如何使您的嵌入式系统设计在供应链中断时更具弹性

作者：Yves Grillet，欧洲垂直细分市场（嵌入式解决方案）经理，富昌电子

嵌入式系统制造商早已了解基于分立微处理器或现成的系统级模块 (SOM) 的设计的优点和权衡。这通常被称为“自制还是外购？”的困境：购买完整的模块化解决方案，在单个紧凑型 PCB 上为微处理器提供支持组件，例如存储器和电源管理系统，可节省大量开发时间。它使专业数字设计人员能够腾出时间来研究产品设计的差异化元素。

但模块化解决方案的 BOM 成本通常高于同等分立元器件的成本。此外，当使用分立元器件时，设计人员可以自由地以任何外形尺寸、或使用任何非标准元器件或技术元素进行设计。

OEM 厂商充分理解这些观点，但影响选择的一个新因素可能不太为人所知：弹性设计的好处。

2021-2022 年困扰汽车行业的问题表明了半导体供应链的严重中断可能会造成多大的经济损失。当设计依赖于单一来源的不易替代的关键组件时，生产线就会受到该组件供应链的支配：它是产品链中最薄弱的环节。

那么嵌入式系统制造商是否需要更深入地思考他们对关键处理器组件的选择如何影响其生产系统的弹性？

半导体供应链波动的原因

由于微处理器所基于的先进技术，微处理器是嵌入式设备 OEM 供应链中的关键薄弱点。在 Linux® 或 Android™ 操作系统上运行的嵌入式系统需要使用最新封装、高速接口和 DRAM 存储器技术的高性能处理器。

这意味着每个微处理器系列都是基于专有技术的独特元器件，并且具有单一来源。在许多情况下，微处理器还由电源管理 IC (PMIC) 等专用配套芯片支持，这些芯片通常也是单一来源的元器件。

任何这些单一来源元器件的供应都可能因各种原因而受到干扰：COVID-19 疫情、运输线路中断、国际贸易争端和制裁，以及地震或火山等自然灾害都可能会导致微处理器或其 PMIC的运输停止。组件短缺或交货时间延长也会阻碍工厂维持正常生产运营的能力。

如果发生这种情况，OEM 想要快速实施 B 计划并不容易：用不同的微处理器替换原来的微处理器很困难，并且需要大量的开发工作和时间。配套的 PMIC 也是如此。由于 PMIC 提供特定微处理器所需的特定电源轨组合，因此不能简单地用其他元器件替换它。每个 PMIC 还需要在微处理器上运行自己的软件驱动程序来管理电源轨、优化 PMIC 的功耗以及控制时序和其他特定于器件的操作。更换 PMIC 需要新的软件驱动程序和新的硬件布局。

在许多情况下，微处理器或 PMIC 供应链的中断将导致嵌入式系统 OEM 的生产线停止，从而造成重大经济损失。

这对“自制还是外购”决策具有重要影响，因为 SOM 的使用有助于使 OEM 免受供应链中断的影响。

规避开发风险

除了嵌入式系统 OEM 面临的供应链风险之外，实施基于微处理器的设计的技术挑战也带来了开发风险。这种风险来自设计的两个关键要素：

· BGA 封装的小间距需要专业的布局专业知识来设计微处理器的扇出。该封装还需要使用特殊的生产机械和至少四层的高成本 PCB
· 高速总线接口和高速DRAM都需要专业的设计能力

专用 CAD 工具用于配置 PCB 布线的走线时序、阻抗、隔离特性和形状，以与 IC 制造商指定的容差兼容。这部分的开发工作，无论是在工程时间方面，还是在 CAD 工具采购方面的成本都很高。

如果 OEM 决定自制而不是外购，那么它就会面临单一供货来源的风险，同时还需要管理专门的工程团队，并进行漫长而复杂的开发过程。即使开发完成，OEM也必须安装先进的生产设备和工艺来制造高成本的PCB。

SOM：减轻供应链和其他风险

选择“外购而不是自制”的 OEM 将这些风险转移给了 SOM 的提供商：SOM 制造商将处理微处理器子系统开发中涉及的所有复杂问题，随着时间的推移对其进行维护，并将设计移植到新版本的芯片软件开发套件 (SDK)、实施芯片升级以及管理元器件的生命周期终止 (EOL)。

