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Quizás después de la ley de Ohm, la segunda ley más famosa en electrónica sea la ley de Moore: el número de transistores que se pueden fabricar en un circuito integrado se duplica aproximadamente cada dos años. Dado que el tamaño físico del chip sigue siendo aproximadamente el mismo, esto significa que los transistores individuales se harán más pequeños con el tiempo. Hemos comenzado a esperar que aparezca una nueva generación de chips con características más pequeñas a una velocidad normal, pero ¿qué sentido tiene hacer las cosas más pequeñas? ¿Más pequeño siempre significa mejor?
En el siglo pasado, la ingeniería electrónica ha logrado enormes avances. En la década de 1920, las radios AM más avanzadas constaban de varios tubos de vacío, varios inductores, condensadores y resistencias enormes, decenas de metros de cables utilizados como antenas y un gran conjunto de baterías para alimentar todo el dispositivo. Hoy en día, puedes escuchar más de una docena de servicios de transmisión de música en el dispositivo que llevas en el bolsillo y puedes hacer más. Pero la miniaturización no es sólo para la portabilidad: es absolutamente necesaria para lograr el rendimiento que esperamos de nuestros dispositivos hoy en día.
Un beneficio obvio de los componentes más pequeños es que le permiten incluir más funciones en el mismo volumen. Esto es especialmente importante para los circuitos digitales: más componentes significa que puedes realizar más procesamiento en la misma cantidad de tiempo. Por ejemplo, en teoría, la cantidad de información procesada por un procesador de 64 bits es ocho veces mayor que la de una CPU de 8 bits que funciona a la misma frecuencia de reloj. Pero también requiere ocho veces más componentes: registros, sumadores, buses, etc. son ocho veces más grandes. Entonces, o necesitas un chip que sea ocho veces más grande o un transistor que sea ocho veces más pequeño.
Lo mismo ocurre con los chips de memoria: al fabricar transistores más pequeños, se tiene más espacio de almacenamiento en el mismo volumen. Los píxeles de la mayoría de las pantallas actuales están hechos de transistores de película delgada, por lo que tiene sentido reducirlos y lograr resoluciones más altas. Sin embargo, cuanto más pequeño sea el transistor, mejor, y hay otra razón crucial: su rendimiento mejora enormemente. ¿Pero por qué exactamente?
Siempre que fabriques un transistor, te proporcionarán algunos componentes adicionales de forma gratuita. Cada terminal tiene una resistencia en serie. Cualquier objeto que lleve corriente también tiene autoinductancia. Finalmente, existe una capacitancia entre dos conductores enfrentados. Todos estos efectos consumen energía y reducen la velocidad del transistor. Las capacitancias parásitas son particularmente problemáticas: los transistores deben cargarse y descargarse cada vez que se encienden o apagan, lo que requiere tiempo y corriente de la fuente de alimentación.
La capacitancia entre dos conductores es función de su tamaño físico: un tamaño más pequeño significa una capacitancia más pequeña. Y como los condensadores más pequeños implican mayores velocidades y menor potencia, los transistores más pequeños pueden funcionar a frecuencias de reloj más altas y disipar menos calor al hacerlo.
A medida que se reduce el tamaño de los transistores, la capacitancia no es el único efecto que cambia: hay muchos efectos mecánicos cuánticos extraños que no son obvios para dispositivos más grandes. Sin embargo, en términos generales, hacer que los transistores sean más pequeños los hará más rápidos. Pero los productos electrónicos son más que simples transistores. Cuando reduce otros componentes, ¿cómo funcionan?
En términos generales, los componentes pasivos como resistencias, condensadores e inductores no mejorarán cuando se hagan más pequeños: en muchos sentidos, empeorarán. Por lo tanto, la miniaturización de estos componentes es principalmente para poder comprimirlos en un volumen más pequeño, ahorrando así espacio en la PCB.
