Як SoC (система на кристалі), так і SiP (система в корпусі) є важливими віхами в розвитку сучасних інтегральних схем, що дозволяють мініатюризацію, підвищення ефективності та інтеграцію електронних систем.
1. Визначення та основні концепції SoC та SiP
SoC (система на кристалі) – інтеграція всієї системи в один кристал
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, модулі зв'язку, аналогові схеми, інтерфейси датчиків та різні інші функціональні модулі, на одному чіпі. Переваги SoC полягають у високому рівні інтеграції та малому розмірі, що забезпечує значні переваги в продуктивності, енергоспоживанні та габаритах, що робить його особливо придатним для високопродуктивних, енергочутливих продуктів. Процесори в смартфонах Apple є прикладами SoC-чіпів.
Для ілюстрації, SoC подібний до «супербудівлі» в місті, де всі функції розроблені всередині, а різні функціональні модулі — це різні поверхи: деякі — це офісні зони (процесори), деякі — розважальні зони (пам'ять), а деякі — комунікаційні мережі (комунікаційні інтерфейси), всі зосереджені в одній будівлі (чіпі). Це дозволяє всій системі працювати на одному кремнієвому чіпі, досягаючи вищої ефективності та продуктивності.
SiP (Система в корпусі) – поєднання різних мікросхем разом
Підхід технології SiP відрізняється. Він більше схожий на упаковку кількох мікросхем з різними функціями в одному фізичному корпусі. Він зосереджений на об'єднанні кількох функціональних мікросхем за допомогою технології упаковки, а не на їх інтеграції в один чіп, як SoC. SiP дозволяє упаковувати кілька мікросхем (процесори, пам'ять, радіочастотні мікросхеми тощо) поруч або складати їх в одному модулі, утворюючи рішення системного рівня.
Концепцію SiP можна порівняти зі складанням інструментального ящика. Інструментальний ящик може містити різні інструменти, такі як викрутки, молотки та дрилі. Хоча це незалежні інструменти, всі вони об'єднані в одному коробці для зручного використання. Перевага такого підходу полягає в тому, що кожен інструмент може бути розроблений та виготовлений окремо, а також їх можна «зібрати» в системний пакет за потреби, забезпечуючи гнучкість та швидкість.
2. Технічні характеристики та відмінності між SoC та SiP
Відмінності методів інтегрування:
SoC: Різні функціональні модулі (такі як процесор, пам'ять, введення/виведення тощо) безпосередньо розроблені на одному кремнієвому кристалі. Усі модулі мають однаковий базовий процес та логіку проектування, утворюючи інтегровану систему.
SiP: Різні функціональні чіпи можуть бути виготовлені за допомогою різних процесів, а потім об'єднані в одному модулі упаковки за допомогою технології 3D-упаковки для формування фізичної системи.
Складність та гнучкість дизайну:
SoC: Оскільки всі модулі інтегровані на одному кристалі, складність проектування дуже висока, особливо для спільного проектування різних модулів, таких як цифрові, аналогові, радіочастотні та модулі пам'яті. Це вимагає від інженерів глибоких можливостей міждоменного проектування. Більше того, якщо виникає проблема з проектуванням будь-якого модуля SoC, може знадобитися переробка всього кристала, що створює значні ризики.
SiP: На відміну від цього, SiP пропонує більшу гнучкість проектування. Різні функціональні модулі можна розробляти та перевіряти окремо перед тим, як їх об'єднати в систему. Якщо виникає проблема з модулем, потрібно замінити лише цей модуль, залишаючи інші частини незмінними. Це також дозволяє збільшити швидкість розробки та знизити ризики порівняно з SoC.
Сумісність процесів та проблеми:
SoC: Інтеграція різних функцій, таких як цифрові, аналогові та радіочастотні, на одному кристалі стикається зі значними труднощами сумісності процесів. Різні функціональні модулі вимагають різних виробничих процесів; наприклад, цифрові схеми потребують високошвидкісних процесів з низьким енергоспоживанням, тоді як аналогові схеми можуть вимагати точнішого керування напругою. Досягти сумісності між цими різними процесами на одному кристалі надзвичайно складно.
