SoC (System on Chip) i SiP (System in Package) jsou důležitými milníky ve vývoji moderních integrovaných obvodů, které umožňují miniaturizaci, efektivitu a integraci elektronických systémů.
1. Definice a základní pojmy SoC a SiP
SoC (System on Chip) – Integrace celého systému do jednoho čipu
SoC je jako mrakodrap, kde jsou všechny funkční moduly navrženy a integrovány do stejného fyzického čipu. Základní myšlenkou SoC je integrovat všechny klíčové komponenty elektronického systému, včetně procesoru (CPU), paměti, komunikačních modulů, analogových obvodů, rozhraní senzorů a různých dalších funkčních modulů, do jednoho čipu. Výhody SoC spočívají ve vysoké úrovni integrace a malých rozměrech, což poskytuje značné výhody ve výkonu, spotřebě energie a rozměrech, díky čemuž je obzvláště vhodný pro vysoce výkonné produkty citlivé na energii. Procesory v chytrých telefonech Apple jsou příklady čipů SoC.
Pro ilustraci je SoC jako „superbudova“ ve městě, kde jsou všechny funkce navrženy uvnitř a různé funkční moduly jsou jako různá podlaží: některé jsou kancelářské prostory (procesory), některé jsou zábavní oblasti (paměti) a některé jsou komunikační sítě (komunikační rozhraní), to vše soustředěno ve stejné budově (čipu). To umožňuje celému systému fungovat na jednom křemíkovém čipu, čímž se dosahuje vyšší efektivity a výkonu.
SiP (Systém v pouzdře) - Kombinace různých čipů dohromady
Přístup technologie SiP je odlišný. Je to spíše jako zabalení více čipů s různými funkcemi do stejného fyzického pouzdra. Zaměřuje se na kombinování více funkčních čipů pomocí technologie balení, spíše než na jejich integraci do jednoho čipu, jako je tomu u SoC. SiP umožňuje zabalit více čipů (procesorů, pamětí, RF čipů atd.) vedle sebe nebo je naskládat do stejného modulu, čímž vzniká řešení na systémové úrovni.
Koncept SiP lze přirovnat k sestavování bedny na nářadí. Bedna na nářadí může obsahovat různé nástroje, jako jsou šroubováky, kladiva a vrtačky. Přestože se jedná o nezávislé nástroje, jsou všechny sjednoceny v jedné krabici pro pohodlné používání. Výhodou tohoto přístupu je, že každý nástroj lze vyvíjet a vyrábět samostatně a podle potřeby je lze „sestavit“ do systémového balíčku, což poskytuje flexibilitu a rychlost.
2. Technické vlastnosti a rozdíly mezi SoC a SiP
Rozdíly v metodách integrace:
SoC: Různé funkční moduly (jako CPU, paměť, I/O atd.) jsou přímo navrženy na stejném křemíkovém čipu. Všechny moduly sdílejí stejný základní proces a logiku návrhu a tvoří tak integrovaný systém.
SiP: Různé funkční čipy mohou být vyrobeny pomocí různých procesů a poté sloučeny v jednom modulu balení pomocí 3D technologie balení za účelem vytvoření fyzického systému.
Složitost a flexibilita návrhu:
SoC: Vzhledem k tomu, že všechny moduly jsou integrovány na jednom čipu, je složitost návrhu velmi vysoká, zejména při společném návrhu různých modulů, jako jsou digitální, analogové, RF a paměťové. To vyžaduje, aby inženýři měli rozsáhlé schopnosti návrhu napříč doménami. Navíc, pokud se u kteréhokoli modulu v SoC vyskytne problém s návrhem, může být nutné přepracovat celý čip, což představuje značná rizika.
SiP: Naproti tomu SiP nabízí větší flexibilitu návrhu. Různé funkční moduly lze navrhnout a ověřovat samostatně před jejich zabalením do systému. Pokud se s jedním modulem vyskytne problém, je třeba vyměnit pouze tento modul, ostatní součásti zůstanou nedotčeny. To také umožňuje rychlejší vývoj a nižší rizika ve srovnání s SoC.
Kompatibilita procesů a výzvy:
SoC: Integrace různých funkcí, jako jsou digitální, analogové a RF, na jeden čip čelí značným výzvám v oblasti kompatibility procesů. Různé funkční moduly vyžadují různé výrobní procesy; například digitální obvody potřebují vysokorychlostní procesy s nízkou spotřebou energie, zatímco analogové obvody mohou vyžadovat přesnější regulaci napětí. Dosažení kompatibility mezi těmito různými procesy na stejném čipu je extrémně obtížné.
SiP: Díky technologii balení může SiP integrovat čipy vyrobené s využitím různých procesů, čímž řeší problémy s kompatibilitou procesů, kterým čelí technologie SoC. SiP umožňuje spolupráci více heterogenních čipů ve stejném pouzdře, ale požadavky na přesnost technologie balení jsou vysoké.
