SiP vs. SoC expliqué : principales différences, avantages et inconvénients, et applications

SoC (System on Chip) et SiP (System in Package) sont deux façons d'intégrer un système complet dans un petit espace. Un SoC conventionnel intègre les principales fonctions système sur une seule puce de silicium, tandis qu'un SiP intègre plusieurs puces et/ou d'autres composants dans un seul emballage. Les deux ne sont pas mutuellement exclusifs, et de nombreux produits utilisent les deux. Cet article explique ce que chacun est, comment ils diffèrent, et comment choisir entre eux pour votre projet.

Catalogue

Figure 1. SoC (System on Chip) vs. SiP (System in Package)

Qu'est-ce que le SoC

Définition

Un SoC (System on Chip) est un circuit intégré qui intègre les principaux blocs fonctionnels d'un système électronique. Dans un SoC monolithique conventionnel, ces blocs sont intégrés sur une seule pièce de silicium, ou die. Selon l'application, ces blocs peuvent inclure des cœurs de processeur, de la mémoire, des interfaces périphériques et des circuits analogiques ou sans fil. Un SoC basé sur des chiplets peut contenir plusieurs dies, donc SoC et SiP ne sont pas mutuellement exclusifs.

Vous trouverez des SoC dans de nombreux appareils que vous utilisez quotidiennement. Les processeurs d'application pour smartphones sont un exemple bien connu, et de nombreux microcontrôleurs avec connectivité sans fil intégrée sont également décrits comme des SoC.

Avantages

• Latence et énergie d'interconnexion réduites. Les blocs sur la même die sont connectés par des fils très courts à l'intérieur du chip, ce qui signifie généralement une faible latence, une bande passante élevée, et une faible énergie par bit transféré.

• Coût unitaire bas à fort volume. Le coût unitaire dépend du volume, du rendement des dies, du processus, de l'emballage, des tests et des coûts de conception.

• Empreinte compacte. Une seule puce remplace ce qui serait autrement plusieurs composants séparés.

Limitations

• Coût initial élevé. Concevoir, vérifier et fabriquer un nouveau SoC, surtout sur un nœud de processus avancé, nécessite des efforts d'ingénierie significatifs et des dépenses ponctuelles (NRE, ou coût d'ingénierie non récurrent).

• Cycle de développement long. Les changements tardifs dans le processus sont coûteux, donc le calendrier est généralement mesuré en plusieurs mois ou années.

• Sensibilité au rendement. Tout étant égal par ailleurs, les dies plus grands ont une probabilité plus élevée de contenir des défauts de fabrication, ce qui peut réduire le rendement et augmenter le coût.

Qu'est-ce que le SiP

Définition

Un SiP (System in Package) place plusieurs composants à l'intérieur d'un seul emballage afin qu'ils fonctionnent ensemble comme un système ou sous-système complet. Ces composants peuvent inclure plusieurs dies de semi-conducteurs, tels qu'un processeur, de la mémoire, et une puce RF, ainsi que des composants passifs tels que des résistances, des condensateurs et des inducteurs. Certains designs incluent également des cristaux ou des antennes.

Le point clé est que les dies à l'intérieur d'un SiP n'ont pas besoin de provenir du même processus ou même du même fabricant. Un processeur fabriqué sur un processus logique avancé peut se trouver à côté d'une die de mémoire et d'une die RF construite sur des technologies complètement différentes.

Plusieurs techniques d'emballage sont utilisées pour connecter ces pièces, y compris le wire bonding, le choix flip-chip, l'empilement de die, les substrats intégrés, et l'intégration 2.5D et 3D basée sur interposeur. Le bon choix dépend des performances, de la taille et des objectifs de coût.

Le SiP est courant dans des produits compacts et multifonctionnels tels que les montres intelligentes, les écouteurs sans fil, les modules IoT et les modules avant RF.

Figure 2. Une construction SiP simplifiée

Avantages

• Intégration hétérogène. Des dies fabriqués avec différentes technologies peuvent être combinés dans un même paquet.

• Temps de développement réduit. Des dies existants et éprouvés peuvent être réutilisés, il n'est donc pas nécessaire de tout redessiner en tant que nouvelle puce.

• Coûts NRE en silicium potentiellement réduits. La réutilisation de dies existants peut réduire le besoin d'une puce entièrement personnalisée, bien que les conceptions SiP avancées puissent toujours nécessiter des coûts de développement et d'intégration de paquet significatifs.

• Économies d'espace sur la carte. L'intégration de passifs et de plusieurs puces dans un même paquet réduit la surface du PCB et simplifie la mise en page de la carte.

• Flexibilité. Dans de nombreux conceptions, des dies individuels peuvent parfois être réutilisés ou remplacés d'une révision de produit à l'autre, à condition que les interfaces électriques, mécaniques, thermiques et de paquet restent compatibles.