SiP: Завдяки технології упаковки, SiP може інтегрувати чіпи, виготовлені з використанням різних процесів, вирішуючи проблеми сумісності процесів, з якими стикається технологія SoC. SiP дозволяє кільком різнорідним чіпам працювати разом в одному корпусі, але вимоги до точності технології упаковки є високими.
Цикл досліджень і розробок та витрати:
SoC: Оскільки SoC вимагає проектування та перевірки всіх модулів з нуля, цикл проектування є довшим. Кожен модуль повинен пройти ретельне проектування, перевірку та тестування, а загальний процес розробки може тривати кілька років, що призводить до високих витрат. Однак, після масового виробництва, собівартість одиниці нижча завдяки високому рівню інтеграції.
SiP: Цикл досліджень і розробок для SiP коротший. Оскільки SiP безпосередньо використовує існуючі, перевірені функціональні мікросхеми для упаковки, це скорочує час, необхідний для редизайну модулів. Це дозволяє швидше запускати продукти та значно знижує витрати на дослідження та розробки.
Продуктивність та розмір системи:
SoC: Оскільки всі модулі розташовані на одному чіпі, затримки зв'язку, втрати енергії та перешкоди сигналу мінімізуються, що дає SoC безпрецедентну перевагу в продуктивності та енергоспоживанні. Його розмір мінімальний, що робить його особливо придатним для застосувань з високими вимогами до продуктивності та енергоспоживання, таких як смартфони та чіпи для обробки зображень.
SiP: Хоча рівень інтеграції SiP не такий високий, як у SoC, він все ще може компактно упаковувати різні чіпи разом за допомогою технології багатошарової упаковки, що призводить до меншого розміру порівняно з традиційними багаточіповими рішеннями. Більше того, оскільки модулі фізично упаковані, а не інтегровані на одному кремнієвому чіпі, хоча продуктивність може не відповідати продуктивності SoC, він все ще може задовольнити потреби більшості застосувань.
3. Сценарії застосування для SoC та SiP
Сценарії застосування для SoC:
SoC зазвичай підходить для галузей з 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 системами на кристалі, що включають центральний процесор, графічний процесор, блоки обробки штучного інтелекту, модулі зв'язку тощо, що вимагає як потужної продуктивності, так і низького енергоспоживання.
Обробка зображень: У цифрових камерах та 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 та носимі пристрої.
Сценарії застосування для SiP:
SiP має ширший спектр сценаріїв застосування, що підходить для галузей, що потребують швидкого розвитку та багатофункціональної інтеграції, таких як:
Комунікаційне обладнання: Для базових станцій, маршрутизаторів тощо SiP може інтегрувати кілька радіочастотних та цифрових сигнальних процесорів, що прискорює цикл розробки продукту.
Побутова електроніка: Для таких продуктів, як смарт-годинники та Bluetooth-гарнітури, які мають швидкі цикли оновлення, технологія SiP дозволяє швидше запускати нові продукти.
Автомобільна електроніка: Модулі керування та радіолокаційні системи в автомобільних системах можуть використовувати технологію SiP для швидкої інтеграції різних функціональних модулів.
4. Майбутні тенденції розвитку SoC та SiP
Тенденції розвитку SoC:
SoC продовжуватиме розвиватися в напрямку вищої та гетерогенної інтеграції, потенційно включаючи більшу інтеграцію процесорів штучного інтелекту, модулів зв'язку 5G та інших функцій, що сприятиме подальшій еволюції інтелектуальних пристроїв.
Тенденції розвитку SiP:
SiP дедалі більше покладатиметься на передові технології упаковки, такі як удосконалення 2.5D та 3D упаковки, для щільного поєднання мікросхем з різними процесами та функціями разом, щоб задовольнити швидкозмінні потреби ринку.
5. Висновок
SoC більше схожий на побудову багатофункціонального суперхмарочоса, зосереджуючи всі функціональні модулі в одній конструкції, що підходить для застосувань 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 швидкій розробці, особливо підходить для побутової електроніки, яка потребує швидких оновлень. 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.