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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。チップの物理サイズはほぼ同じなので、時間の経過とともに個々のトランジスタが小さくなることを意味します。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、ものを小さくすることにどのような意味があるのでしょうか?小さい方が常に良いことを意味しますか?
過去 1 世紀の間に、電子工学は目覚ましい進歩を遂げました。1920 年代、最も先進的な 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、およびデバイス全体に電力を供給する大量のバッテリーで構成されていました。現在では、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るようになりました。しかし、小型化は携帯性のためだけではありません。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、小型化が絶対に必要です。
コンポーネントを小さくすることの明白な利点の 1 つは、同じボリュームにさらに多くの機能を含めることができることです。これはデジタル回路にとって特に重要です。コンポーネントが増えると、同じ時間でより多くの処理を実行できるようになります。たとえば、理論上、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 倍になります。ただし、8 倍のコンポーネントも必要です。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 倍大きいチップが必要になるか、8 倍小さいトランジスタが必要になります。
メモリ チップにも同じことが当てはまります。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容量が得られます。現在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、ピクセル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。ただし、トランジスタは小さいほど優れており、性能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、追加の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接続されています。電流を流すあらゆる物体にも自己インダクタンスがあります。最後に、向かい合った 2 つの導体間には静電容量が存在します。これらすべての影響は電力を消費し、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。トランジスタはオンまたはオフになるたびに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消費電力が低いため、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、その際の熱の放散が少なくなります。
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。より大きなデバイスでは明らかではない、奇妙な量子力学的影響が数多く存在します。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、電子製品は単なるトランジスタではありません。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りますか?
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わけではなく、多くの点で悪化します。したがって、これらのコンポーネントの小型化は主に、コンポーネントをより小さな体積に圧縮できるようにすることであり、それによって PCB スペースを節約できます。
損失をあまり大きくすることなく、抵抗器のサイズを小さくすることができます。材料片の抵抗は次式で与えられます。ここで、l は長さ、A は断面積、ρ は材料の抵抗率です。長さと断面積を減らすだけで、同じ抵抗を持ちながら物理的に小さな抵抗が得られます。唯一の欠点は、同じ電力を消費する場合、物理的に小さい抵抗の方が大きい抵抗よりも多くの熱を発生することです。したがって、小さな抵抗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サイズの 03015 (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。より小型のメートル法 0201 パッケージ (0.2 mm x 0.1 mm) がリリースされましたが、まだ量産化されていません。しかし、たとえそれらがメーカーのカタログに掲載されていたとしても、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イスロボットはそれらを処理できるほど正確ではないため、依然としてニッチな製品である可能性があります。
コンデンサも縮小できますが、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、A が基板の面積、d がそれらの間の距離、ε が誘電率 (中間材料の特性) であるとします。コンデンサ（基本的には平面素子）を小型化すると、面積を小さくする必要があり、静電容量が小さくなります。それでも少量の中に大量のナファラを詰め込みたい場合は、いくつかの層を積み重ねるしか方法はありません。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いため、それらを扱うには高度な機器が必要であり、その普及が制限されています。
インダクタの場合、話は少し難しくなります。直線コイルのインダクタンスは次の式で与えられます。N は巻き数、A はコイルの断面積、l はコイルの長さ、μ は材料定数 (透磁率) です。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元の値の 4 分の 1 に減少しているためです。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。
市販ディスクリートインダクタの最小サイズはインチサイズの01005(0.4mm×0.2mm)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ちます。超小型メトリック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、市場にはまだ導入されていないようです。
インダクタの物理的制限は、グラフェンで作られたコイルで観察できる動的インダクタンスと呼ばれる現象を使用することで解決されました。それでも、商業的に実現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、コイルを十分に小型化することができない。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になるわけではありません。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 つの事柄につながりますが、すぐには気づかないかもしれません。それは、私たちが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通信が主に使われています。周波数が高いほど、より多くの情報伝送能力が得られます。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。