Limites

• Complexité de l'emballage. Assembler plusieurs dies et composants dans un même paquet nécessite une conception minutieuse et un contrôle des processus.

• Gestion thermique. Plusieurs sources de chaleur dans un petit espace rendent la dissipation thermique un facteur à prendre en compte dans la conception.

• Performance des interconnexions. Les interconnexions die-à-die ont généralement une latence et un coût énergétique plus élevés que les interconnexions locales sur die, bien que des emballages 2.5D et 3D avancés puissent réduire considérablement l'écart.

• Coût par unité à des volumes très élevés. Les coûts d'emballage et d'assemblage peuvent rendre un SiP plus coûteux par unité qu'un SoC entièrement intégré lorsque les volumes sont très importants.

SiP vs. SoC : Différences clés

SoC et SiP décrivent différents niveaux d'intégration et peuvent être utilisés ensemble. Le tableau ci-dessous résume les principales différences. Ce sont des tendances générales. Les résultats réels varient selon la conception spécifique, le processus et le volume.

Aspect	SoC	SiP
Niveau d'intégration	Fonctions majeures intégrées sur un die dans un SoC monolithique conventionnel	Plusieurs dies et/ou composants intégrés dans un même paquet
Processus de fabrication	Un SoC monolithique conventionnel utilise généralement une seule technologie de processus à travers le die	Différentes technologies de processus peuvent être combinées
Temps de développement	Généralement plus long	Souvent plus court, surtout lors de la réutilisation de dies existants
Coût initial (NRE)	Souvent plus élevé pour un nouveau SoC personnalisé	Peut être plus bas du côté silicium, mais le NRE de l'emballage peut toujours être significatif
Coût par unité à volume élevé	Peut être inférieur après amortissement du NRE	Peut être compétitif, mais les coûts d'emballage et d'assemblage peuvent être plus élevés
Performance des interconnexions	L'interconnexion sur die offre généralement une faible latence et une faible consommation d'énergie	L'interconnexion die-à-die/package ajoute des frais généraux liés à l'emballage
Efficacité énergétique	Souvent meilleure pour des fonctions étroitement couplées	Dépend de la conception et de l'emballage
Flexibilité après conception	Les modifications peuvent nécessiter une redéfinition du silicium	Les dies existants peuvent être réutilisés, mais la compatibilité des interfaces doit être maintenue
Conception thermique	La chaleur est concentrée à l'intérieur du paquet/die SoC	Plusieurs sources de chaleur à gérer
Considérations de rendement	Les dies monolithiques plus grands sont généralement plus exposés aux défauts au niveau du die	Des dies plus petits peuvent améliorer le rendement de chaque die individuel, mais le rendement de l'assemblage du paquet et de l'intégration compte également

Le SiP et le SoC ne sont pas mutuellement exclusifs

Il est facile de lire cette comparaison comme un choix entre deux options concurrentes, mais elles fonctionnent souvent ensemble. Un SiP peut contenir un SoC comme l'un de ses dies. Un module sans fil, par exemple, peut emballer un SoC avec un cristal, des composants correspondants et une puce de mémoire. La vraie question n'est souvent pas "SiP ou SoC" mais quelles fonctions devraient être intégrées sur un die et lesquelles devraient être combinées au niveau du paquet.

Termes connexes à connaître

Quelques autres termes apparaissent fréquemment dans cette discussion :

• MCM (Module Multi-Chip) : Un terme ancien et encore utilisé pour un paquet ou un module contenant plusieurs puces. La ligne entre MCM et SiP n'est pas strictement définie, et l'utilisation varie à travers l'industrie. SiP est généralement utilisé lorsque le paquet offre une fonction système plus complète.

• Chiplet : Un petit die conçu pour être combiné avec d'autres dies dans un même paquet, généralement comme partie d'un processeur ou d'un système plus large. Les conceptions basées sur des chiplets s'appuient sur des emballages avancés, et certaines utilisent des interfaces die-à-die standardisées telles que UCIe. Un produit basé sur des chiplets peut tomber dans la catégorie plus large de l'intégration multi-die ou système-en-emballage, en fonction de la définition du produit.

• SoM (Système sur Module) : Une petite carte de circuit qui transporte un processeur ou SoC avec des composants tels que la mémoire et la gestion de l'alimentation et est conçue pour se connecter ou être soudée sur une carte porteuse plus grande. La principale différence avec SiP réside dans le niveau d'intégration : un SoM est un module au niveau de la carte construit autour d'un processeur ou SoC, généralement sur un petit PCB. Un SiP intègre des composants au niveau du boîtier plutôt qu'au niveau de la carte.

