SiP vs. SoC Explicat: Diferències Clau, Avantatges i Inconvenients, i Aplicacions

SoC (Sistema en Xip) i SiP (Sistema en Paquet) són dues maneres d'integrar un sistema complet en un espai reduït. Un SoC convencional integra les principals funcions del sistema en un únic retall de silici, mentre que un SiP integra múltiples xips i/o altres components dins d'un sol paquet. Els dos no són mútuament exclusius, i molts products utilitzen ambdós. Aquest article explica què és cadascun, com difereixen, i com triar entre ells per al teu projecte.

Catàleg

Figura 1. SoC (Sistema en Xip) vs. SiP (Sistema en Paquet)

Què és SoC

Definició

Un SoC (Sistema en Xip) és un circuit integrat que integra els blocs funcionals principals d'un sistema electrònic. En un SoC monolític convencional, aquests blocs s'integren en una sola peça de silici, o retall. Segons l'aplicació, aquests blocs poden incloure nuclis de processador, memòria, interfícies perifèriques, i circuits analògics o sense fils. Un SoC basat en chiplet pot contenir múltiples retalls, per tant SoC i SiP no són mútuament exclusius.

Trobareu SoCs en molts dels dispositius que utilitzeu diàriament. Els processadors d'aplicacions per a smartphones són un exemple ben conegut, i molts microcontroladors amb connectivitat sense fils incorporada també es descriuen com a SoCs.

Avantatges

• Menor latència i energia d'interconnexió. Els blocs en el mateix retall estan connectats per un cablejat molt curt dins del xip, que generalment significa baixa latència, alta amplada de banda, i baixa energia per bit transferit.

• Cost unitari baix a gran volum. El cost unitari depèn del volum, rendibilitat del retall, procés, embolcall, proves, i costos de disseny.

• Petita petjada. Un únic xip substitueix el que normalment serien diversos components separats.

Limitacions

• Alt cost inicial. Dissenyar, validar i fabricar un nou SoC, especialment en un node de procés avançat, requereix un esforç d'enginyeria significatiu i una despesa única (NRE, o cost d'enginyeria no recurrent).

• Llarg cicle de desenvolupament. Els canvis tardans en el procés són cars, de manera que el calendari solen mesurar-se en molts mesos o anys.

• Sensibilitat al rendiment. Tots els altres factors sent iguals, els retalls més grans tenen una major probabilitat de contenir defectes de fabricació, la qual cosa pot reduir el rendiment i augmentar el cost.

Què és SiP

Definició

Un SiP (Sistema en Paquet) col·loca múltiples components dins d'un sol paquet perquè treballin junts com un sistema complet o subsistema. Aquests components poden incloure diversos retalls de semiconductors, com un processador, memòria i xip RF, juntament amb components passius com resistències, condensadors i inductors. Alguns dissenys també inclouen cristalls o antenes.

El punt clau és que els retalls dins d'un SiP no han de provenir del mateix procés o fins i tot del mateix fabricant. Un processador fabricat en un procés lògic avançat pot estar al costat d'un retall de memòria i un retall RF construïts amb tecnologies totalment diferents.

Diverses tècniques d'embalatge s'utilitzen per connectar aquestes peces, incloent wire bonding, fixació flip-chip, apilament de retalls, substrats integrats, i integració basada en interposadors 2.5D i 3D. La decisió adequada depèn del rendiment, la mida i els objectius de cost.

SiP és comú en productes compactes i multifunció com rellotges intel·ligents, auriculars sense fils, mòduls IoT i mòduls front-end RF.

Figura 2. Una construcció de SiP simplificada

Avantatges

• Integració heterogènia. Els xips fabricats amb diferents tecnologies es poden combinar en un sol paquet.

• Temps de desenvolupament més curt. Es poden reutilitzar xips existents i provats, així que no cal redissenyar tot com si fos un nou xip.

• NRE de silici potencialment més baix. La reutilització de xips existents pot reduir la necessitat d'un xip personalitzat complet, tot i que els dissenys avançats de SiP poden requerir encara costos significatius de desenvolupament de paquet i integració.

• Estalvi d'espai al tauler. Integrar components passius i múltiples xips en un sol paquet redueix l'àrea del PCB i simplifica el disseny del tauler.

• Flexibilitat. En molts dissenys, els xips individuals de vegades es poden reutilitzar o substituir entre revisions de productes, sempre que les interfícies elèctriques, mecàniques, tèrmiques i de paquet es mantinguin compatibles.

