System-in-a-package (SIP, пакетированная система) и system-on-a-chip (SOC, система в кристалле) - это альтернативные технологии в производстве интегральных полупроводниковых приборов и электронной техники. В выборе между ними, разработчикам электронной техники необходимо понять сильные и слабые стороны обеих технологий.
Выбирая SIP ("system-in-a-package"), а не SOC ("system-on-a-chip"), для конструкции конечного продукта, можно существенно сократить время выхода продукта на рынок и снизить затраты на его разработку. Но развитие технологий может изменить баланс обратно в пользу SOC.
SIP и SOC предоставляют альтернативные подходы к разработке продукта.
Полупроводниковая промышленность продолжает обсуждать относительные достоинства SIP- и SOC-технологий. Каждая из них предоставляет различные уровни интеграции полупроводников. Сейчас SIP-технологии сборки  более продвинуты, чем  индивидуальные многокристальные модули минувших дней с высокой стоимостью. Но технология "система на кристалле" завоевывает все большее признание как идеальное решение для радиочастотных (RF) схем и становится все более надежной за счет использования стандартных CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) процессов. Конструкторам электронной техники необходимо знать, какая из двух технологий лучше, в каких случаях и почему.
Определения SIP и SOC
Прежде чем рассматривать эти вопросы, необходимо дать определения SIP и SOC. Существует почти столько же определений SIP, сколько существует компаний по производству SIP-устройств. Для одних предпочтительным является определение, что SIP-это единый пакет, который включает в себя одну или более интегральных схем (ИС) и/или пассивных устройств с множественными взаимосвязями. Это дает возможность комбинировать различные технологии и приложения с использованием активных и пассивных компонентов для формирования полной системы или подсистемы. Другими словами, SIP включает в себя логику, память и, возможно, аналоговые или радиочастотные устройства. На уровне межэлементных соединений, SIP включает в себя любое сочетание проводное межкристальное (wire-bond), поверхностное межкристальное (flip-chip) и многоярусные пакеты кристаллов (stacked-die). Технология пакетирования кристаллов используется, чтобы уменьшить размер и увеличить функциональность SIP-устройства.
В отличие от этого, SOC предназначена для конкретных приложений. Она включает в себя compute engine (микропроцессорное ядро, цифровой сигнальный процессор или графическое ядро), память и логику на одном кристалле. Существует два типа SOC-устройств: специальная интегральная схема (ASICs), которая производится только для одного потребителя или только для стандартных изделий (платы ASSP), которые продаются более чем одному потребителю. Это определение SOC-устройств охватывает рынок электронной техники в более чем $40 млрд. в 2004 году и более $70 млрд. в 2010 году. SOC-устройства теперь составляют более половины всех новых ASIC- и ASSP-конструкций.
Сравнение особенности SIP- и SOC-устройств:

Преимущества SIP-подхода:

SIP-технология предлагает проектировщикам жизнеспособную альтернативу SOC-конструкциям. Разработчики продолжают искать пути достижения все более высоких уровней интеграции. SIP-подход обеспечивает возможность смешивать полупроводниковые технологии с другими функциональными компонентами в один пакет, который, во многих случаях, имеет те же характеристики, как и единая микросхема для всего устройства. 

Одним из главных преимуществ технологии SIP, по сравнению с SOC, заключается в том, что микросхемы из разнородных материалов могут быть интегрированы сравнительно легко. С механической точки зрения SIP может сочетать внутри одного пакета различные кристаллы и компоненты. Это основное отличие по сравнению с SOC-устройством. В настоящее время, очень сложно иметь микросхемы из двух разных материалов - например, арсенида галлия и кремния на одной пластине. Даже если разные микросхемы сделаны из одинакового материала, обработка кристаллов может сильно различаться - например, фундаментальные структуры радиочастотных микросхем отличаются от микропроцессоров или памяти. Таким образом, SIP-подход может быть лучшим, или даже единственным способом сочетать кристаллы, которые значительно отличаются друг от друга. 

