Gan SoC (System on Chip), gan SiP (System in Package) ir svarīgi pavērsieni mūsdienu integrēto shēmu izstrādē, kas ļauj miniaturizēt, efektīvi un integrēt elektroniskās sistēmas.
1. SoC un SiP definīcijas un pamatjēdzieni
SoC (System on Chip) – visas sistēmas integrēšana vienā mikroshēmā
SoC ir kā debesskrāpis, kur visi funkcionālie moduļi ir izstrādāti un integrēti vienā fiziskajā mikroshēmā. SoC galvenā ideja ir integrēt visas elektroniskās sistēmas galvenās sastāvdaļas, tostarp procesoru (CPU), atmiņu, sakaru moduļus, analogās shēmas, sensoru saskarnes un dažādus citus funkcionālos moduļus, vienā mikroshēmā. SoC priekšrocības slēpjas tā augstajā integrācijas līmenī un mazajā izmērā, nodrošinot ievērojamas priekšrocības veiktspējā, enerģijas patēriņā un izmēros, padarot to īpaši piemērotu augstas veiktspējas, enerģijas jutīgiem produktiem. Apple viedtālruņu procesori ir SoC mikroshēmu piemēri.
Lai ilustrētu, SoC ir kā "superēka" pilsētā, kur visas funkcijas ir paredzētas iekšienē, un dažādi funkcionālie moduļi ir kā dažādi stāvi: daži ir biroja zonas (procesori), daži ir izklaides zonas (atmiņa), bet daži ir sakaru tīkli (komunikāciju saskarnes), visi koncentrēti vienā ēkā (mikroshēmā). Tas ļauj visai sistēmai darboties ar vienu silīcija mikroshēmu, panākot augstāku efektivitāti un veiktspēju.
SiP (System in Package) - dažādu mikroshēmu apvienošana kopā
SiP tehnoloģijas pieeja ir atšķirīga. Tas vairāk atgādina vairāku mikroshēmu iesaiņošanu ar dažādām funkcijām vienā fiziskajā iepakojumā. Tas koncentrējas uz vairāku funkcionālu mikroshēmu apvienošanu, izmantojot iepakošanas tehnoloģiju, nevis integrējot tās vienā mikroshēmā, piemēram, SoC. SiP ļauj vairākas mikroshēmas (procesorus, atmiņu, RF mikroshēmas utt.) iesaiņot blakus vai salikt vienā modulī, veidojot sistēmas līmeņa risinājumu.
SiP jēdzienu var pielīdzināt instrumentu kastes montāžai. Instrumentu kastē var būt dažādi instrumenti, piemēram, skrūvgrieži, āmuri un urbji. Lai gan tie ir neatkarīgi rīki, tie visi ir apvienoti vienā kastē ērtai lietošanai. Šīs pieejas ieguvums ir tāds, ka katru rīku var izstrādāt un ražot atsevišķi, un tos pēc vajadzības var "salikt" sistēmas paketē, nodrošinot elastību un ātrumu.
2. Tehniskie raksturlielumi un atšķirības starp SoC un SiP
Integrācijas metožu atšķirības:
SoC: dažādi funkcionālie moduļi (piemēram, CPU, atmiņa, I/O utt.) ir tieši izstrādāti vienā un tajā pašā silīcija mikroshēmā. Visiem moduļiem ir viens un tas pats pamatā esošais process un dizaina loģika, veidojot integrētu sistēmu.
SiP: dažādas funkcionālās mikroshēmas var ražot, izmantojot dažādus procesus, un pēc tam apvienot vienā iepakojuma modulī, izmantojot 3D iepakošanas tehnoloģiju, lai izveidotu fizisku sistēmu.
Dizaina sarežģītība un elastība:
SoC: tā kā visi moduļi ir integrēti vienā mikroshēmā, dizaina sarežģītība ir ļoti augsta, jo īpaši attiecībā uz dažādu moduļu, piemēram, digitālo, analogo, RF un atmiņas, kopīgu dizainu. Šim nolūkam inženieriem ir jābūt dziļām starpdomēnu projektēšanas iespējām. Turklāt, ja ar kādu SoC moduli rodas dizaina problēma, var būt nepieciešams pārveidot visu mikroshēmu, kas rada ievērojamus riskus.
SiP: Turpretim SiP piedāvā lielāku dizaina elastību. Pirms iepakošanas sistēmā dažādus funkcionālos moduļus var izstrādāt un pārbaudīt atsevišķi. Ja rodas problēma ar moduli, ir jānomaina tikai šis modulis, atstājot pārējās daļas neskartas. Tas arī nodrošina ātrāku izstrādes ātrumu un mazāku risku salīdzinājumā ar SoC.
Procesa saderība un izaicinājumi:
SoC: dažādu funkciju, piemēram, digitālo, analogo un RF, integrēšana vienā mikroshēmā saskaras ar ievērojamām procesa saderības problēmām. Dažādiem funkcionālajiem moduļiem ir nepieciešami dažādi ražošanas procesi; piemēram, digitālajām shēmām ir nepieciešami ātrdarbīgi, mazjaudas procesi, savukārt analogajām shēmām var būt nepieciešama precīzāka sprieguma kontrole. Ir ārkārtīgi grūti panākt šo dažādo procesu saderību vienā mikroshēmā.
SiP: izmantojot iepakošanas tehnoloģiju, SiP var integrēt mikroshēmas, kas ražotas, izmantojot dažādus procesus, atrisinot procesu saderības problēmas, ar kurām saskaras SoC tehnoloģija. SiP ļauj vairākām neviendabīgām mikroshēmām strādāt kopā vienā iepakojumā, taču iepakošanas tehnoloģijas precizitātes prasības ir augstas.
