berita

Mungkin setelah hukum Ohm, hukum kedua yang paling terkenal dalam bidang elektronik adalah hukum Moore: Jumlah transistor yang dapat diproduksi pada sirkuit terpadu meningkat dua kali lipat setiap dua tahun atau lebih. Karena ukuran fisik chip tetap sama, ini berarti masing-masing transistor akan menjadi lebih kecil seiring waktu. Kami mulai mengharapkan chip generasi baru dengan ukuran fitur yang lebih kecil untuk muncul pada kecepatan normal, tapi apa gunanya memperkecilnya? Apakah lebih kecil selalu berarti lebih baik?
Pada abad yang lalu, teknik elektronik telah mengalami kemajuan yang luar biasa. Pada tahun 1920-an, radio AM tercanggih terdiri dari beberapa tabung vakum, beberapa induktor besar, kapasitor dan resistor, kabel puluhan meter yang digunakan sebagai antena, dan satu set besar baterai untuk memberi daya pada seluruh perangkat. Saat ini, Anda dapat mendengarkan lebih dari selusin layanan streaming musik di perangkat di saku Anda, dan Anda dapat melakukan lebih banyak hal. Namun miniaturisasi bukan hanya untuk portabilitas: hal ini mutlak diperlukan untuk mencapai kinerja yang kita harapkan dari perangkat kita saat ini.
Salah satu manfaat nyata dari komponen yang lebih kecil adalah memungkinkan Anda memasukkan lebih banyak fungsi dalam volume yang sama. Hal ini sangat penting untuk sirkuit digital: lebih banyak komponen berarti Anda dapat melakukan lebih banyak pemrosesan dalam jumlah waktu yang sama. Misalnya, secara teori, jumlah informasi yang diproses oleh prosesor 64-bit adalah delapan kali lipat dari CPU 8-bit yang berjalan pada frekuensi clock yang sama. Namun hal ini juga memerlukan komponen delapan kali lebih banyak: register, adder, bus, dll. Semuanya delapan kali lebih besar. Jadi, Anda memerlukan chip yang delapan kali lebih besar, atau Anda memerlukan transistor yang delapan kali lebih kecil.
Hal yang sama berlaku untuk chip memori: Dengan membuat transistor lebih kecil, Anda memiliki lebih banyak ruang penyimpanan dalam volume yang sama. Piksel di sebagian besar layar saat ini terbuat dari transistor film tipis, jadi masuk akal untuk memperkecil skalanya dan mencapai resolusi yang lebih tinggi. Namun, semakin kecil transistornya, semakin baik, dan ada alasan penting lainnya: kinerjanya meningkat pesat. Tapi kenapa tepatnya?
Setiap kali Anda membuat transistor, ia akan menyediakan beberapa komponen tambahan secara gratis. Setiap terminal mempunyai resistor yang dirangkai seri. Setiap benda yang membawa arus juga mempunyai induktansi diri. Terakhir, terdapat kapasitansi antara dua konduktor yang saling berhadapan. Semua efek ini menghabiskan daya dan memperlambat kecepatan transistor. Kapasitansi parasit sangat menyusahkan: transistor perlu diisi dan dikosongkan setiap kali dihidupkan atau dimatikan, yang memerlukan waktu dan arus dari catu daya.
Kapasitansi antara dua konduktor merupakan fungsi dari ukuran fisiknya: semakin kecil ukuran berarti semakin kecil kapasitansinya. Dan karena kapasitor yang lebih kecil berarti kecepatan yang lebih tinggi dan daya yang lebih rendah, transistor yang lebih kecil dapat bekerja pada frekuensi clock yang lebih tinggi dan menghilangkan panas yang lebih sedikit dalam prosesnya.
Saat Anda memperkecil ukuran transistor, kapasitansi bukanlah satu-satunya efek yang berubah: ada banyak efek mekanika kuantum aneh yang tidak terlihat jelas pada perangkat yang lebih besar. Namun, secara umum, memperkecil transistor akan membuatnya lebih cepat. Namun produk elektronik lebih dari sekedar transistor. Saat Anda memperkecil komponen lain, bagaimana kinerjanya?
Secara umum, komponen pasif seperti resistor, kapasitor, dan induktor tidak akan menjadi lebih baik jika ukurannya semakin kecil: dalam banyak hal, komponen tersebut akan menjadi lebih buruk. Oleh karena itu, miniaturisasi komponen-komponen ini terutama untuk dapat mengompresnya menjadi volume yang lebih kecil, sehingga menghemat ruang PCB.
