اسکن اشعه ایکس اپل واچ؛ کشف رازهای تراشه S1 و موتور تپتیک

وقتی حرف از بررسی تخصصی قطعات می‌شه، اشعه ایکس یه دنیای جدید رو به رومون باز می‌کنه. با این روش می‌تونیم بدون آسیب زدن به دستگاه، لایه‌های پنهان مدارها رو ببینیم.

این نوع بررسی برای درک طراحی‌های پیچیده و فوق‌فشرده، مثل همین ساعت هوشمند، بی‌نظیره و بهمون نشون می‌ده مهندسی مینیاتوری دقیقا یعنی چی.

تو این کالبدشکافی مجازی، ما به لطف تجهیزات پیشرفته رادیولوژی صنعتی، شانس این رو داریم که به جای‌جای این گجت سرک بکشیم. تو این بررسی تخصصی، ما با دقت به چند تا فاکتور مهم دقت می‌کنیم:

← تراکم قطعات روی برد اصلی و نحوه چیدمانشون

← مکانیزم‌های مکانیکی پنهان مثل دکمه‌ها و موتورها

← کیفیت لحیم‌کاری و اتصالات زیر تراشه‌ها

اولین چیزی که تو عکس‌های اشعه ایکس نظرمون رو جلب می‌کنه، باتریه. با اینکه باتری بخش بزرگی از فضای داخلی ساعت رو گرفته، اما تو تصویر اشعه ایکس خیلی کمرنگ و شبیه یه هاله دودی‌رنگ تو سمت راست دیده می‌شه.

دلیلش اینه که اپل باتری رو به شدت نازک طراحی کرده. تو دستگاه‌های بزرگتر مثل گوشی‌های هوشمند، ضخامت بیشتر باتری باعث می‌شه اشعه کمتری ازش عبور کنه و در نتیجه تو عکس کاملا تیره و مشخص می‌شه.

در مقابل، متراکم‌ترین و در نتیجه تیره‌ترین قطعاتی که اینجا می‌بینی، آهنرباها هستن. این تیرگی رو می‌تونی تو اسپیکرها (پایین سمت چپ)، موتور تپتیک (Taptic Engine) و اون آهنربای کوچیک وسط ساعت که برای تراز کردن شارژر استفاده می‌شه، به وضوح ببینی.

اگه بخوایم معماری داخلی اپل واچ رو با یه ساعت اسپرت معمولی مقایسه کنیم، تفاوت‌ها کاملا به چشم میاد. طراحی اپل واچ به شدت متراکمه و تقریبا هیچ فضای خالی و هدررفته‌ای توش پیدا نمی‌کنی. کویل شارژ القایی هم خیلی واضح خودنمایی می‌کنه.

در حالی که تو ساعت‌های اسپرت قدیمی‌تر، پیچ‌های بزرگ، چیدمان با فاصله تراشه‌ها و سنسورهایی که حتی از بدنه مرکزی بیرون زدن رو می‌بینیم.

حالا بریم سراغ دکمه چرخان یا همون Digital Crown. اپل مانور زیادی روی این قطعه داده بود، پس قطعا زیر اشعه ایکس جذابیت‌های خاص خودش رو داره.

با وجود اندازه خیلی کوچیکش، این دکمه یه طراحی مکانیکی کاملا کلاسیک داره؛ می‌تونی رزوه‌ها و یه بوش فلزی نسبتا ضخیم رو به راحتی تشخیص بدی.

بخش داخلی شفت این دکمه با شیارهای خیلی ریزی پوشیده شده. دقیقا زیر این شیارها، یه سنسور فرستنده/گیرنده نوری قرار داره که وقتی دکمه رو می‌چرخونی، حرکت این شیارها رو می‌خونه و به دستورات دیجیتالی تبدیل می‌کنه. به همین سادگی و زیبایی، یه حرکت مکانیکی به یه فرمان نرم‌افزاری تبدیل می‌شه.

