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作者：Yves Grillet，歐洲垂直細分市場（嵌入式解決方案）經理，富昌電子 嵌入式系統制造商早已了解基于分立微處理器或現成的系統級模塊 (SOM) 的設計的優點和權衡。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，可節省大量開發時間。它使專業數字設計人員能夠騰出時間來研究產品設計的差異化元素。 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元素進行設計。 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：彈性設計的好處。 2021-2022 年困擾汽車行業的問題表明了半導體供應鏈的嚴重中斷可能會造成多大的經濟損失。當設計依賴于單一來源的不易替代的關鍵組件時，生產線就會受到該組件供應鏈的支配：它是產品鏈中最薄弱的環節。 那么嵌入式系統制造商是否需要更深入地思考他們對關鍵處理器組件的選擇如何影響其生產系統的彈性？ 半導體供應鏈波動的原因 由于微處理器所基于的先進技術，微處理器是嵌入式設備 OEM 供應鏈中的關鍵薄弱點。在 Linux® 或 Android™ 操作系統上運行的嵌入式系統需要使用最新封裝、高速接口和 DRAM 存儲器技術的高性能處理器。 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、國際貿易爭端和制裁，以及地震或火山等自然災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運營的能力。 如果發生這種情況，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動程序來管理電源軌、優化 PMIC 的功耗以及控制時序和其他特定于器件的操作。更換 PMIC 需要新的軟件驅動程序和新的硬件布局。 在許多情況下，微處理器或 PMIC 供應鏈的中斷將導致嵌入式系統 OEM 的生產線停止，從而造成重大經濟損失。 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 免受供應鏈中斷的影響。 規避開發風險 除了嵌入式系統 OEM 面臨的供應鏈風險之外，實施基于微處理器的設計的技術挑戰也帶來了開發風險。這種風險來自設計的兩個關鍵要素： · BGA 封裝的小間距需要專業的布局專業知識來設計微處理器的扇出。該封裝還需要使用特殊的生產機械和至少四層的高成本 PCB · 高速總線接口和高速DRAM都需要專業的設計能力 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，并進行漫長而復雜的開發過程。即使開發完成，OEM也必須安裝先進的生產設備和工藝來制造高成本的PCB。 SOM：減輕供應鏈和其他風險 選擇“外購而不是自制”的 OEM 將這些風險轉移給了 SOM 的提供商：SOM 制造商將處理微處理器子系統開發中涉及的所有復雜問題，隨著時間的推移對其進行維護，并將設計移植到新版本的芯片軟件開發套件 (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勢： · 產品設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 能夠將設計從一代微處理器系列遷移到下一代，而無需重新設計終端產品的硬件。此功能還支持基于一系列微處理器開發具有低端、中端和高端功能的一系列終端產品設計 · 使用SOM 可以顯著縮短開發時間并加快上市時間 · 使用 SOM 時的開發過程更簡單、更快捷，也使 OEM 能夠更自由地嘗試新的設計理念和先進技術 新的更小外形尺寸增強了 SOM 的吸引力 為了使不同供應商的 SOM 可以互換，業界開發了一系列 SOM 標準外形規格。現在，最近推出的標準使 OEM 有機會開發更緊湊的產品設計。 
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 是在嵌入式技術標準化組織 SGeT 的支持下開發的。SGeT 因其早期 Smarc 和 Qseven 標準的開發而聞名。它開發了新的 OSM 標準以提供許多優勢： · 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計更加穩健 · 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，支持開發具有不同I/O 選項的產品系列。這樣就無需為終端產 · 品設計的每個新變體重新設計產品載板 · 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得到 OSM 模塊商業供應商的良好支持。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 OEM 提供 iWave OSM 模塊時，它還可以提供豐富的支持技術選擇，包括用于應用程序移植和測試的單板計算機以及相關組件，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品的支持，例如人工智能和機器學習庫以及 Linux 或 Android SDK。 結論 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，設計工程師可以在單個載板上進行多種產品設計，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 面臨的供應鏈風險，并使設計具有彈性：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，而無需重新設計硬件。 由于 OSM 標準有四種標準封裝，OEM 可以構建一個產品系列，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 |