Besar kecilnya resistor dapat diperkecil tanpa menimbulkan kerugian yang terlalu besar. Hambatan suatu bahan diberikan oleh, dimana l adalah panjang, A adalah luas penampang, dan ρ adalah resistivitas bahan. Anda cukup mengurangi panjang dan penampangnya, dan mendapatkan resistor yang secara fisik lebih kecil, namun tetap memiliki resistansi yang sama. Satu-satunya kelemahan adalah ketika daya yang sama dihamburkan, resistor yang secara fisik lebih kecil akan menghasilkan lebih banyak panas daripada resistor yang lebih besar. Oleh karena itu, resistor kecil hanya dapat digunakan pada rangkaian berdaya rendah. Tabel ini menunjukkan bagaimana peringkat daya maksimum resistor SMD menurun seiring dengan berkurangnya ukurannya.
Saat ini, resistor terkecil yang dapat Anda beli adalah ukuran metrik 03015 (0,3 mm x 0,15 mm). Daya pengenalnya hanya 20 mW dan hanya digunakan untuk sirkuit yang menghabiskan daya sangat kecil dan ukurannya sangat terbatas. Paket metrik 0201 yang lebih kecil (0,2 mm x 0,1 mm) telah dirilis, namun belum dimasukkan ke dalam produksi. Namun meskipun robot tersebut muncul di katalog pabrikan, jangan berharap robot tersebut ada di mana-mana: sebagian besar robot pick and place tidak cukup akurat untuk menanganinya, sehingga mungkin masih merupakan produk khusus.
Kapasitor juga dapat diperkecil, namun hal ini akan mengurangi kapasitansinya. Rumus untuk menghitung kapasitansi kapasitor shunt adalah, dimana A adalah luas papan, d adalah jarak antara keduanya, dan ε adalah konstanta dielektrik (sifat bahan antara). Jika kapasitor (pada dasarnya perangkat datar) diperkecil, luasnya harus dikurangi, sehingga mengurangi kapasitansi. Jika Anda tetap ingin mengemas nafara dalam jumlah banyak dalam volume kecil, satu-satunya pilihan adalah menumpuk beberapa lapis menjadi satu. Karena kemajuan dalam material dan manufaktur, yang juga memungkinkan pembuatan film tipis (d kecil) dan dielektrik khusus (dengan ε lebih besar), ukuran kapasitor telah menyusut secara signifikan dalam beberapa dekade terakhir.
Kapasitor terkecil yang tersedia saat ini ada dalam paket metrik 0201 yang sangat kecil: hanya 0,25 mm x 0,125 mm. Kapasitansinya terbatas pada 100 nF yang masih berguna, dan tegangan operasi maksimumnya adalah 6,3 V. Selain itu, paket ini sangat kecil dan memerlukan peralatan canggih untuk menanganinya, sehingga membatasi penerapannya secara luas.
Untuk induktor, ceritanya agak rumit. Induktansi kumparan lurus diberikan oleh, dimana N adalah jumlah lilitan, A adalah luas penampang kumparan, l adalah panjangnya, dan μ adalah konstanta material (permeabilitas). Jika semua dimensi dikurangi setengahnya, induktansi juga akan berkurang setengahnya. Namun, hambatan kawat tetap sama: hal ini karena panjang dan penampang kawat berkurang menjadi seperempat dari nilai aslinya. Ini berarti Anda mendapatkan resistansi yang sama di setengah induktansi, sehingga Anda mengurangi separuh faktor kualitas (Q) kumparan.
Induktor diskrit terkecil yang tersedia secara komersial mengadopsi ukuran inci 01005 (0,4 mm x 0,2 mm). Ini setinggi 56 nH dan memiliki ketahanan beberapa ohm. Induktor dalam paket metrik 0201 ultra-kecil dirilis pada tahun 2014, namun tampaknya belum pernah diperkenalkan ke pasar.
Keterbatasan fisik induktor telah diatasi dengan menggunakan fenomena yang disebut induktansi dinamis, yang dapat diamati pada kumparan yang terbuat dari graphene. Namun demikian, jika dapat diproduksi dengan cara yang layak secara komersial, maka dapat meningkat sebesar 50%. Akhirnya, kumparan tidak dapat diminiaturisasi dengan baik. Namun, jika sirkuit Anda beroperasi pada frekuensi tinggi, hal ini tidak selalu menjadi masalah. Jika sinyal Anda berada dalam rentang GHz, beberapa kumparan nH biasanya sudah cukup.
