Tant el SoC (System on Chip) com el SiP (System in Package) són fites importants en el desenvolupament dels circuits integrats moderns, que permeten la miniaturització, l'eficiència i la integració dels sistemes electrònics.
1. Definicions i conceptes bàsics de SoC i SiP
SoC (System on Chip): integració de tot el sistema en un sol xip
Un SoC és com un gratacel, on tots els mòduls funcionals estan dissenyats i integrats en el mateix xip físic. La idea central del SoC és integrar tots els components bàsics d'un sistema electrònic, incloent-hi el processador (CPU), la memòria, els mòduls de comunicació, els circuits analògics, les interfícies de sensors i diversos altres mòduls funcionals, en un sol xip. Els avantatges del SoC resideixen en el seu alt nivell d'integració i la seva petita mida, proporcionant beneficis significatius en rendiment, consum d'energia i dimensions, cosa que el fa especialment adequat per a productes d'alt rendiment i sensibles a l'energia. Els processadors dels telèfons intel·ligents d'Apple són exemples de xips SoC.
Per il·lustrar-ho, un SoC és com un "superedifici" en una ciutat, on totes les funcions estan dissenyades a l'interior i diversos mòduls funcionals són com diferents plantes: algunes són zones d'oficina (processadors), altres són zones d'entreteniment (memòria) i altres són xarxes de comunicació (interfícies de comunicació), totes concentrades al mateix edifici (xip). Això permet que tot el sistema funcioni en un sol xip de silici, aconseguint una major eficiència i rendiment.
SiP (Sistema en Paquet) - Combinació de diferents xips junts
L'enfocament de la tecnologia SiP és diferent. És més com empaquetar múltiples xips amb diferents funcions dins del mateix paquet físic. Se centra en combinar múltiples xips funcionals mitjançant la tecnologia d'empaquetament en lloc d'integrar-los en un sol xip com el SoC. SiP permet empaquetar múltiples xips (processadors, memòria, xips RF, etc.) un al costat de l'altre o apilar-los dins del mateix mòdul, formant una solució a nivell de sistema.
El concepte de SiP es pot comparar amb el muntatge d'una caixa d'eines. La caixa d'eines pot contenir diferents eines, com ara tornavisos, martells i trepants. Tot i que són eines independents, totes estan unificades en una caixa per a un ús convenient. L'avantatge d'aquest enfocament és que cada eina es pot desenvolupar i produir per separat, i es poden "muntar" en un paquet de sistema segons calgui, proporcionant flexibilitat i velocitat.
2. Característiques tècniques i diferències entre SoC i SiP
Diferències del mètode d'integració:
SoC: Diferents mòduls funcionals (com ara CPU, memòria, E/S, etc.) es dissenyen directament al mateix xip de silici. Tots els mòduls comparteixen el mateix procés subjacent i la mateixa lògica de disseny, formant un sistema integrat.
SiP: Es poden fabricar diferents xips funcionals mitjançant processos diferents i després combinar-los en un únic mòdul d'encapsulat mitjançant tecnologia d'encapsulat 3D per formar un sistema físic.
Complexitat i flexibilitat del disseny:
SoC: Com que tots els mòduls estan integrats en un sol xip, la complexitat del disseny és molt alta, especialment per al disseny col·laboratiu de diferents mòduls com ara digitals, analògics, RF i de memòria. Això requereix que els enginyers tinguin unes capacitats de disseny interdomini profundes. A més, si hi ha un problema de disseny amb algun mòdul del SoC, pot ser necessari redissenyar tot el xip, cosa que planteja riscos importants.
SiP: En canvi, SiP ofereix una major flexibilitat de disseny. Es poden dissenyar i verificar diferents mòduls funcionals per separat abans d'integrar-los en un sistema. Si sorgeix un problema amb un mòdul, només cal substituir aquest mòdul, deixant les altres parts intactes. Això també permet velocitats de desenvolupament més ràpides i riscos més baixos en comparació amb SoC.
Compatibilitat de processos i reptes:
SoC: La integració de diferents funcions com ara digitals, analògiques i de radiofreqüència en un sol xip s'enfronta a reptes importants pel que fa a la compatibilitat de processos. Els diferents mòduls funcionals requereixen processos de fabricació diferents; per exemple, els circuits digitals necessiten processos d'alta velocitat i baix consum, mentre que els circuits analògics poden requerir un control de voltatge més precís. Aconseguir la compatibilitat entre aquests diferents processos en el mateix xip és extremadament difícil.
SiP: Mitjançant la tecnologia d'encapsulat, SiP pot integrar xips fabricats mitjançant diferents processos, resolent els problemes de compatibilitat de processos que afronta la tecnologia SoC. SiP permet que diversos xips heterogenis treballin junts en el mateix encapsulat, però els requisits de precisió per a la tecnologia d'encapsulat són elevats.
