haberler

Belki de Ohm kanunundan sonra elektronikteki en ünlü ikinci kanun Moore kanunudur: Bir entegre devrede üretilebilen transistörlerin sayısı her iki yılda bir iki katına çıkar. Çipin fiziksel boyutu kabaca aynı kaldığı için bu, bireysel transistörlerin zamanla küçüleceği anlamına geliyor. Daha küçük özellik boyutlarına sahip yeni nesil çiplerin normal hızda ortaya çıkmasını beklemeye başladık ama işleri küçültmenin ne anlamı var? Daha küçük her zaman daha iyi anlamına mı gelir?
Geçtiğimiz yüzyılda elektronik mühendisliği muazzam ilerleme kaydetti. 1920'lerde en gelişmiş AM radyoları birkaç vakum tüpünden, birkaç devasa indüktörden, kapasitörlerden ve dirençlerden, anten olarak kullanılan düzinelerce metre kablodan ve tüm cihaza güç sağlamak için büyük bir pil setinden oluşuyordu. Bugün cebinizdeki cihazda bir düzineden fazla müzik akışı hizmetini dinleyebilir ve daha fazlasını yapabilirsiniz. Ancak minyatürleştirme sadece taşınabilirlik için geçerli değildir: Bugün cihazlarımızdan beklediğimiz performansı elde etmek için kesinlikle gereklidir.
Daha küçük bileşenlerin belirgin bir avantajı, aynı birime daha fazla işlevsellik eklemenize olanak sağlamasıdır. Bu özellikle dijital devreler için önemlidir: daha fazla bileşen, aynı sürede daha fazla işlem yapabileceğiniz anlamına gelir. Örneğin, teorik olarak, 64 bitlik bir işlemci tarafından işlenen bilgi miktarı, aynı saat frekansında çalışan 8 bitlik bir CPU'nun işlediği bilginin sekiz katıdır. Ancak aynı zamanda sekiz kat daha fazla bileşen gerektirir: yazmaçlar, toplayıcılar, veri yolları vb. hepsi sekiz kat daha büyüktür. Yani ya sekiz kat daha büyük bir çipe ya da sekiz kat daha küçük bir transistöre ihtiyacınız var.
Aynı şey bellek yongaları için de geçerlidir: Transistörleri küçülterek aynı hacimde daha fazla depolama alanına sahip olursunuz. Günümüzde çoğu ekrandaki pikseller ince film transistörlerinden yapılmıştır, dolayısıyla bunların ölçeğini küçültmek ve daha yüksek çözünürlükler elde etmek mantıklıdır. Ancak transistör ne kadar küçük olursa o kadar iyidir ve bunun bir başka önemli nedeni daha vardır: performansları büyük ölçüde artar. Ama neden tam olarak?
Ne zaman bir transistör yaparsanız, bazı ek bileşenleri ücretsiz olarak sağlayacaktır. Her terminalin seri bağlı bir direnci vardır. Akım taşıyan herhangi bir nesnenin de kendi kendine indüktansı vardır. Son olarak, birbirine bakan herhangi iki iletken arasında bir kapasitans vardır. Tüm bu etkiler güç tüketir ve transistörün hızını yavaşlatır. Parazitik kapasitanslar özellikle sorun yaratır: Transistörlerin her açıldığında veya kapatıldığında şarj edilmesi ve boşaltılması gerekir; bu da güç kaynağından zaman ve akım gerektirir.
İki iletken arasındaki kapasitans, fiziksel boyutlarının bir fonksiyonudur: daha küçük boyut, daha küçük kapasitans anlamına gelir. Daha küçük kapasitörler daha yüksek hız ve daha düşük güç anlamına geldiğinden, daha küçük transistörler daha yüksek saat frekanslarında çalışabilir ve bunu yaparken daha az ısı dağıtabilir.
Transistörlerin boyutu küçültüldüğünde değişen tek etki kapasitans değildir: Daha büyük cihazlarda belirgin olmayan pek çok garip kuantum mekaniksel etki vardır. Ancak genel olarak konuşursak, transistörleri küçültmek onları daha hızlı hale getirecektir. Ancak elektronik ürünler transistörlerden daha fazlasıdır. Diğer bileşenlerin ölçeğini küçülttüğünüzde nasıl performans gösteriyorlar?
Genel olarak konuşursak, dirençler, kapasitörler ve indüktörler gibi pasif bileşenler küçüldüklerinde iyileşmeyeceklerdir; birçok yönden daha da kötüleşeceklerdir. Bu nedenle, bu bileşenlerin minyatürleştirilmesi esas olarak onları daha küçük bir hacme sıkıştırabilmek ve böylece PCB alanından tasarruf edebilmektir.
