더 작은 것이 때로는 더 좋습니다: 전자 부품이 왜 그렇게 작은가요?

아마도 옴의 법칙 다음으로 전자공학에서 두 번째로 유명한 법칙은 무어의 법칙일 것입니다. 집적 회로에서 만들 수 있는 트랜지스터의 수는 약 2년마다 두 배로 늘어납니다. 칩의 물리적 크기는 거의 동일하게 유지되므로 이는 시간이 지남에 따라 개별 트랜지스터가 더 작아진다는 것을 의미합니다. 우리는 더 작은 기능 크기를 갖춘 새로운 세대의 칩이 정기적인 속도로 나올 것으로 기대하게 되었습니다. 하지만 사물을 더 작게 만드는 것이 정확히 무슨 의미가 있을까요? 그리고 작을수록 항상 더 좋다는 뜻인가요?

지난 세기 동안 전자 공학은 엄청난 발전을 이루었습니다. 1920년대의 최첨단 AM 라디오에는 여러 개의 진공관, 몇 개의 거대한 인덕터, 축전기 및 저항기, 안테나 역할을 하는 수십 미터의 전선, 전체에 전력을 공급하는 큰 배터리 뱅크가 포함되어 있었습니다. . 오늘날에는 주머니에 쏙 들어가는 장치로 수십 가지의 음악 스트리밍 서비스를 들을 수 있고 엄청나게 많은 일을 할 수 있습니다. 그러나 소형화는 단순히 휴대하기 쉽도록 하기 위해 수행되는 것이 아닙니다. 오늘날 우리가 기대하는 장치의 성능을 달성하려면 반드시 필요합니다.

더 작은 구성 요소의 분명한 이점 중 하나는 동일한 볼륨에 더 많은 기능을 담을 수 있다는 것입니다. 이는 디지털 회로에 특히 중요합니다. 구성 요소가 많을수록 동일한 시간에 더 많은 처리를 수행할 수 있다는 의미입니다. 예를 들어, 64비트 프로세서는 이론적으로 동일한 클럭 주파수에서 실행되는 8비트 CPU보다 8배 많은 정보를 처리할 수 있습니다. 그러나 레지스터, 가산기, 버스 등은 모두 8배 더 커지는 등 8배 더 많은 구성 요소가 필요합니다. 따라서 8배 더 큰 칩이나 8배 더 작은 트랜지스터가 필요합니다.

메모리 칩에도 마찬가지입니다. 트랜지스터를 더 작게 만들면 같은 볼륨에 더 많은 저장 공간을 갖게 됩니다. 오늘날 대부분의 디스플레이에 사용되는 픽셀은 박막 트랜지스터로 만들어지므로 픽셀을 축소하고 더 ​​높은 해상도를 달성하는 것도 의미가 있습니다. 그러나 더 작은 트랜지스터가 더 나은 또 다른 중요한 이유가 있습니다. 바로 성능이 대폭 향상된다는 것입니다. 그런데 정확히 왜 그럴까요?

트랜지스터를 만들 때마다 몇 가지 추가 구성 요소가 무료로 제공됩니다. 각 단자에는 저항이 직렬로 연결되어 있습니다. 전류를 전달하는 모든 것에는 자체 인덕턴스가 있습니다. 마지막으로, 서로 마주보는 두 도체 사이에는 정전용량이 있습니다. 이러한 모든 효과는 전력을 소모하고 트랜지스터 속도를 저하시킵니다. 기생 커패시턴스는 특히 문제가 됩니다. 트랜지스터가 켜지거나 꺼질 때마다 충전하고 방전해야 하므로 전원 공급 장치에서 시간과 전류가 필요합니다.

두 도체 사이의 정전용량은 물리적 크기에 따라 달라집니다. 치수가 작을수록 정전용량도 작아집니다. 커패시턴스가 작을수록 속도는 빨라지고 전력 소모는 줄어들기 때문에 더 작은 트랜지스터를 더 높은 클럭 주파수에서 작동할 수 있으며 동시에 열을 덜 발산할 수 있습니다.

커패시턴스는 트랜지스터를 축소할 때 변경되는 유일한 효과가 아닙니다. 더 큰 장치에서는 분명하지 않은 이상한 양자 역학적 효과가 많이 나타납니다. 그러나 일반적으로 트랜지스터를 작게 만들면 속도가 빨라집니다. 하지만 전자공학에는 트랜지스터보다 더 많은 것이 있습니다. 축소하면 다른 구성 요소는 어떻게 작동합니까?

일반적으로 저항기, 커패시터, 인덕터와 같은 수동 부품은 더 작게 만든다고 해서 더 좋아지는 것이 아니라 여러 면에서 더 나빠집니다. 따라서 이러한 부품을 소형화하는 것은 주로 부품을 더 작은 부피로 압축하여 PCB 공간을 절약하기 위해 수행됩니다.

큰 불이익 없이 저항의 크기를 줄일 수 있습니다. 재료 조각의 저항은 다음과 같이 주어집니다. 여기서 l은 길이, A는 단면적, ρ는 재료의 저항률입니다. 간단히 길이와 단면을 축소하여 물리적으로 더 작지만 여전히 동일한 저항을 갖는 저항기를 만들 수 있습니다. 유일한 단점은 동일한 양의 전력을 소비할 때 물리적으로 작은 저항기가 더 큰 저항기에 비해 더 많이 가열된다는 것입니다. 따라서 작은 저항은 저전력 회로에만 사용할 수 있습니다. 표는 크기가 작아짐에 따라 SMD 저항기의 최대 정격 전력이 어떻게 낮아지는지를 보여줍니다.