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作者：Yves Grillet，歐洲垂直細分市場（嵌入式解決方案）經(jīng)理，富昌電子 嵌入式系統(tǒng)制造商早已了解基于分立微處理器或現(xiàn)成的系統(tǒng)級模塊 (SOM) 的設(shè)計的優(yōu)點和權(quán)衡。這通常被稱為“自制還是外購？”的困境：購買完整的模塊化解決方案，在單個緊湊型 PCB 上為微處理器提供支持組件，例如存儲器和電源管理系統(tǒng)，可節(jié)省大量開發(fā)時間。它使專業(yè)數(shù)字設(shè)計人員能夠騰出時間來研究產(chǎn)品設(shè)計的差異化元素。 但模塊化解決方案的 BOM 成本通常高于同等分立元器件的成本。此外，當使用分立元器件時，設(shè)計人員可以自由地以任何外形尺寸、或使用任何非標準元器件或技術(shù)元素進行設(shè)計。 OEM 廠商充分理解這些觀點，但影響選擇的一個新因素可能不太為人所知：彈性設(shè)計的好處。 2021-2022 年困擾汽車行業(yè)的問題表明了半導體供應(yīng)鏈的嚴重中斷可能會造成多大的經(jīng)濟損失。當設(shè)計依賴于單一來源的不易替代的關(guān)鍵組件時，生產(chǎn)線就會受到該組件供應(yīng)鏈的支配：它是產(chǎn)品鏈中最薄弱的環(huán)節(jié)。 那么嵌入式系統(tǒng)制造商是否需要更深入地思考他們對關(guān)鍵處理器組件的選擇如何影響其生產(chǎn)系統(tǒng)的彈性？ 半導體供應(yīng)鏈波動的原因 由于微處理器所基于的先進技術(shù)，微處理器是嵌入式設(shè)備 OEM 供應(yīng)鏈中的關(guān)鍵薄弱點。在 Linux® 或 Android™ 操作系統(tǒng)上運行的嵌入式系統(tǒng)需要使用最新封裝、高速接口和 DRAM 存儲器技術(shù)的高性能處理器。 這意味著每個微處理器系列都是基于專有技術(shù)的獨特元器件，并且具有單一來源。在許多情況下，微處理器還由電源管理 IC (PMIC) 等專用配套芯片支持，這些芯片通常也是單一來源的元器件。 任何這些單一來源元器件的供應(yīng)都可能因各種原因而受到干擾：COVID-19 疫情、運輸線路中斷、國際貿(mào)易爭端和制裁，以及地震或火山等自然災(zāi)害都可能會導致微處理器或其 PMIC的運輸停止。組件短缺或交貨時間延長也會阻礙工廠維持正常生產(chǎn)運營的能力。 如果發(fā)生這種情況，OEM 想要快速實施 B 計劃并不容易：用不同的微處理器替換原來的微處理器很困難，并且需要大量的開發(fā)工作和時間。配套的 PMIC 也是如此。由于 PMIC 提供特定微處理器所需的特定電源軌組合，因此不能簡單地用其他元器件替換它。每個 PMIC 還需要在微處理器上運行自己的軟件驅(qū)動程序來管理電源軌、優(yōu)化 PMIC 的功耗以及控制時序和其他特定于器件的操作。更換 PMIC 需要新的軟件驅(qū)動程序和新的硬件布局。 在許多情況下，微處理器或 PMIC 供應(yīng)鏈的中斷將導致嵌入式系統(tǒng) OEM 的生產(chǎn)線停止，從而造成重大經(jīng)濟損失。 這對“自制還是外購”決策具有重要影響，因為 SOM 的使用有助于使 OEM 免受供應(yīng)鏈中斷的影響。 規(guī)避開發(fā)風險 除了嵌入式系統(tǒng) OEM 面臨的供應(yīng)鏈風險之外，實施基于微處理器的設(shè)計的技術(shù)挑戰(zhàn)也帶來了開發(fā)風險。這種風險來自設(shè)計的兩個關(guān)鍵要素： · BGA 封裝的小間距需要專業(yè)的布局專業(yè)知識來設(shè)計微處理器的扇出。該封裝還需要使用特殊的生產(chǎn)機械和至少四層的高成本 PCB · 高速總線接口和高速DRAM都需要專業(yè)的設(shè)計能力 專用 CAD 工具用于配置 PCB 布線的走線時序、阻抗、隔離特性和形狀，以與 IC 制造商指定的容差兼容。這部分的開發(fā)工作，無論是在工程時間方面，還是在 CAD 工具采購方面的成本都很高。 如果 OEM 決定自制而不是外購，那么它就會面臨單一供貨來源的風險，同時還需要管理專門的工程團隊，并進行漫長而復(fù)雜的開發(fā)過程。即使開發(fā)完成，OEM也必須安裝先進的生產(chǎn)設(shè)備和工藝來制造高成本的PCB。 SOM：減輕供應(yīng)鏈和其他風險 選擇“外購而不是自制”的 OEM 將這些風險轉(zhuǎn)移給了 SOM 的提供商：SOM 制造商將處理微處理器子系統(tǒng)開發(fā)中涉及的所有復(fù)雜問題，隨著時間的推移對其進行維護，并將設(shè)計移植到新版本的芯片軟件開發(fā)套件 (SDK)、實施芯片升級以及管理元器件的生命周期終止 (EOL)。 作為支付 SOM 更高的單位成本的回報，OEM 獲得了多項寶貴的優(yōu)勢： · 產(chǎn)品設(shè)計人員可以專注于提供附加值的獨特功能 · SOM 采用標準外形規(guī)格。