可焊接超低功耗模块化计算机第二波标准化浪潮正在兴起

开放式标准模块（OSM）规范于2021年由SGET（嵌入式技术标准化组织e.V.）正式采用，迎来了世界上第一个独立于制造商的可焊接模块化计算机标准。在整个超低功耗应用处理器市场，随着原始设备制造商（OEM）努力从专有解决方案转向统一标准，目前已经形成第二波标准化浪潮。

可焊接模块化计算机并不是新的概念，各家制造商已经在提供专有的模块化计算机，可以在一定程度上进行SMT组装。与需要手工THT组装的经典模块化计算机不同，这些可焊接模块能够使OEM从全自动组装和测试过程中受益。然而，到目前为止，这些模块的标准化一直欠缺。

这样导致的结果是，每种模块都有不同的外形尺寸和不同的引脚，使厂商在锁定供应商和长期供货时不得不依靠某家制造商。业内没有独立的维护规范、设计指南或广泛的开发人员社区，更不用说开源计划。专门从事可焊接模块化计算机母板的开发公司也消失殆尽，传统模块化计算机场景中常见的整个生态系统也是如此。OEM客户必须自己集成模块，或者依靠模块制造商来实现设计，这需要极大的信任，并且比标准化的模块化计算机具有非常大的更高设计风险。

OSM面向超低功耗处理器

随着OSM标准的实施，上述情况正在发生变化。越来越多的应用正在采用最高8W的超低功耗处理器来实现，处理器通常可以在没有散热器的情况下进行设计，这种转变恰逢其时。物联网（IoT）以及相关的应用愿景是使尽可能多的设备变得“智能”，例如通过智能手机应用程序对其进行管理，这极大地增加了对此类应用处理器更简单集成的需求，即便是对于工业市场批量，模块化计算机本质上也是因此而设计。

一般来说，模块化计算机提供了一个应用就绪的计算核心，在一个完全验证的封装内集成了所有特定的接口，包括所有标准驱动程序和必要的操作系统支持。这明显缩短了上市时间，并大大降低了一次性工程（NRE）成本。标准化的模块化计算机还可提供一些典型优势，如多供应商供货、跨不同代处理器、不同制造商甚至不同架构的可扩展性，从而确保了长期供货稳定，并保护了投资，这为原始设备制造商提供了高水平的设计安全性和最大的投资回报。通过部署模块化计算机，还可以节省与电路板相关的成本，因为高电流密度通常只存在于处理器，一旦它分布在母板上，就可以使用更少层PCB。

不仅连接器要花钱

然而，当涉及到利用超低功耗处理器时，可插拔的模块化计算机并不是最有效的选择，因为它们需要一些额外的投资，这在一定程度上抵消了更便宜处理器的优势。这些投资包括采购实际的连接器、THT组件、螺钉固定件和锁紧螺母，以及测试模块的设备。此外，可插拔COM的测试站需要定期更换测试板，以进行更大规模的生产运行，因为连接器具有特定的有限接合周期，通常不超过几百个。封包装也较为复杂，涉及防静电压力密封袋、气泡膜或泡沫包装以及纸盒等，且每个模块通常单独包装。RMA管理不仅耗时，也会磨损测试站。在这方面，对于成本约为70欧元的高性能处理器，可插拔模块化计算机的概念才是真正价值所在，其它费用则无足轻重，只占每个模块成本的5-10%。对于更昂贵的处理器，这一比例甚至更低。

OSM模块提高成本效率

相比之下，更便宜的超低功耗处理器需要成本更低的解决方案，以实惠的价格将其作为应用就绪模块推向市场。毕竟，其中的设计通常不那么复杂，使完全定制设计更加可行。一个明显更具成本效益的解决方案是采用可焊接模块化计算机，在ARM领域也称为系统模块。它们可以完全自动化组装、测试和封装。在实现标准化后，测试模块的设备也可以标准化，并在所有模块测试中使用，从而可消除设备磨损。由于模块化计算机在泡罩包装中储存、运输并准备进行SMT组装，也消除复杂的包装管理和相关成本，这使得模块化成为一种可行的解决方案，即使对于成本仅为几欧元/美元的简单32位处理器也是如此。

