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Après la loi d'Ohm, la deuxième loi la plus célèbre en électronique est peut-être la loi de Moore : le nombre de transistors pouvant être fabriqués sur un circuit intégré double tous les deux ans environ. Puisque la taille physique de la puce reste à peu près la même, cela signifie que les transistors individuels deviendront plus petits avec le temps. Nous avons commencé à nous attendre à ce qu'une nouvelle génération de puces avec des fonctionnalités plus petites apparaisse à une vitesse normale, mais à quoi sert de rendre les choses plus petites ? Est-ce que plus petit signifie toujours mieux ?
Au cours du siècle dernier, l'ingénierie électronique a fait d'énormes progrès. Dans les années 1920, les radios AM les plus avancées se composaient de plusieurs tubes à vide, de plusieurs énormes inductances, condensateurs et résistances, de dizaines de mètres de fils utilisés comme antennes et d'un grand jeu de batteries. pour alimenter l'ensemble de l'appareil. Aujourd'hui, vous pouvez écouter plus d'une douzaine de services de streaming musical sur l'appareil que vous avez dans votre poche, et vous pouvez en faire bien plus encore. Mais la miniaturisation n'est pas seulement une question de portabilité : elle est absolument nécessaire pour atteindre les performances que nous attendons de nos appareils aujourd'hui.
Un avantage évident des composants plus petits est qu'ils vous permettent d'inclure plus de fonctionnalités dans le même volume. Ceci est particulièrement important pour les circuits numériques : plus de composants signifie que vous pouvez effectuer plus de traitement dans le même laps de temps. Par exemple, en théorie, le La quantité d'informations traitées par un processeur 64 bits est huit fois supérieure à celle d'un processeur 8 bits fonctionnant à la même fréquence d'horloge. Mais il nécessite également huit fois plus de composants : les registres, les additionneurs, les bus, etc. sont tous huit fois plus grands. Il vous faut donc soit une puce huit fois plus grande, soit un transistor huit fois plus petit.
Il en va de même pour les puces mémoire : en fabriquant des transistors plus petits, vous disposez de plus d'espace de stockage dans le même volume. Les pixels de la plupart des écrans actuels sont constitués de transistors à couches minces, il est donc logique de les réduire et d'obtenir des résolutions plus élevées. Cependant , plus le transistor est petit, mieux c'est, et il y a une autre raison cruciale : leurs performances sont grandement améliorées. Mais pourquoi exactement ?
Chaque fois que vous fabriquez un transistor, il fournira gratuitement des composants supplémentaires. Chaque borne a une résistance en série. Tout objet transportant du courant a également une auto-inductance. Enfin, il existe une capacité entre deux conducteurs se faisant face. Tous ces effets consomment de l'énergie et ralentissent la vitesse du transistor. Les capacités parasites sont particulièrement gênantes : elles doivent être chargées et déchargées à chaque fois que les transistors sont allumés ou éteints, ce qui nécessite du temps et du courant de l'alimentation.
La capacité entre deux conducteurs est fonction de leur taille physique : une taille plus petite signifie une capacité plus petite. Et comme des condensateurs plus petits signifient des vitesses plus élevées et une puissance plus faible, les transistors plus petits peuvent fonctionner à des fréquences d'horloge plus élevées et dissiper ainsi moins de chaleur.
À mesure que vous réduisez la taille des transistors, la capacité n'est pas le seul effet qui change : il existe de nombreux effets mécaniques quantiques étranges qui ne sont pas évidents pour les appareils plus grands. Cependant, d'une manière générale, rendre les transistors plus petits les rendra plus rapides. Mais les produits électroniques sont plus que de simples transistors. Lorsque vous réduisez d’autres composants, comment fonctionnent-ils ?
D'une manière générale, les composants passifs tels que les résistances, les condensateurs et les inductances ne s'amélioreront pas lorsqu'ils deviennent plus petits : à bien des égards, ils vont se détériorer. Par conséquent, la miniaturisation de ces composants vise principalement à pouvoir les compresser dans un volume plus petit. , économisant ainsi de l'espace sur les PCB.