Limitacions

• Complexitat del packaging. Muntar múltiples xips i components en un sol paquet requereix un disseny i control de processos acurats.

• Gestió tèrmica. Diverses fonts de calor en un espai petit fan que la dissipació de calor sigui una consideració de disseny.

• Rendiment de la interconnexió. Les interconnexions entre xips generalment tenen una latència més alta i un cost energètic superior que les interconnexions locals dins del xip, tot i que els paquets 2.5D i 3D avançats poden reduir significativament la diferència.

• Cost per unitat a volums molt alts. Els costos de packaging i muntatge poden fer que un SiP sigui més car per unitat que un SoC totalment integrat quan els volums són molt alts.

SiP vs. SoC: Diferències clau

SoC i SiP descriuen diferents nivells d'integració i es poden utilitzar junts. La taula a continuació resumeix les principals diferències. Aquestes són tendències generals. Els resultats reals varien segons el disseny, el procés i el volum específics.

Aspecte	SoC	SiP
Nivell d'integració	Funcions principals integrades en un sol xip en un SoC monolític convencional	Múltiples xips i/o components integrats en un sol paquet
Procés de fabricació	Un SoC monolític convencional utilitza normalment una sola tecnologia de procés a través del xip	Diferents tecnologies de procés es poden combinar
Temps de desenvolupament	Generalment més llarg	Sovint més curt, especialment quan es reutilitzen xips existents
Cost inicial (NRE)	Sovint més alt per a un nou SoC personalitzat	Pot ser més baix a la banda de silici, però el NRE de paquet encara pot ser significatiu
Cost per unitat a alt volum	Pot ser més baix després d'amortitzar el NRE	Pot ser competitiu, però els costos de packaging i muntatge poden ser més alts
Rendiment de la interconnexió	La interconnexió dins del xip ofereix generalment baixa latència i baixa energia	La interconnexió entre xips/paquet afegeix costos relacionats amb el packaging
Eficiència energètica	Sovint millor per a funcions estretament acoblades	Depèn del disseny i el packaging
Flexibilitat després del disseny	Els canvis poden requerir un redisseny de silici	Els xips existents poden ser reutilitzats, però la compatibilitat de les interfícies ha de ser mantinguda
Disseny tèrmic	La calor es concentra dins del paquet/xip de SoC	Múltiples fonts de calor a gestionar
Consideracions de rendiment	Els xips monolítics més grans generalment tenen una major exposició a defectes a nivell de xip	Els xips més petits poden millorar el rendiment individual del xip, però el rendiment de muntatge i integració de paquet també és important

SiP i SoC no són mutuament exclusius

És fàcil llegir aquesta comparació com una elecció entre dues opcions competidores, però sovint treballen juntes. Un SiP pot contenir un SoC com un dels seus xips. Un mòdul sense fils, per exemple, pot empaquetar un SoC juntament amb un cristall, components coincidents i un xip de memòria. La veritable pregunta sovint no és "SiP o SoC" sinó quines funcions s'han d'integrar en un xip i quines s'han de combinar a nivell de paquet.

Termes relacionats que val la pena conèixer

Alguns altres termes apareixen freqüentment en aquesta discussió:

• MCM (Mòdul de múltiples xips): Un terme més antic i encara en ús per a un paquet o mòdul que conté múltiples xips. La línia entre MCM i SiP no està estrictament definida, i l'ús varia a través de la indústria. SiP s'utilitza generalment quan el paquet ofereix una funció de sistema més completa.

• Chiplet: Un petit xip dissenyat per ser combinat amb altres xips en un sol paquet, normalment com a part d'un processador o sistema més gran. Els dissenys basats en chiplet depenen d'un packaging avançat, i alguns utilitzen interfícies estandarditzades de xip a xip com UCIe. Un producte basat en chiplet pot caure dins de la categoria més ampla d'integració de múltiples xips o sistema en paquet, depenent de com es defineixi el producte.

• SoM (System on Module): Una petita placa de circuit que porta un processador o SoC juntament amb components com la memòria i la gestió de potència i està dissenyada per conectar-se o ser soldada a una placa portadora més gran. La principal diferència respecte al SiP és el nivell d'integració: un SoM és un mòdul a nivell de placa construït al voltant d'un processador o SoC, típicament en una PCB petita. Un SiP integra components a nivell d'embalatge en lloc de a nivell de placa.

Consideracions de Disseny i Fabricació

Flux de Disseny

Un projecte de SoC segueix un flux de disseny de xip: definint l'arquitectura, escrivint i verificant el disseny lògic, síntesi, disseny físic, i finalment tape-out a una foundry. Atès que un error de fabricació pot requerir un costós respin, la verificació és exhaustiva i ocupa una gran part del calendari.

