業界ニュース: SOC と SIP (System-in-Package) の違いは何ですか?

SiPの概念は、工具箱を組み立てることに例えることができます。工具箱には、ドライバー、ハンマー、ドリルなど、様々な工具が収納されています。これらはそれぞれ独立した工具ですが、使い勝手を考慮して一つの箱に統合されています。このアプローチの利点は、それぞれの工具を個別に開発・製造し、必要に応じてシステムパッケージに「組み立てる」ことで、柔軟性とスピードを実現できることです。

2. SoCとSiPの技術的特徴と違い

統合方法の違い:
SoC：CPU、メモリ、I/Oなどの異なる機能モジュールが同一のシリコンチップ上に直接設計されます。すべてのモジュールは同一の基盤プロセスと設計ロジックを共有し、統合されたシステムを形成します。
SiP: 異なる機能チップを異なるプロセスを使用して製造し、3D パッケージング テクノロジを使用して単一のパッケージ モジュールに組み合わせて、物理システムを形成できます。

設計の複雑さと柔軟性:
SoC：すべてのモジュールが単一のチップに統合されているため、設計の複雑さは非常に高くなります。特に、デジタル、アナログ、RF、メモリなどの異なるモジュールを連携して設計する場合はなおさらです。そのため、エンジニアには高度なクロスドメイン設計能力が求められます。さらに、SoC内のいずれかのモジュールに設計上の問題が発生した場合、チップ全体の再設計が必要になる可能性があり、大きなリスクを伴います。

 

SiP：一方、SiPは設計の柔軟性に優れています。異なる機能モジュールを個別に設計・検証した上で、システムにパッケージ化できます。あるモジュールに問題が発生した場合でも、そのモジュールのみを交換すればよく、他の部品には影響しません。これにより、SoCと比較して開発スピードが速くなり、リスクも低減されます。

プロセスの互換性と課題:
SoC：デジタル、アナログ、RFといった異なる機能を単一チップに統合するには、プロセス互換性という大きな課題があります。機能モジュールごとに異なる製造プロセスが必要です。例えば、デジタル回路には高速・低消費電力プロセスが求められる一方、アナログ回路にはより精密な電圧制御が必要となる場合があります。同一チップ上でこれらの異なるプロセス間の互換性を実現することは極めて困難です。

SiP：SiPはパッケージング技術を通じて、異なるプロセスで製造されたチップを統合し、SoC技術が直面するプロセス互換性の問題を解決します。SiPでは、複数の異種チップを同一パッケージで連携させることができますが、パッケージング技術に対する精度要件は高くなります。

研究開発サイクルとコスト:
SoC：SoCではすべてのモジュールを一から設計・検証する必要があるため、設計サイクルが長くなります。各モジュールは厳格な設計、検証、テストを経る必要があり、開発プロセス全体には数年かかる場合があり、結果としてコストが高くなります。しかし、量産段階に入ると、高い集積度により単価は低くなります。
SiP：SiPは研究開発サイクルが短くなります。既存の検証済み機能チップを直接パッケージングに用いるため、モジュールの再設計にかかる時間が短縮されます。これにより、製品の早期立ち上げと研究開発コストの大幅な削減が可能になります。

システムのパフォーマンスとサイズ:
SoC：すべてのモジュールが同一チップ上に搭載されているため、通信遅延、エネルギー損失、信号干渉が最小限に抑えられ、SoCは性能と消費電力において比類のない優位性を備えています。サイズも最小限に抑えられているため、スマートフォンや画像処理チップなど、高い性能と消費電力が求められるアプリケーションに特に適しています。
SiP：SiPの集積度はSoCほど高くありませんが、多層パッケージング技術を用いて異なるチップをコンパクトにパッケージ化できるため、従来のマルチチップソリューションと比較して小型化が可能です。さらに、モジュールは同一のシリコンチップ上に集積されるのではなく、物理的にパッケージ化されているため、性能はSoCに及ばないものの、ほとんどのアプリケーションのニーズを満たすことができます。

3. SoCとSiPのアプリケーションシナリオ

SoCのアプリケーションシナリオ:
SoCは、サイズ、消費電力、パフォーマンスに対する要件が厳しい分野に適しています。例えば、
スマートフォン: スマートフォンのプロセッサ (Apple の A シリーズ チップや Qualcomm の Snapdragon など) は通常、CPU、GPU、AI 処理ユニット、通信モジュールなどを組み込んだ高度に統合された SoC であり、強力なパフォーマンスと低消費電力の両方が求められます。
画像処理: デジタルカメラやドローンでは、画像処理ユニットには強力な並列処理機能と低レイテンシが求められることが多く、SoC はこれを効果的に実現できます。
高性能組み込みシステム: SoC は、IoT デバイスやウェアラブルなど、厳しいエネルギー効率要件を持つ小型デバイスに特に適しています。

SiPのアプリケーションシナリオ:
SiP は幅広い応用シナリオを備えており、次のような迅速な開発と多機能統合が必要な分野に適しています。
通信機器: 基地局、ルーターなどの場合、SiP は複数の RF およびデジタル信号プロセッサを統合できるため、製品開発サイクルが加速されます。
民生用電子機器: スマートウォッチや Bluetooth ヘッドセットなど、アップグレード サイクルが速い製品の場合、SiP テクノロジーにより新機能製品のより迅速な発売が可能になります。
自動車用エレクトロニクス: 自動車システムの制御モジュールとレーダー システムは、SiP テクノロジーを利用してさまざまな機能モジュールを迅速に統合できます。

4. SoCとSiPの今後の開発動向

SoC開発のトレンド：
SoCは、AIプロセッサ、5G通信モジュール、その他の機能のさらなる統合を含む、より高度な統合と異種統合に向けて進化し続け、インテリジェントデバイスのさらなる進化を促進します。

SiP開発のトレンド：
SiP は、急速に変化する市場の需要を満たすために、さまざまなプロセスと機能を備えたチップを緊密にパッケージ化するために、2.5D および 3D パッケージングの進歩などの高度なパッケージング テクノロジにますます依存するようになります。

5. 結論

SoCは、多機能な超高層ビルを建設するようなもので、すべての機能モジュールを1つの設計に集約しており、性能、サイズ、消費電力に対する要件が非常に高いアプリケーションに適しています。一方、SiPは、異なる機能チップを1つのシステムに「パッケージング」するようなもので、柔軟性と迅速な開発に重点を置いており、特に迅速なアップデートが求められる民生用電子機器に適しています。どちらにも長所があり、SoCはシステム性能の最適化とサイズの最適化を重視し、SiPはシステムの柔軟性と開発サイクルの最適化を重視しています。