SIP-технология также обеспечивает преимущества с точки зрения рынка и жизненного цикла продукта. Как раз эти факторы становятся все более критическими для развития  большинства продуктов на многих рынках. Время разработки для SOC колеблется от 9 до 12 месяцев, во многих случаях это неприемлемый срок, так как жизненные циклы изделий становятся короче, и многие продукты устаревают в течение одного-двух лет. Сегодня мобильный телефон может быть востребованным продуктом от 6 до 18 месяцев. Новое изделие-игрушка может иметь жизненный цикл всего один месяц. Вероятность вывода на рынок подобного продукта при проектировании SOC, которая будет удовлетворять конкретным требованиям рынка в течение двух лет, является низкой. И короткий жизненный цикл продукта может означать, что он никогда не будет производится в достаточно большом объеме, чтобы окупить свою стоимость, - особенно, если компоненты были разработаны по SOC- или ASIC-технологии. Таким образом, SOC-разработка предполагает высокий уровень инвестиционного риска.

SIP-подход также обеспечивает более низкие затраты на разработку, чем SOC-подход. SOC-разработка имеет стоимость в диапазоне от $15 млн. до $20 млн. на 0.13 микрон. Предполагая, что производитель будет продавать 1 млн таких устройств, амортизированная стоимость устройства будет составлять от $15 до $20. Во многих случаях это превышает производственные затраты на микросхему, и что означает, что подход NRЕ (non-recurring engineering) является важной составляющей SOC-разработки.

Многие разработчики электронных продуктов обращаются к SIP-подходу, так как это способ снижения инвестиционного риска, сокращение времени выхода на рынок и снижение затрат на разработку. Многие из новых SIP-продуктов в настоящее время становится доступны в срок от 3 до 9 месяцев. Кроме того, итерация SIP-разработки (чтобы повторить или улучшить его), менее затратна и гораздо быстрее, чем SOC. Типичный SIP-субстрат разрабатывается  4-6 недель, и стоит от $5000 до $25,000. Период полного выхода на производство может занять всего 3 месяца. Это означает, что поставщики могут быстро изменить существующий SIP-проект, чтобы соответствовать динамично меняющимся требованиям среды - например, рынок мобильных телефонов.

Другими ключевыми свойствами SIP-изделий являются технологии 3-х мерного пакетирования и утоньшения кристаллов. Это позволяет многокристальным пакетам иметь тот же форм-фактор, как и более традиционные однокристальные устройства. Так же, отдельные кристаллы в SIP можно протестировать как в виде голого кристалла, так и в "микро-пакете" до начала их интеграции в модуль SIP.

Проблемы SIP-подхода
Большинство SIP-производств находятся на аутсорсинге, что означает изготовление SIP-сборок, методами и процессами из различных подотраслей радиоэлектронной промышленности. Технология SIP сочетает в себе surface-mount technology (SMT), используемую EMS (промышленностью электронной техники) с технологией пакетирования полупроводниковых кристаллов, используемой SATS (промышленностью сборки и тестирования полупроводников). Это означает, что в технологии конкретного предприятия должны быть решены важные инфраструктурные вопросы комбинирования технологий EMS и SATS.

 Две отрасли промышленности используют разное оборудование и разные наборы навыков. Сочетание технических навыков, необходимых для SIP - это сочетание навыков специалистов по сборке пакетов и сборке печатных плат. Большинство SIP-производителей принимают на работу специалистов с той или иной квалификацией, а затем обучают их другой. 

EMS- и SATS-отрасли также имеют совершенно разные бизнес-модели. SATS-компании, как правило, имеют валовую маржу в диапазоне 20%, в то время как EMS-компании имеют валовую прибыль в диапазоне 10%. Разница в этих операционных моделях обеспечивается, в основном разницей в общепроизводственных расходах (чистая комната по сравнению со стандартным производством), исследования и разработки, оборудование и трудовые затраты. Потому что SIP-технология требует сочетания технологических процессов обеих отраслей, SIP-производители должны разработать новую операционную модель, которая смешивает SATS-и EMS-бизнес-структуры. Это открывает возможности для EMS-компаний, которые приобретают SATS-компании для повышения эффективности управления цепями поставок и увеличением маржи.

