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片上系统SoC芯片分类设计和SIP封装技术详解

片上系统SoC芯片的分类与设计

手机的片上系统SoC芯片可以说是属于高端的SoC芯片模块;相对的,也有低端的SoC芯片模块、中低端的SoC芯片模块。低端的片上系统SoC芯片模块可以简单理解为MCU芯片内核加上特定的功能外设,多使用的MCU芯片内核有8051内核及 Cortex-M4 内核,例如,TI设计生产的蓝牙SoC模块--CC2541芯片(亿佰特具有对应产品:E104-BT01)使用的8051内核,同样也是TI生产设计的蓝牙SoC模块--CC2640芯片(亿佰特也有对应产品:E72-2G4M05S1B)使用的Cortex-M3内核。

下图为CC2541芯片的简化结构框图:从中可以看出,该片上系统SoC芯片模块包含了51内核、内存管理、其他外设等,而其特定的功能便为蓝牙射频功能。可以说,不同的片上系统SoC芯片模块适用于不同的领域。

CC2541芯片结构图

SoC模块设计流程

片上系统SoC芯片模块的设计需要软硬件的同步设计。根据设计需求,进行仿真和建模,根据功能划分软件和硬件部分,在软件和硬件协同完成,经过测试,投产,便得到了所使用的SoC

下图为片上系统SoC芯片设计流程

片上系统SoC芯片设计流程

SoC模块设计流程(二)

高级别的SoC芯片,比如华为海思的麒麟990——现今市面上最先进的手机处理器芯片,集成了8CPU16GPU3NPU构成的神经网络人工智能模块、高速闪存控制模块、图像处理模块、音频和视频处理模块等等。与麒麟980相比,还增加了5G模块。这种高级别的SoC需要十分复杂的设计和加工,高端SoC芯片的CPUGPUNPU这些模块都得使用最先进的工艺技术,成本高、工艺复杂、成品率低。如麒麟990采用台积电7纳米加工工艺,7纳米节点大概需要4000多道工序,其中仅光刻掩膜成本就得花费上千万美元,而整体的芯片设计成本高达上亿美元。因此,整颗芯片的造价才会如此昂贵。

SIP先进封装技术

除了片上系统SoC芯片,有时也还会听说SIPSystem in a Package,即系统级封装。比较粗略地来看,SoCSIP都是把逻辑组件和内存组件等整合到一个系统中,但两者的区别在于,SoC是从设计的初始,它就是一个集合的单独的芯片;而SIP是以封装的技术,将所需的功能模块(模块也可单独使用或者挂载外部使用)封装在一起从而实现一个基本完整的功能。

以亿佰特产品E78-900M系列采用的ASR6505E76系列采用的EFR32FG1P131芯片为例。ASR6505是一颗SIP封装,集成STM 8位核心(STM8L152)和LoRaSX1262芯片)无线电收发器的通用的LoRa无线通信芯片组也属于MCU一类。

下图为ASR6505lora模块框图,ASR6505引出来的引脚既有STM8的、也有SX1262的引脚,其中SX1262MCU通信相关的SPI引脚、DIO引脚、BUSY引脚已经在芯片内部连接在了一起。外部引出了晶振、UARTI2C等引脚用于芯片其他功能的扩展和开发。对此芯片进行开发时我们完全可以按照STM8的开发方式进行。

ASR6506芯片lora模块
ASR6505ASR芯片LoRa通信模块的框图

对于E76系列无线模块采用的EFR32芯片,就属于片上系统SoC芯片模块了。如下图,可以看出,EFR32芯片内部系统包含了CPU(使用ARMCortex-M4内核)和存储部分,时钟管理,电源管理,无线电(包含了蓝牙4.2SUB-G等),通信串行总线,I/O,定时器,模拟接口和安全功能等。这些功能集合在单一的芯片上,完成了一个电子系统的功能。SIPSoC皆有各自的优势和特点,对于片上系统SoC芯片,受限于技术障碍,设计周期等,SIP的发展在业界中愈被重视。

EFR32系统框图
EFR32系统框图

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