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おそらくオームの法則の次にエレクトロニクス分野で 2 番目に有名な法則はムーアの法則です。つまり、集積回路上に製造できるトランジスタの数は約 2 年ごとに 2 倍になります。チップの物理的なサイズはほぼ同じままであるため、これは次のことを意味します。個々のトランジスタは時間の経過とともに小さくなります。私たちは、より小さな機能サイズを備えた新世代のチップが通常の速度で登場すると期待し始めていますが、ものを小さくする意味は何でしょうか?小さいほど常に良いことを意味しますか?
過去 1 世紀で、電子工学は目覚ましい進歩を遂げました。1920 年代の最先端の AM ラジオは、いくつかの真空管、いくつかの巨大なインダクター、コンデンサー、抵抗器、アンテナとして使用される数十メートルのワイヤー、および大量のバッテリーで構成されていました。デバイス全体に電力を供給します。現在、ポケットにあるデバイスで十数もの音楽ストリーミング サービスを聴くことができ、さらに多くのことができます。しかし、小型化は携帯性のためだけではなく、今日のデバイスに期待されるパフォーマンスを達成するためには絶対に必要です。
コンポーネントが小さいことの明白な利点の 1 つは、同じ体積により多くの機能を組み込めることです。これはデジタル回路にとって特に重要です。コンポーネントが多いということは、同じ時間内により多くの処理を実行できることを意味します。たとえば、理論的には、 64 ビット プロセッサによって処理される情報量は、同じクロック周波数で動作する 8 ビット CPU の 8 倍です。ただし、必要なコンポーネントの数も 8 倍になります。レジスタ、加算器、バスなどはすべて 8 倍の大きさになります。したがって、8 倍大きいチップか、8 倍小さいトランジスタが必要になります。
同じことがメモリ チップにも当てはまります。トランジスタを小さくすることで、同じ体積でより多くの記憶スペースが得られます。今日のほとんどのディスプレイのピクセルは薄膜トランジスタで作られているため、トランジスタを縮小してより高い解像度を達成することは理にかなっています。 、トランジスタは小さいほど優れており、パフォーマンスが大幅に向上するという別の重要な理由があります。しかし、正確にはなぜでしょうか?
トランジスタを作成すると、いくつかの追加コンポーネントが無料で提供されます。各端子には直列に抵抗が付いています。電流が流れる物体には自己インダクタンスもあります。最後に、向かい合った 2 本の導体間には静電容量が生じます。これらすべての影響があります。寄生容量は電力を消費し、トランジスタの速度を低下させます。寄生容量は特に厄介です。トランジスタがオンまたはオフになるたびに寄生容量を充電および放電する必要があり、これには時間と電源からの電流が必要です。
2 つの導体間の静電容量は、その物理的なサイズの関数です。サイズが小さいほど、静電容量も小さくなります。また、コンデンサが小さいほど高速かつ低消費電力になるため、トランジスタが小さいほど高いクロック周波数で動作でき、その際の放熱が少なくなります。
トランジスタのサイズを縮小すると、変化する影響は静電容量だけではありません。大きなデバイスでは明らかではない、多くの奇妙な量子力学的な影響があります。ただし、一般的に言えば、トランジスタを小さくすると高速になります。しかし、電子製品はより高速になります。他のコンポーネントをスケールダウンすると、それらのパフォーマンスはどうなるでしょうか?