La taille de la résistance peut être réduite sans provoquer trop de pertes. La résistance d'un morceau de matériau est donnée par, où l est la longueur, A est la section transversale et ρ est la résistivité du matériau. Vous pouvez réduisez simplement la longueur et la section et obtenez une résistance physiquement plus petite, mais ayant toujours la même résistance. Le seul inconvénient est que lorsqu'elles dissipent la même puissance, des résistances physiquement plus petites généreront plus de chaleur que des résistances plus grandes. les résistances ne peuvent être utilisées que dans des circuits de faible puissance. Ce tableau montre comment la puissance nominale maximale des résistances CMS diminue à mesure que leur taille diminue.
Aujourd'hui, la plus petite résistance que vous pouvez acheter est la taille métrique 03015 (0,3 mm x 0,15 mm). Leur puissance nominale n'est que de 20 mW et ne sont utilisées que pour des circuits qui dissipent très peu de puissance et sont extrêmement limités en taille. Une métrique 0201 plus petite. (0,2 mm x 0,1 mm) est sorti, mais n'a pas encore été mis en production. Mais même s'ils apparaissent dans le catalogue du fabricant, ne vous attendez pas à ce qu'ils soient partout : la plupart des robots pick and place ne sont pas assez précis pour les gérer, de sorte qu'ils peuvent encore être des produits de niche.
Les condensateurs peuvent également être réduits, mais cela réduira leur capacité. La formule pour calculer la capacité d'un condensateur shunt est la suivante : où A est la surface de la carte, d est la distance qui les sépare et ε est la constante diélectrique (la propriété du matériau intermédiaire). Si le condensateur (essentiellement un appareil plat) est miniaturisé, la surface doit être réduite, réduisant ainsi la capacité. Si vous souhaitez toujours emballer beaucoup de nafara dans un petit volume, la seule option consiste à empiler plusieurs couches ensemble. En raison des progrès des matériaux et de la fabrication, qui ont également rendu possibles des films minces (petit d) et des diélectriques spéciaux (avec un ε plus grand), la taille des condensateurs a considérablement diminué au cours des dernières décennies.
Le plus petit condensateur disponible aujourd'hui se trouve dans un boîtier métrique ultra-petit 0201 : seulement 0,25 mm x 0,125 mm. Leur capacité est limitée aux 100 nF encore utiles et la tension de fonctionnement maximale est de 6,3 V. De plus, ces boîtiers sont très petits et nécessitent des équipements avancés pour les gérer, ce qui limite leur adoption généralisée.
Pour les inductances, l'histoire est un peu délicate. L'inductance d'une bobine droite est donnée par, où N est le nombre de tours, A est la section transversale de la bobine, l est sa longueur et μ est la constante du matériau (perméabilité). Si toutes les dimensions sont réduites de moitié, l'inductance sera également réduite de moitié. Cependant, la résistance du fil reste la même : en effet, la longueur et la section du fil sont réduites à un quart de sa valeur d'origine. Cela signifie que vous vous retrouvez avec la même résistance dans la moitié de l'inductance, vous divisez donc par deux le facteur de qualité (Q) de la bobine.
La plus petite inductance discrète disponible dans le commerce adopte la taille en pouces 01005 (0,4 mm x 0,2 mm). Celles-ci atteignent 56 nH et ont une résistance de quelques ohms. Les inductances dans un boîtier métrique ultra-petit 0201 ont été lancées en 2014, mais apparemment, ils n'ont jamais été introduits sur le marché.
Les limites physiques des inducteurs ont été résolues en utilisant un phénomène appelé inductance dynamique, qui peut être observé dans les bobines en graphène. Mais même ainsi, si elle peut être fabriquée de manière commercialement viable, elle pourrait augmenter de 50 %. la bobine ne peut pas être bien miniaturisée. Cependant, si votre circuit fonctionne à hautes fréquences, ce n'est pas nécessairement un problème. Si votre signal est dans la gamme des GHz, quelques bobines nH suffisent généralement.