Direncin boyutu çok fazla kayıp yaratmadan azaltılabilir. Bir malzeme parçasının direnci şu şekilde verilir; burada l uzunluk, A kesit alanı ve ρ malzemenin direncidir. Uzunluğu ve kesiti basitçe azaltabilir ve fiziksel olarak daha küçük bir direnç elde edebilirsiniz, ancak yine de aynı dirence sahip olabilirsiniz. Tek dezavantajı, aynı gücü dağıtırken fiziksel olarak daha küçük dirençlerin daha büyük dirençlerden daha fazla ısı üretmesidir. Bu nedenle küçük dirençler yalnızca düşük güçlü devrelerde kullanılabilir. Bu tablo, boyutları küçüldükçe SMD dirençlerinin maksimum güç değerinin nasıl azaldığını gösterir.
Bugün satın alabileceğiniz en küçük direnç metrik 03015 boyutundadır (0,3 mm x 0,15 mm). Nominal güçleri yalnızca 20 mW'tır ve yalnızca çok az güç harcayan ve boyutları son derece sınırlı olan devreler için kullanılır. Daha küçük bir metrik 0201 paketi (0,2 mm x 0,1 mm) piyasaya sürüldü, ancak henüz üretime geçirilmedi. Ancak üreticinin kataloğunda görünseler bile her yerde olmalarını beklemeyin: çoğu alma ve yerleştirme robotu bunları işleyecek kadar hassas değildir, bu nedenle yine de niş ürünler olabilirler.
Kapasitörlerin ölçeği de küçültülebilir, ancak bu onların kapasitansını azaltacaktır. Bir şönt kapasitörün kapasitansını hesaplamak için formül, burada A, kartın alanıdır, d, aralarındaki mesafedir ve ε, dielektrik sabitidir (ara malzemenin özelliği). Kapasitör (temel olarak düz bir cihaz) minyatürleştirilirse alanın azaltılması gerekir, böylece kapasitans azalır. Hala çok fazla nafarayı küçük bir hacimde paketlemek istiyorsanız, tek seçenek birkaç katmanı bir araya istiflemektir. İnce filmleri (küçük d) ve özel dielektrikleri (daha büyük ε ile) mümkün kılan malzeme ve üretimdeki ilerlemeler nedeniyle, kapasitörlerin boyutu son birkaç on yılda önemli ölçüde küçüldü.
Günümüzde mevcut olan en küçük kapasitör ultra küçük metrik 0201 paketindedir: yalnızca 0,25 mm x 0,125 mm. Kapasitansları hala kullanışlı olan 100 nF ile sınırlıdır ve maksimum çalışma voltajı 6,3 V'tur. Ayrıca, bu paketler çok küçüktür ve bunları işlemek için gelişmiş ekipman gerektirmesi, yaygın olarak benimsenmelerini sınırlamaktadır.
İndüktörler için hikaye biraz karmaşıktır. Düz bir bobinin endüktansı şu şekilde verilir; burada N, dönüş sayısıdır, A, bobinin kesit alanıdır, l uzunluğudur ve μ malzeme sabitidir (geçirgenlik). Tüm boyutlar yarı yarıya azaltılırsa endüktans da yarı yarıya azalacaktır. Ancak telin direnci aynı kalır; bunun nedeni telin uzunluğunun ve kesitinin orijinal değerinin dörtte birine azalmasıdır. Bu, endüktansın yarısında aynı direnci elde edeceğiniz anlamına gelir, dolayısıyla bobinin kalite (Q) faktörünü yarıya indirirsiniz.
Piyasada bulunan en küçük ayrık indüktör, 01005 inç boyutunu (0,4 mm x 0,2 mm) benimser. Bunlar 56 nH kadar yüksektir ve birkaç ohm dirence sahiptirler. Ultra küçük metrik 0201 paketindeki indüktörler 2014 yılında piyasaya sürüldü, ancak görünüşe göre piyasaya hiç tanıtılmadılar.
İndüktörlerin fiziksel sınırlamaları, grafenden yapılmış bobinlerde gözlemlenebilen dinamik endüktans adı verilen bir olgu kullanılarak çözülmüştür. Ama yine de ticari olarak üretilebilirse yüzde 50 oranında artabilir. Son olarak bobin iyi bir şekilde minyatürleştirilemez. Ancak devreniz yüksek frekanslarda çalışıyorsa bu mutlaka bir sorun değildir. Sinyaliniz GHz aralığındaysa genellikle birkaç nH bobini yeterlidir.
