SoC (System on Chip) aj SiP (System in Package) sú dôležitými míľnikmi vo vývoji moderných integrovaných obvodov, ktoré umožňujú miniaturizáciu, efektívnosť a integráciu elektronických systémov.
1. Definície a základné pojmy SoC a SiP
SoC (System on Chip) – Integrácia celého systému do jedného čipu
SoC je ako mrakodrap, kde sú všetky funkčné moduly navrhnuté a integrované do toho istého fyzického čipu. Základnou myšlienkou SoC je integrovať všetky základné komponenty elektronického systému vrátane procesora (CPU), pamäte, komunikačných modulov, analógových obvodov, rozhraní senzorov a rôznych ďalších funkčných modulov do jedného čipu. Výhody SoC spočívajú vo vysokej úrovni integrácie a malej veľkosti, čo poskytuje významné výhody vo výkone, spotrebe energie a rozmeroch, vďaka čomu je obzvlášť vhodný pre vysokovýkonné produkty citlivé na energiu. Procesory v smartfónoch Apple sú príkladmi čipov SoC.
Pre ilustráciu, SoC je ako „superbudova“ v meste, kde sú všetky funkcie navrhnuté v rámci nej a rôzne funkčné moduly sú ako rôzne poschodia: niektoré sú kancelárske priestory (procesory), niektoré sú zábavné priestory (pamäte) a niektoré sú komunikačné siete (komunikačné rozhrania), všetky sú sústredené v tej istej budove (čipe). To umožňuje celému systému fungovať na jednom kremíkovom čipe, čím sa dosahuje vyššia účinnosť a výkon.
SiP (Systém v balení) - Kombinácia rôznych čipov
Prístup technológie SiP je odlišný. Je to skôr ako balenie viacerých čipov s rôznymi funkciami v rámci toho istého fyzického puzdra. Zameriava sa na kombinovanie viacerých funkčných čipov prostredníctvom technológie balenia, a nie na ich integráciu do jedného čipu ako SoC. SiP umožňuje balenie viacerých čipov (procesorov, pamäte, RF čipov atď.) vedľa seba alebo ich stohovanie v rámci toho istého modulu, čím sa vytvára riešenie na systémovej úrovni.
Koncept SiP možno prirovnať k zostavovaniu sady náradia. Sada náradia môže obsahovať rôzne nástroje, ako sú skrutkovače, kladivá a vŕtačky. Hoci ide o nezávislé nástroje, všetky sú zjednotené v jednej krabici pre pohodlné používanie. Výhodou tohto prístupu je, že každý nástroj je možné vyvíjať a vyrábať samostatne a podľa potreby ich možno „zostaviť“ do systémového balíka, čo poskytuje flexibilitu a rýchlosť.
2. Technické charakteristiky a rozdiely medzi SoC a SiP
Rozdiely v metódach integrácie:
SoC: Rôzne funkčné moduly (ako napríklad CPU, pamäť, I/O atď.) sú priamo navrhnuté na tom istom kremíkovom čipe. Všetky moduly zdieľajú rovnaký základný proces a logiku návrhu, čím tvoria integrovaný systém.
SiP: Rôzne funkčné čipy sa môžu vyrábať pomocou rôznych procesov a potom sa pomocou 3D baliacej technológie skombinovať do jedného baliaceho modulu, čím sa vytvorí fyzický systém.
Zložitosť a flexibilita dizajnu:
SoC: Keďže všetky moduly sú integrované na jednom čipe, zložitosť návrhu je veľmi vysoká, najmä pri kolaboratívnom návrhu rôznych modulov, ako sú digitálne, analógové, RF a pamäťové. To si vyžaduje, aby inžinieri mali rozsiahle schopnosti medzidoménového návrhu. Navyše, ak sa vyskytne problém s návrhom ktoréhokoľvek modulu v SoC, môže byť potrebné prepracovať celý čip, čo predstavuje značné riziko.
SiP: Naproti tomu SiP ponúka väčšiu flexibilitu návrhu. Rôzne funkčné moduly je možné navrhnúť a overiť samostatne pred ich zabalením do systému. Ak sa vyskytne problém s niektorým modulom, je potrebné vymeniť iba tento modul, pričom ostatné časti zostanú nedotknuté. To tiež umožňuje rýchlejšie vývojové rýchlosti a nižšie riziká v porovnaní so SoC.
Kompatibilita procesov a výzvy:
SoC: Integrácia rôznych funkcií, ako sú digitálne, analógové a RF, na jednom čipe čelí značným výzvam v oblasti kompatibility procesov. Rôzne funkčné moduly vyžadujú rôzne výrobné procesy; napríklad digitálne obvody potrebujú vysokorýchlostné procesy s nízkou spotrebou energie, zatiaľ čo analógové obvody môžu vyžadovať presnejšiu reguláciu napätia. Dosiahnutie kompatibility medzi týmito rôznymi procesmi na tom istom čipe je mimoriadne náročné.
SiP: Vďaka technológii balenia dokáže SiP integrovať čipy vyrobené s použitím rôznych procesov, čím rieši problémy s kompatibilitou procesov, ktorým čelí technológia SoC. SiP umožňuje spoluprácu viacerých heterogénnych čipov v jednom balení, ale požiadavky na presnosť technológie balenia sú vysoké.