El tamaño de la resistencia se puede reducir sin causar demasiadas pérdidas. La resistencia de una pieza de material viene dada por, donde l es la longitud, A es el área de la sección transversal y ρ es la resistividad del material. Simplemente puede reducir la longitud y la sección transversal y terminar con una resistencia físicamente más pequeña, pero aún teniendo la misma resistencia. La única desventaja es que al disipar la misma potencia, las resistencias físicamente más pequeñas generarán más calor que las resistencias más grandes. Por lo tanto, las resistencias pequeñas sólo se pueden utilizar en circuitos de baja potencia. Esta tabla muestra cómo la potencia nominal máxima de las resistencias SMD disminuye a medida que disminuye su tamaño.
Hoy en día, la resistencia más pequeña que se puede comprar es la de tamaño métrico 03015 (0,3 mm x 0,15 mm). Su potencia nominal es de sólo 20 mW y sólo se utilizan para circuitos que disipan muy poca potencia y tienen un tamaño extremadamente limitado. Se lanzó un paquete métrico 0201 más pequeño (0,2 mm x 0,1 mm), pero aún no se ha puesto en producción. Pero incluso si aparecen en el catálogo del fabricante, no espere que estén en todas partes: la mayoría de los robots de recogida y colocación no son lo suficientemente precisos para manejarlos, por lo que aún pueden ser productos de nicho.
Los condensadores también se pueden reducir, pero esto reducirá su capacitancia. La fórmula para calcular la capacitancia de un capacitor en derivación es, donde A es el área de la placa, d es la distancia entre ellos y ε es la constante dieléctrica (la propiedad del material intermedio). Si el condensador (básicamente un dispositivo plano) está miniaturizado, se debe reducir el área, reduciendo así la capacitancia. Si aún deseas empacar una gran cantidad de nafara en un volumen pequeño, la única opción es apilar varias capas juntas. Debido a los avances en materiales y fabricación, que también han hecho posibles películas delgadas (d pequeña) y dieléctricos especiales (con ε más grande), el tamaño de los condensadores se ha reducido significativamente en las últimas décadas.
El condensador más pequeño disponible en la actualidad está en un paquete métrico 0201 ultrapequeño: solo 0,25 mm x 0,125 mm. Su capacitancia está limitada a los todavía útiles 100 nF, y el voltaje operativo máximo es de 6,3 V. Además, estos paquetes son muy pequeños y requieren equipos avanzados para manejarlos, lo que limita su adopción generalizada.
Para los inductores, la historia es un poco complicada. La inductancia de una bobina recta viene dada por, donde N es el número de vueltas, A es el área de la sección transversal de la bobina, l es su longitud y μ es la constante del material (permeabilidad). Si todas las dimensiones se reducen a la mitad, la inductancia también se reducirá a la mitad. Sin embargo, la resistencia del cable sigue siendo la misma: esto se debe a que la longitud y la sección transversal del cable se reducen a una cuarta parte de su valor original. Esto significa que terminarás con la misma resistencia en la mitad de la inductancia, por lo que reducirás a la mitad el factor de calidad (Q) de la bobina.
El inductor discreto más pequeño disponible comercialmente adopta el tamaño en pulgadas 01005 (0,4 mm x 0,2 mm). Estos llegan a 56 nH y tienen una resistencia de unos pocos ohmios. Los inductores en un paquete métrico 0201 ultrapequeño se lanzaron en 2014, pero aparentemente nunca se introdujeron en el mercado.
Las limitaciones físicas de los inductores se han resuelto mediante el uso de un fenómeno llamado inductancia dinámica, que se puede observar en bobinas hechas de grafeno. Pero aun así, si se puede fabricar de forma comercialmente viable, puede aumentar en un 50%. Finalmente, la bobina no se puede miniaturizar bien. Sin embargo, si su circuito funciona a altas frecuencias, esto no es necesariamente un problema. Si su señal está en el rango de GHz, unas pocas bobinas de nH suelen ser suficientes.
