І SoC (система на кристалі), і SiP (система в упаковці) є важливими віхами в розробці сучасних інтегральних схем, що забезпечує мініатюризацію, ефективність та інтеграцію електронних систем.
1. Визначення та основні поняття SoC і SiP
SoC (System on Chip) – інтеграція всієї системи в один чіп
SoC схожий на хмарочос, де всі функціональні модулі розроблені та інтегровані в один фізичний чіп. Основна ідея SoC полягає в інтеграції всіх основних компонентів електронної системи, включаючи процесор (CPU), пам’ять, комунікаційні модулі, аналогові схеми, сенсорні інтерфейси та різні інші функціональні модулі, на одному чіпі. Переваги SoC полягають у його високому рівні інтеграції та невеликих розмірах, що забезпечує значні переваги в продуктивності, енергоспоживанні та розмірах, що робить його особливо придатним для високопродуктивних, енергочутливих продуктів. Процесори в смартфонах Apple є прикладами мікросхем SoC.
Для ілюстрації, SoC схожа на «супербудівлю» в місті, де всі функції спроектовані всередині, а різні функціональні модулі схожі на різні поверхи: деякі — це офісні зони (процесори), деякі — зони розваг (пам’ять), а деякі — комунікаційні мережі (комунікаційні інтерфейси), усі зосереджені в одній будівлі (чіпі). Це дозволяє всій системі працювати на одному кремнієвому чіпі, досягаючи вищої ефективності та продуктивності.
SiP (System in Package) – об’єднання різних мікросхем
Підхід технології SiP інший. Це більше схоже на упаковку кількох мікросхем із різними функціями в одній фізичній упаковці. Він зосереджений на об’єднанні кількох функціональних чіпів за допомогою технології упаковки, а не на інтеграції їх в один чіп, як SoC. SiP дозволяє розміщувати декілька чіпів (процесорів, пам’яті, радіочастотних чіпів тощо) поруч або в одному модулі, утворюючи рішення на системному рівні.
Концепцію SiP можна порівняти зі складанням ящика для інструментів. Ящик для інструментів може містити різні інструменти, такі як викрутки, молотки та дрилі. Незважаючи на те, що це незалежні інструменти, усі вони уніфіковані в одній коробці для зручного використання. Перевага цього підходу полягає в тому, що кожен інструмент можна розробити та виготовити окремо, і їх можна «змонтувати» в системний пакет за потреби, забезпечуючи гнучкість і швидкість.
2. Технічні характеристики та відмінності між SoC і SiP
Відмінності методу інтеграції:
SoC: різні функціональні модулі (такі як ЦП, пам’ять, введення/виведення тощо) безпосередньо розроблені на одному кремнієвому чіпі. Усі модулі мають однаковий базовий процес і логіку проектування, утворюючи інтегровану систему.
SiP: різні функціональні мікросхеми можуть бути виготовлені за допомогою різних процесів, а потім об’єднані в єдиний модуль упаковки за допомогою технології 3D-пакування для формування фізичної системи.
Складність дизайну та гнучкість:
SoC: Оскільки всі модулі інтегровані на одному чіпі, складність конструкції дуже висока, особливо для спільного проектування різних модулів, таких як цифрові, аналогові, радіочастотні та пам’ять. Це вимагає від інженерів глибоких можливостей міждоменного проектування. Крім того, якщо є проблема з дизайном будь-якого модуля в SoC, можливо, доведеться переробити весь чіп, що створює значні ризики.
SiP: навпаки, SiP пропонує більшу гнучкість дизайну. Різні функціональні модулі можуть бути розроблені та перевірені окремо, перш ніж бути упакованими в систему. Якщо виникає проблема з модулем, потрібно замінити лише цей модуль, не впливаючи на інші частини. Це також забезпечує більшу швидкість розробки та менші ризики порівняно з SoC.
Сумісність процесу та проблеми:
SoC: інтеграція різних функцій, таких як цифрові, аналогові та радіочастотні, на одному чіпі стикається зі значними проблемами сумісності процесів. Для різних функціональних модулів потрібні різні виробничі процеси; наприклад, цифрові схеми потребують високошвидкісних процесів з низьким енергоспоживанням, тоді як аналогові схеми можуть вимагати більш точного контролю напруги. Досягти сумісності між цими різними процесами на одному чіпі надзвичайно складно.
SiP: за допомогою технології упаковки SiP може інтегрувати мікросхеми, виготовлені за допомогою різних процесів, вирішуючи проблеми сумісності процесів, з якими стикається технологія SoC. SiP дозволяє кільком різнорідним чіпам працювати разом в одній упаковці, але вимоги до точності технології упаковки є високими.