Hal ini membawa kita pada hal lain yang telah diperkecil dalam satu abad terakhir, namun Anda mungkin tidak langsung menyadarinya: panjang gelombang yang kita gunakan untuk komunikasi. Siaran radio awal menggunakan gelombang menengah frekuensi AM sekitar 1 MHz dengan panjang gelombang sekitar 300 meter. Pita frekuensi FM yang berpusat pada 100 MHz atau 3 meter mulai populer sekitar tahun 1960an, dan saat ini kita terutama menggunakan komunikasi 4G sekitar 1 atau 2 GHz (sekitar 20 cm). Frekuensi yang lebih tinggi berarti kapasitas transmisi informasi yang lebih besar. Karena miniaturisasi, kita memiliki radio yang murah, andal, dan hemat energi yang bekerja pada frekuensi ini.
Menyusutnya panjang gelombang dapat mengecilkan antena karena ukurannya berhubungan langsung dengan frekuensi yang dibutuhkan untuk mengirim atau menerima. Ponsel masa kini tidak memerlukan antena panjang yang menonjol, berkat komunikasi khusus pada frekuensi GHz, yang mana panjang antena hanya perlu sekitar satu sentimeter. Inilah sebabnya mengapa sebagian besar ponsel yang masih dilengkapi penerima FM mengharuskan Anda mencolokkan earphone sebelum digunakan: radio perlu menggunakan kabel earphone sebagai antena untuk mendapatkan kekuatan sinyal yang cukup dari gelombang sepanjang satu meter tersebut.
Sedangkan untuk rangkaian yang dihubungkan ke antena mini kita, jika lebih kecil sebenarnya lebih mudah dibuat. Hal ini bukan hanya karena transistor menjadi lebih cepat, namun juga karena efek saluran transmisi tidak lagi menjadi masalah. Singkatnya, ketika panjang kawat melebihi sepersepuluh panjang gelombang, Anda perlu mempertimbangkan pergeseran fasa sepanjang kawat saat merancang rangkaian. Pada 2,4 GHz, ini berarti hanya satu sentimeter kabel yang memengaruhi sirkuit Anda; jika Anda menyolder komponen-komponen terpisah bersama-sama, itu memusingkan, tetapi jika Anda meletakkan sirkuit pada beberapa milimeter persegi, itu tidak menjadi masalah.
Memprediksi berakhirnya Hukum Moore, atau menunjukkan bahwa prediksi tersebut berulang kali salah, telah menjadi tema yang berulang dalam jurnalisme sains dan teknologi. Faktanya tetap bahwa Intel, Samsung, dan TSMC, tiga pesaing yang masih berada di garis depan permainan, terus memampatkan lebih banyak fitur per mikrometer persegi, dan berencana untuk memperkenalkan beberapa generasi chip yang ditingkatkan di masa depan. Meskipun kemajuan yang mereka capai pada setiap langkah mungkin tidak sebesar dua dekade lalu, miniaturisasi transistor terus berlanjut.
Namun, untuk komponen diskrit, kami tampaknya telah mencapai batas alami: memperkecilnya tidak meningkatkan kinerjanya, dan komponen terkecil yang tersedia saat ini lebih kecil dari yang dibutuhkan sebagian besar kasus penggunaan. Tampaknya tidak ada Hukum Moore untuk perangkat diskrit, tetapi jika ada Hukum Moore, kami ingin melihat seberapa besar kemampuan seseorang dalam melakukan tantangan penyolderan SMD.
Saya selalu ingin mengambil gambar resistor PTH yang saya gunakan pada tahun 1970an, dan memasang resistor SMD di atasnya, sama seperti saya menukar masuk/keluar sekarang. Tujuan saya adalah membuat saudara-saudara saya (tidak ada satupun dari mereka yang merupakan produk elektronik) betapa banyak perubahannya, termasuk saya bahkan dapat melihat bagian-bagian pekerjaan saya, (karena penglihatan saya semakin buruk, tangan saya semakin buruk gemetar).
Saya suka mengatakan, apakah itu bersama atau tidak. Saya sangat benci “meningkatkan, menjadi lebih baik.” Terkadang tata letak Anda berfungsi dengan baik, tetapi Anda tidak bisa lagi mendapatkan bagiannya. Apa itu? . Konsep yang baik adalah konsep yang baik, dan lebih baik dipertahankan apa adanya, daripada diperbaiki tanpa alasan. Gantt
“Faktanya tetap bahwa ketiga perusahaan Intel, Samsung, dan TSMC masih bersaing di garis depan dalam game ini, terus-menerus menghadirkan lebih banyak fitur per mikrometer persegi,”
Komponen elektronik berukuran besar dan mahal. Pada tahun 1971, rata-rata keluarga hanya memiliki sedikit radio, stereo, dan TV. Pada tahun 1976, komputer, kalkulator, jam digital, dan jam tangan telah keluar, berukuran kecil dan murah bagi konsumen.
