا. هل تحتاج إلى شيء لعكس الإشارة؟ خذ مضخم تشغيلي. هل تحتاج إلى جهاز حالة؟ خذ mpu.etc. المكونات اليوم صغيرة جدًا، ولكن يوجد في الواقع العديد من المكونات بداخلها. لذلك يزداد حجم دائرتك بشكل أساسي ويزداد استهلاك الطاقة. يستخدم الترانزستور المستخدم لعكس الإشارة طاقة أقل لـ ينجز نفس المهمة التي يقوم بها مكبر الصوت التشغيلي. ولكن مرة أخرى، سيهتم التصغير باستخدام الطاقة. كل ما في الأمر هو أن الابتكار قد ذهب 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*. سوف تقتلك أسلاك الربط الطويلة وتلك الخيوط 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، ولكن قد يكون ASML أكثر أهمية في هذه القائمة. بالطبع، قد لا ينطبق هذا على الصوت السلبي...
لا يتعلق الأمر فقط بتخفيض تكاليف السيليكون من خلال عقد عملية الجيل التالي. أشياء أخرى، مثل الحقائب. تتطلب الحزم الصغيرة مواد أقل و wcsp أو حتى أقل. الحزم الأصغر، وثنائي الفينيل متعدد الكلور أو الوحدات الأصغر، وما إلى ذلك.
غالبًا ما أرى بعض منتجات الكتالوج، حيث يكون العامل الدافع الوحيد هو تقليل التكلفة. حجم ميجاهرتز/الذاكرة هو نفسه، ووظيفة SOC وترتيب الدبوس متماثلان. قد نستخدم تقنيات جديدة لتقليل استهلاك الطاقة (عادةً ما تكون هذه ليست مجانية، لذلك يجب أن يكون هناك بعض المزايا التنافسية التي يهتم بها العملاء)
ومن مميزات المكونات الكبيرة هي المادة المضادة للإشعاع. فالترانزستورات الصغيرة تكون أكثر عرضة لتأثيرات الأشعة الكونية، في هذا الوضع المهم. على سبيل المثال، في الفضاء وحتى المراصد عالية الارتفاع.
لم أر سببًا رئيسيًا لزيادة السرعة. تبلغ سرعة الإشارة حوالي 8 بوصات لكل نانو ثانية. لذلك فقط عن طريق تقليل الحجم، يصبح من الممكن الحصول على شرائح أسرع.
قد ترغب في التحقق من الرياضيات الخاصة بك عن طريق حساب الفرق في تأخير الانتشار بسبب تغييرات التعبئة والتغليف وانخفاض الدورات (1/التكرار). وذلك لتقليل تأخير/فترة الفصائل. وستجد أنها لا تظهر حتى على شكل عامل التقريب.
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 الكثير من المساحة المتبقية في الداخل، ليس لأن الترانزستورات وما إلى ذلك أصبحت أصغر.
بالإضافة إلى مشكلة جعل الروبوت دقيقًا بدرجة كافية للتعامل فعليًا مع المكونات الصغيرة في تطبيقات الالتقاط والوضع عالية السرعة، هناك مشكلة أخرى وهي لحام المكونات الصغيرة بشكل موثوق. خاصة عندما لا تزال بحاجة إلى مكونات أكبر بسبب متطلبات الطاقة/السعة. معجون لحام خاص، بدأت قوالب لصق اللحام ذات الخطوات الخاصة (ضع كمية صغيرة من معجون اللحام عند الحاجة، ولكن لا تزال توفر ما يكفي من معجون اللحام للمكونات الكبيرة) تصبح باهظة الثمن. لذلك أعتقد أن هناك هضبة، ومزيد من التصغير في الدائرة مستوى اللوحة 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.
ستشاهد هذا على هاتفك. في عام 1995 تقريبًا، اشتريت بعض الهواتف المحمولة المبكرة من مبيعات المرآب مقابل بضعة دولارات لكل منها. معظم الدوائر المتكاملة يتم تركيبها من خلال الفتحات. يمكن التعرف على وحدة المعالجة المركزية (CPU) والكوماندر NE570، 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 الدوائر المتكاملة، لا تكون الكثافة أعلى فحسب، بل يتم أيضًا اعتماد تصميم جديد (انظر حقوق السحب الخاصة)، مما يلغي معظمها المكونات المنفصلة التي كانت لا غنى عنها في السابق.
> (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 بمصابيح 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 تقنية الحافة على استكمال التصميم بشكل صحيح، بدلاً من إجراء التعديلات في المختبر.
أما بالنسبة لعناصر الهوايات، فالتقييم. تعتبر 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، ولكن ليس من الممتع بناء نماذج أولية يدويًا. هناك خطأ صغير: يجب قراءة "المكان الموازي" على أنه "لوحة متوازية".
لا. بعد 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."