 Возможно самой большой проблемой для SIP-поставщиков является решение ключевой производственный задачи: каждый кристалл должен быть "проверенно исправным" - то есть, полностью протестирован перед сборкой. Если каждый кристалл не проходит предварительное тестирование до сборки в SIP, то один непроверенный, дефектный кристалл приведет в конечном устройстве дефекту всего пакета. Стоимость любого, даже самого маленького дефекта, таким образом, очень высока, что делает процесс тестирования чрезвычайно важным и решающим. SOC-производства, могут иметь преимущество в этой области. A SOC-это один кристалл (хотя и более сложный, чем в SIP) и может быть легко протестирована полностью после корпусирования.
 

Применение SIP:
Первичный спрос на SIP-устройства был обусловлен сотовыми телефонами, Bluetooth, Wi-Fi, CMOS-датчикми изображения, компьютерной графикой и сетями с коммутацией пакетов.

 SIP должен быть рассмотрен для беспроводной связи, радиопередачи и устройств памяти. С SIP, каждый функциональный блок (кристалл и/или пассивные комбинации) может быть изготовлен с использованием лучших технологий изготовления кристаллов для этого блока.

Одна из причин использования SIP-устройства в беспроводных приложениях является простота интеграции, предоставляемая в технологии SIP.  "Plug and play" подход позволяет разрабатывать SIP-устройства, адаптированные для конкретного рынка включая в пакет различные модули, которые используют различные кристаллы. Например, несколько различных радиочастотных проектов могут быть разработаны для различных сегментов рынка, без изменения микросхемы радиомодуля. Для сравнения технология "система на кристалле" ограничивает разработку интеграцией, получаемой в пределах одного кристалл. 

Беспроводные приложения, созданные вокруг SIP могут быть гораздо компактнее, чем другие проектные решения. SIP может интегрировать в одном устройстве всю радиочастотную схему, в том числе антенный переключатель и усилитель мощности. Пассивные компоненты с "высоким Q" (добротностью) могут быть интегрированы в устройства. (Q является мерой качества фильтра в плане выбора частоты или отклонения). В результате получается единый пакет с антенным сигналом, который поступает на выход и с цифровыми данными на выходе.

 Конструкторы электронных изделий должны учитывать многие проблемы при выборе SIP-устройств для включения в новые продукты. Они должны, конечно, учитывать технические вопросы, связанные с различными подложками и способами пакетирования, и эффективность межкристальных соединений. Но они также должны учитывать способность IDM или SATS-поставщика производить SIP-устройство в большом объеме при эффективной цене, одновременно удовлетворяя требованиям надежности. Ключом к разработке оптимального SIP-решение является выбор IDM-или SATS-провайдера, который имеет средства,соответствующие типу разрабатываемого продукта.

SOC-технология также имеет свои преимущества и сталкивается с проблемами
Как описано выше, SIP-технология предоставляет множество интеграционных преимуществ. Но и технологии "система на кристалле" также имеет много преимуществ, в первую очередь, в уменьшении размера и плотности межэлеменнтных соединений. Основные преимущества, предоставляемые SOC-интеграцией являются:

• снижение общей стоимости системы, в результате снижения расходов на компонентов и печатную плату;
• повышенная производительность, вследствие более короткого пути сигнала между процессором, памятью и другими логическими компонентами;
• низкое энергопотребление за счет уменьшения числа компонентов, а значит и увеличенное время работы от аккумулятора;
• меньший размер, поскольку меньшее количество компонентов приводит к меньшему размер платы.

SOC - это специализированные продукты, предназначенные для проникновения в сложившиеся рынки с большим объемом, в которых потенциал длительности жизненного цикла продукта является относительно долгим. Это также означает, что не будет необходимости постоянно совершенствовать SOC-продукты. 

SOC-продавцы постоянно сталкиваются с проблемами в области проектирования, тестирования и верификации. Использование интеллектуальной собственности внешних подрядчиков во многих разработках SOC означает, что интеграция может оказаться сложной, потому что права интеллектуальной собственности могут быть несовместимы ключевыми процессами разработки устройства. Интеграции несовместимых функций на одном кристалле не часто заканчивается успешно и увеличивает отношение затрат к прибыли. В качестве примера можно привести интеграцию DRAM и флэш-памяти или цифровых и радиочастотных цепей на одном кристалле. Кроме того, SOC, пока не может включать в себя некоторые новые технологии, такие как микроэлектромеханические системы и устройства оптоэлектроники, используемые для приложений с высокой пропускной способностью. Эти технологии используют совершенно разные материалы и процессы, которые пока не могут быть интегрированы в большинство разработок SOC. 