Beberapa miniaturisasi berasal dari desain. Penguat operasional memungkinkan penggunaan gyrator, yang dalam beberapa kasus dapat menggantikan induktor besar. Filter aktif juga menghilangkan induktor.
Komponen yang lebih besar memang mendorong hal lain: minimalisasi rangkaian, yaitu mencoba menggunakan komponen paling sedikit agar rangkaian dapat berfungsi. Hari ini, kami tidak terlalu peduli. Butuh sesuatu untuk membalikkan sinyal? Ambil penguat operasional. Apakah Anda memerlukan mesin negara? Ambil sebuah mpu. dll. Komponennya saat ini memang kecil, tapi sebenarnya ada banyak komponen di dalamnya. Jadi pada dasarnya ukuran sirkuit Anda bertambah dan konsumsi daya meningkat. Transistor yang digunakan untuk membalikkan sinyal menggunakan daya yang lebih kecil untuk menyelesaikan pekerjaan yang sama dibandingkan penguat operasional. Namun sekali lagi, miniaturisasi akan mengatur penggunaan daya. Hanya saja inovasinya menuju ke arah yang berbeda.
Anda benar-benar melewatkan beberapa manfaat/alasan terbesar dari pengurangan ukuran: pengurangan parasit paket dan peningkatan penanganan daya (yang tampaknya berlawanan dengan intuisi).
Dari sudut pandang praktis, setelah ukuran fitur mencapai sekitar 0,25u, Anda akan mencapai level GHz, di mana paket SOP yang besar mulai menghasilkan efek* terbesar. Kabel pengikat yang panjang dan kabel tersebut pada akhirnya akan membunuh Anda.
Pada titik ini, paket QFN/BGA telah meningkat pesat dalam hal kinerja. Selain itu, saat Anda memasang paket secara mendatar seperti ini, Anda akan mendapatkan kinerja termal yang *jauh* lebih baik dan bantalan terbuka.
Selain itu, Intel, Samsung, dan TSMC tentu akan memainkan peran penting, namun ASML mungkin jauh lebih penting dalam daftar ini. Tentu saja, ini mungkin tidak berlaku untuk kalimat pasif…
Ini bukan hanya tentang mengurangi biaya silikon melalui node proses generasi berikutnya. Hal-hal lain, seperti tas. Paket yang lebih kecil membutuhkan lebih sedikit bahan dan wcsp atau bahkan lebih sedikit. Paket yang lebih kecil, PCB atau modul yang lebih kecil, dll.
Saya sering melihat beberapa katalog produk, dimana satu-satunya faktor pendorongnya adalah pengurangan biaya. MHz/ukuran memori sama, fungsi SOC dan susunan pin sama. Kita mungkin menggunakan teknologi baru untuk mengurangi konsumsi daya (biasanya hal ini tidak gratis, jadi harus ada keunggulan kompetitif yang menjadi perhatian pelanggan)
Salah satu keunggulan komponen besar adalah bahan anti radiasi. Transistor kecil lebih rentan terhadap efek sinar kosmik, dalam situasi penting ini. Misalnya saja di luar angkasa bahkan observatorium di ketinggian.
Saya tidak melihat alasan utama peningkatan kecepatan. Kecepatan sinyal sekitar 8 inci per nanodetik. Jadi hanya dengan mengurangi ukurannya, chip yang lebih cepat bisa dibuat.
Anda mungkin ingin memeriksa matematika Anda sendiri dengan menghitung perbedaan penundaan propagasi akibat perubahan kemasan dan berkurangnya siklus (1/frekuensi). Yaitu untuk mengurangi penundaan/jangka waktu fraksi. Anda akan menemukan bahwa itu bahkan tidak muncul sebagai faktor pembulatan.
Satu hal yang ingin saya tambahkan adalah banyak IC, terutama desain lama dan chip analog, sebenarnya tidak dirampingkan, setidaknya secara internal. Karena perbaikan dalam manufaktur otomatis, paket menjadi lebih kecil, tapi itu karena paket DIP biasanya memiliki banyak ruang tersisa di dalamnya, bukan karena transistor dll menjadi lebih kecil.
