И SoC (система на кристалле), и SiP (система в корпусе) являются важными вехами в разработке современных интегральных схем, обеспечивающих миниатюризацию, эффективность и интеграцию электронных систем.
1. Определения и основные понятия SoC и SiP
SoC (система на кристалле) — интеграция всей системы в один чип.
SoC похож на небоскреб, где все функциональные модули спроектированы и интегрированы в один и тот же физический чип. Основная идея SoC заключается в интеграции всех основных компонентов электронной системы, включая процессор (ЦП), память, модули связи, аналоговые схемы, интерфейсы датчиков и различные другие функциональные модули, на одном кристалле. Преимущества SoC заключаются в его высоком уровне интеграции и небольшом размере, что обеспечивает значительные преимущества в производительности, энергопотреблении и размерах, что делает его особенно подходящим для высокопроизводительных и энергочувствительных продуктов. Процессоры в смартфонах Apple являются примером чипов SoC.
Для иллюстрации: SoC похожа на «суперздание» в городе, где все функции спроектированы внутри, а различные функциональные модули подобны разным этажам: некоторые являются офисными помещениями (процессоры), некоторые — развлекательными зонами (память), а некоторые — сети связи (интерфейсы связи), сосредоточенные в одном здании (чипе). Это позволяет всей системе работать на одном кремниевом чипе, обеспечивая более высокую эффективность и производительность.
SiP (система в корпусе) – объединение разных микросхем вместе.
Подход технологии SiP другой. Это больше похоже на упаковку нескольких чипов с разными функциями в одном физическом корпусе. Он фокусируется на объединении нескольких функциональных чипов с помощью технологии упаковки, а не на их интеграции в один чип, такой как SoC. SiP позволяет упаковывать несколько микросхем (процессоры, память, радиочастотные чипы и т. д.) рядом или штабелировать в одном модуле, образуя решение системного уровня.
Идею SiP можно сравнить со сборкой набора инструментов. Ящик для инструментов может содержать различные инструменты, такие как отвертки, молотки и дрели. Хотя это независимые инструменты, для удобства использования все они объединены в одну коробку. Преимущество такого подхода в том, что каждый инструмент можно разрабатывать и производить отдельно, а также при необходимости «собирать» в системный пакет, обеспечивая гибкость и скорость.
2. Технические характеристики и различия между SoC и SiP
Различия в методах интеграции:
SoC: различные функциональные модули (такие как ЦП, память, ввод-вывод и т. д.) непосредственно спроектированы на одном и том же кремниевом чипе. Все модули используют один и тот же базовый процесс и логику проектирования, образуя интегрированную систему.
SiP: Различные функциональные чипы могут быть изготовлены с использованием разных процессов, а затем объединены в один упаковочный модуль с использованием технологии 3D-упаковки для формирования физической системы.
Сложность и гибкость конструкции:
SoC: поскольку все модули интегрированы в один кристалл, сложность проектирования очень высока, особенно при совместной разработке различных модулей, таких как цифровые, аналоговые, радиочастотные и модули памяти. Это требует от инженеров глубоких навыков междоменного проектирования. Более того, если в каком-либо модуле SoC возникнут проблемы с конструкцией, возможно, придется перепроектировать весь чип, что создает значительные риски.
SiP: Напротив, SiP предлагает большую гибкость проектирования. Различные функциональные модули могут быть спроектированы и проверены отдельно перед объединением в систему. Если возникает проблема с модулем, необходимо заменить только этот модуль, не затрагивая остальные части. Это также позволяет ускорить разработку и снизить риски по сравнению с SoC.
Совместимость процессов и проблемы:
SoC: Интеграция различных функций, таких как цифровые, аналоговые и радиочастотные, на одном кристалле сталкивается со значительными проблемами совместимости процессов. Разные функциональные модули требуют разных производственных процессов; например, цифровым схемам необходимы высокоскоростные процессы с низким энергопотреблением, тогда как аналоговым схемам может потребоваться более точный контроль напряжения. Достичь совместимости между этими различными процессами на одном чипе чрезвычайно сложно.
SiP: Благодаря технологии упаковки SiP может интегрировать чипы, изготовленные с использованием различных процессов, решая проблемы совместимости процессов, с которыми сталкивается технология SoC. SiP позволяет нескольким разнородным чипам работать вместе в одном корпусе, но требования к точности технологии упаковки высоки.