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しているため、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。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。アンテナの長さは約 1 センチメートルだけで済みます。これが、FM 受信機を搭載したほとんどの携帯電話が、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、1 メートルの長さ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する回路は、小さくなると実は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、伝送線路の影響がもはや問題ではなくなったためでもあります。つまり、ワイヤの長さが波長の 10 分の 1 を超える場合、回路設計時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、回路に影響を与えたワイヤはわずか 1 cm であることを意味します。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、またはこれらの予測が何度も間違っていることを示すことは、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、依然としてこの分野の最前線にいる 3 社の競合企業が、平方マイクロメートルあたりの機能の圧縮を続けており、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あるという事実は変わりません。各段階での進歩は 20 年前ほどではないかもしれませんが、トランジスタの微細化は続いています。
ただし、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、現在利用可能な最小コンポーネントは、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が、ムーアの法則があるのであれば、1 人が SMD のはんだ付けの課題にどこまで挑戦できるか見てみたいと思っています。
私は、1970 年代に使用していた PTH 抵抗器の写真を撮り、今交換/交換しているのと同じように、その上に SMD 抵抗器を取り付けたいと常に思っていました。私の目標は、兄弟姉妹（誰も電子製品ではありません）に、自分の仕事の一部が見えることさえ含めて、どれだけ変化するかを知らせることです（視力が低下するにつれて、手の震えも悪化します）。
私は、一緒にいるのか、いないのか、と言いたいのです。私は「改善する、良くなる」ということが本当に嫌いです。レイアウトがうまく機能しても、部品が入手できなくなる場合があります。それは一体何ですか？。良いコンセプトは良いコンセプトであり、むやみに改良するよりも、そのままにしておく方が良いでしょう。ガントチャート
「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、平均的な家庭には数台のラジオ、ステレオ、テレビ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ー、電卓、デジタル時計や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を使用できるため、場合によっては大型インダクタの代わりに使用できます。アクティブフィルターはインダクターも排除します。
コンポーネントを大きくすると、他のことも促進されます。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。今日はあまり気にしません。信号を反転させる何かが必要ですか?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を手に入れましょう。今日のコンポーネントは非常に小さいですが、実際には多くのコンポーネントが内部にあります。したがって、基本的に回路サイズが増加し、消費電力が増加します。信号の反転に使用されるトランジスタは、同じ仕事を遂行するのにオペアンプよりも少ない電力で済みます。しかし、繰り返しになりますが、小型化により電力の使用が考慮されます。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やリード線は最終的には命を落とします。
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 が重要な役割を果たすことは間違いありませんが、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、受動態には当てはまらないかもしれませんが…。
次世代プロセスノードを通じてシリコンコストを削減するだけではありません。その他、バッグなど。パッケージが小さいと、必要な材料や wcsp が少なくなり、さらに少なくなります。より小型のパッケージ、より小型の PCB またはモジュールなど。
カタログ商品の中にはコスト削減のみを推進しているものをよく見かけます。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テクノロジー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、顧客が重視する何らかの競争上の利点が必要です)
大型コンポーネントの利点の 1 つは、耐放射線素材であることです。この重要な状況では、小さなトランジスタは宇宙線の影響を受けやすくなります。たとえば、宇宙や高高度の天文台などです。
速度が向上する主な理由は見つかりませんでした。信号速度は約 8 インチ/ナノ秒です。したがって、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、ご自身の計算を確認することもできます。それは、派閥の遅延/期間を短縮することです。四捨五入係数としても表示されないことがわかります。
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。製造自動化の向上によりパッケージは小さくなりましたが、これは通常DIPパッケージの内部に多くのスペースが残っているためであり、トランジスタ等が小さくなったわけではありません。
高速ピックアンドプレース用途で小さな部品を実際に扱えるほどロボットを正確にするという問題に加えて、小さな部品を確実に溶接するという別の問題もあります。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にはなおさらです。特殊なはんだペーストを使用する特殊なステップはんだペースト 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、それでも大型コンポーネントに十分なはんだペーストを提供する) は非常に高価になり始めました。したがって、停滞期があり、回路基板レベルでのさらなる小型化はコストがかかり、実現可能な方法にすぎないと思います。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。
これは携帯電話で見ることができます。1995 年頃、私はガレージ セールで初期の携帯電話を 1 台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、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入手す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、密度が高くなっただけでなく、新しい設計 (SDR を参照) が採用され、以前は不可欠だったディスクリート部​​品のほとんどが不要になりました。
> (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、実際のディスクリート 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。LEDを散りばめると、リアルタイムで動作しているのがわかります。
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に確かに感謝しています。こ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、伝播遅延などです。最先端のテクノロジーのプロトタイピングでは、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時間を費やすのが最善です。
趣味の品、評価など。回路基板とモジュールは、コンポーネントの縮小とモジュールの事前テスト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ることはできますが、プロトタイプ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」と読む必要があります。
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…
私はこれ以上同意することができませんでした。0603のサイズはどれくらいですか？もちろん、0603 をインペリアル サイズとして保持し、0603 メートル サイズを 0604 (または 0602) と「呼び出す」ことは、技術的に間違っている可能性があるとしても (つまり、実際の一致サイズ - そうではない)、それほど難しいことではありません。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。」