Bu bizi geçtiğimiz yüzyılda küçültülmüş olan ancak hemen fark edemeyeceğiniz başka bir şeye getiriyor: iletişim için kullandığımız dalga boyu. İlk radyo yayınları, yaklaşık 300 metre dalga boyuna sahip, yaklaşık 1 MHz'lik orta dalga AM frekansını kullanıyordu. 100 MHz veya 3 metre merkezli FM frekans bandı 1960'larda popüler hale geldi ve bugün esas olarak 1 veya 2 GHz (yaklaşık 20 cm) civarında 4G iletişimleri kullanıyoruz. Daha yüksek frekanslar daha fazla bilgi iletim kapasitesi anlamına gelir. Minyatürleşme sayesinde bu frekanslarda çalışan ucuz, güvenilir ve enerji tasarruflu radyolara sahibiz.
Dalga boylarının küçülmesi antenleri küçültebilir çünkü boyutları doğrudan iletmeleri veya almaları gereken frekansla ilgilidir. Günümüzün cep telefonları, antenin yalnızca yaklaşık bir santimetre uzunluğunda olması gereken GHz frekanslarındaki özel iletişimleri sayesinde uzun çıkıntılı antenlere ihtiyaç duymuyor. Bu nedenle, hâlâ FM alıcısı bulunan çoğu cep telefonu, kullanmadan önce kulaklıkları takmanızı gerektirir: Radyonun, bir metre uzunluğundaki dalgalardan yeterli sinyal gücünü alabilmesi için kulaklığın kablosunu anten olarak kullanması gerekir.
Minyatür antenlerimize bağlanan devreler ise küçüldükçe yapımı daha da kolaylaşıyor. Bunun nedeni yalnızca transistörlerin daha hızlı hale gelmesi değil, aynı zamanda iletim hattı etkilerinin artık bir sorun olmamasıdır. Kısacası bir telin uzunluğu dalga boyunun onda birini aştığında devreyi tasarlarken telin uzunluğu boyunca faz kaymasını dikkate almanız gerekir. 2,4 GHz'de bu, devrenizi yalnızca bir santimetre kablonun etkilediği anlamına gelir; ayrı bileşenleri birbirine lehimlerseniz baş ağrısı olur, ancak devreyi birkaç milimetre kareye yerleştirirseniz sorun olmaz.
Moore Yasasının sona ereceğini tahmin etmek veya bu tahminlerin yanlış olduğunu tekrar tekrar göstermek, bilim ve teknoloji gazeteciliğinde yinelenen bir tema haline geldi. Gerçek şu ki, oyunda hâlâ ön saflarda yer alan üç rakip olan Intel, Samsung ve TSMC, mikrometre kare başına daha fazla özelliği sıkıştırmaya devam ediyor ve gelecekte birkaç nesil gelişmiş çip sunmayı planlıyor. Her adımda kaydettikleri ilerleme yirmi yıl önceki kadar büyük olmasa da transistörlerin minyatürleştirilmesi devam ediyor.
Ancak ayrık bileşenler için doğal bir sınıra ulaşmış gibiyiz: bunları küçültmek performanslarını artırmaz ve şu anda mevcut olan en küçük bileşenler çoğu kullanım durumunun gerektirdiğinden daha küçüktür. Ayrık cihazlar için Moore Yasası yok gibi görünüyor, ancak Moore Yasası varsa, bir kişinin SMD lehimleme zorluğunu ne kadar zorlayabileceğini görmek isteriz.
Her zaman 1970'lerde kullandığım bir PTH direncinin fotoğrafını çekip üzerine bir SMD direnci koymak istemiştim, tıpkı şu anda değiştirdiğim gibi. Amacım kardeşlerime (hiçbiri elektronik ürün değil) ne kadar değişiklik yapmak, hatta işimin bazı kısımlarını bile görebilmek (görme yeteneğim kötüleştikçe ellerim de titriyor).
Birlikte mi değil mi, demek hoşuma gidiyor. "Gelişmek, daha iyi olmak"tan gerçekten nefret ediyorum. Bazen düzeniniz iyi çalışır ancak artık parça alamazsınız. Bu da ne böyle? . İyi bir konsept iyi bir konsepttir ve onu sebepsiz yere geliştirmek yerine olduğu gibi tutmak daha iyidir. Gantt
"Gerçek şu ki Intel, Samsung ve TSMC adlı üç şirket hâlâ bu oyunda ön sıralarda rekabet ediyor ve sürekli olarak mikrometre kare başına daha fazla özellik sıkıştırıyor."
