Zarówno SoC (System on Chip), jak i SiP (System in Package) to ważne kamienie milowe w rozwoju nowoczesnych układów scalonych, umożliwiających miniaturyzację, wydajność i integrację systemów elektronicznych.
1. Definicje i podstawowe pojęcia SoC i SiP
SoC (System on Chip) - Integracja całego systemu w jednym chipie
SoC jest jak drapacz chmur, w którym wszystkie moduły funkcjonalne są zaprojektowane i zintegrowane w tym samym fizycznym chipie. Podstawową ideą SoC jest zintegrowanie wszystkich podstawowych komponentów systemu elektronicznego, w tym procesora (CPU), pamięci, modułów komunikacyjnych, obwodów analogowych, interfejsów czujników i różnych innych modułów funkcjonalnych, w jednym chipie. Zalety SoC polegają na wysokim poziomie integracji i małych rozmiarach, zapewniając znaczne korzyści w zakresie wydajności, zużycia energii i wymiarów, dzięki czemu szczególnie nadają się do produktów o wysokiej wydajności i wrażliwych na moc. Przykładami układów SoC są procesory w smartfonach Apple.
Aby to zilustrować, SoC jest jak „super budynek” w mieście, w którym wszystkie funkcje są zaprojektowane, a różne moduły funkcjonalne są jak różne piętra: niektóre to obszary biurowe (procesory), inne to obszary rozrywkowe (pamięć), a jeszcze inne sieci komunikacyjne (interfejsy komunikacyjne), wszystkie skupione w tym samym budynku (chip). Dzięki temu cały system może działać na jednym chipie krzemowym, osiągając wyższą wydajność i wydajność.
SiP (System in Package) - Łączenie różnych chipów w jedną całość
Podejście do technologii SiP jest inne. Przypomina to raczej pakowanie wielu chipów o różnych funkcjach w tym samym fizycznym opakowaniu. Koncentruje się na łączeniu wielu funkcjonalnych chipów poprzez technologię pakowania, zamiast integrować je w jeden chip, taki jak SoC. SiP umożliwia pakowanie wielu chipów (procesorów, pamięci, chipów RF itp.) obok siebie lub układanie w stosy w tym samym module, tworząc rozwiązanie na poziomie systemowym.
Koncepcję SiP można porównać do składania skrzynki narzędziowej. Skrzynka narzędziowa może zawierać różne narzędzia, takie jak śrubokręty, młotki i wiertła. Chociaż są to niezależne narzędzia, wszystkie są zunifikowane w jednym pudełku, co zapewnia wygodę użytkowania. Zaletą tego podejścia jest to, że każde narzędzie można opracować i wyprodukować oddzielnie, a w razie potrzeby można je „zmontować” w pakiet systemowy, co zapewnia elastyczność i szybkość.
2. Charakterystyka techniczna i różnice pomiędzy SoC i SiP
Różnice w metodach integracji:
SoC: Różne moduły funkcjonalne (takie jak procesor, pamięć, wejścia/wyjścia itp.) są zaprojektowane bezpośrednio na tym samym chipie krzemowym. Wszystkie moduły mają tę samą podstawową logikę procesu i projektowania, tworząc zintegrowany system.
SiP: Różne funkcjonalne chipy mogą być wytwarzane przy użyciu różnych procesów, a następnie łączone w pojedynczy moduł opakowania przy użyciu technologii pakowania 3D w celu utworzenia systemu fizycznego.
Złożoność i elastyczność projektu:
SoC: Ponieważ wszystkie moduły są zintegrowane w jednym chipie, złożoność projektu jest bardzo duża, szczególnie w przypadku wspólnego projektowania różnych modułów, takich jak cyfrowe, analogowe, RF i pamięć. Wymaga to od inżynierów posiadania głębokich możliwości projektowania w wielu dziedzinach. Co więcej, jeśli wystąpi problem projektowy z jakimkolwiek modułem SoC, może zaistnieć potrzeba przeprojektowania całego chipa, co stwarza znaczne ryzyko.
SiP: Natomiast SiP oferuje większą elastyczność projektowania. Różne moduły funkcjonalne można projektować i weryfikować oddzielnie przed umieszczeniem ich w systemie. Jeśli pojawi się problem z modułem, należy wymienić tylko ten moduł, pozostawiając pozostałe części nienaruszone. Pozwala to również na szybsze prędkości programowania i mniejsze ryzyko w porównaniu do SoC.
Zgodność procesów i wyzwania:
SoC: Integracja różnych funkcji, takich jak cyfrowe, analogowe i RF w jednym chipie, wiąże się z poważnymi wyzwaniami w zakresie kompatybilności procesów. Różne moduły funkcjonalne wymagają różnych procesów produkcyjnych; na przykład obwody cyfrowe wymagają procesów o dużej szybkości i niskim poborze mocy, podczas gdy obwody analogowe mogą wymagać bardziej precyzyjnej kontroli napięcia. Osiągnięcie kompatybilności pomiędzy tymi różnymi procesami na tym samym chipie jest niezwykle trudne.
SiP: Dzięki technologii pakowania SiP może integrować chipy wyprodukowane przy użyciu różnych procesów, rozwiązując problemy ze zgodnością procesów, przed którymi stoi technologia SoC. SiP umożliwia współpracę wielu heterogenicznych chipów w tym samym opakowaniu, ale wymagania dotyczące precyzji w technologii pakowania są wysokie.