作为支付 SOM 更高的单位成本的回报，OEM 获得了多项宝贵的优势：

· 产品设计人员可以专注于提供附加值的独特功能
· SOM 采用标准外形规格。这意味着，如果一个制造商的 SOM 供货失败，则可以用具有相同微处理器的其他制造商的 SOM 进行替换
· SOM 的标准尺寸还使 OEM 能够将设计从一代微处理器系列迁移到下一代，而无需重新设计终端产品的硬件。此功能还支持基于一系列微处理器开发具有低端、中端和高端功能的一系列终端产品设计
· 使用SOM 可以显著缩短开发时间并加快上市时间
· 使用 SOM 时的开发过程更简单、更快捷，也使 OEM 能够更自由地尝试新的设计理念和先进技术

新的更小外形尺寸增强了 SOM 的吸引力

为了使不同供应商的 SOM 可以互换，业界开发了一系列 SOM 标准外形规格。现在，最近推出的标准使 OEM 有机会开发更紧凑的产品设计。


图 1：OSM 标准为嵌入式计算模块提供了比早期 SMARC 和 Qseven 标准更高的引脚密度

新的开放标准模块™ (OSM) 外形尺寸 sget.org/standards/osm 是在嵌入式技术标准化组织 SGeT 的支持下开发的。SGeT 因其早期 Smarc 和 Qseven 标准的开发而闻名。它开发了新的 OSM 标准以提供许多优势：

· 提高I/O密度，如图1所示
· 满足对更小、更低成本的嵌入式计算机模块的需求
· 提供可焊接到PCB 上的封装模块，避免使用连接器。1.25 mm的球距也有助于使硬件设计更加稳健
· 提供引脚兼容选项，以便在不同 IC 制造商和不同 Arm® 处理器或微控制器架构之间进行交换
· 通过提供四种引脚兼容的外形尺寸，支持开发具有不同I/O 选项的产品系列。这样就无需为终端产
· 品设计的每个新变体重新设计产品载板
· OSM 模块有四种不同的外形尺寸，如图 2 所示。


图 2：四种标准 OSM 外形的尺寸（图片来源：iWave Systems Technologies）

这些外形尺寸选项已经得到 OSM 模块商业供应商的良好支持。例如，iWave 提供采用恩智浦半导体、瑞萨和意法半导体微处理器的 OSM 模块，如图 3 所示。


图 3：SOM 制造商 iWave 提供的 OSM 模块

当富昌电子向嵌入式系统 OEM 提供 iWave OSM 模块时，它还可以提供丰富的支持技术选择，包括用于应用程序移植和测试的单板计算机以及相关组件，例如：

· 摄像头模组
· TFT显示屏
· 外壳
· 散热器
· Wi-Fi® 和Bluetooth® 无线模块
· GNSS卫星定位传感器
· LTE等无线通信模块

iWave SOM 还受到微处理器制造商的软件产品的支持，例如人工智能和机器学习库以及 Linux 或 Android SDK。

结论

通过使用具有标准尺寸、I/O、功能和引脚位置的 OSM 嵌入式计算机模块，设计工程师可以在单个载板上进行多种产品设计，同时保留从一个 MPU 切换到另一个 MPU 的能力，如图 4 所示。

这最大限度地减少了 OEM 面临的供应链风险，并使设计具有弹性：通过 SOM，OEM 可以用另一款微处理器来替换无货或紧缺的微处理器，而无需重新设计硬件。

由于 OSM 标准有四种标准封装，OEM 可以构建一个产品系列，其功能集包括从零 OSM 选项的简单和基本功能，到基于大型 OSM 模块的高度集成、高性能单元，能够提供大量 I/O，并支持 Wi-Fi 和蓝牙无线通信、高速摄像头、AI 功能和大型高性能显示屏等高级功能。


图 4：具有各种 OSM SOM 的 iWave 单板计算机：ITX SBC iW-RainboW-G40S（顶部）和 ITX SBC iW-RainboW-G50S（底部）（图片来源：iWave Systems Technologies）

图 4 中的 iWave SBC 规格：

采用 I.MX8M Plus Quad 微处理器 SOM的Rainbow G40S
元器件型号：iW-G40D-OLPQ-4L002G-E016G-BIA
主要特性：i.MX8M Plus Quad、2 GB LPDDR4 DRAM、16 GB eMMC、Wi-Fi 和蓝牙连接、工作温度范围 -40°C 至 85°C

采用 i.MX9352 微处理器 SOM的Rainbow G50S
元器件型号：iW-G50S-OL93-4L001G-E008G-BIA-PP
主要特性：i.MX9352 Dual、1 GB LPDDR4 DRAM、8 GB eMMC、Wi-Fi 和蓝牙连接、工作温度范围 -40°C 至 85°C