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作者：Yves Grillet，歐洲垂直細分市場(chǎng)（嵌入式解決方案）經(jīng)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(yōu)點(diǎn)和權衡。這通常被稱(chēng)為“自制還是外購？”的困境：購買(mǎi)完整的模塊化解決方案，在單個(gè)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(kāi)發(fā)時(shí)間。它使專(zhuān)業(yè)數字設計人員能夠騰出時(shí)間來(lái)研究產(chǎn)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(shí)，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(shù)元素進(jìn)行設計。 OEM 廠(chǎng)商充分理解這些觀(guān)點(diǎn)，但影響選擇的一個(gè)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(chē)行業(yè)的問(wèn)題表明了半導體供應鏈的嚴重中斷可能會(huì )造成多大的經(jīng)濟損失。當設計依賴(lài)于單一來(lái)源的不易替代的關(guān)鍵組件時(shí)，生產(chǎn)線(xiàn)就會(huì )受到該組件供應鏈的支配：它是產(chǎn)品鏈中最薄弱的環(huán)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(guān)鍵處理器組件的選擇如何影響其生產(chǎn)系統的彈性？ 半導體供應鏈波動(dòng)的原因 由于微處理器所基于的先進(jìn)技術(shù)，微處理器是嵌入式設備 OEM 供應鏈中的關(guān)鍵薄弱點(diǎn)。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(shù)的高性能處理器。 這意味著(zhù)每個(gè)微處理器系列都是基于專(zhuān)有技術(shù)的獨特元器件，并且具有單一來(lái)源。在許多情況下，微處理器還由電源管理 IC (PMIC) 等專(zhuān)用配套芯片支持，這些芯片通常也是單一來(lái)源的元器件。 任何這些單一來(lái)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(xiàn)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(huì )導致微處理器或其 PMIC的運輸停止。組件短缺或交貨時(shí)間延長(cháng)也會(huì )阻礙工廠(chǎng)維持正常生產(chǎn)運營(yíng)的能力。 如果發(fā)生這種情況，OEM 想要快速實(shí)施 B 計劃并不容易：用不同的微處理器替換原來(lái)的微處理器很困難，并且需要大量的開(kāi)發(fā)工作和時(shí)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(jiǎn)單地用其他元器件替換它。每個(gè) PMIC 還需要在微處理器上運行自己的軟件驅動(dòng)程序來(lái)管理電源軌、優(yōu)化 PMIC 的功耗以及控制時(shí)序和其他特定于器件的操作。更換 PMIC 需要新的軟件驅動(dòng)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(chǎn)線(xiàn)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 免受供應鏈中斷的影響。 規避開(kāi)發(fā)風(fēng)險 除了嵌入式系統 OEM 面臨的供應鏈風(fēng)險之外，實(shí)施基于微處理器的設計的技術(shù)挑戰也帶來(lái)了開(kāi)發(fā)風(fēng)險。這種風(fēng)險來(lái)自設計的兩個(gè)關(guān)鍵要素： · BGA 封裝的小間距需要專(zhuān)業(yè)的布局專(zhuān)業(yè)知識來(lái)設計微處理器的扇出。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(xiàn)接口和高速DRAM都需要專(zhuān)業(yè)的設計能力 專(zhuān)用 CAD 工具用于配置 PCB 布線(xiàn)的走線(xiàn)時(shí)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(kāi)發(fā)工作，無(wú)論是在工程時(shí)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(huì )面臨單一供貨來(lái)源的風(fēng)險，同時(shí)還需要管理專(zhuān)門(mén)的工程團隊，并進(jìn)行漫長(cháng)而復雜的開(kāi)發(fā)過(guò)程。即使開(kāi)發(fā)完成，OEM也必須安裝先進(jìn)的生產(chǎn)設備和工藝來(lái)制造高成本的PCB。 SOM：減輕供應鏈和其他風(fēng)險 選擇“外購而不是自制”的 OEM 將這些風(fēng)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(kāi)發(fā)中涉及的所有復雜問(wèn)題，隨著(zhù)時(shí)間的推移對其進(jìn)行維護，并將設計移植到新版本的芯片軟件開(kāi)發(fā)套件 (SDK)、實(shí)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)品設計人員可以專(zhuān)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(zhù)，如果一個(gè)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(jìn)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(wú)需重新設計終端產(chǎn)品的硬件。此功能還支持基于一系列微處理器開(kāi)發(fā)具有低端、中端和高端功能的一系列終端產(chǎn)品設計 · 使用SOM 可以顯著(zhù)縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間并加快上市時(shí)間 · 使用 SOM 時(shí)的開(kāi)發(fā)過(guò)程更簡(jiǎn)單、更快捷，也使 OEM 能夠更自由地嘗試新的設計理念和先進(jìn)技術(shù) 新的更小外形尺寸增強了 SOM 的吸引力 為了使不同供應商的 SOM 可以互換，業(yè)界開(kāi)發(fā)了一系列 SOM 標準外形規格�，F在，最近推出的標準使 OEM 有機會(huì )開(kāi)發(fā)更緊湊的產(chǎn)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(kāi)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(kāi)發(fā)的。SGeT 因其早期 Smarc 和 Qseven 標準的開(kāi)發(fā)而聞名。它開(kāi)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(mǎn)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(jìn)行交換 · 通過(guò)提供四種引腳兼容的外形尺寸，支持開(kāi)發(fā)具有不同I/O 選項的產(chǎn)品系列。這樣就無(wú)需為終端產(chǎn) · 品設計的每個(gè)新變體重新設計產(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(lái)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(shí)，它還可以提供豐富的支持技術(shù)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(guān)組件，例如： · 攝像頭模組 · TFT顯示屏 · 外殼 · 散熱器 · Wi-Fi® 和Bluetooth® 無(wú)線(xiàn)模塊 · GNSS衛星定位傳感器 · LTE等無(wú)線(xiàn)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(xué)習庫以及 Linux 或 Android SDK。 結論 通過(guò)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(gè)載板上進(jìn)行多種產(chǎn)品設計，同時(shí)保留從一個(gè) MPU 切換到另一個(gè) 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(fēng)險，并使設計具有彈性：通過(guò) SOM，OEM 可以用另一款微處理器來(lái)替換無(wú)貨或緊缺的微處理器，而無(wú)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(gè)產(chǎn)品系列，其功能集包括從零 OSM 選項的簡(jiǎn)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(wú)線(xiàn)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(lái)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 |