Elektronik bileşenler büyük ve pahalıdır. 1971'de ortalama bir ailede yalnızca birkaç radyo, bir stereo ve TV vardı. 1976 yılına gelindiğinde tüketiciler için küçük ve ucuz olan bilgisayarlar, hesap makineleri, dijital saatler ve kol saatleri ortaya çıktı.
Bazı minyatürleştirmeler tasarımdan gelir. İşlemsel yükselteçler, bazı durumlarda büyük indüktörlerin yerini alabilecek jiratörlerin kullanımına izin verir. Aktif filtreler ayrıca indüktörleri de ortadan kaldırır.
Daha büyük bileşenler başka şeyleri teşvik eder: Devrenin küçültülmesi, yani devrenin çalışması için en az bileşenin kullanılmasına çalışmak. Bugün pek umursamıyoruz. Sinyali tersine çevirecek bir şeye mi ihtiyacınız var? Bir işlemsel yükselteç alın. Durum makinesine ihtiyacınız var mı? Bir mpu al. vb. Bugünün bileşenleri gerçekten küçük ama aslında içeride çok sayıda bileşen var. Yani temel olarak devre boyutunuz artar ve güç tüketimi artar. Bir sinyali tersine çevirmek için kullanılan bir transistör, aynı işi gerçekleştirmek için bir işlemsel yükselteçten daha az güç kullanır. Ama yine de minyatürleştirme, gücün kullanımını halledecektir. Sadece inovasyon farklı bir yöne gitti.
Boyutun küçültülmesinin en büyük faydalarından/nedenlerinden bazılarını gerçekten kaçırdınız: paket parazitlerinin azalması ve güç kullanımının artması (ki bu mantığa aykırı görünüyor).
Pratik açıdan bakıldığında, özellik boyutu yaklaşık 0,25u'ya ulaştığında, GHz seviyesine ulaşacaksınız ve bu noktada büyük SOP paketi en büyük* etkiyi üretmeye başlayacak. Uzun bağlama kabloları ve bu kablolar eninde sonunda sizi öldürecektir.
Bu noktada QFN/BGA paketleri performans açısından oldukça gelişti. Ek olarak, paketi bu şekilde düz bir şekilde monte ettiğinizde, *önemli ölçüde* daha iyi termal performansa ve açıkta kalan pedlere sahip olursunuz.
Ayrıca Intel, Samsung ve TSMC'nin de önemli bir rol oynayacağı kesin ancak ASML bu listede çok daha önemli olabilir. Tabii bu pasif ses için geçerli olmayabilir…
Bu sadece yeni nesil süreç düğümleri aracılığıyla silikon maliyetlerini azaltmakla ilgili değil. Çantalar gibi diğer şeyler. Daha küçük paketler daha az malzeme ve wcsp hatta daha az gerektirir. Daha küçük paketler, daha küçük PCB'ler veya modüller vb.
Tek itici faktörün maliyet düşürme olduğu bazı katalog ürünlerini sıklıkla görüyorum. MHz/bellek boyutu aynıdır, SOC işlevi ve pin düzeni aynıdır. Güç tüketimini azaltmak için yeni teknolojiler kullanabiliriz (genellikle bu ücretsiz değildir, dolayısıyla müşterilerin önemsediği bazı rekabet avantajları olmalıdır)
Büyük bileşenlerin avantajlarından biri radyasyon önleyici malzemedir. Minik transistörler bu önemli durumda kozmik ışınların etkilerine karşı daha hassastır. Örneğin uzayda ve hatta yüksek irtifa gözlemevlerinde.
Hız artışının önemli bir sebebini görmedim. Sinyal hızı nanosaniye başına yaklaşık 8 inçtir. Yani sadece boyutu küçülterek daha hızlı talaşlar mümkün oluyor.
Paketleme değişiklikleri ve azaltılmış döngüler (1/frekans) nedeniyle yayılma gecikmesindeki farkı hesaplayarak kendi matematiğinizi kontrol etmek isteyebilirsiniz. Bu, hiziplerin gecikmesini/dönemini azaltmak içindir. Bunun yuvarlama faktörü olarak bile görünmediğini göreceksiniz.
Eklemek istediğim bir şey de pek çok IC'nin, özellikle de eski tasarımların ve analog çiplerin aslında en azından dahili olarak küçültülmemiş olmasıdır. Otomatik üretimdeki gelişmeler nedeniyle paketler küçüldü, ancak bunun nedeni transistörlerin vs. küçülmesi değil, DIP paketlerinin genellikle içinde çok fazla alan kalmasıdır.
