電子系統(tǒng)追求小型化?SoC、SiP各施所長

 　　集成電路特征尺寸的縮小，使得SoC似乎成為必然的發(fā)展方向；然而，對于同時擁有多種材質(zhì)、多種工藝的系統(tǒng)，SiP是最好的選擇。集成方式的選擇應充分考慮芯片加工工藝、產(chǎn)品性能及設計周期的要求。 
     

　　用盡可能小的空間、盡可能低的功耗實現(xiàn)產(chǎn)品功能和性能的優(yōu)化，是集成電路從業(yè)者追求的目標，SoC(系統(tǒng)級芯片)和SiP(系統(tǒng)級封裝)是達到這一目標的兩條不同途徑。隨著電子整機向多功能、高性能、小型化、便攜化、高速度、低功耗和高可靠方向發(fā)展，10多年來，SoC和SiP都有快速的發(fā)展。

      業(yè)界巨頭推動SoC應用拓展

      SoC又稱為“片上系統(tǒng)”，它需要在一顆芯片上集成數(shù)字電路、模擬電路、RF(射頻)、存儲器和接口電路等多種電路，以實現(xiàn)圖像處理、語音處理、通信和數(shù)據(jù)處理等多種功能。據(jù)半導體市場研究公司SemicoResearch預測，SoC芯片市場規(guī)模2012年將超過560億美元，年復合增長率接近9%。目前，全球領先的半導體企業(yè)紛紛加大對SoC的投入，以期用技術的創(chuàng)新推動產(chǎn)品的升級。 
     

　　今年10月，英特爾公司正式向中國市場發(fā)布了第一款基于英特爾架構(IA)的嵌入式SoC——— 英特爾EP80579集成處理器(研發(fā)代號為Tolapai)。在嵌入式領域，“三芯片”架構曾被廣大用戶所接受，即將處理器、內(nèi)存子系統(tǒng)和外設子系統(tǒng)分別放置在不同的芯片上。英特爾公司Tolapai芯片工程總監(jiān)BruceFishbein認為：“與三芯片方案相比，SoC最明顯的優(yōu)勢在于能效，當三個組件被放到了單芯片上，就可以有效避免原來三芯片解決方案中由于各個芯片間的互聯(lián)所造成的額外的能源消耗；其次，SoC與三芯片解決方案相比更具尺寸優(yōu)勢，而便攜式設備中，芯片尺寸因素尤為重要；最后，系統(tǒng)芯片可有效提升整體系統(tǒng)的質(zhì)量，Tolapai的制造標準與其他英特爾芯片完全相同，因此，相比基于三芯片解決方案的同類系統(tǒng)，采用Tolapai的系統(tǒng)因芯片故障引發(fā)相關問題的幾率要低1/3。” 
     

　　在可編程邏輯領域，賽靈思公司于今年4月推出了適用于SoC設計的Virtex-5FXT器件，作為賽靈思65nmVirtex-5系列的第四款平臺，Virtex-5FXT除了提高器件性能之外，在降低系統(tǒng)成本、縮小PCB尺寸并減少元件數(shù)量等方面具有優(yōu)勢。市場調(diào)查公司ForwardConcepts總裁WillStrauss表示：“在單片器件上集成重要處理性能和SERDES（串行解串）元件，可為那些需要節(jié)約板級空間和成本、同時又需要滿足高性能要求的設計人員提供巨大的價值。” 
     

　　SoC的應用優(yōu)勢并不單單體現(xiàn)在硬件系統(tǒng)方面，中國半導體行業(yè)協(xié)會集成電路設計分會常務副理事長魏少軍博士在接受《中國電子報》記者采訪時表示：“SoC包括硬件和軟件兩部分，隨著技術的進步和應用的發(fā)展，硬件的接口軟件、驅(qū)動軟件及芯片專用的系統(tǒng)軟件等SoC軟件部分附加價值的增長速度會越來越快，其所占的比例會越來越大。”他同時認為，由于半導體產(chǎn)業(yè)面臨著系統(tǒng)高度復雜的壓力、產(chǎn)品成本的壓力和產(chǎn)品進入市場時間的壓力，平臺化是SoC發(fā)展非常重要的一個趨勢。在做好一個平臺之后，通過軟件的調(diào)整就能滿足不同應用的需求，這對于我國高技術產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。

      SiP或?qū)⒋蚱艻C產(chǎn)業(yè)格局

      然而，SoC的發(fā)展也受到一些因素的制約。魏少軍表示，SoC研發(fā)的復雜性對知識的要求越來越高，ASIC的設計者可以只掌握某一個特定領域的知識，而SoC則要求設計者對系統(tǒng)有全面的了解，才能開發(fā)出適用性廣的產(chǎn)品；復雜性的增強同時也導致了研發(fā)周期的延長，研發(fā)的成本也越來越高。 
     