Cicle i costos d'R+D:
SoC: Com que el SoC requereix dissenyar i verificar tots els mòduls des de zero, el cicle de disseny és més llarg. Cada mòdul ha de ser sotmès a un disseny, verificació i proves rigorosos, i el procés de desenvolupament general pot trigar diversos anys, cosa que resulta en costos elevats. Tanmateix, un cop en producció en massa, el cost unitari és menor a causa de l'alta integració.
SiP: El cicle d'R+D és més curt per a SiP. Com que SiP utilitza directament xips funcionals existents i verificats per a l'empaquetament, redueix el temps necessari per al redisseny del mòdul. Això permet llançaments de productes més ràpids i redueix significativament els costos d'R+D.
Rendiment i mida del sistema:
SoC: Com que tots els mòduls es troben al mateix xip, els retards de comunicació, les pèrdues d'energia i les interferències de senyal es minimitzen, cosa que dóna al SoC un avantatge inigualable en rendiment i consum d'energia. La seva mida és mínima, cosa que el fa especialment adequat per a aplicacions amb alt rendiment i requisits d'energia, com ara telèfons intel·ligents i xips de processament d'imatges.
SiP: Tot i que el nivell d'integració de SiP no és tan alt com el del SoC, encara pot empaquetar de manera compacta diferents xips mitjançant la tecnologia d'empaquetament multicapa, cosa que resulta en una mida més petita en comparació amb les solucions tradicionals de diversos xips. A més, com que els mòduls estan empaquetats físicament en lloc d'integrar-se al mateix xip de silici, tot i que el rendiment pot no coincidir amb el del SoC, encara pot satisfer les necessitats de la majoria d'aplicacions.
3. Escenaris d'aplicació per a SoC i SiP
Escenaris d'aplicació per a SoC:
El SoC és normalment adequat per a camps amb alts requisits de mida, consum d'energia i rendiment. Per exemple:
Telèfons intel·ligents: Els processadors dels telèfons intel·ligents (com ara els xips de la sèrie A d'Apple o el Snapdragon de Qualcomm) solen ser SoC altament integrats que incorporen CPU, GPU, unitats de processament d'IA, mòduls de comunicació, etc., que requereixen tant un rendiment potent com un baix consum d'energia.
Processament d'imatges: En càmeres digitals i drons, les unitats de processament d'imatges sovint requereixen fortes capacitats de processament paral·lel i baixa latència, cosa que els SoC poden aconseguir de manera efectiva.
Sistemes integrats d'alt rendiment: el SoC és especialment adequat per a dispositius petits amb requisits estrictes d'eficiència energètica, com ara dispositius IoT i wearables.
Escenaris d'aplicació per a SiP:
SiP té una gamma més àmplia d'escenaris d'aplicació, adequada per a camps que requereixen un desenvolupament ràpid i una integració multifuncional, com ara:
Equips de comunicació: Per a estacions base, encaminadors, etc., SiP pot integrar múltiples processadors de senyals digitals i de RF, accelerant el cicle de desenvolupament del producte.
Electrònica de consum: Per a productes com ara rellotges intel·ligents i auriculars Bluetooth, que tenen cicles d'actualització ràpids, la tecnologia SiP permet llançaments més ràpids de nous productes destacats.
Electrònica d'automoció: Els mòduls de control i els sistemes de radar en sistemes d'automoció poden utilitzar la tecnologia SiP per integrar ràpidament diferents mòduls funcionals.
4. Tendències de desenvolupament futures de SoC i SiP
Tendències en el desenvolupament de SoC:
Els SoC continuaran evolucionant cap a una major integració i una integració heterogènia, cosa que podria implicar una major integració de processadors d'IA, mòduls de comunicació 5G i altres funcions, impulsant una major evolució dels dispositius intel·ligents.
Tendències en el desenvolupament de SiP:
SiP dependrà cada cop més de tecnologies d'envasament avançades, com ara els avenços en l'envasament 2.5D i 3D, per empaquetar xips amb diferents processos i funcions per satisfer les demandes del mercat en ràpid canvi.
5. Conclusió
Un SoC és més com construir un supergratacel multifuncional, concentrant tots els mòduls funcionals en un sol disseny, adequat per a aplicacions amb requisits extremadament alts de rendiment, mida i consum d'energia. Un SiP, en canvi, és com "empaquetar" diferents xips funcionals en un sistema, centrant-se més en la flexibilitat i el desenvolupament ràpid, especialment adequat per a l'electrònica de consum que requereix actualitzacions ràpides. Tots dos tenen els seus punts forts: el SoC emfatitza el rendiment òptim del sistema i l'optimització de la mida, mentre que un SiP destaca la flexibilitat del sistema i l'optimització del cicle de desenvolupament.
Data de publicació: 28 d'octubre de 2024