這意味著，如果一個制造商的 SOM 供貨失敗，則可以用具有相同微處理器的其他制造商的 SOM 進行替換 · SOM 的標準尺寸還使 OEM 能夠?qū)⒃O(shè)計從一代微處理器系列遷移到下一代，而無需重新設(shè)計終端產(chǎn)品的硬件。此功能還支持基于一系列微處理器開發(fā)具有低端、中端和高端功能的一系列終端產(chǎn)品設(shè)計 · 使用SOM 可以顯著縮短開發(fā)時間并加快上市時間 · 使用 SOM 時的開發(fā)過程更簡單、更快捷，也使 OEM 能夠更自由地嘗試新的設(shè)計理念和先進技術(shù) 新的更小外形尺寸增強了 SOM 的吸引力 為了使不同供應(yīng)商的 SOM 可以互換，業(yè)界開發(fā)了一系列 SOM 標準外形規(guī)格。現(xiàn)在，最近推出的標準使 OEM 有機會開發(fā)更緊湊的產(chǎn)品設(shè)計。 
圖 1：OSM 標準為嵌入式計算模塊提供了比早期 SMARC 和 Qseven 標準更高的引腳密度 新的開放標準模塊™ (OSM) 外形尺寸 sget.org/standards/osm 是在嵌入式技術(shù)標準化組織 SGeT 的支持下開發(fā)的。SGeT 因其早期 Smarc 和 Qseven 標準的開發(fā)而聞名。它開發(fā)了新的 OSM 標準以提供許多優(yōu)勢： · 提高I/O密度，如圖1所示 · 滿足對更小、更低成本的嵌入式計算機模塊的需求 · 提供可焊接到PCB 上的封裝模塊，避免使用連接器。1.25 mm的球距也有助于使硬件設(shè)計更加穩(wěn)健 · 提供引腳兼容選項，以便在不同 IC 制造商和不同 Arm® 處理器或微控制器架構(gòu)之間進行交換 · 通過提供四種引腳兼容的外形尺寸，支持開發(fā)具有不同I/O 選項的產(chǎn)品系列。這樣就無需為終端產(chǎn) · 品設(shè)計的每個新變體重新設(shè)計產(chǎn)品載板 · OSM 模塊有四種不同的外形尺寸，如圖 2 所示。
圖 2：四種標準 OSM 外形的尺寸（圖片來源：iWave Systems Technologies） 這些外形尺寸選項已經(jīng)得到 OSM 模塊商業(yè)供應(yīng)商的良好支持。例如，iWave 提供采用恩智浦半導體、瑞薩和意法半導體微處理器的 OSM 模塊，如圖 3 所示。
圖 3：SOM 制造商 iWave 提供的 OSM 模塊 當富昌電子向嵌入式系統(tǒng) OEM 提供 iWave OSM 模塊時，它還可以提供豐富的支持技術(shù)選擇，包括用于應(yīng)用程序移植和測試的單板計算機以及相關(guān)組件，例如： · 攝像頭模組 · TFT顯示屏 · 外殼 · 散熱器 · Wi-Fi® 和Bluetooth® 無線模塊 · GNSS衛(wèi)星定位傳感器 · LTE等無線通信模塊 iWave SOM 還受到微處理器制造商的軟件產(chǎn)品的支持，例如人工智能和機器學習庫以及 Linux 或 Android SDK。 結(jié)論 通過使用具有標準尺寸、I/O、功能和引腳位置的 OSM 嵌入式計算機模塊，設(shè)計工程師可以在單個載板上進行多種產(chǎn)品設(shè)計，同時保留從一個 MPU 切換到另一個 MPU 的能力，如圖 4 所示。 這最大限度地減少了 OEM 面臨的供應(yīng)鏈風險，并使設(shè)計具有彈性：通過 SOM，OEM 可以用另一款微處理器來替換無貨或緊缺的微處理器，而無需重新設(shè)計硬件。 由于 OSM 標準有四種標準封裝，OEM 可以構(gòu)建一個產(chǎn)品系列，其功能集包括從零 OSM 選項的簡單和基本功能，到基于大型 OSM 模塊的高度集成、高性能單元，能夠提供大量 I/O，并支持 Wi-Fi 和藍牙無線通信、高速攝像頭、AI 功能和大型高性能顯示屏等高級功能。
圖 4：具有各種 OSM SOM 的 iWave 單板計算機：ITX SBC iW-RainboW-G40S（頂部）和 ITX SBC iW-RainboW-G50S（底部）（圖片來源：iWave Systems Technologies） 圖 4 中的 iWave SBC 規(guī)格： 采用 I.MX8M Plus Quad 微處理器 SOM的Rainbow G40S 元器件型號：iW-G40D-OLPQ-4L002G-E016G-BIA 主要特性：i.MX8M Plus Quad、2 GB LPDDR4 DRAM、16 GB eMMC、Wi-Fi 和藍牙連接、工作溫度范圍 -40°C 至 85°C 采用 i.MX9352 微處理器 SOM的Rainbow G50S 元器件型號：iW-G50S-OL93-4L001G-E008G-BIA-PP 主要特性：i.MX9352 Dual、1 GB LPDDR4 DRAM、8 GB eMMC、Wi-Fi 和藍牙連接、工作溫度范圍 -40°C 至 85°C |
