作者：卓晴，來源：TsinghuaJoking

簡 介：近期看到Robin Kearey的一篇博文SMALLER IS SOMETIMES BETTER: WHY ELECTRONIC COMPONENTS ARE SO TINY[1]，詳細(xì)分析了電子器件的微型化所帶來的影響。如果你還在想瘋狂壓縮電路體積的話，看看他的分析也許會讓你冷靜下來。

也許在電子領(lǐng)域中能夠排在歐姆定律[2]之后，處于老二地位的就得摩爾定律[3]了：芯片中可以集成的晶體管每經(jīng)過兩年左右就會增加一倍。既然芯片的物理尺寸大體保持不變，那么就意味著單個晶體管隨著時間就要變得更小。我們習(xí)慣于看到新一代芯片中的特征尺寸穩(wěn)定持續(xù)變得更小，但這種小究竟意味著什么呢？是否小就等同于好呢？

1.越小性能越好

在過去的一個世紀(jì)中，電子技術(shù)得到了飛速發(fā)展。在1920年，當(dāng)時最好的中波收音機(jī)內(nèi)包含有多個中真空管、很多體積碩大的電感、電容以及電阻，幾十米長的電線作為接收天線，用于供電的電池組的體積占據(jù)了很大的空間。

如今，可以收聽十幾個電臺的收音機(jī)可以輕松裝在你的口袋里，輔助的功能也極其豐富。但尺寸的減小并不僅僅為了便于攜帶：而是實(shí)現(xiàn)我們期望高性能的關(guān)鍵因素。

圖1.1 基于電子管的電路

元器件尺寸的減小的最為明顯的好處就是可以在同樣體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多的功能，這對于數(shù)字電路尤其關(guān)鍵：更多的元器件，使得你可以在相同的時間內(nèi)做更多的事情。比如一個64位的處理器，理論上可以在同樣的時鐘頻率下完成8位處理器的八倍的信息處理，為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，它也同樣需要八倍的電子元件：包括寄存器、累加器、總線寬度以及其他部件都會有八倍數(shù)量的提升。所以你需要有一個八倍尺寸的芯片，或者組成電路的元器件的尺寸小八倍。

對于存儲器也是相同的：更小的電子元器件可以在相同的體積存儲更多的信息?，F(xiàn)在的顯示器的像素是由薄膜三極管制作，所以減少器件的尺寸可以提高顯示器的分辨率。然而除此之外還有更加關(guān)鍵優(yōu)勢來自于更小的晶體管，那就是它們的性能也隨著體積的減小而的更顯著的提高。這是為啥呢？

2.寄生元器件

你制作一個三極管的同時還免費(fèi)得到一些附加的器件。在每個三極管引腳都會有電阻。然后流過電流的通路都會有寄生電感。任何兩個相對的導(dǎo)體之間也會有寄生電容。這些寄生元器件會消耗更多的電能，減緩晶體管運(yùn)行速度。寄生電容對速度的影響最為重要：在晶體管開關(guān)狀態(tài)過程中，都會引起寄生電容的充放電，這都需要時間和消耗電源電流。

圖2.1 三極管電路中的寄生電容

兩個導(dǎo)體之間的寄生電容與它們的體積相關(guān)：小的尺寸意味著寄生電容更小。更小的寄生電容則意味著更快的運(yùn)行速度和更低的電能消耗，所以更小的晶體管可以運(yùn)行在更高的時鐘頻率，同時所消耗的電能也越小。

降低晶體管的尺寸不僅僅減少了寄生電容，一些怪異的量子現(xiàn)象也會涌現(xiàn)，這在大尺寸晶體管中并不明顯。通常小的晶體管可以運(yùn)行更快，但除了三極管之外，還有其他器件影響電路的運(yùn)行，當(dāng)其他器件體積減小時，情況會變的怎樣？

3.并非總是更好

一般情況下，一些無源器件，比如電阻、電容、電感等，它們并不會因?yàn)轶w積減小而變得更好，反而在某些方面情況變得更糟。減少它們的體積很大原因是為了在更小的空間內(nèi)放進(jìn)更多的器件，節(jié)省PCB空間。