Un projecte de SiP comença de manera diferent. L'equip primer decideix com dividir el sistema, després selecciona els dies i components, dissenya el substrat de l'embalatge i avalua el comportament elèctric i tèrmic de l'assemblatge. Una gran part de l'esforç es destina al disseny i la integració a nivell d'embalatge, no a dissenyar un nou silici.

Proves

Les proves de SoC inclouen normalment proves a nivell de pastilla seguides de proves finals després de l'embalatge.

En un SiP, les proves tenen una dimensió extra. Si un xip defectuós s'assembla en un embalatge juntament amb xips bons, l'embalatge complet es pot perdre. Per aquest motiu, el Known Good Die (KGD), que significa xips verificats com a funcionals abans de l'assemblatge, són molt importants, especialment quan hi ha components cars involucrats. Després de l'assemblatge, l'embalatge es prova novament com un sistema complet.

Cadena de Subministrament

Per a una empresa de SoC sense fàbrica, la fabricació de pastilles és típicament gestionada per una foundry de semicondutores, seguida de l'embalatge i les proves, ja sigui a casa o mitjançant proveïdors externs. La producció de SiP pot implicar OSATs o altres proveïdors d'embalatge i assemblatge, sovint amb components obtinguts de múltiples subministradors. La disponibilitat de cada component, i la capacitat d'obtenir xips en una forma adequada per a l'embalatge, es converteixen en part de la planificació del projecte.

Integritat Tèrmica i de Senyal

En un SiP, diversos xips o components operen molt a prop els uns dels altres, per tant, el disseny tèrmic ha de tenir en compte la generació de calor, la distribució de calor i l'acoblament tèrmic dins de l'embalatge. La integritat de les senyals i de la potència també requereix atenció a causa de les densos interconnexions entre xips i components.

Els SoCs requereixen una anàlisi similar. Si s'implementen com un xip monolític o un disseny basat en xiplets, el rendiment tèrmic depèn no només del silici sinó també de l'embalatge i la PCB. Tant els SoCs com els SiPs requereixen, per tant, una anàlisi tèrmica a nivell d'embalatge i placa, juntament amb consideracions d'integritat de senyals i potència on sigui aplicable.

Aplicacions i Com Escollir la Correcta

Aplicacions Comunes de SoC i SiP

Els SoCs són àmpliament utilitzats on grans volums i un rendiment exigent justifiquen la inversió en un xip personalitzat. Els exemples inclouen processadors de telèfons intel·ligents, tauletes i altres electrònica de consum d'alt volum.

Els SiPs són comuns en dispositius compactes que combinen diferents tipus de funcions, com ara dispositius portàtils, auriculars sense fils, mòduls IoT, mòduls de front-end RF i petits dispositius mèdics. També apareixen en electrònica automotiva i aeroespacial, on la mida, el pes i la integració són importants.

Una Guia Pràctica de Decisions

Les següents preguntes poden ajudar a restringir la tria:

• Quina és la mida del volum de producció? Volums molt alts poden justificar el cost inicial d'un SoC. Volums petits a mitjans poden inclinar-se cap al SiP quan evitar un alt NRE de silici és important.

• Quina és la limitació del calendari? Si el temps per al mercat és crític, l'assemblatge de xips provats en un SiP pot ser més ràpid que el desenvolupament d'un nou xip.

• Necessites diferents tecnologies? Si el teu producte combina RF, analògic, memòria, sensors i lògica que són millor produïts en diferents processos, un SiP pot ser una bona opció.

• Quines són les limitacions de mida i potència? Ambdues aproximacions estalvien espai en comparació amb components discret. Per a funcions estretament acoblades on la comunicació dins del xip és crítica, un SoC pot oferir avantatges en latència i energia d'interconnexió.

• Quina flexibilitat necessitaràs més endavant? Si preveus millorar o intercanviar parts del sistema, un SiP ofereix més marge per fer-ho.

• Com és l'estructura del pressupost? Considera el NRE i el cost per unitat conjuntament, no per separat. Un cost inicial més baix pot no ser l'opció més barata durant tot el període de producció.

Figura 3. Una Guia General per Escollir Entre SiP i SoC

En la pràctica, molts productes utilitzen ambdós: un SoC per al processament central, embalatge amb altres components en un SiP.

