淺談SOC技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展.doc

.研究生課程論文題目：淺談SOC技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展 姓名： 專業(yè)： 學(xué)號： 班級： 導(dǎo)師： 序言微電子技術(shù)當(dāng)前發(fā)展的一個標(biāo)志性的特點就是系統(tǒng)級芯片（SOC）概念的出現(xiàn)，也被稱為片上系統(tǒng)，即集成在一個芯片上的微電子系統(tǒng)。電子技術(shù)是信息社會的基石，實現(xiàn)信息化的網(wǎng)絡(luò)及其關(guān)鍵部件不管是各種計算機還是通訊電子裝備，它們的基礎(chǔ)都是集成電路。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展、使整機、電路與元件、器件之間的明確界限被突跛，器件問題、電路問題和整機系統(tǒng)問題已經(jīng)結(jié)合在一起。微電子技術(shù)與傳統(tǒng)電子技術(shù)相比，其主要特征是器件和電路的微小型化，它把電路系統(tǒng)的設(shè)計和制造工藝緊密結(jié)合起來，適于進(jìn)行大規(guī)模的批量生產(chǎn)，因而成本低和可靠性高。由于IC設(shè)計與工藝技術(shù)水平不斷提高，集成電路規(guī)模越來越大，大型集成電路的復(fù)雜程度越來越高，已經(jīng)可以將整個硬件系統(tǒng)集成在一個芯片上。正是在市場需求牽引和技術(shù)推動的雙重作用下，出現(xiàn)了將整個系統(tǒng)集成在一個IC芯片上的系統(tǒng)級芯片的概念。其進(jìn)一步發(fā)展中，已經(jīng)可以將各種物理的、化學(xué)的和生物的敏感器用來執(zhí)行信息獲取功，與信息處理系統(tǒng)集成在一起可以完成從信息獲取、處理、存儲、傳輸?shù)綀?zhí)行的系統(tǒng)功能，這就是一個更廣意義上的系統(tǒng)集成芯片。隨著集成電路設(shè)計技術(shù)的進(jìn)步和半導(dǎo)體制造工藝的發(fā)展，越來越多的電路可以集成在一塊芯片內(nèi)，這大幅降低了系統(tǒng)的成本并提高了系統(tǒng)的可靠性。通過使用IP (Intellectual Property )，在單個芯片上可能集成了微控制器(MCU )、數(shù)字信號處理器(DSP)、存儲器、射頻前端、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等硬件以及完成特定功能所必需的嵌入式軟件，這就是片上系統(tǒng)。SOC的主要特點就是包含微處理器以及完成特定功能所必需的嵌入式軟件。SOC不僅指它的硬件平臺，還包括了運行在其上的軟件成分。一、SOC芯片技術(shù)的特征不斷發(fā)展的信息市場推動技術(shù)的SOC發(fā)展。目前，很多具有中央處理器功能的消費性電子產(chǎn)品，如視頻轉(zhuǎn)換器(Set-top box)、移動電話(mobile phones)和個人數(shù)字助理(PDA)等等，都可稱之為SOC芯片。這類產(chǎn)品不僅在市場上占有重要地位，且其銷售量還在不斷的增長當(dāng)中，已經(jīng)越來越成為消費性電子的主流產(chǎn)品。這類產(chǎn)品對成本與市場價格相當(dāng)敏感，因此，業(yè)者的競爭力便來自于誰能更好的控制成本。由于在一個芯片中集成了多種不同的功能模塊，SOC技術(shù)的發(fā)展為降低這類消費性電子產(chǎn)品的成本提供了機會。SOC不但集成度高，更重要的是具有應(yīng)用領(lǐng)域的行為和功能特征，具有更多的應(yīng)用專業(yè)知識含量，使整機成本和體積以及功耗都大大降低，加快了整機系統(tǒng)更新?lián)Q代的速度，SOC推動了通信、電腦、電子設(shè)備和消費電子產(chǎn)品朝輕、薄、短和低功耗方向發(fā)展，帶動電子信息產(chǎn)業(yè)的新變革。SOC與單功能芯片相比有如下特點：1擴展了芯片功能，從單一功能增加到多種功能，如一般移動電話由RF/ IF信號處理電路和基頻信號處理電路兩大部分組成，目前上市的移動電話用IC由2-4塊組成，1998年日本富士通公司利用CMOS工藝推出單芯片移動電話用IC。