Esto nos lleva a otra cosa que se ha miniaturizado en el siglo pasado pero que quizás no notes de inmediato: la longitud de onda que utilizamos para comunicarnos. Las primeras transmisiones de radio utilizaban una frecuencia AM de onda media de aproximadamente 1 MHz con una longitud de onda de aproximadamente 300 metros. La banda de frecuencia FM centrada en 100 MHz o 3 metros se popularizó alrededor de los años 60, y hoy en día utilizamos principalmente comunicaciones 4G en torno a 1 o 2 GHz (unos 20 cm). Frecuencias más altas significan más capacidad de transmisión de información. Gracias a la miniaturización disponemos de radios baratas, fiables y que ahorran energía y que funcionan en estas frecuencias.
La reducción de las longitudes de onda puede reducir el tamaño de las antenas porque su tamaño está directamente relacionado con la frecuencia que necesitan para transmitir o recibir. Los teléfonos móviles actuales no necesitan antenas largas y sobresalientes, gracias a su comunicación específica en frecuencias de GHz, para las cuales la antena sólo necesita tener aproximadamente un centímetro de largo. Esta es la razón por la que la mayoría de los teléfonos móviles que todavía contienen receptores de FM requieren que usted conecte los auriculares antes de usarlos: la radio necesita usar el cable de los auriculares como antena para obtener suficiente intensidad de señal de esas ondas de un metro de largo.
En cuanto a los circuitos conectados a nuestras antenas en miniatura, cuando son más pequeños, resultan más fáciles de hacer. Esto no se debe sólo a que los transistores se han vuelto más rápidos, sino también a que los efectos de las líneas de transmisión ya no son un problema. En resumen, cuando la longitud de un cable excede una décima parte de la longitud de onda, es necesario considerar el cambio de fase a lo largo de su longitud al diseñar el circuito. A 2,4 GHz, esto significa que sólo un centímetro de cable ha afectado a su circuito; si sueldas componentes discretos, es un dolor de cabeza, pero si diseñas el circuito en unos pocos milímetros cuadrados, no es un problema.
Predecir la desaparición de la Ley de Moore, o demostrar que estas predicciones son erróneas una y otra vez, se ha convertido en un tema recurrente en el periodismo científico y tecnológico. El hecho es que Intel, Samsung y TSMC, los tres competidores que todavía están a la vanguardia del juego, continúan comprimiendo más funciones por micrómetro cuadrado y planean introducir varias generaciones de chips mejorados en el futuro. Aunque el progreso que han logrado en cada paso puede no ser tan grande como hace dos décadas, la miniaturización de los transistores continúa.
Sin embargo, para los componentes discretos, parece que hemos llegado a un límite natural: hacerlos más pequeños no mejora su rendimiento, y los componentes más pequeños disponibles actualmente son más pequeños de lo que requieren la mayoría de los casos de uso. Parece que no existe una Ley de Moore para dispositivos discretos, pero si existe, nos encantaría ver hasta qué punto una persona puede superar el desafío de la soldadura SMD.
Siempre quise tomar una fotografía de una resistencia PTH que usé en la década de 1970 y colocarle una resistencia SMD, tal como la estoy cambiando ahora. Mi objetivo es hacer que mis hermanos y hermanas (ninguno de ellos son productos electrónicos) cambien mucho, incluso puedo ver las partes de mi trabajo (a medida que mi vista empeora, mis manos empeoran).
Me gusta decir, ¿están juntos o no? Realmente odio "mejorar, mejorar". A veces su diseño funciona bien, pero ya no puede conseguir piezas. ¿Qué diablos es eso? . Un buen concepto es un buen concepto y es mejor mantenerlo como está que mejorarlo sin motivo. Gantt
"El hecho es que las tres empresas Intel, Samsung y TSMC siguen compitiendo a la vanguardia de este juego, exprimiendo constantemente más funciones por micrómetro cuadrado".
