Меньше иногда лучше: почему электронные компоненты такие крошечные

Пожалуй, вторым по известности законом в электронике после закона Ома является закон Мура: количество транзисторов, которые можно изготовить на интегральной схеме, удваивается каждые два года или около того. Поскольку физический размер чипов остается примерно одинаковым, это означает, что отдельные транзисторы со временем становятся меньше. Мы ожидаем, что новые поколения чипов с меньшими размерами будут появляться в обычном темпе, но какой именно смысл делать их меньше? И всегда ли меньше значит лучше?

За последнее столетие электронная инженерия значительно улучшилась. В 1920-х годах современное AM-радио содержало несколько электронных ламп, несколько огромных катушек индуктивности, конденсаторов и резисторов, несколько десятков метров провода, служившего антенной, и большой блок батарей для питания всего этого устройства. . Сегодня вы можете слушать дюжину сервисов потоковой передачи музыки на устройстве, которое помещается в вашем кармане и может делать еще массу вещей. Но миниатюризация делается не только для удобства переноски: она абсолютно необходима для достижения производительности, которую мы ожидаем от наших устройств сегодня.

Одним из очевидных преимуществ компонентов меньшего размера является то, что они позволяют упаковать больше функций в тот же объем. Это особенно важно для цифровых схем: больше компонентов означает, что вы можете выполнять больше операций за то же время. Например, 64-битный процессор теоретически может обрабатывать в восемь раз больше информации, чем 8-битный процессор, работающий на той же тактовой частоте. Но для этого требуется в восемь раз больше компонентов: регистры, сумматоры, шины и т. д. становятся в восемь раз больше. Таким образом, вам понадобится либо чип в восемь раз больше, либо транзисторы в восемь раз меньше.

То же самое справедливо и для микросхем памяти: делайте транзисторы меньшего размера, и у вас будет больше места для хранения данных при том же объеме. Пиксели в большинстве современных дисплеев состоят из тонкопленочных транзисторов, поэтому здесь также имеет смысл уменьшить их масштаб и добиться более высокого разрешения. Однако есть еще одна важная причина, почему транзисторы меньшего размера лучше: их производительность значительно возрастает. Но почему именно так?

Каждый раз, когда вы делаете транзистор, он бесплатно поставляется с несколькими дополнительными компонентами. К каждой клемме последовательно подключено сопротивление. Все, что несет ток, также имеет самоиндукцию. И, наконец, между любыми двумя проводниками, обращенными друг к другу, существует емкость. Все эти эффекты съедают энергию и замедляют работу транзистора. Особенно неприятны паразитные емкости: их необходимо заряжать и разряжать каждый раз при включении или выключении транзистора, что отнимает время и ток от источника питания.

Емкость между двумя проводниками зависит от их физического размера: меньшие размеры означают меньшие емкости. А поскольку меньшие емкости означают более высокую скорость и меньшую мощность, транзисторы меньшего размера могут работать на более высоких тактовых частотах и ​​при этом рассеивать меньше тепла.

Емкость — не единственный эффект, который меняется при уменьшении размера транзистора: возникает множество странных квантово-механических эффектов, которые не очевидны для более крупных устройств. Однако в целом уменьшение размера транзисторов делает их быстрее. Но электроника – это нечто большее, чем просто транзисторы. Как себя ведут другие компоненты при их уменьшении?

В общем, пассивные компоненты, такие как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, не становятся намного лучше, если вы уменьшаете их размеры: во многих отношениях они становятся хуже. Поэтому миниатюризация этих компонентов делается главным образом просто для того, чтобы иметь возможность втиснуть их в меньший объем и тем самым сэкономить место на печатной плате.

Размер резисторов можно уменьшить без особых проблем. Сопротивление куска материала определяется выражением , где l — длина, A — площадь поперечного сечения и ρ — удельное сопротивление материала. Вы можете просто уменьшить длину и сечение и в итоге получить резистор, который физически меньше, но имеет то же сопротивление. Единственным недостатком является то, что физически небольшой резистор будет нагреваться сильнее, чем больший, когда он рассеивает такое же количество мощности. Поэтому небольшие резисторы можно использовать только в маломощных цепях. В таблице показано, как снижается максимальная номинальная мощность резисторов SMD при уменьшении их габаритов.