這樣，在單芯片上可實現(xiàn)天線切換、鎖相回路(PLL)、本地振蕩、解調(diào)變處理、調(diào)變處理和幀處理等功能。2提高芯片性能指標(biāo)，SOC是從整個系統(tǒng)的角度進(jìn)行設(shè)計，在相同的工藝條件下可實現(xiàn)更高性能的系統(tǒng)指標(biāo)，如利用0135E.w工藝，采用SOC設(shè)計方法，在相同的系統(tǒng)復(fù)雜性和處理速率下，相當(dāng)于采用011Eun工藝制造的IC所實現(xiàn)的同樣系統(tǒng)的性能。同時，采用SOC設(shè)計方法完成同樣功能所需的晶體管數(shù)目可降低2-3個數(shù)量級。3減少芯片體積，降低所占的印制電路板(PCB)空間，一個芯片集成一個系統(tǒng)，相當(dāng)于一個部件或一部整機，勢必減少整機的體積。如DVD用芯片，目前為第三代LSI芯片，由3塊芯片組成，不久將推出第四代LSI芯片，由2塊芯片組成，一塊為前端電路，另一塊為后端電路。4降低芯片功耗，提高抗電磁干擾和系統(tǒng)可靠性。如日本日立公司HG73M系列SOC，它集成SH3型SPU Core、高速邏輯電路和高密度DRAM等，其數(shù)據(jù)傳輸速率比采用外部DRAM系統(tǒng)高10-100倍，其功能僅為原來的1/ 10-1/ 20。而且降低了芯片的綜合成本，SOC要集成多種功能的IC，若靠一個公司從頭做起，要花費很大的代價，浪費很多的時間，并且一個公司也不可能做好全部的事情，因為每個公司都有自己的關(guān)鍵技術(shù)，都有自己的知識產(chǎn)權(quán)(IP: Intellect讓用戶參與設(shè)計，這樣設(shè)計出來的芯片上市最快、最受用戶歡迎也最容易占領(lǐng)市場。5SOC為實現(xiàn)許多復(fù)雜的信號處理和信息加工提供了新的思路和方法。SOC除了片內(nèi)包含大量的電子系統(tǒng)電路資源、具有用戶可編程的能力外，還具有將器件插在系統(tǒng)內(nèi)或電路板上就能對其進(jìn)行編程或再編程的能力。這種現(xiàn)場可編程和資源重復(fù)配置技術(shù)為設(shè)計者進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)提供了可利用的最新手段。采用片內(nèi)可再編程技術(shù)，使得片上系統(tǒng)內(nèi)硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來配置，從而可以實時地進(jìn)行靈活而方便的更改和開發(fā)，甚至可以在系統(tǒng)運行過程中進(jìn)行再配置，使相同的硬件可以按不同時段實現(xiàn)不同的功能，提高了系統(tǒng)的效率。這種全新的系統(tǒng)設(shè)計概念，使新一代的SOC具有極強的靈活性和適應(yīng)性。它不僅使電子系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)以及產(chǎn)品性能的改進(jìn)和擴充變得十分簡易和方便，而且使電子系統(tǒng)具有適應(yīng)多功能的能力。要縮短設(shè)計周期，必須向公司購買IP，可減少重復(fù)勞動，提高效率，節(jié)約開支，降低成本。由于采用SOC，可減少外圍電路芯片，也降低了整機的成本。二、SOC芯片技術(shù)的發(fā)展趨勢隨著電子技術(shù)開發(fā)應(yīng)用對集成電路IC需求量的擴大和半導(dǎo)體工藝水平的不斷進(jìn)步，超大規(guī)模集成電路VLSI技術(shù)迅猛發(fā)展。當(dāng)前的半導(dǎo)體工藝水平己經(jīng)達(dá)到了亞微米水平并正在向50nm以下發(fā)展，器件特征尺寸越來越小，芯片集成規(guī)模越來越大，數(shù)百萬門級電路可以集成在一個芯片上，芯片尺寸已從邏輯限制變?yōu)楹副P限制，我們必須找到與常規(guī)集成電路設(shè)計思想不同的設(shè)計方式，它就是新世紀(jì)IC設(shè)計的主流技術(shù)。