小さいほど良い場合もあります: 電子部品が非常に小さい理由

エレクトロニクス分野でオームの法則に次いで 2 番目に有名な法則はおそらくムーアの法則です。つまり、集積回路上に作成できるトランジスタの数は約 2 年ごとに 2 倍になります。 チップの物理サイズはほぼ同じままであるため、これは個々のトランジスタが時間の経過とともに小さくなることを意味します。 私たちは、より小さな機能サイズを備えた新世代のチップが定期的に登場すると予想されるようになりましたが、ものを小さくすることに正確には何の意味があるのでしょうか? そして、小さい方が常に良いことを意味するのでしょうか?

過去 1 世紀にわたって、電子工学は大幅に進歩しました。 1920 年代、最先端の AM ラジオには、数本の真空管、いくつかの巨大なインダクター、コンデンサー、抵抗器、アンテナとして機能する数十メートルのワイヤー、そして全体に電力を供給するための大きなバッテリーが含まれていました。 。 現在、ポケットに収まるデバイスで数十もの音楽ストリーミング サービスを聴くことができ、さらに何億ものことができるようになりました。 しかし、小型化は持ち運びを容易にするためだけではなく、今日のデバイスに期待されるパフォーマンスを達成するためには絶対に必要です。

コンポーネントを小さくすることの明白な利点の 1 つは、同じボリュームにさらに多くの機能を詰め込めることです。 これはデジタル回路にとって特に重要です。コンポーネントが増えると、同じ時間でより多くの処理を実行できるようになります。 たとえば、64 ビット プロセッサは理論上、同じクロック周波数で動作する 8 ビット CPU の 8 倍の情報を処理できます。 ただし、8 倍のコンポーネントも必要です。レジスタ、加算器、バスなどはすべて 8 倍の大きさになります。 したがって、8 倍大きいチップか、8 倍小さいトランジスタが必要になります。

同じことがメモリチップにも当てはまります。トランジスタを小さくすると、同じ体積でより多くの記憶スペースが得られます。 今日のディスプレイのほとんどのピクセルは薄膜トランジスタで作られているため、ここでもピクセルを縮小してより高い解像度を達成することは理にかなっています。 ただし、小さいトランジスタの方が優れているという別の重要な理由があります。それは、トランジスタの性能が大幅に向上することです。 しかし、それは一体なぜなのでしょうか？

トランジスタを作成すると、いくつかの追加コンポーネントが無料で付属します。 各端子には直列に抵抗が入っています。 電流が流れるものには自己インダクタンスもあります。 そして最後に、向かい合う 2 つの導体間には静電容量が存在します。 これらの影響はすべて電力を消費し、トランジスタの速度を低下させます。 寄生容量は特に厄介です。トランジスタがオンまたはオフに切り替わるたびに寄生容量を充電および放電する必要があり、これには時間と電源からの電流がかかります。

2 つの導体間の静電容量は、その物理的なサイズの関数です。寸法が小さいほど、静電容量も小さくなります。 また、静電容量が小さいほど高速かつ低消費電力になるため、小さいトランジスタはより高いクロック周波数で動作でき、その際の放熱も少なくなります。

トランジスタをスケールダウンすると変化する影響は静電容量だけではありません。大型のデバイスでは明らかではない、多くの奇妙な量子力学的影響が現れます。 ただし、一般にトランジスタを小さくすると高速になります。 しかし、エレクトロニクスにはトランジスタだけではありません。 他のコンポーネントをスケールダウンするとどうなるでしょうか?

一般に、抵抗、コンデンサ、インダクタなどの受動部品は、小型化してもあまり改善されず、多くの点で悪化します。 したがって、これらのコンポーネントの小型化は、主に、コンポーネントをより小さな体積に押し込み、それによって PCB スペースを節約できるようにするために行われます。

抵抗器のサイズは、大きな不利益を与えることなく縮小できます。 材料片の抵抗は によって与えられます。ここで、l は長さ、A は断面積、ρ は材料の抵抗率です。 長さと断面積を単純に縮小することで、物理的に小さくても同じ抵抗を持つ抵抗器を得ることができます。 唯一の欠点は、物理的に小さい抵抗器は、同じ量の電力を消費する場合、大きい抵抗器に比べてより発熱することです。 したがって、小さな抵抗は低電力回路でのみ使用できます。 この表は、SMD 抵抗器の寸法が小さくなるにつれて、その最大電力定格がどのように低下​​するかを示しています。

現在、購入できる最小の抵抗器はメートル法サイズの 03015 (0.3 mm x 0.15 mm) です。 定格電力がわずか 20 mW なので、消費電力が非常に少なく、体積が非常に制限されている回路でのみ使用されます。 さらに小さなメートル法 0201 パッケージ (0.2 mm x 0.1 mm) が発表されましたが、まだ生産されていません。 しかし、たとえそれらがメーカーのカタログに載ったとしても、どこにでも現れるとは期待しないでください。ほとんどのピックアンドプレイスロボットはそれらを扱えるほど正確ではないため、ニッチな製品にとどまる可能性が高いです。