一般に、抵抗、コンデンサ、インダクタなどの受動部品は、小型化しても改善されるのではなく、多くの点で悪化します。したがって、これらの部品の小型化は主に、より小さな体積に圧縮できるようにすることです。これにより、PCB スペースが節約されます。
抵抗器のサイズは、損失をあまり発生させずに小さくすることができます。材料の抵抗は次の式で与えられます。ここで、l は長さ、A は断面積、ρ は材料の抵抗率です。単に長さと断面積を減らすだけで、最終的には物理的に小さな抵抗になりますが、抵抗は同じです。唯一の欠点は、同じ電力を消費する場合、物理的に小さな抵抗の方が大きな抵抗よりも多くの熱を発生することです。したがって、小型抵抗器は低電力回路でのみ使用できます。この表は、SMD 抵抗器のサイズが小さくなるにつれて、SMD 抵抗器の最大電力定格がどのように減少するかを示しています。
現在、購入できる最小の抵抗器はメートル法 03015 サイズ (0.3 mm x 0.15 mm) です。定格電力はわずか 20 mW で、電力消費が非常に少なく、サイズが非常に制限されている回路にのみ使用されます。より小さなメートル法 0201パッケージ (0.2 mm x 0.1 mm) はリリースされましたが、まだ生産されていません。しかし、たとえメーカーのカタログに載っていたとしても、どこにでもあるとは期待しないでください。ほとんどのピック アンド プレース ロボットは十分な精度がありません。扱うのが難しいので、まだニッチな製品かもしれません。
コンデンサを縮小することもできますが、これにより静電容量が減少します。シャント コンデンサの静電容量を計算する式は次のとおりです。ここで、A は基板の面積、d はそれらの間の距離、ε は誘電率です。 （中間材料の性質） コンデンサ（基本的には平面素子）を小型化すると、面積を小さくして静電容量を小さくする必要があります。それでも小さい体積にたくさんのナファラを詰め込みたい場合は、これしか選択肢がありません。材料と製造の進歩により、薄膜 (d が小さい) や特殊な誘電体 (ε が大きい) も可能になったため、コンデンサのサイズは過去数十年で大幅に縮小しました。
現在入手可能な最小のコンデンサは、わずか 0.25 mm x 0.125 mm の超小型メトリクス 0201 パッケージに入っています。それらの静電容量は、依然として有用な 100 nF に制限されており、最大動作電圧は 6.3 V です。また、これらのパッケージは非常に小さく、それらを処理するには高度な機器が必要であり、その広範な普及は制限されています。
インダクタの場合、話は少し複雑です。直線コイルのインダクタンスは次の式で与えられます。ここで、N は巻き数、A はコイルの断面積、l はコイルの長さ、μ はコイルの断面積です。材料定数（透磁率）。すべての寸法が半分に減少すると、インダクタンスも半分に減少します。ただし、ワイヤの抵抗は同じままです。これは、ワイヤの長さと断面積が小さくなるためです。これは、インダクタンスの半分で同じ抵抗が得られることになり、コイルの品質 (Q) ファクタが半分になることを意味します。
市販されている最小のディスクリートインダクタは、インチサイズの01005 (0.4 mm x 0.2 mm)を採用しています。これらは56 nHと高く、数オームの抵抗を持っています。超小型メトリクス0201パッケージのインダクタは2014年にリリースされましたが、どうやらそれらは市場に導入されたことがないようです。
インダクタの物理的限界は、グラフェン製のコイルで観察される動的インダクタンスと呼ばれる現象を利用することで解決されています。それでも、商業的に実行可能な方法で製造できれば、50% 増加する可能性があります。最後に、コイルは十分に小型化できません。ただし、回路が高周波数で動作している場合、これは必ずしも問題ではありません。信号が GHz 範囲にある場合は、通常、数 nH のコイルで十分です。
これは、過去 1 世紀に小型化されたもう 1 つのことにつながりますが、すぐには気づかないかもしれません。それは、通信に使用する波長です。初期のラジオ放送では、波長約 300 メートルの約 1 MHz の中波 AM 周波数が使用されていました。 1960年代頃には100MHzまたは3メートルを中心としたFM周波数帯が普及し、現在では1～2GHz（約20cm）程度の4G通信が主に利用されています。周波数が高いほど情報伝送容量が大きくなります。これらの周波数で動作する、安価で信頼性が高く、省エネの無線機が入手できるのは、小型化のおかげです。
波長が短くなるとアンテナも小さくなる可能性があります。アンテナのサイズは送信または受信に必要な周波数に直接関係するためです。今日の携帯電話は、GHz 周波数での専用通信のおかげで、長く突き出たアンテナを必要としません。アンテナは約 1 本だけで済みます。これが、FM 受信機を搭載した携帯電話のほとんどが、使用前にイヤホンを接続する必要がある理由です。ラジオは、長さ 1 メートルの電波から十分な信号強度を得るために、イヤホンのワイヤーをアンテナとして使用する必要があります。