Cela nous amène à une autre chose qui a été miniaturisée au cours du siècle dernier, mais que vous ne remarquerez peut-être pas immédiatement : la longueur d'onde que nous utilisons pour la communication. Les premières émissions radio utilisaient une fréquence AM à ondes moyennes d'environ 1 MHz avec une longueur d'onde d'environ 300 mètres. La bande de fréquences FM centrée sur 100 MHz ou 3 mètres est devenue populaire vers les années 1960, et aujourd'hui nous utilisons principalement les communications 4G autour de 1 ou 2 GHz (environ 20 cm). Des fréquences plus élevées signifient une plus grande capacité de transmission d'informations. C’est grâce à la miniaturisation que nous disposons de radios bon marché, fiables et économes en énergie qui fonctionnent sur ces fréquences.
La réduction des longueurs d'onde peut réduire les antennes car leur taille est directement liée à la fréquence dont elles ont besoin pour transmettre ou recevoir. Les téléphones mobiles d'aujourd'hui n'ont pas besoin d'antennes longues et saillantes, grâce à leur communication dédiée aux fréquences GHz, pour laquelle l'antenne n'a besoin que d'environ une longueur d'onde. centimètre de long. C'est pourquoi la plupart des téléphones portables qui contiennent encore des récepteurs FM nécessitent que vous branchiez les écouteurs avant utilisation : la radio doit utiliser le fil de l'écouteur comme antenne afin d'obtenir suffisamment de puissance de signal de ces ondes d'un mètre de long.
Quant aux circuits connectés à nos antennes miniatures, lorsqu'ils sont plus petits, ils deviennent en réalité plus faciles à réaliser. Non seulement parce que les transistors sont devenus plus rapides, mais aussi parce que les effets de ligne de transmission ne sont plus un problème. Bref, lorsque la longueur d'un fil dépasse le dixième de la longueur d'onde, vous devez tenir compte du déphasage sur sa longueur lors de la conception du circuit. À 2,4 GHz, cela signifie que seul un centimètre de fil a affecté votre circuit ; si vous soudez des composants discrets ensemble, c'est un casse-tête, mais si vous disposez le circuit sur quelques millimètres carrés, ce n'est pas un problème.
Prédire la fin de la loi de Moore, ou montrer encore et encore que ces prédictions sont fausses, est devenu un thème récurrent dans le journalisme scientifique et technologique. Il n'en demeure pas moins qu'Intel, Samsung et TSMC, les trois concurrents qui sont toujours à l'avant-garde du jeu, continuent de compresser davantage de fonctionnalités par micromètre carré et prévoient d'introduire plusieurs générations de puces améliorées à l'avenir. Même si les progrès réalisés à chaque étape ne sont peut-être pas aussi importants qu'il y a deux décennies, la miniaturisation des transistors continue.
Cependant, pour les composants discrets, il semble que nous ayons atteint une limite naturelle : les rendre plus petits n'améliore pas leurs performances, et les plus petits composants actuellement disponibles sont plus petits que ce que la plupart des cas d'utilisation exigent. Il semble qu'il n'y ait pas de loi de Moore pour les composants discrets, mais s'il existe la loi de Moore, nous serions ravis de voir jusqu'à quel point une seule personne peut relever le défi du soudage CMS.
J'ai toujours voulu prendre une photo d'une résistance PTH que j'ai utilisée dans les années 1970 et y mettre une résistance SMD, tout comme je l'échange maintenant. Mon objectif est de faire en sorte que mes frères et sœurs (aucun d'entre eux ne soit produits électroniques) combien de changements, y compris je peux même voir certaines parties de mon travail (à mesure que ma vue se détériore, mes mains se détériorent en tremblant).
J’aime dire si c’est ensemble ou pas. Je déteste vraiment « s’améliorer, s’améliorer ». Parfois, votre mise en page fonctionne bien, mais vous ne pouvez plus obtenir de pièces. Qu'est-ce que c'est que ça ?. Un bon concept est un bon concept, et il vaut mieux le garder tel quel, plutôt que de l'améliorer sans raison. Gantt
"Il n'en reste pas moins que les trois sociétés Intel, Samsung et TSMC sont toujours en concurrence à l'avant-garde de ce jeu, optimisant constamment davantage de fonctionnalités par micromètre carré."
