电子系统追求小型化 SoC、SiP各施所长

 　　集成电路特征尺寸的缩小，使得SoC似乎成为必然的发展方向；然而，对于同时拥有多种材质、多种工艺的系统，SiP是最好的选择。集成方式的选择应充分考虑芯片加工工艺、产品性能及设计周期的要求。 
     

　　用尽可能小的空间、尽可能低的功耗实现产品功能和性能的优化，是集成电路从业者追求的目标，SoC(系统级芯片)和SiP(系统级封装)是达到这一目标的两条不同途径。随着电子整机向多功能、高性能、小型化、便携化、高速度、低功耗和高可靠方向发展，10多年来，SoC和SiP都有快速的发展。

      业界巨头推动SoC应用拓展

      SoC又称为“片上系统”，它需要在一颗芯片上集成数字电路、模拟电路、RF(射频)、存储器和接口电路等多种电路，以实现图像处理、语音处理、通信和数据处理等多种功能。据半导体市场研究公司SemicoResearch预测，SoC芯片市场规模2012年将超过560亿美元，年复合增长率接近9%。目前，全球领先的半导体企业纷纷加大对SoC的投入，以期用技术的创新推动产品的升级。 
     

　　今年10月，英特尔公司正式向中国市场发布了第一款基于英特尔架构(IA)的嵌入式SoC——— 英特尔EP80579集成处理器(研发代号为Tolapai)。在嵌入式领域，“三芯片”架构曾被广大用户所接受，即将处理器、内存子系统和外设子系统分别放置在不同的芯片上。英特尔公司Tolapai芯片工程总监BruceFishbein认为：“与三芯片方案相比，SoC最明显的优势在于能效，当三个组件被放到了单芯片上，就可以有效避免原来三芯片解决方案中由于各个芯片间的互联所造成的额外的能源消耗；其次，SoC与三芯片解决方案相比更具尺寸优势，而便携式设备中，芯片尺寸因素尤为重要；最后，系统芯片可有效提升整体系统的质量，Tolapai的制造标准与其他英特尔芯片完全相同，因此，相比基于三芯片解决方案的同类系统，采用Tolapai的系统因芯片故障引发相关问题的几率要低1/3。” 
     

　　在可编程逻辑领域，赛灵思公司于今年4月推出了适用于SoC设计的Virtex-5FXT器件，作为赛灵思65nmVirtex-5系列的第四款平台，Virtex-5FXT除了提高器件性能之外，在降低系统成本、缩小PCB尺寸并减少元件数量等方面具有优势。市场调查公司ForwardConcepts总裁WillStrauss表示：“在单片器件上集成重要处理性能和SERDES（串行解串）元件，可为那些需要节约板级空间和成本、同时又需要满足高性能要求的设计人员提供巨大的价值。” 
     

　　SoC的应用优势并不单单体现在硬件系统方面，中国半导体行业协会集成电路设计分会常务副理事长魏少军博士在接受《中国电子报》记者采访时表示：“SoC包括硬件和软件两部分，随着技术的进步和应用的发展，硬件的接口软件、驱动软件及芯片专用的系统软件等SoC软件部分附加价值的增长速度会越来越快，其所占的比例会越来越大。”他同时认为，由于半导体产业面临着系统高度复杂的压力、产品成本的压力和产品进入市场时间的压力，平台化是SoC发展非常重要的一个趋势。在做好一个平台之后，通过软件的调整就能满足不同应用的需求，这对于我国高技术产业的发展具有十分重要的意义。

      SiP或将打破IC产业格局

      然而，SoC的发展也受到一些因素的制约。魏少军表示，SoC研发的复杂性对知识的要求越来越高，ASIC的设计者可以只掌握某一个特定领域的知识，而SoC则要求设计者对系统有全面的了解，才能开发出适用性广的产品；复杂性的增强同时也导致了研发周期的延长，研发的成本也越来越高。 
     

　　SiP在一定程度上则可以弥补这一缺点。SiP在一个封装中组合多种IC芯片和多种电子元器件，以实现与SoC同等的功能。清华大学微电子所蔡坚教授告诉《中国电子报》记者，SiP是指一大类技术而不是某一种具体的封装工艺，随着集成电路线宽逼近物理极限，SiP的重要性也凸显出来。上世纪90年代后期，美国佐治亚理工学院RaoR.Tummala教授提出了一种典型的 SiP结构——— 单级集成模块(SLIM)。SLIM将各类IC芯片、光电器件、无源元件、布线和介质层都组装在一个封装系统内，极大地提高了封装密度和封装效率，其封装效率可达80%以上。相比之下，目前国际流行的BGA(球栅阵列)封装工艺的封装效率也仅为20%。 
     

　　SiP技术在无线通信领域的应用颇受业界青睐。由于商用RF(射频)芯片很难用硅平面工艺实现，使得SoC技术能实现的集成度相对较低，性能难以满足要求，同时由于物理层电路工作频率高，各种匹配与滤波网络含有大量无源器件，SiP的技术优势就在这些方面充分显示出来。SiP在封装架构方面允许高度的灵活性，尤其对RF应用具有很大的优势；同时，它还允许更低的功耗和更低的噪音，在混合与匹配IC工艺方面具有灵活性。 
     

　　尽管目前全世界封装的产值只占集成电路总产值的10%，但当SiP技术被封装企业掌握后，产业格局将发生改变，封装业的产值将会出现一个跳跃式的提高，SiP或许将打破目前集成电路的产业格局，改变封装仅仅是一个后道加工厂的状况，从而引领封装产业升级。

      孰优孰劣不能一概而论  

　　至于SoC和SiP究竟孰优孰劣，显然不能一概而论。在产品数量大、性能高、集成度高的应用中，SoC自然当仁不让；如果要求高适应性、面市时间短、多种不同功能集成在一个封装内的应用中，则SiP占有优势。“SoC是做在同一种介质材料上，相对而言其限制条件比较多，如果系统中的每一部分都是相同的工艺，那么SoC可以做得更小、更好。”蔡坚教授对《中国电子报》记者解释道，“相对于SoC而言，SiP更适合多功能化的集成。如果涉及多种功能和不同工艺的器件，SiP是更好的选择，比如很多需要集成传感器的系统就采用了SiP的方式；此外，如果要将硅器件与砷化镓或锗硅器件集成在一起，就必须选择SiP。”魏少军博士也表示，SoC更多地面向功能复杂的应用，SiP则主要针对不同应用的特定组合。 
     

　　对于系统厂商甚至IC设计公司而言，在实际应用中到底使用SoC还是SiP有时候也难以抉择，不过，目前已有一些专业公司开始为企业提供相关的咨询服务。创意电子市场处黄克勤处长告诉《中国电子报》记者：“如果把SoC与SiP相比，芯片的单位成本较低是SoC最大的优势。但我们也看到，在一颗SoC中往往同时要集成数字电路和模拟电路，模拟电路的技术路线中并没有像数字电路那样遵循‘摩尔定律’，对于用0.18微米工艺就能实现的功能，如果按照数字电路的要求也采用65纳米的工艺，显然就要付出更多的成本；此外，与数字电路不同，模拟电路工艺每前进一代，其产品都要重新开发设计，这也增加了产品开发的难度。”他同时表示，创意电子将自身定位为最佳化解决方案的集成电路产业链整合专家，对于具体的产品应用到底应该选择SoC还是SiP，可以预先帮助客户进行产品的模拟，从性能、成本、尺寸等方面做一个估算，让客户进行比较，从而做出最有利的选择。