SoC 是什麼？手機裡的「系統單晶片」白話解釋

SoC 是英文 System on a Chip 的縮寫，中文叫系統單晶片：把一台電子產品需要的好幾種功能，例如負責算的處理器（CPU）、畫畫面的繪圖處理器（GPU）、管記憶體的電路、無線通訊、處理相機照片的電路，全部做在同一顆晶片上。手機、平板、手錶裡最重要的那一顆晶片，大多就是 SoC。CPU 只是 SoC 裡的一塊。

晶片本身是什麼，可以先讀「晶片是什麼？」。

SoC 裡面有什麼？

把 SoC 想成一棟大樓：每一層是一個部門，各做各的事，又一起工作。每一顆的配置不一樣，手機裡的 SoC 常有這幾塊：

• 處理器（CPU）：照著程式一步一步算、做判斷，是整顆晶片的指揮。常有好幾個核心，也就是好幾份能各自做事的處理器。
• 繪圖處理器（GPU）：負責畫畫面。它很會同時做很多一樣的小計算，玩遊戲、讓畫面動得順，都靠它。
• AI 用的電路：常叫 NPU，專門跑人臉辨識、語音這類 AI 的工作。
• 影像處理：常叫 ISP，把相機拍到的原始資料，整理成一張照片。
• 無線通訊：連行動網路和其他無線訊號的電路。
• 記憶體控制：管怎麼跟外面的記憶體拿資料、存資料。晶片裡也有一點很快的小記憶體，叫快取。

還有跟螢幕、充電孔這些外面的東西接起來的電路。加起來，一顆手機的 SoC 上有上百億個電晶體（電晶體是什麼？）。

SoC 跟 CPU 差在哪？

一句話：CPU 是大樓裡的一個部門，SoC 是整棟大樓。

傳統的桌上型電腦，CPU 是一顆晶片；記憶體、顯示卡、網路，各是另外的晶片，散在電路板上，靠板子上的線互相連。手機放不下這麼多顆，就把大部分做進同一顆。所以大家說手機的「處理器」，多半指的是整顆 SoC，不只是裡面的 CPU。

家電、遙控器裡常見的微控制器（MCU），也是把處理器、一點記憶體和周邊電路做在一顆上。它跟 SoC 很像，只是小得多、簡單得多。

為什麼要做成一顆？

• 小：本來好幾顆晶片，加上它們之間的線，縮成一顆。電路板小了，手機才做得薄，手錶才戴得上手。
• 省電：訊號要跑出晶片，得經過接腳、走電路板上幾公分長的線。這種線比晶片裡的線「重」得多，每送一次資料要花的電也多好幾倍。留在晶片裡，這些電就省下來。靠電池的東西最在乎這一點（晶片的電用到哪裡，見「晶片為什麼會耗電？」）。
• 快：晶片裡的路短，能並排拉的線又多，資料來回得快。
• 做得多時便宜：一顆取代好幾顆，要買、要焊的零件少；賣得越多，每一顆分到的設計費就越少。

代價是什麼？

設計又大又難

上百億個電晶體，好幾種完全不同的電路，要擠在一起同時工作，又不能互相干擾。所以很少每一塊都從零畫起：很多塊是以前設計好、驗證過的，拿來重複用。光是確認整顆做的事都對，就要花掉很大一部分的時間（設計在做什麼，見「IC 設計（VLSI）和晶圓廠的工作差在哪？」）。

又久又貴

從開始設計到第一批晶片做出來，常要好幾個月到一年以上。設計好之後下線，要先做一整套光罩，每一層圖案一片，越新的一代越貴。下線之後才發現錯，就得改設計、重做光罩，再多等好幾個月。

一小塊壞了，整顆常常不能用

一片晶圓上，總會落下一些小到看不見的缺陷。砸中 SoC 的哪一塊，那一塊就壞了；功能都在同一顆上，壞一塊，整顆常常就不能用。晶片做得越大，越容易被砸中，良率就越低（新聞說的「良率」那一篇用烤餅乾講過）。

也有補救的辦法：好幾個一模一樣的部分，例如好幾個處理器核心，壞了一個就把它關掉，當成規格低一點的晶片。可是只有一份的那幾塊，壞了多半就沒辦法。

每一塊都得用同一套作法

一顆晶片，只能用同一代的製程做。負責算的那幾塊，用最新一代最划算：更小、更快、更省電。可是跟外面溝通、處理類比訊號的那幾塊，用最新一代也小不了多少，價錢卻更貴（新一代為什麼貴，見「新聞說的「2 奈米」，是什麼東西 2 奈米？」）。

有些東西乾脆做不進來。手機的 DRAM 和存照片的快閃記憶體，做法跟邏輯晶片很不一樣，通常是另外的晶片，有時直接疊在 SoC 上面（記憶體和處理器差在哪？）。手機裡放大無線訊號的零件，也常用另一種半導體材料做（新聞說的「第三代半導體」是什麼？）。

SoC、SiP、小晶片（chiplet）差在哪？

SoC 太大、太貴，或有東西做不進來，就換個方向：不全部做在一顆上，而是把分開做好的晶片包在一起。常聽到的有兩種：

• SiP（系統級封裝）：把晶片和電阻、電容這些小零件，裝在一塊小底板上，封成一顆小模組（SiP 是什麼？）。
• 小晶片（chiplet）：把一顆大晶片拆成幾塊，各自做、各自測過，再並排或疊起來，接得很密，用起來像一顆大晶片。拼起來靠的是新聞說的先進封裝（新聞說的「先進封裝」是什麼？）。

	SoC（系統單晶片）	SiP（系統級封裝）	小晶片（chiplet）
一句話	所有功能做在同一顆晶片上	晶片和小零件包成一個小模組	一顆大晶片拆成幾塊，再包在一起
每一塊的作法	全部同一套製程	每一顆可以用最適合它的作法	每一塊可以用不同代的作法
東西之間的路	最短，就在晶片裡	比晶片裡長，比電路板上短	比晶片裡長一點，但很短、線很多
一塊壞了	整顆常常不能用	整顆模組不能用，所以每顆先測過	每一塊先測過，好的才拼起來
常見在哪	手機、平板、手錶的主晶片	耳機、手錶、助聽器這類小東西	AI 晶片這類很大的晶片

三個不是三選一。很多 SiP 裡就放著一顆 SoC，旁邊再加上它需要的小零件；小晶片，常是把原本要做成一顆的大晶片拆開來做。

哪些東西裡有 SoC？

最常見的是手機、平板和智慧手錶；網路分享器這類小機器裡，也常是一顆 SoC 在做主要的事。它們的共同點是：要小、要省電，功能又多。

在 fab24hr 裡

fab24hr 的主線「晶片的一生」，跟著一顆虛構的助聽器晶片「螢火」走：研發線試產、量產廠做成晶圓，再到封測廠。遊戲沒有說螢火是不是 SoC，也沒有說它裡面分成哪幾塊。第 11 章「球掀起來了」，線長淑惠姐帶你走封裝線，告訴你：「螢火裝的是 SiP 模組：一塊小底板，上面有晶片，還有幾顆電阻、電容。」

按「進廠」、選「打工人的一天」，在「今天你是」卡片上點「封測廠」、左右滑到封裝製程工程師，會照裝置上的時間排到一個班；四個班都在這條封裝線上，午班就是第 11 章。

遊戲裡的公司、晶片、人物都是虛構的；SoC 是什麼、為什麼要這樣做，照公開的一般資料寫。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。