A volte più piccolo è meglio: perché i componenti elettronici sono così piccoli

Forse la seconda legge più famosa in elettronica dopo la legge di Ohm è la legge di Moore: il numero di transistor che possono essere realizzati su un circuito integrato raddoppia ogni due anni circa. Poiché la dimensione fisica dei chip rimane più o meno la stessa, ciò implica che i singoli transistor diventano più piccoli nel tempo. Ci aspettiamo che nuove generazioni di chip con funzionalità più piccole arrivino a un ritmo regolare, ma qual è esattamente lo scopo di rendere le cose più piccole? E più piccolo significa sempre migliore?

Nell’ultimo secolo, l’ingegneria elettronica è migliorata notevolmente. Negli anni '20, una radio AM all'avanguardia conteneva diversi tubi a vuoto, alcuni enormi induttori, condensatori e resistori, diverse decine di metri di cavo che fungevano da antenna e una grande batteria di batterie per alimentare il tutto. . Oggi puoi ascoltare una dozzina di servizi di streaming musicale su un dispositivo che sta in tasca e può fare un'infinità di cose in più. Ma la miniaturizzazione non viene effettuata solo per facilitare il trasporto: è assolutamente necessaria per ottenere le prestazioni che oggi ci aspettiamo dai nostri dispositivi.

Un vantaggio evidente dei componenti più piccoli è che consentono di racchiudere più funzionalità nello stesso volume. Ciò è particolarmente importante per i circuiti digitali: più componenti significano che è possibile eseguire più elaborazioni nello stesso lasso di tempo. Ad esempio, un processore a 64 bit può, in teoria, elaborare otto volte più informazioni di una CPU a 8 bit che funziona alla stessa frequenza di clock. Ma ha anche bisogno di un numero di componenti otto volte superiore: registri, sommatori, bus e così via diventano tutti otto volte più grandi. Quindi avresti bisogno di un chip otto volte più grande o di transistor otto volte più piccoli.

La stessa cosa vale per i chip di memoria: crea transistor più piccoli e avrai più spazio di archiviazione nello stesso volume. I pixel nella maggior parte dei display odierni sono costituiti da transistor a film sottile, quindi anche in questo caso ha senso ridimensionarli e ottenere una risoluzione più elevata. Tuttavia, c'è un'altra ragione fondamentale per cui i transistor più piccoli sono migliori: le loro prestazioni aumentano notevolmente. Ma perché esattamente?

Ogni volta che crei un transistor, viene fornito con alcuni componenti aggiuntivi gratuitamente. C'è resistenza in serie con ciascuno dei terminali. Tutto ciò che trasporta corrente ha anche autoinduttanza. E infine, c'è capacità tra due conduttori qualsiasi uno di fronte all'altro. Tutti questi effetti consumano energia e rallentano il transistor. Le capacità parassite sono particolarmente fastidiose: devono essere caricate e scaricate ogni volta che il transistor si accende o si spegne, il che sottrae tempo e corrente all'alimentazione.

La capacità tra due conduttori è funzione della loro dimensione fisica: dimensioni più piccole significano capacità più piccole. E poiché capacità più piccole significano velocità più elevate e potenza inferiore, i transistor più piccoli possono essere utilizzati a frequenze di clock più elevate e dissipare meno calore mentre lo fanno.

La capacità non è l'unico effetto che cambia quando si ridimensiona un transistor: compaiono molti strani effetti quantomeccanici che non sono evidenti per i dispositivi più grandi. In generale, tuttavia, rendere i transistor più piccoli li rende più veloci. Ma l'elettronica non è solo transistor. Come si comportano gli altri componenti quando li riduci?

In generale, i componenti passivi come resistori, condensatori e induttori non migliorano molto quando li rimpiccioliscono: in molti sensi peggiorano. La miniaturizzazione di questi componenti viene quindi eseguita principalmente solo per poterli comprimere in un volume più piccolo, risparmiando così spazio sul PCB.

I resistori possono essere ridotti di dimensioni senza troppe penalità. La resistenza di un pezzo di materiale è data da , dove l è la lunghezza, A l'area della sezione trasversale e ρ la resistività del materiale. Puoi semplicemente ridurre la lunghezza e la sezione trasversale e ottenere un resistore fisicamente più piccolo, ma con la stessa resistenza. L'unico svantaggio è che un resistore fisicamente piccolo si surriscalda di più rispetto a uno più grande quando dissipa la stessa quantità di potenza. Pertanto, i resistori piccoli possono essere utilizzati solo in circuiti a bassa potenza. La tabella mostra come diminuisce la potenza massima dei resistori SMD al diminuire delle loro dimensioni.