Cyklus výzkumu a vývoje a náklady:
SoC: Protože SoC vyžaduje návrh a ověřování všech modulů od nuly, je návrhový cyklus delší. Každý modul musí projít důkladným návrhem, ověřováním a testováním a celkový proces vývoje může trvat několik let, což má za následek vysoké náklady. Jakmile je však v hromadné výrobě, jednotkové náklady jsou díky vysoké integraci nižší.
SiP: Cyklus výzkumu a vývoje je u SiP kratší. Protože SiP přímo využívá stávající, ověřené funkční čipy pro pouzdra, zkracuje se doba potřebná k redesignu modulů. To umožňuje rychlejší uvedení produktů na trh a výrazně snižuje náklady na výzkum a vývoj.
Výkon a velikost systému:
SoC: Protože jsou všechny moduly na stejném čipu, minimalizují se komunikační zpoždění, energetické ztráty a rušení signálu, což dává SoC bezkonkurenční výhodu ve výkonu a spotřebě energie. Jeho velikost je minimální, takže je obzvláště vhodný pro aplikace s vysokými požadavky na výkon a energii, jako jsou chytré telefony a čipy pro zpracování obrazu.
SiP: Ačkoli úroveň integrace SiP není tak vysoká jako u SoC, stále dokáže kompaktně zabalit různé čipy dohromady pomocí technologie vícevrstvého balení, což má za následek menší velikost ve srovnání s tradičními vícečipovými řešeními. Navíc, protože moduly jsou fyzicky zabaleny, a nikoli integrovány na stejném křemíkovém čipu, i když výkon nemusí odpovídat SoC, stále dokáže uspokojit potřeby většiny aplikací.
3. Aplikační scénáře pro SoC a SiP
Aplikační scénáře pro SoC:
SoC je typicky vhodný pro oblasti s vysokými požadavky na velikost, spotřebu energie a výkon. Například:
Chytré telefony: Procesory v chytrých telefonech (jako jsou čipy řady A od společnosti Apple nebo Snapdragon od společnosti Qualcomm) jsou obvykle vysoce integrované SoC, které zahrnují CPU, GPU, procesory umělé inteligence, komunikační moduly atd., což vyžaduje jak vysoký výkon, tak nízkou spotřebu energie.
Zpracování obrazu: V digitálních fotoaparátech a dronech vyžadují jednotky pro zpracování obrazu často silné paralelní zpracování a nízkou latenci, čehož SoC dokáže efektivně dosáhnout.
Vysoce výkonné vestavěné systémy: SoC je vhodný zejména pro malá zařízení s přísnými požadavky na energetickou účinnost, jako jsou zařízení internetu věcí a nositelná elektronika.
Aplikační scénáře pro SiP:
SiP má širší škálu aplikačních scénářů, vhodných pro oblasti, které vyžadují rychlý vývoj a multifunkční integraci, jako například:
Komunikační zařízení: Pro základnové stanice, routery atd. může SiP integrovat více RF a digitálních signálových procesorů, což urychluje cyklus vývoje produktu.
Spotřební elektronika: U produktů, jako jsou chytré hodinky a Bluetooth headsety, které mají rychlé cykly aktualizací, umožňuje technologie SiP rychlejší uvedení nových produktů na trh.
Automobilová elektronika: Řídicí moduly a radarové systémy v automobilových systémech mohou využívat technologii SiP k rychlé integraci různých funkčních modulů.
4. Trendy budoucího vývoje SoC a SiP
Trendy ve vývoji SoC:
SoC se bude i nadále vyvíjet směrem k vyšší a heterogenní integraci, což potenciálně zahrnuje větší integraci procesorů umělé inteligence, komunikačních modulů 5G a dalších funkcí, což povede k dalšímu vývoji inteligentních zařízení.
Trendy ve vývoji SiP:
SiP se bude stále více spoléhat na pokročilé technologie balení, jako jsou pokroky v 2,5D a 3D balení, aby mohl těsně propojit čipy s různými procesy a funkcemi a splnit tak rychle se měnící požadavky trhu.
5. Závěr
SoC je spíše jako stavba multifunkčního super mrakodrapu, soustředění všech funkčních modulů do jednoho designu, vhodného pro aplikace s extrémně vysokými požadavky na výkon, velikost a spotřebu energie. SiP je na druhou stranu jako „zabalení“ různých funkčních čipů do systému, zaměřený spíše na flexibilitu a rychlý vývoj, vhodný zejména pro spotřební elektroniku, která vyžaduje rychlé aktualizace. Oba mají své silné stránky: SoC klade důraz na optimální výkon systému a optimalizaci velikosti, zatímco SiP zdůrazňuje flexibilitu systému a optimalizaci vývojového cyklu.
Čas zveřejnění: 28. října 2024