Pētniecības un attīstības cikls un izmaksas:
SoC: tā kā SoC ir jāprojektē un jāpārbauda visi moduļi no jauna, projektēšanas cikls ir garāks. Katram modulim ir jāveic stingra projektēšana, pārbaude un testēšana, un kopējais izstrādes process var ilgt vairākus gadus, kā rezultātā rodas lielas izmaksas. Tomēr, nonākot masveida ražošanā, vienības izmaksas ir zemākas augstās integrācijas dēļ.
SiP: SiP pētniecības un attīstības cikls ir īsāks. Tā kā SiP iesaiņošanai tieši izmanto esošās, pārbaudītas funkcionālās mikroshēmas, tas samazina moduļa pārprojektēšanai nepieciešamo laiku. Tas nodrošina ātrāku produktu izlaišanu un ievērojami samazina pētniecības un attīstības izmaksas.
Sistēmas veiktspēja un izmērs:
SoC: tā kā visi moduļi atrodas vienā mikroshēmā, sakaru aizkave, enerģijas zudumi un signāla traucējumi tiek samazināti līdz minimumam, sniedzot SoC nepārspējamas priekšrocības veiktspējas un enerģijas patēriņa ziņā. Tā izmērs ir minimāls, tādēļ tas ir īpaši piemērots lietojumprogrammām ar augstu veiktspējas un jaudas prasībām, piemēram, viedtālruņiem un attēlu apstrādes mikroshēmām.
SiP: lai gan SiP integrācijas līmenis nav tik augsts kā SoC, tas joprojām var kompakti iesaiņot dažādas mikroshēmas kopā, izmantojot daudzslāņu iepakošanas tehnoloģiju, kā rezultātā tā izmērs ir mazāks salīdzinājumā ar tradicionālajiem vairāku mikroshēmu risinājumiem. Turklāt, tā kā moduļi ir fiziski iepakoti, nevis integrēti tajā pašā silīcija mikroshēmā, lai gan veiktspēja var neatbilst SoC veiktspējai, tā joprojām var apmierināt vairuma lietojumprogrammu vajadzības.
3. SoC un SiP pielietojuma scenāriji
SoC lietojumprogrammu scenāriji:
SoC parasti ir piemērots laukiem ar augstām prasībām attiecībā uz izmēru, enerģijas patēriņu un veiktspēju. Piemēram:
Viedtālruņi: viedtālruņu procesori (piemēram, Apple A sērijas mikroshēmas vai Qualcomm Snapdragon) parasti ir ļoti integrēti SoC, kas ietver CPU, GPU, AI apstrādes vienības, sakaru moduļus utt., kam nepieciešama gan jaudīga veiktspēja, gan zems enerģijas patēriņš.
Attēlu apstrāde: digitālajās kamerās un dronos attēlu apstrādes vienībām bieži ir nepieciešamas spēcīgas paralēlās apstrādes iespējas un zems latentums, ko SoC var efektīvi sasniegt.
Augstas veiktspējas iegultās sistēmas: SoC ir īpaši piemērots mazām ierīcēm ar stingrām energoefektivitātes prasībām, piemēram, IoT ierīcēm un valkājamām ierīcēm.
SiP lietojumprogrammu scenāriji:
SiP ir plašāks pielietojuma scenāriju klāsts, kas piemērots jomām, kurās nepieciešama strauja attīstība un daudzfunkcionāla integrācija, piemēram:
Sakaru aprīkojums: bāzes stacijām, maršrutētājiem utt. SiP var integrēt vairākus RF un digitālo signālu procesorus, paātrinot produkta izstrādes ciklu.
Sadzīves elektronika: tādiem produktiem kā viedpulksteņi un Bluetooth austiņas, kuriem ir ātri jaunināšanas cikli, SiP tehnoloģija ļauj ātrāk palaist jaunus produktus.
Automobiļu elektronika: Automobiļu sistēmu vadības moduļi un radaru sistēmas var izmantot SiP tehnoloģiju, lai ātri integrētu dažādus funkcionālos moduļus.
4. SoC un SiP nākotnes attīstības tendences
SoC attīstības tendences:
SoC turpinās attīstīties uz augstāku integrāciju un neviendabīgu integrāciju, kas, iespējams, vairāk integrēs AI procesorus, 5G sakaru moduļus un citas funkcijas, veicinot viedo ierīču tālāku attīstību.
SiP attīstības tendences:
SiP arvien vairāk paļausies uz progresīvām iepakošanas tehnoloģijām, piemēram, 2,5D un 3D iepakošanas sasniegumiem, lai cieši iesaiņotu mikroshēmas ar dažādiem procesiem un funkcijām, lai apmierinātu strauji mainīgās tirgus prasības.
5. Secinājums
SoC vairāk atgādina daudzfunkcionāla superdebesskrāpja izveidi, koncentrējot visus funkcionālos moduļus vienā dizainā, kas ir piemērots lietojumiem ar ārkārtīgi augstām veiktspējas, izmēra un enerģijas patēriņa prasībām. No otras puses, SiP ir kā dažādu funkcionālu mikroshēmu "iepakošana" sistēmā, vairāk koncentrējoties uz elastību un strauju attīstību, īpaši piemērota plaša patēriņa elektronikai, kurai nepieciešami ātri atjauninājumi. Abiem ir savas stiprās puses: SoC uzsver optimālu sistēmas veiktspēju un izmēra optimizāciju, savukārt SiP izceļ sistēmas elastību un izstrādes cikla optimizāciju.
Izsūtīšanas laiks: 2024. gada 28. oktobris