Menor às vezes é melhor: por que os componentes eletrônicos são tão pequenos

Talvez a segunda lei mais famosa da eletrônica depois da lei de Ohm seja a lei de Moore: o número de transistores que podem ser fabricados em um circuito integrado dobra a cada dois anos. Como o tamanho físico dos chips permanece aproximadamente o mesmo, isso implica que os transistores individuais se tornam menores com o tempo. Esperamos que novas gerações de chips com um tamanho de recurso menor apareçam em um ritmo regular, mas qual é exatamente o objetivo de tornar as coisas menores? E menor sempre significa melhor?

Ao longo do século passado, a engenharia eletrônica melhorou enormemente. Na década de 1920, um rádio AM de última geração continha vários tubos de vácuo, alguns enormes indutores, capacitores e resistores, várias dezenas de metros de fio para atuar como antena e um grande banco de baterias para alimentar a coisa toda. . Hoje, você pode ouvir uma dezena de serviços de streaming de música em um aparelho que cabe no seu bolso e pode fazer um zilhão de coisas a mais. Mas a miniaturização não é feita apenas para facilitar o transporte: é absolutamente necessária para alcançar o desempenho que esperamos de nossos dispositivos hoje.

Um benefício óbvio de componentes menores é que eles permitem que você inclua mais funcionalidades no mesmo volume. Isso é especialmente importante para circuitos digitais: mais componentes significa que você pode fazer mais processamento na mesma quantidade de tempo. Por exemplo, um processador de 64 bits pode, em teoria, processar oito vezes mais informações do que uma CPU de 8 bits rodando na mesma frequência de clock. Mas também precisa de oito vezes mais componentes: registradores, somadores, barramentos e assim por diante, todos se tornam oito vezes maiores. Portanto, você precisaria de um chip oito vezes maior ou de transistores oito vezes menores.

A mesma coisa vale para chips de memória: faça transistores menores e você terá mais espaço de armazenamento no mesmo volume. Os pixels na maioria das telas de hoje são feitos de transistores de filme fino, então aqui também faz sentido reduzi-los e obter uma resolução mais alta. No entanto, há outra razão crucial pela qual os transistores menores são melhores: seu desempenho aumenta enormemente. Mas por que exatamente isso?

Sempre que você faz um transistor, ele vem com alguns componentes adicionais de graça. Há resistência em série com cada um dos terminais. Qualquer coisa que carrega uma corrente também tem auto-indutância. E, finalmente, há capacitância entre quaisquer dois condutores que se enfrentem. Todos esses efeitos consomem energia e diminuem a velocidade do transistor. As capacitâncias parasitas são especialmente problemáticas: elas precisam ser carregadas e descarregadas toda vez que o transistor liga ou desliga, o que consome tempo e corrente da fonte.

A capacitância entre dois condutores é uma função de seu tamanho físico: dimensões menores significam capacitâncias menores. E como capacitâncias menores significam maior velocidade e menor potência, transistores menores podem operar em frequências de clock mais altas e dissipar menos calor ao fazê-lo.

A capacitância não é o único efeito que muda quando você reduz a escala de um transistor: muitos efeitos mecânicos quânticos estranhos aparecem que não são aparentes para dispositivos maiores. Em geral, no entanto, tornar os transistores menores os torna mais rápidos. Mas há mais na eletrônica do que apenas transistores. Como outros componentes se comportam quando você os reduz?

Em geral, componentes passivos como resistores, capacitores e indutores não ficam muito melhores quando você os torna menores: de muitas maneiras, eles ficam piores. A miniaturização desses componentes é, portanto, feita principalmente apenas para poder espremê-los em um volume menor e, assim, economizar espaço no PCB.

Os resistores podem ser reduzidos em tamanho sem muita penalidade. A resistência de um pedaço de material é dada por , onde l é o comprimento, A a área da seção transversal e ρ a resistividade do material. Você pode simplesmente reduzir o comprimento e a seção transversal e acabar com um resistor fisicamente menor, mas ainda com a mesma resistência. A única desvantagem é que um resistor fisicamente pequeno aquecerá mais em comparação com um maior quando dissipar a mesma quantidade de energia. Portanto, resistores pequenos só podem ser usados ​​em circuitos de baixa potência. A tabela mostra como a potência nominal máxima dos resistores SMD diminui à medida que suas dimensões são reduzidas.