SOC是微電子設(shè)計領(lǐng)域的一場革命，從整個系統(tǒng)的角度出發(fā)，把智能核、信息處理機制、模型算法、芯片結(jié)構(gòu)、各層次電路直至器件的設(shè)計緊密結(jié)合起來，在單個或少數(shù)幾個芯片上完成整個系統(tǒng)的功能，既我們可以把越來越多的電路設(shè)計在同一個芯片中，這里面可能包含有中央處理器(CPU)，嵌入式內(nèi)存(Embedded memory)、數(shù)字信號處理器(DSP)、數(shù)字功能模塊(Digital function)、模擬功能模塊(Analog function)、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(A/DC, D/AC)以及各種外圍配置(USB, MPEG)等等，這是新發(fā)展的SOC技術(shù)。SOC技術(shù)的研究、應(yīng)用和發(fā)展是微電子技術(shù)發(fā)展的一個新的里程碑。SOC能提供更好的性能、更低的功耗、更小的印制板.空間和更低的成本，帶來了電子系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用的革命性新變革，可廣泛應(yīng)用于移動電話、硬盤驅(qū)動器、個人數(shù)字助理和手持電子產(chǎn)品、消費性電子產(chǎn)品等。SOC是21世紀(jì)電子系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用的新平臺。從應(yīng)用角度劃分SOC有三種類型:專用集成電路型SOC、可編程SOC和OEM型SOC。目前己有幾家供應(yīng)商能夠提供可編程SOC，其中最為著名的有Atmel. Xilinx和Altera三家公司。從全球市場發(fā)展趨勢來看，從1995年開始，SOC在集成電路市場中所占比例正在穩(wěn)步增長，到2007年將接近四分之一。SOC的增長速度也一直高于集成電路平均增長速度。 SOC的應(yīng)用市場，通信與消費類產(chǎn)品穩(wěn)居前兩位，隨后依次為數(shù)據(jù)處理，和汽車電子。因此，如何根據(jù)市場的需求，從應(yīng)用出發(fā)，推導(dǎo)出集成電路產(chǎn)品的設(shè)計規(guī)格，確定設(shè)計要求是我們需要解決的重要問題。三、SOC芯片技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)（一）SOC設(shè)計基礎(chǔ)是IP核復(fù)用，有效地復(fù)用IP核成為SOC發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。建立IP核標(biāo)準(zhǔn)及發(fā)布IP核的基礎(chǔ)設(shè)施，使IP核獲取渠道暢通。一個SOC芯片可能包含上百個IP核，沒有一家公司或企業(yè)可以完全擁有所需要的IP，為適應(yīng)上市時間的要求，從外界獲得IP核已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急，如果這樣的渠道不暢通，IP核用戶不能及時得到他所需要的IP，勢必成為阻礙SOC工業(yè)發(fā)展的瓶頸。解決這一問題的辦法就是建立IP核標(biāo)準(zhǔn)及發(fā)布IP核的基礎(chǔ)設(shè)施。虛擬元件交易門戶VCX(Virtual Component Exchange)、虛擬元件交易門戶D&R (Design & Reuse)等是從事IP電子商務(wù)的組織，使IP核的交易在一種有效的、國際化、開放的市場基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)進(jìn)行，從而提高IP的交易效率促進(jìn)遠(yuǎn)程IP的采購與銷售，并為IP的交易提供法律和業(yè)務(wù)方面的服務(wù)。（二）SOC對EDA提出更高的要求，建立可重構(gòu)SOC創(chuàng)新開發(fā)平臺與設(shè)計工具研究。隨著微電子集成度的提高，SOC對EDA提出更高更苛刻的要求，從目前來說，滿足SOC設(shè)計軟件開發(fā)已經(jīng)成為當(dāng)前EDA行業(yè)的一個主要研究課題。這個問題不難理解，因為EDA技術(shù)是受需求驅(qū)動而發(fā)展的，總體來說，EDA產(chǎn)品總是要落后同一時代的尖端設(shè)計需求。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，EDA技術(shù)必然吸收信息技術(shù)的營養(yǎng)，從而突破設(shè)計上的時空限制，完善軟、硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù)SOC的設(shè)計流程比傳統(tǒng)的IC設(shè)計復(fù)雜得多，需要的工具和語言也更加多樣化。