تو همون لبه بیرونی ساعت، می‌رسیم به دکمه کناری. حتی زیر اشعه ایکس هم می‌شه فهمید که این یه طراحی اصیل از اپله. اپل برای اینکه از یه طراحی موفق دوباره استفاده کنه، مکانیزم این دکمه رو خیلی شبیه به دکمه پاور آیفون 6 طراحی کرده.

موتور تپتیک و اون وزنه لرزانی که داخلش قرار داره، یکی از تیره‌ترین و البته متراکم‌ترین قطعات این ساعته. اپل برای اینکه بتونه تو یه فضای خیلی کوچیک، قوی‌ترین لرزش ممکن رو ایجاد کنه، یه وزنه سنگین و مینیاتوری رو تو دل این موتور جا داده تا بازخورد لرزشی دقیقی رو روی مچ دستت حس کنی.

با وجود اینکه این موتور کوچیکه، اما بخش قابل توجهی از فضای ارزشمند داخل ساعت رو اشغال کرده. شاید بعضی‌ها ترجیح می‌دادن این فضا به باتری بزرگتری اختصاص داده بشه، اما اپل موتور تپتیک رو بخش مهمی از تجربه کاربری می‌دونه.

به لطف اشعه ایکس، کاملا مشخصه که این موتور یه عملگر خطیه. فنرها این وزنه رو به صورت خطی حرکت می‌دن تا اون حس ضربه زدن روی دستت شبیه‌سازی بشه. دیدن حرکت زنده این موتورها زیر دستگاه اشعه ایکس، یکی از جذاب‌ترین تجربه‌های بررسی قطعات الکترونیکیه.

بخش جالب بعدی، دکمه آزادسازی بند ساعته. چیزی که از بیرون یه دکمه ساده به نظر می‌رسه، در واقع یه مکانیزم پیچیده و متراکم از پین‌های قفل‌شونده و فنرهای دولایه‌ست. اما اون قطعه سمت راست بند چیه؟ همون پورت عیب‌یابی (Diagnostic port) معروف و مرموز اپل واچ!

متأسفانه اشعه ایکس هم نمی‌تونه رازهای نرم‌افزاری این پورت رو برامون فاش کنه و این بخش همچنان مثل یه راز باقی می‌مونه.

خبر خوب اینه که اشعه ایکس، رازهای قطعات روی برد رو خیلی قشنگ برامون برملا می‌کنه:

← سلف‌ها و ترانسفورماتورها کویل‌های سیمی خودشون رو به وضوح نشون می‌دن.

← خازن‌ها با لایه‌های دی‌الکتریک پیچیده‌شون، همچنان تیره و مبهم باقی می‌مونن.

← مقاومت‌ها تقریبا نامرئی هستن، مگه اینکه به لحیم‌هایی که لبه‌هاشون رو به برد وصل کرده دقت کنی.

← مسیرهای ارتباطی نامرئی معمولا زیر لایه‌های محافظ مخفی شدن، اما خیلی نزدیک به پردازنده قرار دارن تا تاخیر و تداخل سیگنال به حداقل برسه.

شاید اون نقطه‌ها و خطوط مارپیچ تو تصویر دوم شبیه یه سری موجودات میکروسکوپی به نظر برسن، اما اصلا اینطور نیست!

این مارپیچ‌ها در واقع همون سیم‌پیچ‌های شارژر القایی هستن. اون لکه‌های تیره و بزرگ هم پایه‌های لحیم‌کاری یه تراشه رو نشون می‌دن و اون الگوی موج‌دار پس‌زمینه، مربوط به تراشه حافظه فلشه. جلوتر بیشتر در موردش حرف می‌زنیم.

دقت و ظرافت تو چیدمان قطعات الکترونیکی این برد واقعا بی‌نظیره. روی برد پر از پکیج‌های در مقیاس تراشه (CSP) است و تو این فضای تنگ، دقت حرف اول رو می‌زنه؛ چیزی که باعث می‌شه هزینه تولید به شدت بالا بره. بخش زیادی از این هزینه، به خاطر استفاده گسترده از همین قطعات CSP به جای پکیج‌های لحیم‌کاری شده بزرگتره.