Cyklus výskumu a vývoja a náklady:
SoC: Keďže SoC vyžaduje navrhovanie a overovanie všetkých modulov od nuly, cyklus návrhu je dlhší. Každý modul musí prejsť dôkladným návrhom, overovaním a testovaním a celkový proces vývoja môže trvať niekoľko rokov, čo vedie k vysokým nákladom. Po hromadnej výrobe sú však jednotkové náklady nižšie vďaka vysokej integrácii.
SiP: Cyklus výskumu a vývoja je pri SiP kratší. Keďže SiP priamo využíva existujúce, overené funkčné čipy na balenie, skracuje čas potrebný na redizajn modulov. To umožňuje rýchlejšie uvedenie produktov na trh a výrazne znižuje náklady na výskum a vývoj.
Výkon a veľkosť systému:
SoC: Keďže všetky moduly sú na rovnakom čipe, minimalizujú sa komunikačné oneskorenia, straty energie a rušenie signálu, čo poskytuje SoC bezkonkurenčnú výhodu vo výkone a spotrebe energie. Jeho veľkosť je minimálna, vďaka čomu je obzvlášť vhodný pre aplikácie s vysokými požiadavkami na výkon a energiu, ako sú smartfóny a čipy na spracovanie obrazu.
SiP: Hoci úroveň integrácie SiP nie je taká vysoká ako v prípade SoC, stále dokáže kompaktne zabaliť rôzne čipy pomocou viacvrstvovej technológie balenia, čo vedie k menšej veľkosti v porovnaní s tradičnými viacčipovými riešeniami. Navyše, keďže moduly sú fyzicky zabalené a nie integrované na tom istom kremíkovom čipe, hoci výkon nemusí zodpovedať SoC, stále dokáže splniť potreby väčšiny aplikácií.
3. Aplikačné scenáre pre SoC a SiP
Aplikačné scenáre pre SoC:
SoC je typicky vhodný pre oblasti s vysokými požiadavkami na veľkosť, spotrebu energie a výkon. Napríklad:
Smartfóny: Procesory v smartfónoch (ako napríklad čipy série A od spoločnosti Apple alebo Snapdragon od spoločnosti Qualcomm) sú zvyčajne vysoko integrované SoC, ktoré zahŕňajú CPU, GPU, procesory umelej inteligencie, komunikačné moduly atď., čo vyžaduje vysoký výkon aj nízku spotrebu energie.
Spracovanie obrazu: V digitálnych fotoaparátoch a dronoch jednotky na spracovanie obrazu často vyžadujú silné možnosti paralelného spracovania a nízku latenciu, čo dokáže SoC efektívne dosiahnuť.
Vysokovýkonné vstavané systémy: SoC je obzvlášť vhodný pre malé zariadenia s prísnymi požiadavkami na energetickú účinnosť, ako sú zariadenia internetu vecí a nositeľná elektronika.
Aplikačné scenáre pre SiP:
SiP má širšiu škálu aplikačných scenárov, vhodných pre oblasti, ktoré vyžadujú rýchly vývoj a multifunkčnú integráciu, ako napríklad:
Komunikačné zariadenia: Pre základňové stanice, smerovače atď. môže SiP integrovať viacero RF a digitálnych signálových procesorov, čím sa urýchli cyklus vývoja produktu.
Spotrebná elektronika: V prípade produktov, ako sú inteligentné hodinky a Bluetooth headsety, ktoré majú rýchle cykly aktualizácií, umožňuje technológia SiP rýchlejšie uvedenie nových produktov na trh.
Automobilová elektronika: Riadiace moduly a radarové systémy v automobilových systémoch môžu využívať technológiu SiP na rýchlu integráciu rôznych funkčných modulov.
4. Trendy budúceho vývoja SoC a SiP
Trendy vo vývoji SoC:
SoC sa bude naďalej vyvíjať smerom k vyššej a heterogénnej integrácii, čo môže zahŕňať väčšiu integráciu procesorov umelej inteligencie, komunikačných modulov 5G a ďalších funkcií, čo bude viesť k ďalšiemu vývoju inteligentných zariadení.
Trendy vo vývoji SiP:
SiP sa bude čoraz viac spoliehať na pokročilé technológie balenia, ako sú napríklad pokroky v 2,5D a 3D balení, aby tesne zabalil čipy s rôznymi procesmi a funkciami a splnil tak rýchlo sa meniace požiadavky trhu.
5. Záver
SoC je skôr ako stavba multifunkčného super mrakodrapu, sústreďujúci všetky funkčné moduly v jednom dizajne, vhodnom pre aplikácie s extrémne vysokými požiadavkami na výkon, veľkosť a spotrebu energie. SiP je na druhej strane ako „zabalenie“ rôznych funkčných čipov do systému, ktorý sa viac zameriava na flexibilitu a rýchly vývoj, obzvlášť vhodný pre spotrebnú elektroniku, ktorá vyžaduje rýchle aktualizácie. Oba majú svoje silné stránky: SoC kladie dôraz na optimálny výkon systému a optimalizáciu veľkosti, zatiaľ čo SiP zdôrazňuje flexibilitu systému a optimalizáciu vývojového cyklu.
Čas uverejnenia: 28. októbra 2024