一個統(tǒng)一的多用途語言就可減少這種麻煩，在設(shè)計流程中一個部分的代碼可在另一個部分復(fù)用，這就可以加速SOC的設(shè)計過程，并減少出錯的可能。3SOC對算法和內(nèi)部電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提出更高的要求。在新一代SOC設(shè)計領(lǐng)域，需要重點突破和創(chuàng)新的問題還包括實現(xiàn)系統(tǒng)功能的算法和內(nèi)部電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)二個方面。縱觀微電子技術(shù)的發(fā)展史，每一種算法的提出都會引起一場變革。例如維特比算法、小波變換等技術(shù)都對集成電路設(shè)計技術(shù)的發(fā)展起到了非常重要的作用。目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊系統(tǒng)理論正在發(fā)展。利用新理論構(gòu)造新的算法是今后片上系統(tǒng)SOC設(shè)計領(lǐng)域的重要研究課題之一。在電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，由于射頻、存儲器件加入到SOC，使得SOC的電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工藝已經(jīng)不是傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。因此需要發(fā)展更靈巧的新型電路結(jié)構(gòu)。為實現(xiàn)粘連邏輯，需要對新的邏輯陣列技術(shù)做系統(tǒng)、深入的研究。四、SOC芯片技術(shù)發(fā)展面臨的問題近幾年來，世界各國雖然推出多種SOC，但是SOC產(chǎn)業(yè)還是處于起步發(fā)展階段，存在著若干需要解決的問題。雖然目前SOC存在上述這些需解決的問題，但是它畢竟是一顆含苞未放的花蕾，不久便會結(jié)出碩果。1SOC制造商與用戶的關(guān)系。芯片制造商在構(gòu)思新品時就要讓用戶參與。在SOC設(shè)計時，要早期超前與用戶共同商量和研究，這就涉及一個高度信任的問題，為了做好用戶的保密工作，有的公司安排不同的設(shè)計組，并指定專人與用戶接觸，不得隨意擴散。今天，芯片制造商之間的競爭不僅來自對手也將來自用戶。因為用戶已能自己設(shè)計并通過代加工得到所需的IC。2缺乏復(fù)合型人才。SOC的設(shè)計實際上是一個系統(tǒng)的設(shè)計，要求設(shè)計者具有寬廣和專門的知識，既要具有模擬電路專長，又要具有數(shù)字電路特長:要具有豐富軟件知識。目前世界上各大半導(dǎo)體公司都深深感到設(shè)計SOC人才的匾乏，連IC發(fā)源地硅谷的各大公司也感到綜合技術(shù)人才的嚴(yán)重短缺。3EDA工具的能力。目前EDA工具還不夠成熟，其處理能力己跟不上SOC工藝的發(fā)展，未能充分發(fā)揮SOC的性能。設(shè)計優(yōu)化和高效率的IP表達(dá)法將是EDA產(chǎn)業(yè)未來應(yīng)解決的問題。而面向不同系統(tǒng)的軟件和硬件的功能劃分理論支撐軟、硬件的協(xié)同設(shè)計，其中不同的系統(tǒng)涉及各種計算機系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)壓縮解壓縮和加密解密系統(tǒng)等4IP兼容性與多樣化?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)能否兼容以前設(shè)計的IP，如何使用其它公司開發(fā)的IP，能否制訂出一個IP設(shè)計和再利用的國際標(biāo)準(zhǔn)等問題都有待于進(jìn)一步解決。另外，在綜合不同來源的IP時，邏輯綜合軟件由于不能改變硬IP模塊的內(nèi)部邏輯與時序，使整個芯片的速度面積比及時序預(yù)算不能達(dá)到最佳值，最終影響芯片的整個性能。