و بالاخره می‌رسیم به کامپیوتر روی تراشه معروف اپل، یعنی S1. جایی که قبلا نمی‌تونستیم داخلش رو ببینیم، حالا با اشعه ایکس جزئیات بی‌نظیری ازش روبرومونه.

اپل با محصور کردن S1 داخل یه لایه رزین، تونسته از تکنولوژی وایرباندینگ (Wire bonding) برای اتصال تراشه‌ها به صورت پکیج روی پکیج (PoP) استفاده کنه. این سیم‌های ارتباطی به طرز عجیبی نازک هستن و ضخامتشون معمولا بین 10 تا 17 میکرونه.

این کار باعث صرفه‌جویی فوق‌العاده‌ای تو فضا می‌شه، چون پکیج‌های لحیم‌کاری شده سنتی خیلی ضخیم‌ترن. البته پیاده‌سازی این روش، سطح کاملا جدیدی از تخصص تو تولید رو می‌طلبه.

← تو این تصویر می‌تونی بخش بدون پوشش تراشه S1 رو ببینی که یه ژیروسکوپ و شتاب‌سنج ساخت شرکت STMicroelectronics اونجا قرار گرفته.

بررسی‌های دقیق‌تر روی تراشه S1 نتایج جالبی رو به همراه داشته که نشون می‌ده چطور اپل این پردازشگر رو مهندسی کرده. سیستم در پکیج (SiP) اپل یعنی همون S1، از بیش از 30 قطعه مجزا تشکیل شده که همگی روی یه برد واحد سوار شدن و در نهایت با یه رزین ترکیبی سیلیکا یا آلومینیوم قالب‌گیری شدن. این روش شبیه پکیج کردن آیسی‌های معمولیه، اما اینجا برای یه برد کامل انجام شده!

در قلب S1، پردازنده جدید APL0778 اپل قرار داره که با فناوری 28 نانومتری سامسونگ ساخته شده.

این پردازنده نسبت به پردازنده 20 نانومتری A8 که تو آیفون 6 استفاده شده بود، یه عقب‌گرد کوچیک محسوب می‌شه. با توجه به اینکه مصرف بهینه انرژی تو ساعت هوشمند حتی از گوشی هم مهم‌تره، انتظار می‌ره اپل تو نسل‌های بعدی از معماری‌های ظریف‌تر (مثل 14 نانومتری) استفاده کنه تا عمر باتری بهتر بشه.

این سطح از مهندسی نشون می‌ده که اپل چقدر برای یکپارچه‌سازی قطعات تو یه فضای میکروسکوپی تلاش کرده.

تراشه حافظه فلش مستقیما روی بستر برد قرار گرفته و نقاط لحیم‌کاریش سمت جلو هستن. الگوی نامنظم و عجیب این بخش حسابی توجهمون رو جلب کرد.

با بررسی دقیق‌تر الگوهای روی خود تراشه و مسیرهای ارتباطی، به نظر می‌رسه این برد از چهار لایه تشکیل شده؛ دو لایه برای سیگنال، یکی برای برق و یکی برای اتصال به زمین.

وقتی به توپ‌های قلع که تراشه رو وصل کردن با دقت بیشتری نگاه می‌کنیم، چند تا حباب روشن داخلشون می‌بینیم. به این پدیده تو لحیم‌کاری "حفره‌زایی" (Voiding) می‌گن.

اکثر اتصالات روی برد از جنس مس هستن. از اونجایی که مس خیلی زود اکسید می‌شه، قبل از لحیم‌کاری باید با فلاکس (Flux) تمیز بشه. اگه این فلاکس به طور کامل پاک نشه، موقع لحیم‌کاری این حفره‌ها به وجود میان.