Considérations de conception et de fabrication

Flux de conception

Un projet SoC suit un flux de conception de puce : définition de l'architecture, rédaction et vérification de la conception logique, synthèse, mise en page physique, et enfin mise en bande à une fonderie. Étant donné qu'une erreur de fabrication peut nécessiter un coût élevé de reprise, la vérification est approfondie et prend une grande part du calendrier.

Un projet SiP commence différemment. L'équipe décide d'abord comment partitionner le système, puis sélectionne les dies et composants, conçoit le substrat du package, et évalue le comportement électrique et thermique de l'assemblage. Beaucoup d'efforts vont dans la conception et l'intégration au niveau du package, pas dans la conception de nouveaux silicium.

Tests

Les tests SoC incluent généralement des tests au niveau du wafer suivis de tests finaux après emballage.

Dans un SiP, les tests ont une dimension supplémentaire. Si un die défectueux est assemblé dans un package aux côtés de fonctionnels, tout le package peut être perdu. Pour cette raison, les Known Good Die (KGD), c'est-à-dire les dies vérifiés comme fonctionnels avant l'assemblage, sont très importants, en particulier lorsque des composants coûteux sont impliqués. Après l'assemblage, le package est à nouveau testé en tant que système complet.

Chaîne d'approvisionnement

Pour une entreprise SoC sans fonderie, la fabrication de wafer est généralement gérée par une fonderie de semi-conducteurs, suivie de l'emballage et du test, soit en interne, soit par le biais de fournisseurs externes. La production de SiP peut impliquer des OSAT ou d'autres fournisseurs de conditionnement et d'assemblage, souvent avec des composants provenant de plusieurs fournisseurs. La disponibilité de chaque composant, et la capacité d'obtenir des dies dans une forme adaptée à l'emballage, deviennent partie intégrante de la planification du projet.

Intégrité thermique et des signaux

Dans un SiP, plusieurs dies ou composants fonctionnent très proches les uns des autres, donc la conception thermique doit prendre en compte la génération de chaleur, la diffusion de chaleur et le couplage thermique au sein du package. L'intégrité des signaux et de l'alimentation nécessite également de l'attention en raison des interconnexions denses entre les dies et les composants.

Les SoC nécessitent une analyse similaire. Qu'ils soient implémentés en tant que die monolithique ou en tant que conception basée sur des chiplets, les performances thermiques dépendent non seulement du silicium mais aussi du package et du PCB. Les SoC et les SiP nécessitent donc une analyse thermique au niveau du package et de la carte, ainsi que des considérations d'intégrité des signaux et de l'alimentation lorsque cela est applicable.

Applications et comment choisir la bonne

Applications courantes des SoC et SiP

Les SoC sont largement utilisés là où de grands volumes et des performances exigeantes justifient l'investissement dans une puce personnalisée. Parmi les exemples figurent les processeurs de smartphones, les tablettes et d'autres appareils électroniques grand public à fort volume.

Les SiP sont courants dans les appareils compacts qui combinent différents types de fonctions, tels que les appareils portables, les écouteurs sans fil, les modules IoT, les modules front-end RF et les petits dispositifs médicaux. Ils apparaissent également dans l'électronique automobile et aéronautique, où la taille, le poids et l'intégration sont importants.

Un guide pratique de décision

Les questions suivantes peuvent aider à affiner le choix :

• Quelle est la taille du volume de production ? Des volumes très élevés peuvent justifier le coût initial d'un SoC. Des volumes petits à moyens peuvent favoriser le SiP lorsqu'il est important d'éviter des frais d'ingénierie non récurrents élevés pour le silicium.

• Quelle est la contrainte de temps ? Si le délai de mise sur le marché est critique, assembler des dies éprouvés dans un SiP peut être plus rapide que de développer une nouvelle puce.

• Avez-vous besoin de technologies différentes ? Si votre produit combine RF, analogique, mémoire, capteurs et logique qui sont mieux fabriqués sur différents procédés, un SiP peut être un bon choix.

• Quelles sont les contraintes de taille et de puissance ? Les deux approches économisent de l'espace par rapport aux composants discrets. Pour des fonctions étroitement couplées où la communication sur die est critique, un SoC peut offrir des avantages en matière de latence et d'énergie d'interconnexion.

• Quelle flexibilité aurez-vous besoin plus tard ? Si vous prévoyez de mettre à niveau ou d'échanger des parties du système, un SiP offre plus de marge pour le faire.

• Quelle est la structure budgétaire ? Considérez NRE et coût unitaire ensemble, pas séparément. Un coût initial plus bas peut ne pas être l'option la moins chère sur l'ensemble du cycle de production.

Figure 3. Un guide général pour choisir entre SiP et SoC

En pratique, de nombreux produits utilisent les deux : un SoC pour le traitement central, conditionné avec d'autres composants dans un SiP.