Cykl badawczo-rozwojowy i koszty:
SoC: Ponieważ SoC wymaga zaprojektowania i sprawdzenia wszystkich modułów od podstaw, cykl projektowania jest dłuższy. Każdy moduł musi przejść rygorystyczne projektowanie, weryfikację i testy, a cały proces rozwoju może zająć kilka lat, co wiąże się z wysokimi kosztami. Jednakże w przypadku masowej produkcji koszt jednostkowy jest niższy ze względu na wysoką integrację.
SiP: Cykl badawczo-rozwojowy jest w przypadku SiP krótszy. Ponieważ SiP bezpośrednio wykorzystuje do pakowania istniejące, sprawdzone chipy funkcjonalne, skraca czas potrzebny na przeprojektowanie modułu. Pozwala to na szybsze wprowadzanie produktów na rynek i znacząco obniża koszty prac badawczo-rozwojowych.
Wydajność i rozmiar systemu:
SoC: Ponieważ wszystkie moduły znajdują się na tym samym chipie, opóźnienia w komunikacji, straty energii i zakłócenia sygnału są zminimalizowane, co daje SoC niezrównaną przewagę pod względem wydajności i zużycia energii. Jego rozmiar jest minimalny, dzięki czemu szczególnie nadaje się do zastosowań o wysokich wymaganiach dotyczących wydajności i zasilania, takich jak smartfony i chipy do przetwarzania obrazu.
SiP: Chociaż poziom integracji SiP nie jest tak wysoki jak SoC, nadal może on kompaktowo pakować różne chipy przy użyciu technologii pakowania wielowarstwowego, co skutkuje mniejszym rozmiarem w porównaniu z tradycyjnymi rozwiązaniami wielochipowymi. Co więcej, ponieważ moduły są fizycznie opakowane, a nie zintegrowane na tym samym chipie krzemowym, choć wydajność może nie dorównywać SoC, nadal może zaspokoić potrzeby większości zastosowań.
3. Scenariusze zastosowań dla SoC i SiP
Scenariusze zastosowań dla SoC:
SoC jest zazwyczaj odpowiedni dla pól o wysokich wymaganiach dotyczących rozmiaru, zużycia energii i wydajności. Na przykład:
Smartfony: Procesory w smartfonach (takie jak chipy Apple z serii A lub Snapdragon firmy Qualcomm) to zwykle wysoce zintegrowane układy SoC, które obejmują procesor, procesor graficzny, jednostki przetwarzające AI, moduły komunikacyjne itp., wymagające zarówno dużej wydajności, jak i niskiego zużycia energii.
Przetwarzanie obrazu: W aparatach cyfrowych i dronach jednostki przetwarzania obrazu często wymagają dużych możliwości przetwarzania równoległego i małych opóźnień, które SoC może skutecznie osiągnąć.
Wysokowydajne systemy wbudowane: SoC nadaje się szczególnie do małych urządzeń o rygorystycznych wymaganiach w zakresie efektywności energetycznej, takich jak urządzenia IoT i urządzenia do noszenia.
Scenariusze zastosowań dla SiP:
SiP posiada szerszą gamę scenariuszy zastosowań, odpowiednich dla dziedzin wymagających szybkiego rozwoju i wielofunkcyjnej integracji, takich jak:
Sprzęt komunikacyjny: W przypadku stacji bazowych, routerów itp. SiP może zintegrować wiele procesorów sygnału RF i cyfrowych, przyspieszając cykl rozwoju produktu.
Elektronika użytkowa: W przypadku produktów takich jak smartwatche i zestawy słuchawkowe Bluetooth, które charakteryzują się krótkimi cyklami aktualizacji, technologia SiP umożliwia szybsze wprowadzanie na rynek nowych produktów.
Elektronika samochodowa: Moduły sterujące i systemy radarowe w systemach motoryzacyjnych mogą wykorzystywać technologię SiP do szybkiej integracji różnych modułów funkcjonalnych.
4. Przyszłe trendy rozwojowe SoC i SiP
Trendy w rozwoju SoC:
SoC będzie nadal ewoluować w kierunku wyższej integracji i integracji heterogenicznej, potencjalnie obejmującej większą integrację procesorów AI, modułów komunikacyjnych 5G i innych funkcji, napędzając dalszą ewolucję inteligentnych urządzeń.
Trendy w rozwoju SiP:
SiP będzie w coraz większym stopniu polegać na zaawansowanych technologiach pakowania, takich jak udoskonalenia w zakresie opakowań 2,5D i 3D, aby ściśle łączyć chipy z różnymi procesami i funkcjami, aby sprostać szybko zmieniającym się wymaganiom rynku.
5. Wniosek
SoC przypomina raczej budowę wielofunkcyjnego super drapacza chmur, skupiającego wszystkie moduły funkcjonalne w jednym projekcie, odpowiednim do zastosowań o niezwykle wysokich wymaganiach dotyczących wydajności, rozmiaru i zużycia energii. Z drugiej strony SiP przypomina „pakowanie” różnych funkcjonalnych chipów w system, skupiając się bardziej na elastyczności i szybkim rozwoju, szczególnie odpowiednim dla elektroniki użytkowej, która wymaga szybkich aktualizacji. Obydwa mają swoje mocne strony: SoC kładzie nacisk na optymalną wydajność systemu i optymalizację rozmiaru, podczas gdy SiP podkreśla elastyczność systemu i optymalizację cyklu rozwojowego.
Czas publikacji: 28 października 2024 r