Тем не менее, производители добились значительных успехов в объединение различных функций на SOC. Многие из этих достижений были связаны с использованием трехмерной (3D) технологии. В течение нескольких последних лет, стало возможным устанавливать несколько слоев интегральной схемы вместе на пластине, и производители уделяют все больше внимания развитию новой техники наслоения. Например, кремний-на-изоляторе в настоящее время является основной технологией подложки эта технология кремния на изоляторе скорее всего даст толчок технологиям наслоения других видов материалов, таких как арсенид галлия и индий-фосфор.

Еще один пример 3D технологии, которая осуществляется DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) в США. Это финансирование работ по слоевому методу, применяемые в Центре Микроэлектроники Северной Каролины (MCNC). Центр развивает вертикально интегрированные массивы датчиков. Концепция заключается в том, что инфракрасные датчики могут быть уложены поверх обычных интегральных схем, которые обрабатывают данные, собранные с помощью датчиков. Создаются соединительные "отверстия" (вертикальные проводники, соединяющие один электрический слой в микросхеме с другим). В настоящее время, разработчики видят SIP-технологию в качестве единственного решения этого типа интеграции.

Выбор между SIP и SOC
Нет однозначных правильных ответов при выборе между SIP или SOC при проектировании электронных изделий. Какая бы технология не была выбрана, это будет иметь существенное и длительное влияние на всех участников в цепи поставок полупроводников для этого продукта. Ключ, который поможет сделать лучший выбор - это тщательно и объективно разобраться в плюсах и минусах каждого варианта, так что в некоторых случаях выбор может быть достаточно простым. Использование SIP предпочтительно, когда необходимо совместить различные полупроводниковые компоненты в одном комплексе и время для выхода на рынок ограниченно и является критически важным. Использование SOC предпочтительно, когда речь идет о производстве больших объемов (более 10 миллионов изделий), актуальности продукта на рынках, на которых высокая производительность является существенным фактором. 
 

При выборе между SOC и SIP,  учитывают создание наиболее эффективного решения для конкретного продукта для конкретного рынка, а также с учетом влияния на выбор общей стоимости системы. Разработчики и производители оборудования будут принимать решения на основе технико-экономических особенностей и планируемой прибыли от определенных продуктов. Неизбежно, они будут выбирать то, что по их мнению, будет наименее затратным вариантом. Сегодня это часто означает выбор SIP - но нет гарантии, что SIP останется менее дорогим вариантом. Поскольку размеры кристаллов продолжают сокращаться, разработчики SOC-устройств могут позволить себе быть более расточительными в использовании кремния, и это может склонить чашу весов обратно в пользу SOC-технологии.

Сделать правильный выбор, критически важно для производителей конечного изделия и неправильный выбор приведет к снижению рентабельности. Полупроводниковые компании, помогая своим клиентам сделать правильный выбор также получат выгоду от возросшего дохода. Компании изготавливающие пакеты полупроводников также смогут увеличить выручку и прибыль, сотрудничая с производителями полупроводниковых приборов и производителями конечной продукции, чтобы более широко применять SIP.

По сравнению с другими полупроводниковыми приборами, SIP- и SOC-технологии обеспечивают важные преимущества с точки зрения снижения затрат на разработку устройства и производство. Однако, увеличение глобального спроса на полупроводниковые устройства и возросшая конкуренция в индустрии полупроводников, являются характерной особенностью нашего времени выхода на рынок этих технологий. Своевременное получение продукции рынком в настоящее время является настолько важным параметром, что правильный выбор между SIP и SOC-решениями становится жизненно важным для многих компаний.

Рекомендации, которые мы предоставили о том, как сделать наилучший выбор между SIP и SOC, основываются на текущем состоянии каждой технологии. Этот совет может иметь ограниченный срок годности, потому что обе технологии стремительно развиваются, и относительные преимущества одной технологии по сравнению с другой вполне вероятно могут измениться в будущем.