目前，IP處以緊缺狀態(tài)，急需的IP核有：AD/DA類IP核；數(shù)字家電類IP核，如JPEG，M PEG2編解碼器；移動通信類IP核，如卷積碼、Turbo碼編譯碼器、Reed Solomon編譯碼器、Blue tooth；信息處理類IP核，如高性能FFT0 I FFT(快速傅里葉變換和反變換)、正變換和反變換組合在一起的離散余弦變換器、DES加密解密處理器。5測試、封裝與散熱更高的要求。SOC芯片內(nèi)部非常復(fù)雜，研發(fā)制造的技術(shù)一直處于持續(xù)改進(jìn)的狀態(tài)，涉及數(shù)字和模擬電路的綜合測試，測試技術(shù)難度較大，使得系統(tǒng)芯片(SOC)的測試成本幾乎占芯片成本的一半，因此未來集成電路測試面臨的最大挑戰(zhàn)是如何降低測試成本。SOC芯片中在測試上遇到前所未有的難題有：晶體管的數(shù)目越來越多；為了符合顧客的需求，芯片所提供的功能越來越多；各個不同功能模塊運作的頻率往往不同；各功能模塊所使用的電壓也可能不同；各功能模塊的測試原理也不相同；如何能有效進(jìn)行SOC芯片的測試工作，是學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界與各個研究單位都在努力解決的問題。另一個要解決的問題是提高模擬電路的測試速度。由于集成度不斷提高，引線間距過窄，會增加封裝難度，從而增加封裝成本；由于電路集成度過高，布線層數(shù)增多，必須解決散熱技術(shù)問題。五、SOC芯片技術(shù)的新發(fā)展為了提高系統(tǒng)性能、降低功耗，SOC產(chǎn)品目前正在大行其道，但芯片體積和開發(fā)成本卻遇到了強大的障礙。一些半導(dǎo)體供應(yīng)商正在考慮一項新的技術(shù)SIP( System in a package)，希望能取代倍受爭議的SOC產(chǎn)品。SIP技術(shù)是將多個IC以及所需的分立和無源器件集成在一個封裝內(nèi)，形成的模塊化標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品可以像普通的器件一樣在電路板上進(jìn)行組裝。在SOC產(chǎn)品中只有一個小片(die)，SIP則包括多個堆疊在一起的小片，或?qū)⒍鄠€stacks整合在同一個襯底(substrate)上。這種高密度的封裝技術(shù)與傳統(tǒng)的采用分立和無源器件的設(shè)計相比，可顯著改善性能，有些專家甚至預(yù)計，系統(tǒng)性能的改善程度會超過SOC產(chǎn)品。在多媒體和其他一些對于數(shù)據(jù)速率要求很高的應(yīng)用中，存儲帶寬是一個關(guān)鍵的指標(biāo)，PCB上銅互連往往對于數(shù)據(jù)的傳輸形成阻礙，而不同的是，SIP可提供高密度的數(shù)據(jù)通道，即單位板面積的數(shù)據(jù)通道更多。另外，目前市場火熱的手機等混合信號產(chǎn)品，需要數(shù)字、模擬和RF技術(shù)彼此之間可靠地?zé)o縫連接，但現(xiàn)實是，敏感的RF部分更加容易受到數(shù)字部分的電磁干擾SOC產(chǎn)品中各個電路部分是在同一襯底，由于輻射等原因形成襯底禍合，需要更加可靠的設(shè)計技術(shù)和濾波技術(shù)。而SIP則通過將RF和其他電路進(jìn)行分離，在各個不同的電路部分形成一個物理隔層，最大程度地減少彼此之間的電磁干擾?？梢奡IP綜合了現(xiàn)有的芯核資源和半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝的優(yōu)勢，克服了SOC中諸如工藝兼容、信號混合、噪聲干擾等難題，故在系統(tǒng)集成領(lǐng)域的應(yīng)用前景無可限量。首先，在SOC芯片的網(wǎng)絡(luò)計算方面，技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步。在網(wǎng)絡(luò)/計算應(yīng)用中，往往要求存儲器與專用芯片集成，例如PC中的圖形模量設(shè)置典型地包含控制IC和兩個SDRAM。利用高密度襯底以SIP形式集成ASIC和存儲器可以節(jié)省成本，因為SIP減少了母板布線的層數(shù)和復(fù)雜性，同時也提高了母板的空間利用率，在有限的空間中集成更多的功能塊。其次，SOC芯片的射頻和無線方面最主要的應(yīng)用是無線通訊的工具手機。對于手機產(chǎn)業(yè)來說，更輕、更薄、功能更全面是其發(fā)展的方向，同時更高的性價比和更短的開發(fā)周期是其具備市場競爭力的基礎(chǔ)。