SoC (System on Chip) aj SiP (System in Package) sú dôležitými míľnikmi vo vývoji moderných integrovaných obvodov, ktoré umožňujú miniaturizáciu, efektivitu 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 rovnakého fyzického čipu. Základnou myšlienkou SoC je integrovať všetky základné komponenty elektronického systému vrátane procesora (CPU), pamäte, komunikačných modulov, analógových obvodov, senzorových rozhraní a rôznych ďalších funkčných modulov do jedného čipu. Výhody SoC spočívajú vo vysokej úrovni integrácie a malých rozmeroch, ktoré poskytujú 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 „super budova“ v meste, kde sú všetky funkcie navrhnuté v rámci a rôzne funkčné moduly sú ako rôzne poschodia: niektoré sú kancelárske priestory (procesory), niektoré sú priestory pre zábavu (pamäť) a iné komunikačné siete (komunikačné rozhrania), všetky sústredené v tej istej budove (čip). To umožňuje, aby celý systém fungoval na jedinom kremíkovom čipe, čím sa dosiahla vyššia účinnosť a výkon.
SiP (System in Package) - Kombinácia rôznych žetónov
Prístup technológie SiP je odlišný. Je to skôr ako balenie viacerých čipov s rôznymi funkciami do rovnakého fyzického balenia. Zameriava sa na kombináciu viacerých funkčných čipov prostredníctvom technológie balenia, a nie na ich integráciu do jedného čipu, akým je SoC. SiP umožňuje, aby viaceré čipy (procesory, pamäť, RF čipy atď.) boli zabalené vedľa seba alebo naskladané do rovnakého modulu, čím sa vytvorí riešenie na systémovej úrovni.
Koncept SiP možno prirovnať k zostaveniu sady nástrojov. Sada nástrojov 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 „poskladať“ do systémového balíka, čo poskytuje flexibilitu a rýchlosť.
2. Technické vlastnosti a rozdiely medzi SoC a SiP
Rozdiely v metóde integrácie:
SoC: Rôzne funkčné moduly (ako CPU, pamäť, I/O atď.) sú priamo navrhnuté na tom istom kremíkovom čipe. Všetky moduly zdieľajú rovnaký základný proces a logiku návrhu a tvoria integrovaný systém.
SiP: Rôzne funkčné čipy môžu byť vyrobené pomocou rôznych procesov a potom kombinované do jedného baliaceho modulu pomocou 3D baliacej technológie, aby vytvorili fyzický systém.
Zložitosť a flexibilita dizajnu:
SoC: Keďže všetky moduly sú integrované na jednom čipe, zložitosť návrhu je veľmi vysoká, najmä pre spoločný návrh rôznych modulov, ako sú digitálne, analógové, RF a pamäť. To si vyžaduje, aby inžinieri mali rozsiahle možnosti návrhu viacerých domén. Navyše, ak sa vyskytne problém s dizajnom akéhokoľvek modulu v SoC, môže byť potrebné prepracovať celý čip, čo predstavuje značné riziká.
SiP: Naproti tomu SiP ponúka väčšiu flexibilitu dizajnu. Rôzne funkčné moduly môžu byť navrhnuté a overené samostatne pred zabalením do systému. Ak sa vyskytne problém s modulom, je potrebné vymeniť iba tento modul, pričom ostatné časti zostávajú nedotknuté. To tiež umožňuje vyššiu rýchlosť vývoja a nižšie riziká v porovnaní so SoC.
Kompatibilita procesov a výzvy:
SoC: Integrácia rôznych funkcií, ako sú digitálne, analógové a RF do jedného čipu, čelí významným 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 presnejšie riadenie napätia. Dosiahnutie kompatibility medzi týmito rôznymi procesmi na rovnakom čipe je mimoriadne ťažké.
SiP: Prostredníctvom technológie balenia môže SiP integrovať čipy vyrobené pomocou rôznych procesov, čím rieši problémy s kompatibilitou procesov, ktorým čelí technológia SoC. SiP umožňuje, aby viacero heterogénnych čipov spolupracovalo v rovnakom balení, ale požiadavky na presnosť technológie balenia sú vysoké.
Cyklus výskumu a vývoja a náklady:
SoC: Keďže SoC vyžaduje navrhnutie a overenie všetkých modulov od začiatku, návrhový cyklus je dlhší. Každý modul musí prejsť prísnym návrhom, overením a testovaním a celkový proces vývoja môže trvať niekoľko rokov, čo má za následok vysoké náklady. Keď sa však raz dostane do sériovej výroby, jednotkové náklady sú nižšie v dôsledku vysokej integrácie.