Exemple del Món Real: STM32WB5MMG de ST

STM32WB5MMG d'STMicroelectronics és un exemple de com un SiP pot integrar circuits de suport que d'altra manera podrien ser col·locats al PCB. La fitxa tècnica d'ST el descriu com un paquet SiP-LGA86 que integra un MCU sense fils STM32WB55VGY juntament amb cristalls de 32 MHz i 32 kHz, components de coincidentcia RF i una antena. També inclou components passius per al SMPS (font d'alimentació amb commutació) i un IPD per a coincidència RF i rebuig harmònic.

En un disseny convencional, alguns d'aquests components de suport serien col·locats per separat al PCB de l'aplicació. En integrar-los al paquet, el mòdul redueix el circuit extern requerit al voltant del MCU i pot simplificar el disseny de maquinari RF. ST descriu el STM32WB5MMG com un mòdul sense fils de factor de forma petit amb una BOM totalment integrada, incloent els cristalls de 32 MHz i 32 kHz, i una antena integrada en xip.

Tendències Futures

La frontera entre SoC i SiP és cada vegada menys rígida. Les tecnologies d'embalatge avançades, incloent la integració 2.5D i 3D i l'embalatge de dispersió, permeten connectar les xips de manera més densa i eficient que abans. Al mateix temps, l'enfocament de chiplet divideix dissenys grans en xips més petits que es poden fabricar per separat i combinar en un sol paquet, la qual cosa pot ajudar amb el rendiment i la reutilització de disseny.

La demanda creixent d'una major densitat de càlcul, amplada de banda i factors de forma compactes està impulsant la inversió continuada en integració heterogènia i embalatge avançat. Aquestes tendències suggereixen que la integració a nivell de paquet continuarà guanyant importància juntament amb la integració en xip.

Conclusió

SoC i SiP resolen el mateix repte a diferents nivells. Un SoC integra funcions en un sol xip, oferint un rendiment fort i un baix cost per unitat a alts volums, però amb una alta inversió inicial. Un SiP integra múltiples xips i components en un sol paquet, oferint flexibilitat, un desenvolupament més ràpid i la capacitat de combinar tecnologies, amb compensacions en la complexitat d'embalatge i el cost per unitat a escala.

Cap dels dos és millor en tots els casos. La selecció correcta depèn del teu volum, calendari, requisits tècnics i pressupost, i en molts dissenys la resposta és utilitzar ambdós.

Pregunta Freqüent [FAQ]

1. Pot un SiP contenir un SoC?

Sí. Un SoC és un dels xips dins d'un SiP, empaquetat juntament amb components com memòria, parts RF, cristalls i components passius. Un mòdul sense fils és un exemple comú.

2. Un SiP utilitza sempre múltiples xips?

No sempre. Un SiP és un paquet o mòdul que conté un sistema o subsistema electrònic funcional i pot integrar un o més xips amb altres components. Molts SiPs contenen múltiples xips, però alguns dissenys combinen un sol xip amb components passius o altres dispositius. L'ús del terme pot variar a través de la industria.

3. Pot un disseny basat en chiplets considerar-se un SiP?

En molts casos, sí. Un producte basat en chiplet col·loca múltiples xips en un sol paquet, la qual cosa s'ajusta a la idea general d'un SiP. Els termes fan èmfasi en coses diferents, però: "chiplet" fa referència a xips modulars i reutilitzables, sovint connectats a través d'interfícies estandarditzades de xip a xip, mentre que "SiP" descriu la integració a nivell de sistema en un paquet. Algunes fonts els tracten com a categories separades, així que la frontera no és estricta.

4. Es poden substituir xips individuals en un SiP més tard?

Els xips individuals generalment no són substituïbles al camp un cop s'ha muntat el SiP. La flexibilitat s'aplica principalment en l'etapa de disseny i revisió del producte: un xip compatible es pot reemplaçar o actualitzar en una nova versió del SiP sense redissenyar tot el sistema. La compatibilitat elèctrica, mecànica, tèrmica i d'interfície encara ha de ser considerada.

5. El SiP costa sempre menys que desenvolupar un SoC?

No. Un SiP pot tenir un menor NRE de silici inicial quan reutilitza xips existents en lloc de requerir un nou SoC personalitzat. No obstant això, els dissenys d'SiP també impliquen costos d'embalatge, substrat, muntatge i proves. A alts volums de producció, un SoC personalitzat pot aconseguir un cost per unitat més baix després que els seus costos de desenvolupament s'amortitzin. El cost total depèn de factors com el volum de producció, la complexitat del paquet, el nombre de xips, el rendiment i els requisits de desenvolupament.