Как SoC (система на кристалле), так и SiP (система в корпусе) являются важными вехами в развитии современных интегральных схем, обеспечивая миниатюризацию, эффективность и интеграцию электронных систем.
1. Определения и основные концепции 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, коммуникационные модули, аналоговые схемы, сенсорные интерфейсы и различные другие функциональные модули, на одном чипе. 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, чувствительных к питанию продуктов. Процессоры в смартфонах Apple являются примерами чипов SoC.
Для иллюстрации, SoC похож на «суперздание» в городе, где все функции спроектированы внутри, а различные функциональные модули подобны разным этажам: некоторые из них являются офисными зонами (процессоры), некоторые — развлекательными зонами (память), а некоторые — коммуникационными сетями (коммуникационные интерфейсы), все они сосредоточены в одном здании (чипе). Это позволяет всей системе работать на одном кремниевом чипе, достигая более высокой эффективности и производительности.
SiP (система в корпусе) — объединение различных чипов вместе
Подход технологии SiP отличается. 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, как SoC. SiP позволяет упаковывать несколько чипов (процессоров, памяти, радиочастотных чипов и т. д.) рядом или в один модуль, формируя решение системного уровня.
Концепцию SiP можно сравнить со сборкой ящика с инструментами. Ящик с инструментами может содержать различные инструменты, такие как отвертки, молотки и дрели. Хотя это независимые инструменты, все они объединены в одном ящике для удобства использования. Преимущество такого подхода в том, что каждый инструмент может быть разработан и произведен отдельно, и их можно «собрать» в системный пакет по мере необходимости, что обеспечивает 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.) напрямую проектируются 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 различных процессов, а затем объединены в единый корпусной модуль с использованием технологии 3D-упаковки для формирования физической системы.
Сложность и гибкость дизайна:
SoC: Поскольку все модули интегрированы на одном чипе, сложность проектирования очень высока, особенно для совместного проектирования различных модулей, таких как цифровые, аналоговые, радиочастотные и модули памяти. Это требует от инженеров глубоких возможностей кросс-доменного проектирования. Более того, если есть проблема проектирования с любым модулем в SoC, может потребоваться перепроектирование всего чипа, что создает значительные риски.
SiP: SiP, напротив, предлагает большую гибкость проектирования. Различные функциональные модули могут быть спроектированы и проверены отдельно перед упаковкой в систему. Если возникает проблема с модулем, необходимо заменить только этот модуль, оставив другие части нетронутыми. 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 чипе сталкивается со значительными проблемами совместимости процессов. Различные функциональные модули требуют различных производственных процессов; например, цифровые схемы требуют высокоскоростных, маломощных процессов, в то время как аналоговые схемы могут требовать более точного управления напряжением. Достижение совместимости между этими различными процессами на одном чипе чрезвычайно сложно.
SiP: Благодаря технологии упаковки SiP может интегрировать чипы, произведенные 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 строгую разработку, проверку и тестирование, а общий процесс разработки может занять несколько лет, что приводит к высоким затратам. Однако после массового производства себестоимость единицы продукции снижается из-за высокой интеграции.
SiP: Цикл НИОКР короче для SiP. Поскольку SiP напрямую использует существующие, проверенные функциональные чипы для упаковки, он сокращает время, необходимое для перепроектирования модуля. Это позволяет быстрее запускать продукты и значительно снижает затраты на НИОКР.
Производительность и размер системы:
SoC: Поскольку все модули находятся на одном чипе, задержки связи, потери энергии и помехи сигнала сведены к минимуму, что дает SoC непревзойденное преимущество в производительности и энергопотреблении. Его размер минимален, что делает его особенно подходящим для приложений с высокими требованиями к производительности и питанию, таких как смартфоны и чипы обработки изображений.
SiP: Хотя уровень интеграции SiP не так высок, как у SoC, он все равно может компактно упаковывать разные чипы вместе, используя технологию многослойной упаковки, что приводит к меньшему размеру по сравнению с традиционными многочиповыми решениями. Более того, поскольку модули физически упакованы, а не интегрированы на одном кремниевом чипе, хотя производительность может не соответствовать производительности SoC, он все равно 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 (например, чипы серии A от Apple или Snapdragon от Qualcomm) обычно представляют собой высокоинтегрированные SoC, включающие в себя центральный процессор, 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 добиться SoC.
Высокопроизводительные встраиваемые системы: SoC особенно подходит для небольших устройств со строгими требованиями к энергоэффективности, таких как устройства Интернета вещей и носимые устройства.
Сценарии применения SiP:
SiP имеет более широкий спектр сценариев применения, подходящий для областей, требующих быстрой разработки и многофункциональной интеграции, таких как:
Коммуникационное оборудование: для базовых станций, маршрутизаторов и т. д. SiP может интегрировать несколько процессоров радиочастотных и цифровых сигналов, ускоряя цикл разработки продукта.
Потребительская электроника: для таких продуктов, как смарт-часы и Bluetooth-гарнитуры, которые имеют быстрые циклы обновления, технология SiP позволяет быстрее запускать новые функциональные продукты.
Автомобильная электроника: Модули управления и радиолокационные системы в автомобильных системах могут использовать технологию SiP для быстрой интеграции различных функциональных модулей.
4. Будущие тенденции развития SoC и SiP
Тенденции в развитии SoC:
SoC продолжит развиваться в направлении более высокой интеграции и гетерогенной интеграции, потенциально подразумевая большую интеграцию процессоров ИИ, 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 достижения в области 2,5D и 3D упаковки, чтобы плотно упаковывать чипы с различными процессами и функциями вместе для удовлетворения быстро меняющихся требований рынка.
5. Заключение
SoC больше похож на строительство многофункционального супернебоскреба, концентрируя все функциональные модули в одной конструкции, подходящей для приложений с чрезвычайно высокими требованиями к производительности, размеру и энергопотреблению. SiP, с другой стороны, похож на «упаковку» различных функциональных чипов в систему, больше фокусируясь на гибкости и быстрой разработке, особенно подходит для потребительской электроники, требующей быстрых обновлений. У обоих есть свои сильные стороны: SoC подчеркивает оптимальную производительность системы и оптимизацию размера, в то время как SiP подчеркивает гибкость системы и оптимизацию цикла разработки.
Время публикации: 28-окт-2024