SiP: Cyklus výskumu a vývoja je v prípade SiP kratší. Pretože SiP priamo používa existujúce overené funkčné čipy na balenie, skracuje čas potrebný na redizajn modulu. 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, komunikačné oneskorenia, energetické straty a rušenie signálu sú minimalizované, čo dáva SoC bezkonkurenčnú výhodu vo výkone a spotrebe energie. Jeho veľkosť je minimálna, vďaka čomu je vhodný najmä pre aplikácie s vysokými nárokmi na výkon a napájanie, ako sú smartfóny a čipy na spracovanie obrazu.
SiP: Hoci úroveň integrácie SiP nie je taká vysoká ako úroveň SoC, stále dokáže kompaktne zabaliť rôzne čipy pomocou technológie viacvrstvového balenia, čo vedie k menšej veľkosti v porovnaní s tradičnými riešeniami s viacerými čipmi. Navyše, keďže moduly sú fyzicky zabalené a nie integrované na rovnakom kremíkovom čipe, zatiaľ čo výkon nemusí zodpovedať výkonu SoC, stále môže spĺňať potreby väčšiny aplikácií.
3. Aplikačné scenáre pre SoC a SiP
Aplikačné scenáre pre SoC:
SoC je zvyčajne vhodný pre polia s vysokými požiadavkami na veľkosť, spotrebu energie a výkon. Napríklad:
Smartfóny: Procesory v smartfónoch (ako sú čipy Apple série A alebo Qualcomm Snapdragon) sú zvyčajne vysoko integrované SoC, ktoré obsahujú CPU, GPU, procesorové jednotky AI, komunikačné moduly atď., ktoré vyžadujú vysoký výkon a nízku spotrebu energie.
Spracovanie obrazu: V digitálnych fotoaparátoch a dronoch jednotky na spracovanie obrazu často vyžadujú silné možnosti paralelného spracovania a nízku latenciu, čo môže 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 nositeľné zariadenia.
Aplikačné scenáre pre SiP:
SiP má širšiu škálu aplikačných scenárov vhodných pre oblasti, ktoré vyžadujú rýchly vývoj a multifunkčnú integráciu, ako napríklad:
Komunikačné vybavenie: Pre základňové stanice, smerovače atď. môže SiP integrovať viacero RF a digitálnych signálových procesorov, čím sa urýchľuje vývojový cyklus produktu.
Spotrebná elektronika: V prípade produktov, ako sú inteligentné hodinky a náhlavné súpravy Bluetooth, ktoré majú rýchle cykly aktualizácie, technológia SiP umožňuje rýchlejšie spustenie produktov s novými funkciami.
Automobilová elektronika: Riadiace moduly a radarové systémy v automobilových systémoch môžu využívať technológiu SiP na rýchlu integráciu rôznych funkčných modulov.
4. Budúce trendy vývoja SoC a SiP
Trendy vo vývoji SoC:
SoC sa bude naďalej vyvíjať smerom k vyššej integrácii a heterogénnej integrácii, čo môže potenciálne zahŕňať väčšiu integráciu procesorov AI, komunikačných modulov 5G a ďalších funkcií, čo poháňa ďalší vývoj inteligentných zariadení.
Trendy vo vývoji SiP:
SiP sa bude čoraz viac spoliehať na pokročilé baliace technológie, ako sú vylepšenia 2.5D a 3D balenia, aby pevne zabalil čipy s rôznymi procesmi a funkciami, aby uspokojil rýchlo sa meniace požiadavky trhu.
5. Záver
SoC je skôr ako budovanie multifunkčného super mrakodrapu, ktorý sústreďuje všetky funkčné moduly do jedného dizajnu, vhodného pre aplikácie s extrémne vysokými požiadavkami na výkon, veľkosť a spotrebu energie. Na druhej strane SiP je ako „zabaliť“ rôzne funkčné čipy do systému, pričom sa viac zameriava na flexibilitu a rýchly vývoj, vhodný najmä pre spotrebnú elektroniku, ktorá vyžaduje rýchle aktualizácie. Obe majú svoje silné stránky: SoC kladie dôraz na optimálny výkon systému a optimalizáciu veľkosti, zatiaľ čo SiP vyzdvihuje flexibilitu systému a optimalizáciu vývojového cyklu.
Čas odoslania: 28. októbra 2024