　　SiP在一定程度上則可以彌補這一缺點。SiP在一個封裝中組合多種IC芯片和多種電子元器件，以實現(xiàn)與SoC同等的功能。清華大學微電子所蔡堅教授告訴《中國電子報》記者，SiP是指一大類技術而不是某一種具體的封裝工藝，隨著集成電路線寬逼近物理極限，SiP的重要性也凸顯出來。上世紀90年代后期，美國佐治亞理工學院RaoR.Tummala教授提出了一種典型的 SiP結(jié)構——— 單級集成模塊(SLIM)。SLIM將各類IC芯片、光電器件、無源元件、布線和介質(zhì)層都組裝在一個封裝系統(tǒng)內(nèi)，極大地提高了封裝密度和封裝效率，其封裝效率可達80%以上。相比之下，目前國際流行的BGA(球柵陣列)封裝工藝的封裝效率也僅為20%。 
     

　　SiP技術在無線通信領域的應用頗受業(yè)界青睞。由于商用RF(射頻)芯片很難用硅平面工藝實現(xiàn)，使得SoC技術能實現(xiàn)的集成度相對較低，性能難以滿足要求，同時由于物理層電路工作頻率高，各種匹配與濾波網(wǎng)絡含有大量無源器件，SiP的技術優(yōu)勢就在這些方面充分顯示出來。SiP在封裝架構方面允許高度的靈活性，尤其對RF應用具有很大的優(yōu)勢；同時，它還允許更低的功耗和更低的噪音，在混合與匹配IC工藝方面具有靈活性。 
     

　　盡管目前全世界封裝的產(chǎn)值只占集成電路總產(chǎn)值的10%，但當SiP技術被封裝企業(yè)掌握后，產(chǎn)業(yè)格局將發(fā)生改變，封裝業(yè)的產(chǎn)值將會出現(xiàn)一個跳躍式的提高，SiP或許將打破目前集成電路的產(chǎn)業(yè)格局，改變封裝僅僅是一個后道加工廠的狀況，從而引領封裝產(chǎn)業(yè)升級。

      孰優(yōu)孰劣不能一概而論  

　　至于SoC和SiP究竟孰優(yōu)孰劣，顯然不能一概而論。在產(chǎn)品數(shù)量大、性能高、集成度高的應用中，SoC自然當仁不讓；如果要求高適應性、面市時間短、多種不同功能集成在一個封裝內(nèi)的應用中，則SiP占有優(yōu)勢。“SoC是做在同一種介質(zhì)材料上，相對而言其限制條件比較多，如果系統(tǒng)中的每一部分都是相同的工藝，那么SoC可以做得更小、更好。”蔡堅教授對《中國電子報》記者解釋道，“相對于SoC而言，SiP更適合多功能化的集成。如果涉及多種功能和不同工藝的器件，SiP是更好的選擇，比如很多需要集成傳感器的系統(tǒng)就采用了SiP的方式；此外，如果要將硅器件與砷化鎵或鍺硅器件集成在一起，就必須選擇SiP。”魏少軍博士也表示，SoC更多地面向功能復雜的應用，SiP則主要針對不同應用的特定組合。 
     

　　對于系統(tǒng)廠商甚至IC設計公司而言，在實際應用中到底使用SoC還是SiP有時候也難以抉擇，不過，目前已有一些專業(yè)公司開始為企業(yè)提供相關的咨詢服務。創(chuàng)意電子市場處黃克勤處長告訴《中國電子報》記者：“如果把SoC與SiP相比，芯片的單位成本較低是SoC最大的優(yōu)勢。但我們也看到，在一顆SoC中往往同時要集成數(shù)字電路和模擬電路，模擬電路的技術路線中并沒有像數(shù)字電路那樣遵循‘摩爾定律’，對于用0.18微米工藝就能實現(xiàn)的功能，如果按照數(shù)字電路的要求也采用65納米的工藝，顯然就要付出更多的成本；此外，與數(shù)字電路不同，模擬電路工藝每前進一代，其產(chǎn)品都要重新開發(fā)設計，這也增加了產(chǎn)品開發(fā)的難度。”他同時表示，創(chuàng)意電子將自身定位為最佳化解決方案的集成電路產(chǎn)業(yè)鏈整合專家，對于具體的產(chǎn)品應用到底應該選擇SoC還是SiP，可以預先幫助客戶進行產(chǎn)品的模擬，從性能、成本、尺寸等方面做一個估算，讓客戶進行比較，從而做出最有利的選擇。