小型アンテナに接続される回路は、小さくなると実際に作りやすくなります。これは、トランジスタが高速になっただけではなく、伝送線路の影響が問題にならなくなったためです。ワイヤの長さが波長の 10 分の 1 を超える場合は、回路を設計するときにその長さに沿った位相シフトを考慮する必要があります。2.4 GHz では、これは 1 センチメートルのワイヤだけが回路に影響を与えたことを意味します。個別のコンポーネントをはんだ付けする場合は、頭の痛い問題ですが、回路を数平方ミリメートルにレイアウトする場合は問題ありません。
ムーアの法則の終焉を予測すること、またはその予測が間違っていることを何度も証明することは、科学技術ジャーナリズムにおいて繰り返し取り上げられるテーマとなっています。インテル、サムスン、TSMC という 3 社の競合企業が依然として最前線にいるという事実は変わりません。ゲームの進化は、平方マイクロメートル当たりのより多くの機能の圧縮を継続しており、将来的には数世代の改良されたチップを導入する予定です。各段階での進歩は 20 年前ほど大きくないかもしれませんが、トランジスタの小型化は続けます。
しかし、ディスクリート コンポーネントについては、自然な限界に達したようです。コンポーネントを小さくしてもパフォーマンスは向上せず、現在入手可能な最小のコンポーネントは、ほとんどのユースケースが必要とするものよりも小さいです。ディスクリート デバイスにはムーアの法則はないようです。しかし、ムーアの法則があるなら、1 人が SMD はんだ付けの課題にどれだけ挑戦できるか見てみたいと思います。
私は、1970 年代に使用していた PTH 抵抗器の写真を撮り、その上に SMD 抵抗器を取り付けて、ちょうど今交換/交換しているのと同じようにしたいと常に思っていました。私の目標は、兄弟や姉妹を作ることです (どれもそうではありません)。電化製品）どれだけ変化したか、自分の仕事の一部が見えることさえも含めて（視力が悪くなるにつれて、手はさらに悪くなり、震えています）。
私は、一緒ですか、一緒じゃないですか、と言いたいのですが、「改善する、もっと良くなる」ということが本当に嫌いです。レイアウトはうまく機能するのに、部品が入手できなくなることがあります。これは一体どういうことですか?。良いコンセプトは良いコンセプトであり、理由もなく改善するよりも、そのままにしておく方が良いでしょう。ガント
「インテル、サムスン、TSMCの3社が依然としてこのゲームの最前線で競争しており、常に平方マイクロメートルあたりにより多くの機能を絞り出しているという事実は変わりません。」
電子部品は大きくて高価です。1971 年には、平均的な家庭にはラジオ、ステレオ、テレビが数台しかありませんでした。1976 年までに、消費者にとって小型で安価なコンピュータ、電卓、デジタル時計が登場しました。
一部の小型化は設計によるものです。オペアンプではジャイレータの使用が可能であり、場合によっては大きなインダクタを置き換えることができます。また、アクティブ フィルタによりインダクタも排除されます。
大きなコンポーネントは他のことを促進します。つまり、回路の最小化、つまり、回路を動作させるために使用するコンポーネントを最小限にしようとすることです。今日では、あまり気にしません。信号を反転するものが必要ですか? オペアンプを考えてみましょう。ステートマシンが必要ですか? MPU を使用してください。など。今の部品は非常に小さいですが、実際には多くの部品が内部にあります。そのため、基本的に回路規模が大きくなり、消費電力が増加します。信号を反転するために使用されるトランジスタは、より少ない電力を使用します。オペアンプと同じ仕事を達成できます。しかし、やはり、小型化によって電力の使用が考慮されます。ただ、イノベーションが別の方向に進んでいるというだけです。
あなたは、パッケージの寄生要素の削減と電力処理の向上 (直観に反しているように思えます) という、サイズ縮小の最大の利点/理由のいくつかを実際に見逃していました。
実用的な観点から見ると、フィーチャーサイズが約0.25uに達すると、GHzレベルに達し、その時点で大型SOPパッケージが最大*の効果を生み出し始めます。長いボンディングワイヤとそれらのリードは最終的には役に立ちません。
現時点では、QFN/BGA パッケージのパフォーマンスは大幅に向上しています。さらに、このようにパッケージを平らに取り付けると、熱性能が「大幅に」向上し、パッドが露出します。
さらに、Intel、Samsung、TSMC は確かに重要な役割を果たしますが、このリストでは ASML の方がはるかに重要である可能性があります。もちろん、これは受動態には当てはまらない可能性があります…
それは、次世代プロセス ノードによるシリコン コストの削減だけではありません。バッグなどの他のことです。パッケージが小さくなると、必要な材料や wcsp が少なくなり、さらにはさらに少なくなります。パッケージが小さくなり、PCB やモジュールが小さくなります。
カタログ製品でコスト削減のみを推進している製品をよく見かけます。MHz/メモリサイズは同じ、SOC機能とピン配置は同じです。消費電力を削減するために新しい技術を使用する場合があります（通常、これは無料ではないため、顧客が気にする何らかの競争上の利点があるはずです）