Exemple concret : STM32WB5MMG de ST

Le STM32WB5MMG de STMicroelectronics est un exemple de la manière dont un SiP peut intégrer des circuits de support qui pourraient autrement être placés sur le PCB. La fiche technique de ST le décrit comme un package SiP-LGA86 qui intègre un MCU sans fil STM32WB55VGY ainsi que des cristaux de 32 MHz et 32 kHz, des composants d'adaptation RF et une antenne. Il comprend également des composants passifs pour l'alimentation à mode commuté (SMPS) et un IPD pour l'adaptation RF et le rejet des harmoniques.

Dans une conception conventionnelle, certains de ces composants de support seraient placés séparément sur le PCB de l'application. En les intégrant dans le package, le module réduit le circuit externe requis autour du MCU et peut simplifier la conception du matériel RF. ST décrit le STM32WB5MMG comme un module sans fil à facteur de forme réduit avec une nomenclature entièrement intégrée, y compris les cristaux de 32 MHz et 32 kHz, et une antenne à puce intégrée.

Tendances futures

La frontière entre SoC et SiP devient moins rigide. Les technologies d'emballage avancées, y compris l'intégration 2.5D et 3D et l'emballage en fan-out, permettent de connecter les dies de manière plus dense et plus efficace qu'auparavant. En même temps, l'approche chiplet décompose les grandes conceptions en dies plus petits qui peuvent être fabriqués séparément et combinés dans un seul package, ce qui peut aider au rendement et à la réutilisation de la conception.

La demande croissante pour une densité de calcul plus élevée, la bande passante et des facteurs de forme compacts stimule les investissements continus dans l'intégration hétérogène et l'emballage avancé. Ces tendances suggèrent que l'intégration au niveau du package continuera à gagner en importance aux côtés de l'intégration sur puce.

Conclusion

SoC et SiP répondent au même défi à différents niveaux. Un SoC intègre des fonctions sur un seul die, offrant des performances élevées et un coût unitaire bas à des volumes élevés, mais avec un investissement initial élevé. Un SiP intègre plusieurs dies et composants dans un seul package, offrant flexibilité, développement plus rapide et la capacité de mélanger des technologies, avec des compromis en termes de complexité d'emballage et de coût par unité à grande échelle.

Aucun des deux n'est meilleur dans tous les cas. Le bon choix dépend de votre volume, de votre calendrier, de vos exigences techniques et de votre budget, et dans de nombreuses conceptions, la réponse consiste à utiliser les deux.

Questions fréquemment posées [FAQ]

1. Un SiP peut-il contenir un SoC ?

Oui. Un SoC est l'un des dies à l'intérieur d'un SiP, emballés ensemble avec des composants tels que la mémoire, les composants RF, les cristaux et les composants passifs. Un module sans fil est un exemple courant.

2. Un SiP utilise-t-il toujours plusieurs dies ?

Pas nécessairement. Un SiP est un package ou un module qui contient un système électronique fonctionnel ou un sous-système et peut intégrer un ou plusieurs chips avec d'autres composants. Beaucoup de SiPs contiennent plusieurs dies, mais certaines conceptions combinent un seul die avec des composants passifs ou d'autres dispositifs. L'utilisation du terme peut varier dans l'industrie.

3. Une conception basée sur des chiplets peut-elle être considérée comme un SiP ?

Dans de nombreux cas, oui. Un produit basé sur des chiplets place plusieurs dies dans un seul package, ce qui correspond à l'idée générale d'un SiP. Les termes mettent cependant l'accent sur des choses différentes : "chiplet" fait référence à des dies modulaires et réutilisables, souvent connectés par des interfaces standardisées die-à-die, tandis que "SiP" décrit une intégration au niveau du système dans un package. Certaines sources les traitent comme des catégories distinctes, donc la frontière n'est pas stricte.

4. Les dies individuels dans un SiP peuvent-ils être remplacés plus tard ?

Les dies individuels ne sont généralement pas remplaçables sur le terrain une fois que le SiP a été assemblé. La flexibilité s'applique principalement à la phase de conception et de révision du produit : un die compatible peut être remplacé ou mis à niveau dans une nouvelle version du SiP sans redessiner l'ensemble du système. La compatibilité électrique, mécanique, thermique et d'interface doit encore être prise en compte.

5. Un SiP coûte-t-il toujours moins cher que le développement d'un SoC ?

Non. Un SiP peut avoir un NRE en silicium initial inférieur lorsqu'il réutilise des dies existants au lieu de nécessiter un nouveau SoC personnalisé. Cependant, les conceptions SiP impliquent également des coûts de package, de substrat, d'assemblage et de test. À des volumes de production élevés, un SoC personnalisé peut atteindre un coût unitaire inférieur après que ses coûts de développement aient été amortis. Le coût global dépend de facteurs tels que le volume de production, la complexité du package, le nombre de dies, le rendement et les exigences de développement.