干貨！SiP與SOC封裝的區(qū)別

早前，蘋果發(fā)布了最新的apple watch手表，里面用到SIP封裝芯片，從尺寸和性能上為新手表增色不少。而芯片發(fā)展從一味追求功耗下降及性能提升(摩爾定律)，轉(zhuǎn)向更加務(wù)實(shí)的滿足市場的需求(超越摩爾定律)， SiP是實(shí)現(xiàn)的重要路徑。 SiP從終端電子產(chǎn)品角度出發(fā)，不是一味關(guān)注芯片本身的性能/功耗，而是實(shí)現(xiàn)整個(gè)終端電子產(chǎn)品的輕薄短小、多功能、低功耗，在行動(dòng)裝臵與穿戴裝臵等輕巧型產(chǎn)品興起后， SiP需求日益顯現(xiàn)。

根據(jù)國際半導(dǎo)體路線組織(ITRS)的定義： SiP 為將多個(gè)具有不同功能的有源電子元件與可選無源器件，以及諸如 MEMS 或者光學(xué)器件等其他器件優(yōu)先組裝到一起，實(shí)現(xiàn)一定功能的單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)封裝件，形成一個(gè)系統(tǒng)或者子系統(tǒng)。

SIP定義

從架構(gòu)上來講， SiP 是將多種功能芯片，包括處理器、存儲(chǔ)器等功能芯片集成在一個(gè)封裝內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本完整的功能。與 SOC(片上系統(tǒng))相對應(yīng)。不同的是系統(tǒng)級封裝是采用不同芯片進(jìn)行并排或疊加的封裝方式，而 SOC 則是高度集成的芯片產(chǎn)品。

SIP架構(gòu)

SiP 是超越摩爾定律下的重要實(shí)現(xiàn)路徑

眾所周知的摩爾定律發(fā)展到現(xiàn)階段，何去何從?行業(yè)內(nèi)有兩條路徑：一是繼續(xù)按照摩爾定律往下發(fā)展，走這條路徑的產(chǎn)品有CPU、內(nèi)存、邏輯器件等，這些產(chǎn)品占整個(gè)市場的 50%。另外就是超越摩爾定律的More than Moore 路線，芯片發(fā)展從一味追求功耗下降及性能提升方面，轉(zhuǎn)向更加務(wù)實(shí)的滿足市場的需求。這方面的產(chǎn)品包括了模擬/RF 器件，無源器件、電源管理器件等，大約占到了剩下的那 50%市場。

半導(dǎo)體的主要產(chǎn)品占比

針對這兩條路徑，分別誕生了兩種產(chǎn)品： SoC 與 SiP。 SoC 是摩爾定律繼續(xù)往下走下的產(chǎn)物，而 SiP 則是實(shí)現(xiàn)超越摩爾定律的重要路徑。兩者都是實(shí)現(xiàn)在芯片層面上實(shí)現(xiàn)小型化和微型化系統(tǒng)的產(chǎn)物。

More Moore和More than Moore

SoC 與 SIP 是極為相似，兩者均將一個(gè)包含邏輯組件、內(nèi)存組件，甚至包含被動(dòng)組件的系統(tǒng)，整合在一個(gè)單位中。 SoC 是從設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，是將系統(tǒng)所需的組件高度集成到一塊芯片上。 SiP 是從封裝的立場出發(fā)，對不同芯片進(jìn)行并排或疊加的封裝方式，將多個(gè)具有不同功能的有源電子元件與可選無源器件，以及諸如 MEMS 或者光學(xué)器件等其他器件優(yōu)先組裝到一起，實(shí)現(xiàn)一定功能的單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)封裝件。