Robotun, yüksek hızlı alma ve yerleştirme uygulamalarında küçük bileşenleri gerçekten işleyebilecek kadar hassas hale getirilmesi sorununun yanı sıra, başka bir sorun da küçük bileşenlerin güvenilir şekilde kaynaklanmasıdır. Özellikle güç/kapasite gereksinimleri nedeniyle hala daha büyük bileşenlere ihtiyaç duyduğunuzda. Özel lehim pastası kullanan, özel adım lehim pastası şablonları (gerektiğinde az miktarda lehim pastası uygulayın, ancak yine de büyük bileşenler için yeterli lehim pastası sağlayın) çok pahalı olmaya başladı. Dolayısıyla bir plato olduğunu ve devre kartı seviyesinde daha fazla minyatürleştirmenin sadece maliyetli ve uygulanabilir bir yol olduğunu düşünüyorum. Bu noktada, silikon plaka seviyesinde daha fazla entegrasyon yapabilir ve ayrı bileşenlerin sayısını mutlak minimuma indirgeyebilirsiniz.
Bunu telefonunuzda göreceksiniz. 1995 yılı civarında, garaj satışlarından tanesi birkaç dolara ilk cep telefonlarını satın aldım. Çoğu IC deliklidir. Tanınabilir CPU ve NE570 sıkıştırıcı, büyük yeniden kullanılabilir IC.
Daha sonra bazı güncellenmiş el telefonları aldım. Çok az bileşen var ve neredeyse tanıdık hiçbir şey yok. Az sayıda entegre devrede, yalnızca yoğunluk daha yüksek olmakla kalmıyor, aynı zamanda daha önce vazgeçilmez olan ayrı bileşenlerin çoğunu ortadan kaldıran yeni bir tasarım (bkz. SDR) benimseniyor.
> (Gerektiğinde az miktarda lehim pastası uygulayın, ancak yine de büyük bileşenler için yeterli miktarda lehim pastası sağlayın)
Hey, bu sorunu çözmek için "3D/Wave" şablonunu hayal ettim: en küçük bileşenlerin olduğu yerde daha ince, güç devresinin olduğu yerde ise daha kalın.
Günümüzde SMT bileşenleri çok küçüktür, kendi CPU'nuzu tasarlamak ve PCB'ye yazdırmak için gerçek ayrık bileşenleri (74xx ve diğer çöpler değil) kullanabilirsiniz. Üzerine LED serpin, gerçek zamanlı çalıştığını görebilirsiniz.
Yıllar geçtikçe karmaşık ve küçük bileşenlerin hızlı gelişimini kesinlikle takdir ediyorum. Muazzam bir ilerleme sağlıyorlar, ancak aynı zamanda yinelenen prototip oluşturma sürecine yeni bir karmaşıklık düzeyi ekliyorlar.
Analog devrelerin ayar ve simülasyon hızı laboratuvarda yaptığınızdan çok daha hızlıdır. Dijital devrelerin frekansı arttıkça PCB düzeneğin bir parçası haline gelir. Örneğin iletim hattı etkileri, yayılma gecikmesi. Herhangi bir ileri teknolojinin prototiplenmesi, laboratuvarda ayarlamalar yapmak yerine tasarımın doğru şekilde tamamlanmasına harcanır.
Hobi eşyalarına gelince, değerlendirme. Devre kartları ve modüller, bileşenlerin küçültülmesine ve modüllerin ön test edilmesine yönelik bir çözümdür.
Bu durum işlerin “eğlencesini” kaybetmesine neden olabilir ama projenizi ilk kez hayata geçirmenin iş ya da hobiler nedeniyle daha anlamlı olabileceğini düşünüyorum.
Bazı tasarımları açık delikten SMD'ye dönüştürüyorum. Daha ucuz ürünler yapın, ancak prototipleri elle oluşturmak eğlenceli değildir. Küçük bir hata: “paralel yer”, “paralel levha” olarak okunmalıdır.
Hayır. Bir sistem kazandıktan sonra arkeologların bulguları hâlâ kafalarını karıştıracaktır. Kim bilir belki 23. yüzyılda Gezegen İttifakı yeni bir sisteme geçer…
Daha fazla katılamazdım. 0603'ün boyutu nedir? Tabii ki, 0603'ü İngiliz ölçü birimi olarak tutmak ve 0603 metrik boyutunu 0604 (veya 0602) olarak "çağırmak", teknik olarak yanlış olsa bile (yani: gerçek eşleştirme boyutu - o şekilde değil) o kadar da zor değil. Katı), ama en azından herkes hangi teknolojiden bahsettiğinizi bilecek (metrik/emperyal)!
"Genel olarak konuşursak, dirençler, kapasitörler ve indüktörler gibi pasif bileşenler, onları küçülttüğünüzde daha iyi hale gelmeyecektir."