Los componentes electrónicos son grandes y caros. En 1971, la familia promedio tenía sólo unas pocas radios, un estéreo y un televisor. En 1976, aparecieron las computadoras, calculadoras, relojes digitales y relojes, que eran pequeños y económicos para los consumidores.
Parte de la miniaturización proviene del diseño. Los amplificadores operacionales permiten el uso de giradores, que en algunos casos pueden reemplazar a inductores grandes. Los filtros activos también eliminan los inductores.
Los componentes más grandes promueven otras cosas: la minimización del circuito, es decir, intentar utilizar la menor cantidad de componentes para que el circuito funcione. Hoy no nos importa tanto. ¿Necesitas algo para revertir la señal? Tome un amplificador operacional. ¿Necesitas una máquina de estados? Toma una mpu. etc. Los componentes hoy en día son realmente pequeños, pero en realidad hay muchos componentes en su interior. Básicamente, el tamaño de su circuito aumenta y el consumo de energía aumenta. Un transistor utilizado para invertir una señal utiliza menos energía para realizar el mismo trabajo que un amplificador operacional. Pero claro, la miniaturización se encargará del uso de la energía. Lo que pasa es que la innovación ha ido en una dirección diferente.
Realmente te perdiste algunos de los mayores beneficios/razones del tamaño reducido: reducción de parásitos del paquete y mayor manejo de potencia (lo que parece contradictorio).
Desde un punto de vista práctico, una vez que el tamaño de la característica alcance aproximadamente 0,25u, alcanzará el nivel de GHz, momento en el cual el paquete SOP grande comienza a producir el efecto más grande*. Los cables de unión largos y esos cables eventualmente te matarán.
En este punto, los paquetes QFN/BGA han mejorado mucho en términos de rendimiento. Además, cuando montas el paquete plano de esta manera, terminas con un rendimiento térmico *significativamente* mejor y almohadillas expuestas.
Además, Intel, Samsung y TSMC seguramente desempeñarán un papel importante, pero ASML puede ser mucho más importante en esta lista. Por supuesto, esto puede no aplicarse a la voz pasiva…
No se trata sólo de reducir los costos del silicio mediante nodos de proceso de próxima generación. Otras cosas, como bolsos. Los paquetes más pequeños requieren menos materiales y wcsp o incluso menos. Paquetes más pequeños, PCB o módulos más pequeños, etc.
A menudo veo algunos productos de catálogo, donde el único factor determinante es la reducción de costes. El tamaño de MHz/memoria es el mismo, la función SOC y la disposición de pines son las mismas. Podemos utilizar nuevas tecnologías para reducir el consumo de energía (normalmente esto no es gratuito, por lo que debe haber algunas ventajas competitivas que interesen a los clientes)
Una de las ventajas de los componentes grandes es el material antirradiación. En esta importante situación, los pequeños transistores son más susceptibles a los efectos de los rayos cósmicos. Por ejemplo, en el espacio e incluso en observatorios de gran altitud.
No vi una razón importante para el aumento de velocidad. La velocidad de la señal es de aproximadamente 8 pulgadas por nanosegundo. Entonces, simplemente reduciendo el tamaño, son posibles chips más rápidos.
Es posible que desee comprobar sus propias matemáticas calculando la diferencia en el retraso de propagación debido a cambios de empaquetado y ciclos reducidos (1/frecuencia). Eso es para reducir el retraso/período de las facciones. Verá que ni siquiera aparece como factor de redondeo.
Una cosa que quiero agregar es que muchos circuitos integrados, especialmente los diseños más antiguos y los chips analógicos, en realidad no se reducen de tamaño, al menos internamente. Debido a las mejoras en la fabricación automatizada, los paquetes se han vuelto más pequeños, pero eso se debe a que a los paquetes DIP generalmente les queda mucho espacio en el interior, no a que los transistores, etc., se hayan vuelto más pequeños.