Цикл НДДКР і витрати:
SoC: оскільки SoC вимагає розробки та перевірки всіх модулів з нуля, цикл проектування довший. Кожен модуль має пройти суворе проектування, перевірку та тестування, а загальний процес розробки може тривати кілька років, що призведе до високих витрат. Однак після масового виробництва вартість одиниці нижча через високий рівень інтеграції.
SiP: цикл досліджень і розробок коротший для SiP. Оскільки SiP безпосередньо використовує наявні, перевірені функціональні мікросхеми для упаковки, це скорочує час, необхідний для перепроектування модуля. Це дозволяє швидше запускати продукт і значно знижує витрати на дослідження та розробки.
Продуктивність і розмір системи:
SoC: Оскільки всі модулі знаходяться на одному чіпі, затримки зв’язку, втрати енергії та перешкоди сигналу зведені до мінімуму, що дає SoC безпрецедентну перевагу в продуктивності та енергоспоживанні. Його розмір мінімальний, що робить його особливо придатним для додатків з високими вимогами до продуктивності та потужності, таких як смартфони та мікросхеми обробки зображень.
SiP: хоча рівень інтеграції SiP не такий високий, як у SoC, він усе ще може компактно упаковувати різні чіпи разом за допомогою багатошарової технології упаковки, що призводить до меншого розміру порівняно з традиційними багаточіповими рішеннями. Крім того, оскільки модулі фізично упаковані, а не інтегровані в той самий кремнієвий чіп, хоча продуктивність може не відповідати продуктивності SoC, вона все одно може задовольнити потреби більшості програм.
3. Сценарії застосування для SoC і SiP
Сценарії застосування для SoC:
SoC зазвичай підходить для сфер із високими вимогами до розміру, енергоспоживання та продуктивності. Наприклад:
Смартфони: процесори в смартфонах (таких як чіпи серії A від Apple або Snapdragon від Qualcomm) зазвичай є високоінтегрованими SoC, які включають центральний процесор, графічний процесор, блоки обробки штучного інтелекту, модулі зв’язку тощо, що вимагає як високої продуктивності, так і низького енергоспоживання.
Обробка зображень: у цифрових камерах і дронах блоки обробки зображень часто потребують потужних можливостей паралельної обробки та низької затримки, чого може ефективно досягти SoC.
Високопродуктивні вбудовані системи: SoC особливо підходить для невеликих пристроїв із суворими вимогами до енергоефективності, таких як пристрої Інтернету речей і переносні пристрої.
Сценарії застосування для SiP:
SiP має ширший діапазон сценаріїв застосування, що підходить для галузей, які потребують швидкого розвитку та багатофункціональної інтеграції, наприклад:
Комунікаційне обладнання: для базових станцій, маршрутизаторів тощо SiP може інтегрувати декілька радіочастотних і цифрових сигнальних процесорів, прискорюючи цикл розробки продукту.
Побутова електроніка: для таких продуктів, як розумні годинники та гарнітури Bluetooth, які мають швидкі цикли оновлення, технологія SiP дозволяє швидше запускати нові функціональні продукти.
Автомобільна електроніка: модулі керування та радарні системи в автомобільних системах можуть використовувати технологію SiP для швидкої інтеграції різних функціональних модулів.
4. Майбутні тенденції розвитку SoC і SiP
Тенденції розвитку SoC:
SoC продовжуватиме розвиватися в напрямку вищої інтеграції та гетерогенної інтеграції, потенційно включаючи більшу інтеграцію процесорів AI, модулів зв’язку 5G та інших функцій, що сприятиме подальшій еволюції інтелектуальних пристроїв.
Тенденції розвитку SiP:
SiP все більше покладатиметься на передові технології упаковки, такі як 2,5D і 3D упаковка, щоб щільно упаковувати чіпи з різними процесами та функціями разом, щоб відповідати вимогам ринку, що швидко змінюються.
5. Висновок
SoC більше нагадує створення багатофункціонального суперхмарочоса, що зосереджує всі функціональні модулі в одній конструкції, що підходить для додатків з надзвичайно високими вимогами до продуктивності, розміру та енергоспоживання. SiP, з іншого боку, схожий на «упаковку» різних функціональних чіпів у систему, зосереджуючись більше на гнучкості та швидкому розвитку, особливо підходить для побутової електроніки, яка потребує швидкого оновлення. Обидва мають свої сильні сторони: SoC підкреслює оптимальну продуктивність системи та оптимізацію розміру, тоді як SiP підкреслює гнучкість системи та оптимізацію циклу розробки.
Час публікації: 28 жовтня 2024 р