Selain masalah dalam membuat robot cukup akurat untuk menangani komponen-komponen kecil dalam aplikasi pick-and-place berkecepatan tinggi, masalah lainnya adalah mengelas komponen-komponen kecil dengan andal. Apalagi bila Anda masih membutuhkan komponen yang lebih besar karena kebutuhan daya/kapasitas. Menggunakan pasta solder khusus, templat pasta solder langkah khusus (oleskan sedikit pasta solder jika diperlukan, namun tetap menyediakan pasta solder yang cukup untuk komponen besar) mulai menjadi sangat mahal. Jadi menurut saya ada titik temu, dan miniaturisasi lebih lanjut pada tingkat papan sirkuit hanyalah cara yang mahal dan layak. Pada titik ini, Anda sebaiknya melakukan lebih banyak integrasi pada tingkat wafer silikon dan menyederhanakan jumlah komponen diskrit seminimal mungkin.
Anda akan melihat ini di ponsel Anda. Sekitar tahun 1995, saya membeli beberapa ponsel awal di garage sale seharga beberapa dolar masing-masing. Kebanyakan IC berbentuk lubang tembus. CPU yang dapat dikenali dan compander NE570, IC besar yang dapat digunakan kembali.
Kemudian saya mendapatkan beberapa telepon genggam yang diperbarui. Komponennya sangat sedikit dan hampir tidak ada yang familiar. Dalam sejumlah kecil IC, tidak hanya kepadatannya yang lebih tinggi, tetapi juga desain baru (lihat SDR) diadopsi, yang menghilangkan sebagian besar komponen diskrit yang sebelumnya sangat diperlukan.
> (Gunakan sedikit pasta solder bila diperlukan, namun tetap sediakan pasta solder secukupnya untuk komponen besar)
Hei, saya membayangkan template “3D/Gelombang” untuk mengatasi masalah ini: lebih tipis di bagian komponen terkecil, dan lebih tebal di bagian rangkaian daya.
Saat ini, komponen SMT sangat kecil, Anda dapat menggunakan komponen diskrit nyata (bukan 74xx dan sampah lainnya) untuk mendesain CPU Anda sendiri dan mencetaknya pada PCB. Taburi dengan LED, Anda dapat melihatnya bekerja secara real time.
Selama bertahun-tahun, saya tentu mengapresiasi pesatnya perkembangan komponen yang kompleks dan kecil. Mereka memberikan kemajuan yang luar biasa, tetapi pada saat yang sama mereka menambahkan tingkat kompleksitas baru pada proses pembuatan prototipe yang berulang.
Kecepatan penyesuaian dan simulasi rangkaian analog jauh lebih cepat daripada yang Anda lakukan di laboratorium. Ketika frekuensi rangkaian digital meningkat, PCB menjadi bagian dari rakitan. Misalnya efek saluran transmisi, penundaan propagasi. Pembuatan prototipe teknologi mutakhir apa pun paling baik dilakukan untuk menyelesaikan desain dengan benar, daripada melakukan penyesuaian di laboratorium.
Sedangkan untuk item hobi, evaluasi. Papan sirkuit dan modul adalah solusi untuk penyusutan komponen dan modul pra-pengujian.
Hal ini mungkin membuat segala sesuatunya kehilangan “kesenangan”, tetapi menurut saya membuat proyek Anda berhasil untuk pertama kalinya mungkin lebih bermakna karena pekerjaan atau hobi.
Saya telah mengubah beberapa desain dari lubang tembus ke SMD. Membuat produk yang lebih murah, tetapi membuat prototipe dengan tangan tidaklah menyenangkan. Satu kesalahan kecil: “tempat sejajar” harus dibaca sebagai “pelat sejajar”.
Tidak. Setelah suatu sistem menang, para arkeolog masih akan bingung dengan temuannya. Siapa tahu, mungkin di abad ke-23, Planetary Alliance akan mengadopsi sistem baru…
Saya sangat setuju. Berapa ukuran 0603? Tentu saja, mempertahankan 0603 sebagai ukuran imperial dan “memanggil” ukuran metrik 0603 sebagai 0604 (atau 0602) tidaklah sulit, meskipun secara teknis mungkin salah (yaitu: ukuran pencocokan sebenarnya-tidak seperti itu). Ketat), tapi setidaknya semua orang akan tahu teknologi apa yang Anda bicarakan (metrik/imperial)!
“Secara umum, komponen pasif seperti resistor, kapasitor, dan induktor tidak akan menjadi lebih baik jika Anda memperkecilnya.”