SIP以其設(shè)計周期短、功能 增減靈活方便等優(yōu)勢而成為射頻/無線領(lǐng)域的新技術(shù)。再次，基于平臺的SOC設(shè)計技術(shù)和SIP的重用技術(shù)是SOC產(chǎn)品開發(fā)的核心技術(shù)，是未來世界集成電路技術(shù)的制高點。項目主要內(nèi)容包括：嵌入式CPU、DSP、存儲器、可編程器件及內(nèi)部總線的SOC設(shè)計平臺；集成電路IP的標(biāo)準(zhǔn)、接口、評測、交易及管理技術(shù)；嵌入式CPII主頻達(dá)1GHz，并有相應(yīng)的協(xié)處理器;在信息安全、音視頻處理上有1012種平臺；集成電路IP數(shù)量達(dá)100種以上等。另外，在SOC芯片技術(shù)的傳感器發(fā)展方面。微型傳感器技術(shù)近年來發(fā)展迅速，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，例如生物醫(yī)學(xué)傳感器、圖像傳感器、MEMS傳感器等，同時傳感器正被逐步集成于手機等袖珍器件中。在這些應(yīng)用中，小體積、低成本、易于集成是成功實現(xiàn)系統(tǒng)集成的關(guān)鍵，而SIP技術(shù)不僅可以實現(xiàn)混合器件、混合信號的集成，而且具備系統(tǒng)體積小、設(shè)計靈活、花費少的特點，是實現(xiàn)微型傳感器的有力手段之一。對生命周期相對較長的產(chǎn)品來說，SoC將繼續(xù)作為許多產(chǎn)品的核心；而若對產(chǎn)品開發(fā)周期要求高、生命周期短、面積小、靈活性較高，則應(yīng)使用SiP。 現(xiàn)代集成技術(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了過去40年中一直以摩爾定律發(fā)展的CMOS(互補金屬氧化物半導(dǎo)體)工藝。人們正在為低成本無源元件集成和MEMS(微機電系統(tǒng))傳感器、開關(guān)和振蕩器等電器元件開發(fā)新的基于硅晶的技術(shù)。這意味著與集成到傳統(tǒng)CMOS芯片相比，可以把更多的功能放到SiP封裝(系統(tǒng)級封裝)中，這些新技術(shù)并不會替代CMOS芯片，而只是作為補充。 如果沒有足夠的理由使用SiP，SoC將繼續(xù)作為許多產(chǎn)品的核心，尤其是對生命周期相對較長的產(chǎn)品來說。若對產(chǎn)品開發(fā)周期要求高、生命周期短、面積小、靈活性較高，則應(yīng)使用SiP。SiP的另一個應(yīng)用領(lǐng)域是那些采用高級CMOS不能簡單實現(xiàn)所需功能的產(chǎn)品，如MEMS和傳感器應(yīng)用，以及要求有完整的系統(tǒng)解決方案的產(chǎn)品。 （一）SiP縮短產(chǎn)品開發(fā)周期 在國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖(ITRS)的推動下，摩爾定律的預(yù)言一再地被半導(dǎo)體行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步所印證，而CMOS工藝則一直是實現(xiàn)芯片晶體管時密度最高、成本最低的半導(dǎo)體工藝。如果產(chǎn)品能用CMOS工藝來制造，而且設(shè)計速度足夠快，能夠滿足產(chǎn)品開發(fā)周期期限并實現(xiàn)大批量銷售，那么系統(tǒng)級芯片(SoC)幾乎總是最便宜、體積最小的解決方案。 例如，65nmCMOS工藝能將80萬門電路封裝到1mm 2的芯片上，45nm CMOS工藝則已經(jīng)把160萬門電路封裝到1mm 2的芯片上。在成本方面，先進(jìn)的 CMOSSoC，如NXP為汽車無線電或數(shù)字電視處理器開發(fā)的數(shù)字信號處理集成電路，實現(xiàn)了先進(jìn)的多媒體功能，價格卻只有幾美元。 此外，CMOS不再局限于數(shù)字系統(tǒng)。最新的CMOSIP(半導(dǎo)體知識產(chǎn)權(quán))庫提供了廣泛的系列模擬信號和混合信號功能，另外還將提供RF(射頻)功能，可以把完整的RF功能集成到SoC中。 除其他因素外，數(shù)字功能、模擬功能、RF功能和存儲功能是否集成到SoC中很大程度上取決于市場對產(chǎn)品設(shè)計周期的要求。