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 jediného čipu
SoC je jako mrakodrap, kde jsou všechny funkční moduly navrženy a integrovány do stejného fyzického čipu. Základní myšlenkou SoC je integrovat všechny základní komponenty elektronického systému, včetně procesoru (CPU), paměti, komunikačních modulů, analogových obvodů, senzorových rozhraní a různých dalších funkčních modulů do jediného čipu. Výhody SoC spočívají v jeho vysoké úrovni integrace a malé velikosti, poskytující významné výhody ve výkonu, spotřebě energie a rozměrech, díky čemuž je zvláště vhodný pro vysoce výkonné produkty citlivé na spotřebu energie. Procesory v chytrých telefonech Apple jsou příklady čipů SoC.
Pro ilustraci, SoC je jako "super budova" ve městě, kde jsou všechny funkce navrženy uvnitř a různé funkční moduly jsou jako různá podlaží: některé jsou kancelářské prostory (procesory), některé jsou prostory pro zábavu (paměť) a některé jsou komunikační sítě (komunikační rozhraní), všechny soustředěné ve stejné budově (čipu). To umožňuje, aby celý systém fungoval na jediném křemíkovém čipu a dosáhl tak vyšší účinnosti a výkonu.
SiP (System in Package) - Kombinace různých žetonů dohromady
Přístup technologie SiP je odlišný. Je to spíše jako balení více čipů s různými funkcemi do stejného fyzického balíčku. Zaměřuje se na kombinování více funkčních čipů prostřednictvím technologie balení spíše než na jejich integraci do jediného čipu, jako je SoC. SiP umožňuje více čipů (procesory, paměti, RF čipy atd.) zabalit vedle sebe nebo naskládat do stejného modulu a vytvořit tak řešení na systémové úrovni.
Koncept SiP lze přirovnat k sestavení sady nástrojů. Sada nástrojů může obsahovat různé nástroje, jako jsou šroubováky, kladiva a vrtačky. Přestože se jedná o nezávislé nástroje, všechny jsou sjednoceny v jedné krabici pro pohodlné použití. Výhodou tohoto přístupu je, že každý nástroj lze vyvíjet a vyrábět samostatně a podle potřeby je lze „sestavit“ do systémového balíku, což poskytuje flexibilitu a rychlost.
2. Technické vlastnosti a rozdíly mezi SoC a SiP
Rozdíly v metodě 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 integrovaný systém.
SiP: Různé funkční čipy mohou být vyrobeny pomocí různých procesů a poté zkombinovány v jediném balicím modulu pomocí 3D balicí technologie do fyzického systému.
Složitost a flexibilita designu:
SoC: Vzhledem k tomu, že všechny moduly jsou integrovány na jediném čipu, je složitost návrhu velmi vysoká, zejména pro společný návrh různých modulů, jako jsou digitální, analogové, RF a paměti. To vyžaduje, aby inženýři měli hluboké možnosti návrhu napříč doménami. Navíc, pokud se vyskytne problém s návrhem jakéhokoli modulu v SoC, může být nutné předělat celý čip, což představuje značné riziko.
SiP: Naproti tomu SiP nabízí větší flexibilitu designu. Různé funkční moduly mohou být navrženy a ověřeny samostatně před zabalením do systému. Vyskytne-li se problém s modulem, je třeba vyměnit pouze tento modul, přičemž ostatní části zůstanou nedotčeny. To také umožňuje rychlejší vývoj a nižší rizika ve srovnání se SoC.
Kompatibilita procesů a výzvy:
SoC: Integrace různých funkcí, jako jsou digitální, analogové a RF do jediného čipu, čelí významným výzvám v oblasti kompatibility procesů. Různé funkční moduly vyžadují různé výrobní procesy; například digitální obvody potřebují vysokorychlostní procesy s nízkou spotřebou, zatímco analogové obvody mohou vyžadovat přesnější řízení napětí. Dosažení kompatibility mezi těmito různými procesy na stejném čipu je extrémně obtížné.