現(xiàn)在最小封裝的表貼電阻是03015（0.3mm×0.15mm），允許最大功耗僅有20mW，它們只能應(yīng)用在功耗非常低以及尺寸要求非常苛刻的場合。更小封裝的電阻0201（0.2mm×0.1mm）也已上市，但并沒有量產(chǎn)，雖然已經(jīng)出現(xiàn)在供應(yīng)商產(chǎn)品手冊中，但別指望它們派上實(shí)際用場。一些自動貼片機(jī)器人甚至都無法準(zhǔn)確擺動這些微小的電阻，所以現(xiàn)在它們?nèi)詫儆诰性铝痢?/p>

圖3.1 電容結(jié)構(gòu)以及電容的封裝

如今的電容封裝可以小到0201， 只有0.25mm×0.125mm大小，它們的容量可以達(dá)到100nF，耐壓最大超過6.3V，這可以滿足大多數(shù)電路中的要求。同樣，微小的體積要求更加精密的自動貼片機(jī)械裝置，這限制了小型電容的推廣使用。

現(xiàn)在商用的最小分立電感器件的封裝為01005，（0.4mm×0.2mm），對應(yīng)的電感為56nH，電阻是幾個歐姆，早在2014年就宣布上市的0201封裝的電感現(xiàn)在連毛都沒有見到。

可以在某些石墨烯制作的線圈中觀察到動能電感(kinetic inductance)物理現(xiàn)象，這可以形成更加微小的電感。但如果想真正到商用化，這也只能將現(xiàn)有電感體積減小50%。在高頻電路中，比如GHz頻率范圍，幾個nH的電感就可以使用了。

4.都是波長惹的禍

還有一個未被人注意到的因素使得推動著幾個世紀(jì)以來元器件小型化的進(jìn)程，那就是電路工作頻率的提升，對應(yīng)著信號的波長的減小。早期無線電廣播使用中波調(diào)幅信號，頻率大約1MHz，電磁波長為300米。1960開始，調(diào)頻廣播開始流行，它則使用100MHz，對應(yīng)的波長為3米。如今我們所使用的4G通訊，使用的1 ~ 2GHz的電磁波，波長之后20厘米。高的頻率對應(yīng)可以傳輸更多的信息，器件體積降低使得成本下降，可靠性以及功耗都得以改善。

減小波長也可以縮小天線尺寸，這是因?yàn)樘炀€尺寸正比于發(fā)送和接收電磁波信號的波長?，F(xiàn)在的手機(jī)不再需要突出的天線得益于它所使用的GHz信號頻段，此時天線只需要一個厘米大小。所以現(xiàn)在一些可以接收調(diào)頻廣播的手機(jī)仍然需要用戶佩戴耳機(jī)收聽，它需要耳機(jī)的引線來作為廣播天線來接收電臺的電磁信號，它的波長大約3米。

連接天線的電路板，也因?yàn)槌叽缱冃《菀咨a(chǎn)。這不僅因?yàn)榫w管的速度變快，同樣是因?yàn)樵谛◇w積小信號連線的傳輸線效應(yīng)減小，電路中如果引線的長度超過信號波長十分之一的時候，就需要考慮引線傳輸所帶來的信號相位變化的影響。在2.4GHz的電路中，一位置一個厘米長的電路引線就能夠影響電路工作，這會使得你將分立器件焊接起來變得令人頭痛，但在一個幾個毫米見方內(nèi)使用微小封裝器件構(gòu)成的電路中就不會有太大的影響了。

5. 未來是啥樣？

現(xiàn)在技術(shù)雜志中經(jīng)常反復(fù)出現(xiàn)的說法就是摩爾定理的失效，或不斷給出這些預(yù)測出錯的原因。但事實(shí)上，半導(dǎo)體中的三巨頭，英特爾、三星和臺積電仍然在努力將更多的器件壓縮進(jìn)方寸之中，并籌劃未來更多芯片改進(jìn)工藝。雖然比不上20年前改進(jìn)步伐那么顯著，但晶體管尺寸的降低一如既往。

但對于其它分立器件我們好像到了它們的自然極限：尺寸的降低非但不能帶了性能的提高，而且也超出了大多數(shù)應(yīng)用場合的需求。

似乎對于分立器件來說，并沒有什么摩爾定律，如果有的話，我更愿看到有誰能完成焊接這些標(biāo)貼器件的挑戰(zhàn)。

圖5.1 表貼器件焊接挑戰(zhàn)

審核編輯 黃宇