بسته به شدت این حفره‌ها، دوام قطعه می‌تونه کم بشه. اتصالات تمیز و یکدست باعث می‌شن گرما به خوبی دفع بشه، در حالی که این حفره‌ها جلوی انتقال گرما رو می‌گیرن و به مرور زمان عمر قطعات رو کم می‌کنن.

← نکته دیگه‌ای که تو بررسی‌های اولیه توجهمون رو جلب کرد، یه توده فلزی با شکل نامنظم تو مرکز تراشه S1 بود.

به احتمال خیلی زیاد، این قطعه به عنوان یه هیت‌سینک (خنک‌کننده) برای پردازنده به شدت متراکم S1 عمل می‌کنه.

تو تصویر اشعه ایکس، این بخش دقیقا با آهنربای ترازکننده شارژر هم‌راستا می‌شه. احتمالا اپل این آهنربا رو طوری طراحی کرده که دو تا کاربرد داشته باشه؛ هم شارژر رو تراز کنه و هم گرمای تولید شده توسط پکیج S1 رو به بیرون هدایت کنه.

حالا پنل نمایشگر رو می‌ذاریم زیر اشعه ایکس تا ببینیم چیزی رو از قلم ننداخته باشیم. در نگاه اول همه‌چیز آشناست؛ فلت‌ها، تراشه‌ها و سنسورها دقیقا همون‌جایی هستن که انتظار داشتیم. اما اگه زوم کنیم، می‌تونیم سنسورهای فشار مربوط به تکنولوژی Force Touch رو تو قسمت پایینی صفحه نمایش ببینیم.

حداقل اون لکه‌های مستطیلی شکل که به شدت شبیه این سنسورها هستن.

ردپای کنترلر تاچ‌اسکرین و مسیرهای روی کابل فلت، بیشتر شبیه یه اثر هنریه تا یه تکنولوژی مینیاتوری شده!

حالا چند تا عکس داریم که بیشتر به خاطر زیبایی بصری‌شون اینجان! صفحه دستگاه اشعه ایکس قابلیت تنظیم زاویه داره که بهمون اجازه می‌ده این عکس‌های سه‌بعدی و زاویه‌دار خفن رو بگیریم. آدم رو یاد فیلم‌های علمی‌تخیلی می‌ندازه. یکی دیگه از چیزای جالبی که اشعه ایکس نشون می‌ده، پیچ‌های فوق‌العاده ریزی هستن که تو بدنه ساعت جاسازی شدن.

کاملا مشخصه که اپل حتی یک میلی‌متر هم جای خالی نداشته تا پیچ‌ها رو بزرگتر از این در نظر بگیره!

مسیرهای ظریف روی کابل فلت شبیه نقشه متروی یه شهر پیشرفته هستن. تغییر رنگ تو این تصاویر، در واقع تغییر در تراکم مواد رو نشون می‌ده؛ درست مثل همون چیزی که تو عکس‌های سیاه‌وسفید رادیولوژی می‌بینیم.

حالا وقتشه نور اشعه رو بندازیم روی هدف بعدی؛ یعنی همون شارژر القایی.

با تنظیم سطح قدرت و میزان نوردهی اشعه ایکس، می‌تونیم لایه‌های مختلف شارژر رو به تفکیک ببینیم.

مثلا تو تصویر اول، یه سایه با کنتراست بالا از قطعات داخلی شارژر می‌بینیم که تو هاله قاب پلاستیکی بیرونیش قرار گرفته. و تو تصویر آخر، جزئیات روی برد کاملا واضح می‌شن.

نکته جالب در مورد اشعه ایکس اینه که با کم کردن قدرت، به رزولوشن بهتری می‌رسیم. البته این کار باعث می‌شه فریم‌ریت (سرعت ثبت تصویر) پایین بیاد. یه نکته دیگه اینکه میزان زوم تو این عکاسی، رابطه مستقیمی با فاصله سنسور از قطعه داره.

نگران نباش، این یه بشقاب‌پرنده فضایی نیست! این فقط یه آهنربای ترازکننده‌ست که وظیفه داره ساعت رو دقیقا روی نقطه مناسب برای شارژ نگه داره.

