電子系統追求小型化?SoC、SiP各施所長

 　　集成電路特征尺寸的縮小，使得SoC似乎成為必然的發展方向；然而，對于同時擁有多種材質、多種工藝的系統，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產品功能和性能的優化，是集成電路從業者追求的目標，SoC(系統級芯片)和SiP(系統級封裝)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展，10多年來，SoC和SiP都有快速的發展。

      業界巨頭推動SoC應用拓展

      SoC又稱為“片上系統”，它需要在一顆芯片上集成數字電路、模擬電路、RF(射頻)、存儲器和接口電路等多種電路，以實現圖像處理、語音處理、通信和數據處理等多種功能。據半導體市場研究公司SemicoResearch預測，SoC芯片市場規模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紛紛加大對SoC的投入，以期用技術的創新推動產品的升級。 
     

　　今年10月，英特爾公司正式向中國市場發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、內存子系統和外設子系統分別放置在不同的芯片上。英特爾公司Tolapai芯片工程總監BruceFishbein認為：“與三芯片方案相比，SoC最明顯的優勢在于能效，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勢，而便攜式設備中，芯片尺寸因素尤為重要；最后，系統芯片可有效提升整體系統的質量，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，采用Tolapai的系統因芯片故障引發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，在降低系統成本、縮小PCB尺寸并減少元件數量等方面具有優勢。市場調查公司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的應用優勢并不單單體現在硬件系統方面，中國半導體行業協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展，硬件的接口軟件、驅動軟件及芯片專用的系統軟件等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，由于半導體產業面臨著系統高度復雜的壓力、產品成本的壓力和產品進入市場時間的壓力，平臺化是SoC發展非常重要的一個趨勢。在做好一個平臺之后，通過軟件的調整就能滿足不同應用的需求，這對于我國高技術產業的發展具有十分重要的意義。

      SiP或將打破IC產業格局

      然而，SoC的發展也受到一些因素的制約。魏少軍表示，SoC研發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有全面的了解，才能開發出適用性廣的產品；復雜性的增強同時也導致了研發周期的延長，研發的成本也越來越高。 
     

　　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、布線和介質層都組裝在一個封裝系統內，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界青睞。由于商用RF(射頻)芯片很難用硅平面工藝實現，使得SoC技術能實現的集成度相對較低，性能難以滿足要求，同時由于物理層電路工作頻率高，各種匹配與濾波網絡含有大量無源器件，SiP的技術優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值只占集成電路總產值的10%，但當SiP技術被封裝企業掌握后，產業格局將發生改變，封裝業的產值將會出現一個跳躍式的提高，SiP或許將打破目前集成電路的產業格局，改變封裝僅僅是一個后道加工廠的狀況，從而引領封裝產業升級。

      孰優孰劣不能一概而論  

　　至于SoC和SiP究竟孰優孰劣，顯然不能一概而論。在產品數量大、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的應用中，則SiP占有優勢。“SoC是做在同一種介質材料上，相對而言其限制條件比較多，如果系統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，目前已有一些專業公司開始為企業提供相關的咨詢服務。創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最大的優勢。但我們也看到，在一顆SoC中往往同時要集成數字電路和模擬電路，模擬電路的技術路線中并沒有像數字電路那樣遵循‘摩爾定律’，對于用0.18微米工藝就能實現的功能，如果按照數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，與數字電路不同，模擬電路工藝每前進一代，其產品都要重新開發設計，這也增加了產品開發的難度。”他同時表示，創意電子將自身定位為最佳化解決方案的集成電路產業鏈整合專家，對于具體的產品應用到底應該選擇SoC還是SiP，可以預先幫助客戶進行產品的模擬，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。