SOC和SIP

從集成度而言，一般情況下， SoC 只集成 AP 之類的邏輯系統(tǒng)，而 SiP 集成了AP+mobileDDR，某種程度上說 SIP=SoC+DDR，隨著將來集成度越來越高， emmc也很有可能會(huì)集成到 SiP 中。從封裝發(fā)展的角度來看，因電子產(chǎn)品在體積、處理速度或電性特性各方面的需求考量下， SoC 曾經(jīng)被確立為未來電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵與發(fā)展方向。但隨著近年來 SoC生產(chǎn)成本越來越高，頻頻遭遇技術(shù)障礙，造成 SoC 的發(fā)展面臨瓶頸，進(jìn)而使 SiP 的發(fā)展越來越被業(yè)界重視。[!--empirenews.page--]

SOC和SIP對比

摩爾定律確保了芯片性能的不斷提升。眾所周知，摩爾定律是半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的“圣經(jīng)”。在硅基半導(dǎo)體上，每 18 個(gè)月實(shí)現(xiàn)晶體管的特征尺寸縮小一半，性能提升一倍。在性能提升的同時(shí)，帶來成本的下降，這使得半導(dǎo)體廠商有足夠的動(dòng)力去實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體特征尺寸的縮小。這其中，處理器芯片和存儲(chǔ)芯片是最遵從摩爾定律的兩類芯片。以Intel 為例，每一代的產(chǎn)品完美地遵循摩爾定律。在芯片層面上，摩爾定律促進(jìn)了性能的不斷往前推進(jìn)。

而PCB 板并不遵從摩爾定律，是整個(gè)系統(tǒng)性能提升的瓶頸。與芯片規(guī)模不斷縮小相對應(yīng)， PCB 板這些年并沒有發(fā)生太大變化。舉例而言， PCB 主板的標(biāo)準(zhǔn)最小線寬從十年前就是 3 mil(大約 75 um)，到今天還是 3 mil，幾乎沒有進(jìn)步。畢竟， PCB 并不遵從摩爾定律。因?yàn)?PCB 的限制，整個(gè)系統(tǒng)的性能提升遇到了瓶頸。比如，由于 PCB線寬都沒變化，所以處理器和內(nèi)存之間的連線密度也保持不變。換句話說，在處理器和內(nèi)存封裝大小不大變的情況下，處理器和內(nèi)存之間的連線數(shù)量不會(huì)顯著變化。而內(nèi)存的帶寬等于內(nèi)存接口位寬乘以內(nèi)存接口操作頻率。內(nèi)存輸出位寬等于處理器和內(nèi)存之間的連線數(shù)量，在十年間受到 PCB 板工藝的限制一直是 64bit 沒有發(fā)生變化。所以想提升內(nèi)存帶寬只有提高內(nèi)存接口操作頻率，這就限制了整個(gè)系統(tǒng)的性能提升。

過去主流的系統(tǒng)

SIP 是解決系統(tǒng)桎梏的勝負(fù)手。把多個(gè)半導(dǎo)體芯片和無源器件封裝在同一個(gè)芯片內(nèi)，組成一個(gè)系統(tǒng)級的芯片，而不再用 PCB 板來作為承載芯片連接之間的載體，可以解決因?yàn)?PCB 自身的先天不足帶來系統(tǒng)性能遇到瓶頸的問題。以處理器和存儲(chǔ)芯片舉例，因?yàn)橄到y(tǒng)級封裝內(nèi)部走線的密度可以遠(yuǎn)高于 PCB 走線密度，從而解決 PCB線寬帶來的系統(tǒng)瓶頸。舉例而言，因?yàn)榇鎯?chǔ)器芯片和處理器芯片可以通過穿孔的方式連接在一起，不再受 PCB 線寬的限制，從而可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)帶寬在接口帶寬上的提升

現(xiàn)在的系統(tǒng)

SiP 不僅簡單將芯片集成在一起。 SiP 還具有開發(fā)周期短、功能更多、功耗更低、性能更優(yōu)良、成本價(jià)格更低、體積更小、質(zhì)量更輕等優(yōu)點(diǎn)。