Además del problema de hacer que el robot sea lo suficientemente preciso como para manejar componentes diminutos en aplicaciones de recogida y colocación de alta velocidad, otro problema es soldar de forma fiable componentes diminutos. Especialmente cuando todavía necesita componentes más grandes debido a requisitos de potencia/capacidad. El uso de pasta de soldadura especial, plantillas de pasta de soldadura por pasos especiales (aplicar una pequeña cantidad de pasta de soldadura cuando sea necesario, pero aún así proporcionar suficiente pasta de soldadura para componentes grandes) comenzó a ser muy costosa. Así que creo que hay un estancamiento, y una mayor miniaturización a nivel de placa de circuito es simplemente una forma costosa y factible. En este punto, también se podría realizar una mayor integración a nivel de oblea de silicio y simplificar el número de componentes discretos al mínimo absoluto.
Verás esto en tu teléfono. Alrededor de 1995, compré algunos de los primeros teléfonos móviles en ventas de garaje por unos pocos dólares cada uno. La mayoría de los circuitos integrados son de orificio pasante. CPU reconocible y compresor NE570, IC reutilizable de gran tamaño.
Luego terminé con algunos teléfonos portátiles actualizados. Hay muy pocos componentes y casi nada familiar. En una pequeña cantidad de circuitos integrados, no solo la densidad es mayor, sino que también se adopta un nuevo diseño (ver SDR), que elimina la mayoría de los componentes discretos que antes eran indispensables.
> (Aplique una pequeña cantidad de soldadura en pasta donde sea necesario, pero aún proporcione suficiente soldadura en pasta para componentes grandes)
Oye, imaginé la plantilla “3D/Wave” para resolver este problema: más delgada donde están los componentes más pequeños y más gruesa donde está el circuito de alimentación.
Hoy en día, los componentes SMT son muy pequeños, puede usar componentes discretos reales (no 74xx y otra basura) para diseñar su propia CPU e imprimirla en la PCB. Espolvoréalo con LED, podrás verlo funcionando en tiempo real.
A lo largo de los años, ciertamente aprecio el rápido desarrollo de componentes pequeños y complejos. Proporcionan un enorme progreso, pero al mismo tiempo añaden un nuevo nivel de complejidad al proceso iterativo de creación de prototipos.
La velocidad de ajuste y simulación de circuitos analógicos es mucho más rápida que la que se hace en el laboratorio. A medida que aumenta la frecuencia de los circuitos digitales, la PCB pasa a formar parte del conjunto. Por ejemplo, efectos de la línea de transmisión, retraso de propagación. La creación de prototipos de cualquier tecnología de vanguardia se emplea mejor en completar el diseño correctamente, en lugar de hacer ajustes en el laboratorio.
En cuanto a artículos de hobby, evaluación. Las placas de circuito y los módulos son una solución para encoger componentes y probar previamente módulos.
Esto puede hacer que las cosas pierdan “diversión”, pero creo que hacer que tu proyecto funcione por primera vez puede ser más significativo debido al trabajo o los pasatiempos.
He estado convirtiendo algunos diseños de orificio pasante a SMD. Fabricar productos más baratos, pero no es divertido construir prototipos a mano. Un pequeño error: “lugar paralelo” debería leerse como “placa paralela”.
No. Después de que un sistema gane, los arqueólogos seguirán confundidos por sus hallazgos. Quién sabe, tal vez en el siglo XXIII la Alianza Planetaria adopte un nuevo sistema...
No podría estar más de acuerdo. ¿Cuál es el tamaño de 0603? Por supuesto, mantener 0603 como tamaño imperial y “llamar” al tamaño métrico 0603 0604 (o 0602) no es tan difícil, incluso si puede ser técnicamente incorrecto (es decir, tamaño coincidente real, no de esa manera) de todos modos. Estricto), ¡pero al menos todos sabrán de qué tecnología estás hablando (métrica/imperial)!
"En términos generales, los componentes pasivos como resistencias, condensadores e inductores no mejorarán si los hacemos más pequeños".