وقتی به این شارژر که شبیه بیسکویت اورئو (Oreo) طراحی شده نگاه می‌کنیم، کویل‌های القایی رو تو بخش پایینی و یه وزنه متراکم رو تو بخش بالایی می‌بینیم. اگه بخوایم تراکم این بخش‌ها رو دقیق‌تر بررسی کنیم، یه نقشه رنگی خیلی بهمون کمک می‌کنه.

این نمودار سه‌بعدی جذاب، تراکم قطعات داخلی شارژر رو نشون می‌ده؛ نقاط بلندتر یعنی تراکم بیشتر. اون نیم‌دایره قرمز تیره همون آهنرباست و رنگ زرد نشون‌دهنده کویل‌های شارژه.

سمت چپ یه ردیف از خازن‌های کوپلاژ تیره رنگ رو می‌بینیم که احتمالا به صورت موازی بسته شدن. اون نقطه‌های روشن کوچیکی که داخلشون می‌بینی، باکتری‌های مهاجم نیستن! اونا همون حفره‌های لحیم‌کاری هستن که از فرآیند تولید به جا موندن.

مغز متفکر نسبتا بزرگی تو این شارژر جا خوش کرده. احتمالا وظیفه‌اش اینه که پروفایل شارژ باتری رو تشخیص بده تا خود ساعت درگیر این پردازش نشه. این یعنی صرفه‌جویی فوق‌العاده تو فضای داخل ساعت!

← تو قسمت بالایی، یه تراشه BGA (آرایه شبکه توپی) بزرگ می‌بینیم که به احتمال قوی همون آیسی مدیریت تغذیه است.

با اینکه برد شارژر نسبتا پیچیده‌ست، اما به نظر می‌رسه فقط یه لایه داره و هیچ قطعه‌ای زیر برد نصب نشده (که کاملا منطقیه، چون شارژر باید تخت روی میز قرار بگیره).

← با بررسی دقیق‌تر، یه شبکه مقاومت کوچیکتر هم پیدا می‌کنیم.

هر کدوم از این مسیرهای ظریف تو شبکه، نقاط مختلف رو به مقاومت‌های متفاوتی وصل می‌کنن.

یه برد تک‌لایه برای مدیریت تغذیه که ضخامتش به سختی به 0.8 میلی‌متر می‌رسه.

اشعه ایکس پرده از یه نوآوری پنهان دیگه هم برمی‌داره: سیستم محافظت از کشیدگی کابل (Strain relief). این قطعه فلزی فنری شکل، مقداری سیم اضافه دورش پیچیده شده. دلیلش اینه که اگه یه وقت کابل رو محکم کشیدی، سیم‌ها از روی اتصالاتشون کنده نشن. به نظر می‌رسه اپل روی دوام این شارژر خیلی کار کرده؛ شاید حتی بیشتر از خود ساعت عمر کنه!

کسایی که شارژرهای فیک و تقلبی می‌خرن حواسشون باشه؛ این شارژر اصلی اصلا یه مدار ساده و پیش‌پاافتاده نیست و تکنولوژی پیچیده‌ای داره.

خب، اینم از سفر علمی ما به اعماق اپل واچ با کمک اشعه ایکس! دیدن قطعات از این زاویه بهمون ثابت می‌کنه که مهندسی یه گجت پوشیدنی چقدر می‌تونه پیچیده و تحسین‌برانگیز باشه.

تو تیم آیسی‌مدار همیشه دنبال اینیم که علاوه بر تعمیرات، دید عمیق‌تری نسبت به تکنولوژی‌های روز بهت بدیم. اگه این کالبدشکافی متفاوت برات جالب بود، حتما لینک این مقاله رو برای دوستای خوره تکنولوژیت بفرست تا اونا هم از دیدن این عکس‌های بی‌نظیر لذت ببرن. موفق باشی و منتظر بررسی‌های هیجان‌انگیز بعدی ما باش!