大型コンポーネントの利点の 1 つは、耐放射線材料です。この重要な状況、たとえば宇宙や高高度の天文台などでは、小型トランジスタは宇宙線の影響を受けやすくなります。
速度が向上する大きな理由は見当たりませんでした。信号速度はナノ秒あたり約 8 インチなので、サイズを小さくするだけでより高速なチップが可能になります。
パッケージングの変更とサイクルの減少による伝播遅延の差 (1/周波数) を計算して、ご自身の数学をチェックすることをお勧めします。つまり、派閥の遅延/期間を減らすことになります。それが次のように表示されないことがわかります。丸め係数。
1 つ付け加えておきたいのは、多くの IC、特に古い設計やアナログ チップは、少なくとも内部的には実際には小型化されていないということです。自動製造の改善により、パッケージは小さくなりましたが、それは通常、DIP パッケージには多くの容量が含まれているためです。トランジスタ等が小さくなったからではなく、内部にスペースが残っています。
高速ピックアンドプレースアプリケーションで実際に小さなコンポーネントを扱えるほどロボットを正確にするという問題に加えて、別の問題は小さなコンポーネントを確実に溶接することです。特に電力/容量の要件によりさらに大きなコンポーネントが必要な場合はそうです。特殊なはんだペースト、特殊なステップはんだペーストのテンプレート（必要な場所に少量のはんだペーストを塗布しますが、それでも大きなコンポーネントには十分なはんだペーストを提供します）は非常に高価になり始めました。そのため、頭打ちになり、回路のさらなる小型化が図られると思います。ボードレベルでの実装はコストが高く、実行可能な方法にすぎません。この時点で、シリコンウェーハレベルでの統合をさらに進め、ディスクリートコンポーネントの数を最小限に抑えたほうがよいでしょう。
これは携帯電話に表示されます。1995 年頃、初期の携帯電話をガレージセールでそれぞれ数ドルで購入しました。ほとんどの IC はスルーホールです。認識可能な CPU と NE570 コンパンダー、大型の再利用可能な IC。
その後、最新の携帯電話をいくつか手に入れることになりました。コンポーネントは非常に少なく、見慣れたものはほとんどありません。少数の IC では、密度が向上しただけでなく、新しい設計 (SDR を参照) が採用されており、ほとんどの要素が排除されています。以前は不可欠だったディスクリートコンポーネント。
> (必要な場所に少量のはんだペーストを塗布しますが、それでも大きなコンポーネントには十分な量のはんだペーストを提供します)
そうですね、私はこの問題を解決するために「3D/Wave」テンプレートを想像しました。最小のコンポーネントがある部分は薄く、電源回路がある部分は厚くします。
現在、SMT コンポーネントは非常に小さいため、本物のディスクリート コンポーネント (74xx やその他のゴミではない) を使用して独自の CPU を設計し、それを PCB に印刷できます。それに LED を振りかけると、リアルタイムで動作するのを見ることができます。
長年にわたって、私は複雑で小さなコンポーネントの急速な開発を確かに評価しています。それらは大きな進歩をもたらしますが、同時にプロトタイピングの反復プロセスに新たなレベルの複雑さを加えます。
アナログ回路の調整とシミュレーションの速度は、実験室で行うよりもはるかに高速です。デジタル回路の周波数が上昇するにつれて、PCB はアセンブリの一部になります。たとえば、伝送線路の影響、伝播遅延など。あらゆる切断のプロトタイピング -最先端のテクノロジーは、実験室で調整するのではなく、設計を正しく完成させることに最も費やされるのです。
ホビーアイテムに関しては、評価。サーキットボードとモジュールは、コンポーネントと事前テストモジュールの縮小に対するソリューションです。
そうなると、物事の「楽しさ」は失われるかもしれませんが、仕事や趣味のために、初めてプロジェクトを動かすことの方が意味があるのではないかと思います。
いくつかのデザインをスルーホールから SMD に変換しています。より安価な製品を作成しますが、試作品を手作りするのは面白くありません。小さな間違いが 1 つあります。「平行な場所」を「平行なプレート」と読み替える必要があります。
いいえ、システムが勝利した後でも、考古学者はその発見に混乱するでしょう。おそらく 23 世紀に、惑星同盟は新しいシステムを採用するでしょう…
私はこれ以上同意できませんでした。0603 のサイズは何ですか? もちろん、0603 をインペリアル サイズとして維持し、0603 のメートル サイズを 0604 (または 0602) と「呼び出す」ことは、たとえ技術的に間違っていたとしても、それほど難しいことではありません (例:実際に一致するサイズ - そういうわけではありません) とにかく。厳密）、しかし少なくとも誰もがあなたが話しているテクノロジー（メートル法/インペリアル法）を知っているでしょう！
「一般に、抵抗、コンデンサ、インダクタなどの受動部品は、小型化しても性能が向上するわけではありません。」