在日新月異的移動通信市場中，產(chǎn)品周期短，滿足產(chǎn)品開發(fā)周期至關(guān)重要。 在理想情況下，客戶青睞于真正的即插即用元件，這些元件能得到可復(fù)制的參考設(shè)計支持，這使得SiP解決方案非常流行。根據(jù)客戶的需要，客戶只要改變一個或幾個IC(集成電路)芯片，其他IC保持不變，就可以實現(xiàn)新產(chǎn)品。 如果要追求更低的成本，當(dāng)然也可以把這些單個的IC芯片集成到SoC中，但這需要時間。將若干單獨的芯片封裝在一起，不僅提供了靈活性，而且降低了基板面積，因為芯片可以層疊在一起。這些功能在移動通信市場中具有重要意義。 例如，NXPNFC(近距離無線通訊技術(shù))PN65N就是移動通信產(chǎn)品中使用的一種SiP。一個NFC控制器集成電路和一個安全控制器集成電路層疊在一起，中間有一個硅晶墊圈。之所以選擇SiP，是基于產(chǎn)品開發(fā)周期、靈活性和降低面積等因素考慮。在家庭市場和汽車市場中，產(chǎn)品生命周期和設(shè)計周期比較長，許多產(chǎn)品使用SoC。大型SoC可能需要幾個月的設(shè)計工時。但是，如果市場足夠大，壽命足夠長，那么可以持續(xù)開發(fā)SoC版本，根據(jù)客戶需求來降低系統(tǒng)成本。 （二）兩種技術(shù)各有千秋 如果SiP解決方案比SoC解決方案便宜，那么即使家庭市場和汽車市場也會使用SiP解決方案。例如，假設(shè)一個系統(tǒng)包含一個CPU(中央處理器)、多個硬件加速單元和大量的DRAM(動態(tài)隨機存儲器)，盡管僅僅通過基本的CMOS工藝就能制造DRAM，但為了有效地利用芯片面積，需要增加光刻次數(shù)，這就會明顯地提高芯片制造的成本。 大型存儲器通常使用優(yōu)化的工藝技術(shù)制成，這意味著存儲器和系統(tǒng)其余部分之間在生產(chǎn)技術(shù)方面有著明顯的差異。因此，雙芯片解決方案可能會變得很有吸引力，其中一個是CPU和硬件加速器芯片，另一個是DRAM芯片，使用層堆晶?；騊oP(堆疊封裝)方法將這兩顆芯片封裝在一起。正是在這類技術(shù)劃分中，理論上兩種晶粒都可以在CMOS工藝中實現(xiàn)，所以才出現(xiàn)了今天的SiP與SoC之爭。 系統(tǒng)使用SoC方案還是SiP方案，不僅取決于工藝技術(shù)的差異，而且還受到大量其他因素的影響，如成本、性能、尺寸、可靠性和設(shè)計難度。有意思的是，不一定因為系統(tǒng)能夠在單個CMOS工藝技術(shù)中得以實現(xiàn)，就要使用這種技術(shù)實現(xiàn)這個系統(tǒng)，還需要考慮其他因素。 如果技術(shù)劃分是所有SiP的核心，那么生產(chǎn)經(jīng)濟的高性能SiP的關(guān)鍵是正確實現(xiàn)這種技術(shù)劃分，這要求在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上全面了解應(yīng)用，以便考察把某種功能從一種技術(shù)實現(xiàn)方式轉(zhuǎn)到另一種方式所產(chǎn)生的后果。 在這里，擁有廣泛工藝技術(shù)的半導(dǎo)體制造商有著明顯的優(yōu)勢，因為他們可以專門設(shè)計SiP的各個元件，進(jìn)而來適應(yīng)選定的結(jié)構(gòu)。從不同制造商采購元件的模塊制造商則不可避免地會喪失這些元件設(shè)計的部分控制能力，從而使實現(xiàn)系統(tǒng)劃分的難度大大提高。 如果產(chǎn)品開發(fā)周期要求緊，且SiP提供的解決方案比SoC便宜，最好采用SiP解決方案。更重要的是，SiP實現(xiàn)了完整的系統(tǒng)解決方案，而高集成的CMOSSoC則略遜一籌，如數(shù)字系統(tǒng)經(jīng)常需要外部元件，如解耦電容、頻率參考晶體、定時電容和靜電放電保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。例如，集成了RF收發(fā)器的SoC可能仍需要天線開關(guān)和濾波器等外部元件，我們必須設(shè)計并把這些元件組裝到印刷電路板上。而有了SiP，所有這些功能都可以集成到一個封裝中，而其能否實現(xiàn)只是取決于最終產(chǎn)品中提供的空間和成本。SiP占用的空間通常比較少，但在大多數(shù)情況下成本要高于使用分立元件。 （三）面臨各自封裝技術(shù)挑戰(zhàn) 如前所