Цикл НИОКР и затраты:
SoC: поскольку SoC требует проектирования и проверки всех модулей с нуля, цикл проектирования длиннее. Каждый модуль должен пройти тщательное проектирование, проверку и тестирование, а общий процесс разработки может занять несколько лет, что приведет к высоким затратам. Однако при массовом производстве стоимость единицы продукции снижается из-за высокой интеграции.
SiP: Цикл исследований и разработок для SiP короче. Поскольку SiP напрямую использует существующие, проверенные функциональные чипы для упаковки, это сокращает время, необходимое для перепроектирования модуля. Это позволяет ускорить выпуск новых продуктов и значительно снизить затраты на исследования и разработки.
Производительность и размер системы:
SoC: поскольку все модули расположены на одном чипе, задержки связи, потери энергии и помехи сигнала сведены к минимуму, что дает SoC беспрецедентное преимущество в производительности и энергопотреблении. Его размер минимален, что делает его особенно подходящим для приложений с высокими требованиями к производительности и энергопотреблению, таких как смартфоны и чипы обработки изображений.
SiP: Хотя уровень интеграции SiP не так высок, как у SoC, он все же позволяет компактно упаковывать различные чипы вместе с использованием технологии многослойной упаковки, что приводит к меньшему размеру по сравнению с традиционными многочиповыми решениями. Более того, поскольку модули физически упакованы, а не интегрированы в один и тот же кремниевый чип, хотя производительность может не соответствовать производительности SoC, она все же может удовлетворить потребности большинства приложений.
3. Сценарии применения SoC и SiP
Сценарии применения SoC:
SoC обычно подходит для областей с высокими требованиями к размеру, энергопотреблению и производительности. Например:
Смартфоны. Процессоры в смартфонах (такие как чипы Apple A-серии или Qualcomm Snapdragon) обычно представляют собой высокоинтегрированные SoC, включающие в себя ЦП, графический процессор, блоки обработки искусственного интеллекта, коммуникационные модули и т. д., требующие как высокой производительности, так и низкого энергопотребления.
Обработка изображений. В цифровых камерах и дронах устройствам обработки изображений часто требуются мощные возможности параллельной обработки и низкая задержка, чего может эффективно достичь SoC.
Высокопроизводительные встраиваемые системы: SoC особенно подходит для небольших устройств со строгими требованиями к энергоэффективности, таких как устройства IoT и носимые устройства.
Сценарии применения SiP:
SiP имеет более широкий спектр сценариев применения, подходящих для областей, требующих быстрой разработки и многофункциональной интеграции, таких как:
Оборудование связи. Для базовых станций, маршрутизаторов и т. д. SiP может интегрировать несколько процессоров радиочастотных и цифровых сигналов, ускоряя цикл разработки продукта.
Бытовая электроника: для таких продуктов, как умные часы и Bluetooth-гарнитуры, которые имеют быстрый цикл обновления, технология SiP позволяет быстрее запускать новые функциональные продукты.
Автомобильная электроника: модули управления и радарные системы в автомобильных системах могут использовать технологию SiP для быстрой интеграции различных функциональных модулей.
4. Будущие тенденции развития SoC и SiP
Тенденции развития SoC:
SoC будет продолжать развиваться в направлении более высокой интеграции и гетерогенной интеграции, что потенциально предполагает большую интеграцию процессоров искусственного интеллекта, модулей связи 5G и других функций, что будет способствовать дальнейшей эволюции интеллектуальных устройств.
Тенденции развития SiP:
SiP будет все больше полагаться на передовые технологии упаковки, такие как 2.5D и 3D-упаковку, для плотной упаковки чипов с различными процессами и функциями вместе для удовлетворения быстро меняющихся потребностей рынка.
5. Заключение
SoC больше похож на построение многофункционального супернебоскреба, концентрирующего все функциональные модули в одной конструкции, подходящей для приложений с чрезвычайно высокими требованиями к производительности, размеру и энергопотреблению. SiP, с другой стороны, представляет собой «упаковку» различных функциональных микросхем в систему, в которой больше внимания уделяется гибкости и быстрому развитию, что особенно подходит для бытовой электроники, требующей быстрых обновлений. У обоих есть свои сильные стороны: SoC подчеркивает оптимальную производительность системы и оптимизацию размера, а SiP подчеркивает гибкость системы и оптимизацию цикла разработки.
Время публикации: 28 октября 2024 г.