完全定制设计吸引力减弱

同样值得注意的是，设计策略正从完全定制设计转向模块和母板解决方案。对于THT组装模块，要达到成本核算平衡，嵌入式系统的限制数量通常在2万左右。然而，SMT组装的潜在成本节约是如此之大，以至于达到盈亏平衡的数量可增加到20万左右。这些推断只是经验值，可能因具体设置而异。但能够肯定的是，可焊接模块化计算机能够用于解决更大批量的生产问题，这极大地扩大了目标市场，因此也增加了需求。反过来，更大的目标群体可以促进更快的市场增长，从而通过更好的规模经济实现更低价格。所有这些，再加上标准化、非专有格式的实施，能够促进市场竞争，最终将使原始设备制造商受益，这就是为什么随着OSM标准的推出，可焊接模块化计算机的专有市场正面临越来越大压力。

明确的引脚规范

然而，OSM标准包括一个经常被误解的条款，即没有强制性的引脚分配。如果没有更详细的描述，这可能会导致每家厂商都可以随心所欲，从而引发一个问题：专有的和标准化的模块化计算机之间区别到底在哪里？这主要在于可选规范，OSM标准最终为引脚分配提供了一个相当严格的总体规划。OSM规范为“Large（大）”的外形尺寸有多达660个引脚（即使是COM-HPC服务器模块也只有大约其21%的引脚！），并且明确规定了哪个引脚可以执行什么功能。然而，分配引脚并不是强制性的，这能提供巨大的优势。

100%互操作性

这意味着OSM模块是100%可互操作的，可以部署在任何兼容OSM的母板上。由于600个引脚能够为所有通用接口提供足够的空间，OSM模块可选规范允许在单一标准基础上提供高度专用且非常异构的SoC。一个潜在问题是，可选接口规范规定，五个以太网接口仅适用于L及以上尺寸模块。因此，每种模块尺寸都有一个明确定义的功能范围，这些对于某些处理器来说可能会有所不同。例如，高度专业化的交换机控制器也适用于尺寸为M的模块。最终，标准化OSM模块与之前的模块化计算机之间唯一区别在于，强制性规范较少，一些处理器制造商曾通过对引脚规范施加影响来拒绝竞争对手进入COM业务。这使得竞争对手无法利用模块化计算机的乘数效应（multiplier effect）。然而，通过用可选接口取代强制性接口，该标准几乎兼容所有可用于高度异构设计的超低功耗SoC。

完全的灵活性

这使得OSM标准非常开放且经得起未来考验，即便对于具有汽车接口或集成式FPGA的非常专用解决方案也是如此。将来，新的或尚未通用的接口可以简单地分配给未使用引脚或替换过时的引脚。对于永远不会在组合中出现的功能，引脚可以多次分配。这种灵活性为高度集成的超低功耗SoC异构领域提供了非常必要的设计安全性。

领先制造商的支持

SGET成员研华、Aries、安富利、F&S、Geniatech、iesy、iWave和Kontron是首批提供官方OSM模块的制造商，围绕模块的生态系统也在不断发展。首批母板开发者已经在宣传他们不仅提供经典的COM，还提供OSM模块设计。iWave和Yamaichi等制造商也在销售OSM模块的测试适配器。支持OSM标准的应用就绪Gen2模块化计算机已经有多种变体：

一个母板适用于所有OSM模块

所有这些模块都可以在同一母板上进行测试，前提是它们支持OSM引脚的全部功能。这能够使设计更加一致，并可简化PCB布局的重用。一个测试系统可用于所有OSM模块，没有与连接器相关的磨损效应。在评估各种处理器时，能够降低成本，提高灵活性。使用一个基本布局即可以构建高度异构的产品系列，这可以带来巨大的规模经济效应。即便是对于母板天线设计之类的棘手任务也可重复使用，因为OSM也将这些信号纳入引脚规范，从而可实现无连接器天线设计。

今天，大多数OSM模块仍然带有预镀锡和非镀锡接触引脚。然而，一旦第二波标准化浪潮扩大，未来具有更多优势的BGA变体可能会更频繁地出现。从一定数量开始，对于更简单、更可靠SMT工艺的投资最终将转化为市场竞争优势，并可提供其它附加价值。

请注意，制造OSM模块需要SGET会员资格。但该规范是开源式，在硬件和软件方面都是在知识共享许可（Creative Commons license）下提供，这增加了对OSM标准的信任。未来是否还会有针对Arduino或Raspberry Pi的OSM模块，这将是一件有趣且值得期待的事情。从技术角度来看，这当然很可能。

作者：Ansgar Hein是嵌入式技术标准化组织（SGET）的主席