コンデンサも小型化できますが、これにより静電容量が減少します。 並列配置コンデンサの静電容量を計算する式は次のとおりです。ここで、A はプレートの面積、d はプレート間の距離、ε は誘電率 (中間の材料の特性) です。 基本的には平らなデバイスであるコンデンサを小型化する場合、面積を小さくし、したがって静電容量を小さくする必要があります。 それでも、小さな体積に多くのナノファラッドを詰め込みたい場合、唯一の選択肢は、いくつかの層を互いに積み重ねることです。 材料と製造の進歩により、薄膜（小さなd）や特殊な誘電体（大きなε）も可能になり、コンデンサのサイズは過去数十年で大幅に縮小しました。

現在入手可能な最小のコンデンサは、わずか 0.25 mm x 0.125 mm の超小型メトリクス 0201 パッケージにパッケージされています。 静電容量は、6.3 V の最大動作電圧で依然として有効な 100 nF に制限されています。 繰り返しますが、これらのパッケージは非常に小さいため、処理するには高度な機器が必要であり、その広範な採用は制限されています。

インダクタの場合、話は少し複雑になります。 直線コイルのインダクタンスは次式で与えられます。ここで、N は巻き数、A はコイルの断面積、l はコイルの長さ、μ は材料定数 (透磁率) です。 すべての寸法を半分に縮小すると、インダクタンスも半分になります。 ただし、ワイヤの抵抗は同じままです。これは、ワイヤの長さと断面積が両方とも元の値の 4 分の 1 に減少するためです。 これは、インダクタンスの半分に対して同じ抵抗が得られることになり、コイルの品質 (Q) ファクタが半分になることを意味します。

市販されている最小のディスクリート インダクタは、帝国サイズ 01005 (0.4 mm x 0.2 mm) です。 これらは最大 56 nH で、数オームの抵抗があります。 超小型メートル法 0201 パッケージのインダクタは 2014 年に発表されましたが、市場には投入されなかったようです。

グラフェンで作られたコイルで観察できる運動インダクタンスと呼ばれる現象を利用して、インダクターの物理的制限を回避するいくつかの試みが行われてきました。 しかし、それでも商業的に実行可能な方法で実現できれば、おそらく 50% の改善が得られます。 結局のところ、コイルはあまり小型化されません。 しかし、回路が高周波数で動作する場合、これは問題になる必要はありません。 信号が GHz 範囲にある場合は、多くの場合、数 nH のコイルで十分です。

これは、過去 1 世紀にわたって小型化されてきたものの、すぐには気づかないかもしれないもう 1 つのこと、つまり通信に使用する波長につながります。 初期のラジオ放送では、波長約 300 メートルの約 1 MHz の中波 AM 周波数が使用されていました。 100 MHz (3 メートル) を中心とする FM 帯域は 1960 年代頃に普及しましたが、現在では主に 1 または 2 GHz (約 20 cm) の 4G 通信が使用されています。 周波数が高くなると、情報を送信する容量が増えることを意味します。小型化のおかげで、これらの周波数で動作する安価で信頼性が高く、電力効率の高い無線機が入手できます。

アンテナのサイズは送信または受信に必要な周波数に直接関係しているため、波長の短縮によりアンテナの小型化が可能になりました。 今日の携帯電話が長く突き出たアンテナを必要としないのは、携帯電話が GHz 周波数のみで通信するためであり、アンテナの長さは約 1 センチメートルだけで済みます。 これは、FM 受信機を搭載したほとんどの携帯電話が、使用前にヘッドフォンを接続する必要がある理由でもあります。ラジオは、長さ 1 メートルの電波から十分な信号強度を得るために、ヘッドフォンのワイヤをアンテナとして使用する必要があります。

小さなアンテナに接続される回路に関しては、実際には、小さくなると作成が容易になります。 これは、トランジスタが高速になるだけでなく、伝送線路の影響が問題でなくなるためでもあります。 簡単に言うと、ワイヤが波長の約 10 分の 1 より長い場合、回路を設計するときにその長さに沿った位相シフトを考慮する必要があります。 2.4 GHz では、わずか 1 センチメートルのワイヤがすでに回路に影響を与えていることを意味します。 個別のコンポーネントをはんだ付けする場合にはかなりの頭痛の種になりますが、数平方ミリメートルに回路をレイアウトする場合には問題ありません。

テクノロジージャーナリズムでは、ムーアの法則の終焉を予測するか、その予測がいかに間違っているかを何度も証明することが、繰り返し話題になっています。 事実は、依然としてこのゲームの最先端で競い合っている 3 つのプレーヤー、インテル、サムスン、TSMC が、1 平方ミクロンごとにより多くの機能を詰め込み続けており、将来に向けて数世代の改良されたチップを計画しているということです。 たとえ各段階での進歩が 20 年前ほど大きくないとしても、それでもトランジスタの微細化は続いています。

しかし、ディスクリートコンポーネントに関しては、自然な限界に達しているようです。コンポーネントを小さくしてもパフォーマンスは向上せず、現在利用可能な最小のコンポーネントは、大多数のユースケースが必要とするものよりも小さいのです。 ディスクリートに関するムーアの法則はないようですが、もしあれば、SMD はんだ付けの課題をどこまで推し進めることができるか試してみたいと思っています。

ヘッダー画像: ジョン サリバン、パブリック ドメイン。