SiP: Prostřednictvím technologie balení může SiP integrovat čipy vyrobené pomocí různých procesů a řešit tak problémy s kompatibilitou procesů, kterým technologie SoC čelí. SiP umožňuje spolupráci více heterogenních čipů ve stejném balení, ale požadavky na přesnost balicí technologie jsou vysoké.
Cyklus výzkumu a vývoje a náklady:
SoC: Vzhledem k tomu, že SoC vyžaduje navržení a ověření všech modulů od začátku, návrhový cyklus je delší. Každý modul musí projít přísným návrhem, ověřením a testováním a celkový proces vývoje může trvat několik let, což má za následek vysoké náklady. Jakmile však dojde k hromadné výrobě, jednotkové náklady jsou nižší kvůli vysoké integraci.
SiP: Cyklus výzkumu a vývoje je u SiP kratší. Protože SiP přímo využívá stávající ověřené funkční čipy pro balení, zkracuje dobu potřebnou k přepracování modulu. To umožňuje rychlejší uvedení produktu na trh a výrazně snižuje náklady na výzkum a vývoj.
Výkon a velikost systému:
SoC: Protože jsou všechny moduly na stejném čipu, komunikační zpoždění, energetické ztráty a rušení signálu jsou minimalizovány, což dává SoC bezkonkurenční výhodu ve výkonu a spotřebě energie. Jeho velikost je minimální, takže je vhodný zejména pro aplikace s vysokými požadavky na výkon a napájení, jako jsou chytré telefony a čipy pro zpracování obrazu.
SiP: Přestože 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, nikoli integrovány na stejném křemíkovém čipu, i když výkon nemusí odpovídat výkonu SoC, může stále splňovat potřeby většiny aplikací.
3. Aplikační scénáře pro SoC a SiP
Aplikační scénáře pro SoC:
SoC je typicky vhodný pro pole s vysokými požadavky na velikost, spotřebu energie a výkon. Například:
Smartphony: Procesory ve smartphonech (jako jsou čipy Apple řady A nebo Qualcomm Snapdragon) jsou obvykle vysoce integrované SoC, které obsahují CPU, GPU, procesorové jednotky AI, komunikační moduly atd., které vyžadují vysoký výkon a nízkou spotřebu energie.
Zpracování obrazu: V digitálních fotoaparátech a dronech jednotky pro zpracování obrazu často vyžadují silné možnosti paralelního zpracování a nízkou latenci, kterých může SoC efektivně dosáhnout.
Vysoce výkonné vestavěné systémy: SoC je zvláště vhodný pro malá zařízení s přísnými požadavky na energetickou účinnost, jako jsou zařízení IoT a nositelná zařízení.
Aplikační scénáře pro SiP:
SiP má širší škálu aplikačních scénářů vhodných pro oblasti, které vyžadují rychlý vývoj a multifunkční integraci, jako jsou:
Komunikační vybavení: 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 náhlavní soupravy Bluetooth, které mají rychlé cykly upgradu, 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. Budoucí vývojové trendy SoC a SiP
Trendy ve vývoji SoC:
SoC se bude nadále vyvíjet směrem k vyšší integraci a heterogenní integraci, která může zahrnovat větší integraci procesorů AI, komunikačních modulů 5G a dalších funkcí, což povede k dalšímu vývoji inteligentních zařízení.
Trendy ve vývoji SiP:
SiP bude stále více spoléhat na pokročilé balicí technologie, jako jsou 2,5D a 3D vylepšení balení, aby těsně zabalil čipy s různými procesy a funkcemi dohromady, aby splnil rychle se měnící požadavky trhu.
5. Závěr
SoC je spíše jako stavba multifunkčního super mrakodrapu, který koncentruje všechny funkční moduly do jednoho designu, vhodného pro aplikace s extrémně vysokými požadavky na výkon, velikost a spotřebu energie. Na druhé straně SiP je jako „zabalit“ různé funkční čipy do systému, přičemž se více zaměřuje na flexibilitu a rychlý vývoj, zvláště vhodný 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 odeslání: 28. října 2024