Les composants électroniques sont volumineux et coûteux. En 1971, la famille moyenne ne possédait que quelques radios, une chaîne stéréo et une télévision. En 1976, des ordinateurs, des calculatrices, des horloges et des montres numériques étaient apparus, petits et peu coûteux pour les consommateurs.
Une certaine miniaturisation vient de la conception. Les amplificateurs opérationnels permettent l'utilisation de gyrateurs, qui peuvent remplacer les gros inducteurs dans certains cas. Les filtres actifs éliminent également les inducteurs.
Les composants plus gros favorisent d'autres choses : la minimisation du circuit, c'est-à-dire essayer d'utiliser le moins de composants pour faire fonctionner le circuit. Aujourd'hui, nous ne nous en soucions pas tellement. Besoin de quelque chose pour inverser le signal ? Prenez un amplificateur opérationnel. Avez-vous besoin d'une machine à états ? Prenez un mpu.etc. Les composants d'aujourd'hui sont vraiment petits, mais il y a en fait de nombreux composants à l'intérieur. Donc, fondamentalement, la taille de votre circuit augmente et la consommation d'énergie augmente. Un transistor utilisé pour inverser un signal utilise moins d'énergie pour accomplir le même travail qu'un amplificateur opérationnel. Mais là encore, la miniaturisation se chargera de l'utilisation de l'énergie. C'est juste que l'innovation est allée dans une direction différente.
Vous avez vraiment manqué certains des plus grands avantages/raisons de la taille réduite : réduction des parasites du boîtier et augmentation de la gestion de la puissance (ce qui semble contre-intuitif).
D'un point de vue pratique, une fois que la taille de la fonctionnalité atteint environ 0,25u, vous atteindrez le niveau GHz, moment auquel le grand boîtier SOP commence à produire l'effet le plus important*. Les longs fils de liaison et ces câbles finiront par vous tuer.
À ce stade, les packages QFN/BGA se sont considérablement améliorés en termes de performances. De plus, lorsque vous montez le boîtier à plat de cette manière, vous obtenez des performances thermiques *significativement* meilleures et des coussinets exposés.
De plus, Intel, Samsung et TSMC joueront certainement un rôle important, mais ASML pourrait être bien plus important dans cette liste. Bien sûr, cela peut ne pas s'appliquer à la voix passive…
Il ne s'agit pas seulement de réduire les coûts du silicium grâce à des nœuds de processus de nouvelle génération. D'autres choses, comme des sacs. Des boîtiers plus petits nécessitent moins de matériaux et de wcsp, voire moins. Des boîtiers plus petits, des PCB ou des modules plus petits, etc.
Je vois souvent certains produits du catalogue, où le seul facteur déterminant est la réduction des coûts. La taille MHz/mémoire est la même, la fonction SOC et la disposition des broches sont les mêmes. Nous pouvons utiliser de nouvelles technologies pour réduire la consommation d'énergie (généralement, ce n'est pas gratuit, donc il doit y avoir des avantages concurrentiels qui intéressent les clients)
L'un des avantages des gros composants est le matériau anti-rayonnement. Les minuscules transistors sont plus sensibles aux effets des rayons cosmiques, dans cette situation importante. Par exemple, dans l'espace et même dans les observatoires à haute altitude.
Je n'ai pas vu de raison majeure pour l'augmentation de la vitesse. La vitesse du signal est d'environ 8 pouces par nanoseconde. Ainsi, en réduisant simplement la taille, des puces plus rapides sont possibles.
Vous voudrez peut-être vérifier vos propres calculs en calculant la différence de délai de propagation due aux changements d'emballage et aux cycles réduits (1/fréquence). C'est pour réduire le délai/période des factions. Vous constaterez que cela n'apparaît même pas comme un facteur d’arrondi.
Une chose que je voudrais ajouter est que de nombreux circuits intégrés, en particulier les conceptions plus anciennes et les puces analogiques, ne sont pas réellement réduits, du moins en interne. En raison des améliorations apportées à la fabrication automatisée, les boîtiers sont devenus plus petits, mais c'est parce que les boîtiers DIP ont généralement beaucoup de l'espace restant à l'intérieur, non pas parce que les transistors, etc. sont devenus plus petits.
Outre le problème consistant à rendre le robot suffisamment précis pour manipuler des composants minuscules dans des applications de prélèvement et de placement à grande vitesse, un autre problème est celui du soudage fiable de composants minuscules. En particulier lorsque vous avez encore besoin de composants plus gros en raison des exigences de puissance/capacité. la pâte à souder spéciale, les modèles de pâte à souder spéciaux (appliquer une petite quantité de pâte à souder si nécessaire, tout en fournissant suffisamment de pâte à souder pour les gros composants) ont commencé à devenir très chers. Je pense donc qu'il y a un plateau et une miniaturisation accrue du circuit Le niveau de la carte n'est qu'un moyen coûteux et réalisable. À ce stade, vous pourriez tout aussi bien faire davantage d'intégration au niveau des plaquettes de silicium et simplifier le nombre de composants discrets au minimum absolu.
Vous le verrez sur votre téléphone. Vers 1995, j'ai acheté quelques premiers téléphones portables dans des vide-greniers pour quelques dollars chacun. La plupart des circuits intégrés sont traversants. Processeur reconnaissable et compandeur NE570, grand circuit intégré réutilisable.
Ensuite, je me suis retrouvé avec des téléphones portables mis à jour. Il y a très peu de composants et presque rien de familier. Dans un petit nombre de circuits intégrés, non seulement la densité est plus élevée, mais une nouvelle conception (voir SDR) est également adoptée, qui élimine la plupart des les composants discrets qui étaient auparavant indispensables.
> (Appliquez une petite quantité de pâte à souder si nécessaire, tout en prévoyant suffisamment de pâte à souder pour les gros composants)
Tiens, j'ai imaginé le template « 3D/Wave » pour résoudre ce problème : plus fin là où se trouvent les plus petits composants, et plus épais là où se trouve le circuit d'alimentation.
De nos jours, les composants SMT sont très petits, vous pouvez utiliser de vrais composants discrets (pas 74xx et autres déchets) pour concevoir votre propre processeur et l'imprimer sur le PCB. Saupoudrez-le de LED, vous pouvez le voir fonctionner en temps réel.
Au fil des années, j'apprécie certainement le développement rapide de composants complexes et petits. Ils apportent d'énormes progrès, mais en même temps, ils ajoutent un nouveau niveau de complexité au processus itératif de prototypage.
La vitesse de réglage et de simulation des circuits analogiques est beaucoup plus rapide que ce que vous faites en laboratoire. À mesure que la fréquence des circuits numériques augmente, le PCB devient une partie de l'assemblage. Par exemple, les effets de ligne de transmission, le délai de propagation. Prototypage de toute découpe- Il est préférable d’utiliser la technologie de pointe pour terminer correctement la conception plutôt que pour effectuer des ajustements en laboratoire.
En ce qui concerne les articles de loisirs, l'évaluation. Les circuits imprimés et les modules sont une solution au rétrécissement des composants et aux modules de pré-test.
Cela peut rendre les choses moins « amusantes », mais je pense que faire fonctionner votre projet pour la première fois peut avoir plus de sens en raison du travail ou des loisirs.
J'ai converti certains modèles de trous traversants en CMS. Fabriquez des produits moins chers, mais ce n'est pas amusant de construire des prototypes à la main. Une petite erreur : « endroit parallèle » doit être lu comme « plaque parallèle ».
Non. Après la victoire d'un système, les archéologues seront toujours confus par ses découvertes. Qui sait, peut-être qu'au 23ème siècle, l'Alliance Planétaire adoptera un nouveau système…
Je ne pourrais être plus d'accord. Quelle est la taille de 0603 ? Bien sûr, conserver 0603 comme taille impériale et « appeler » la taille métrique 0603 0604 (ou 0602) n'est pas si difficile, même si cela peut être techniquement incorrect (c'est-à-dire : taille correspondante réelle-pas de cette façon) de toute façon. Strict), mais au moins tout le monde saura de quelle technologie vous parlez (métrique/impériale) !
"De manière générale, les composants passifs tels que les résistances, les condensateurs et les inductances ne s'amélioreront pas si vous les réduisez."