SoC和SoM的興起：一把雙刃劍？

本文由半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫（ID：ICVIEWS）綜合

片上系統(tǒng)和模塊系統(tǒng)憑借其眾多優(yōu)勢(shì)，在過去十年中受到工程師的廣泛歡迎。雖然SoC和SoM受到了工程界的贊揚(yáng)，但它們也帶來了一些挑戰(zhàn)。為什么SoC和SoM如此受歡迎，它們帶來了哪些挑戰(zhàn)，以及工程師如何解決這些問題？

為什么SoC和SoM變得如此受歡迎？

片上系統(tǒng)(SoC)和模塊系統(tǒng)(SoM)憑借其眾多優(yōu)勢(shì)，在過去十年中受到工程師的廣泛歡迎。然而，為了更好地理解為什么這些技術(shù)如此有益，我們首先需要看看硬件設(shè)計(jì)發(fā)生了怎樣的變化。

在定制芯片和先進(jìn)封裝技術(shù)時(shí)代之前，芯片將由分立元件組裝而成，包括電容器、電阻器和晶體管。雖然這使設(shè)計(jì)人員可以完全控制他們的設(shè)計(jì)，但它也使設(shè)計(jì)體積變得很大。對(duì)于大型系統(tǒng)（例如PC和服務(wù)器）來說，這并不是一個(gè)特別的問題（事實(shí)上，它可能相當(dāng)有益，因?yàn)樗试S系統(tǒng)組件隨著時(shí)間的推移進(jìn)行更換和升級(jí)）。

然而，對(duì)于移動(dòng)平臺(tái)，試圖將分立處理器、內(nèi)存、I/O控制器和其他電路壓縮到微小的PCB上會(huì)帶來許多挑戰(zhàn)，包括布線和散熱。此外，與單芯片解決方案相比，分立元件通常會(huì)消耗更多能量，這可能會(huì)對(duì)電池壽命產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

通過將多個(gè)系統(tǒng)組件壓縮到單個(gè)芯片（即SoC）上，不僅可以節(jié)省大量空間，而且還可以減少能耗，因?yàn)榭梢韵槐匾男酒?jí)外圍設(shè)備和電路。由于信號(hào)傳輸距離更短，系統(tǒng)組件之間的空間減小，并且外部源產(chǎn)生的噪聲減少，因此可以實(shí)現(xiàn)更快的操作。

當(dāng)然，開發(fā)定制SoC并不便宜，需要數(shù)千個(gè)工程時(shí)間和數(shù)百萬美元的投資。對(duì)于可以犧牲部分尺寸的應(yīng)用，SoM為工程師提供了出色的解決方案。

通過將多個(gè)芯片組合到單個(gè)基板上，工程師可以選擇將在其設(shè)計(jì)中使用的硅部件，將它們?cè)谖锢砩媳舜丝拷◤亩龑?duì)大型芯片封裝的需要），并提高性能。雖然節(jié)能效果會(huì)較小，但將芯片混合并匹配到定制封裝中的能力為工程師提供了充足的自由。

考慮到所有這些因素，SoC和SoM在工程界盛行的原因就顯而易見了。它們的小尺寸允許顯著縮小設(shè)計(jì)，從而能夠開發(fā)極小的設(shè)備，并且它們的可定制性允許工程師創(chuàng)建特定于應(yīng)用的零件，否則使用分立元件很難做到這一點(diǎn)。從根本上說，SoC和SoM使筆記本電腦、智能手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等現(xiàn)代電子設(shè)備成為可能。

SoC和SoM面臨哪些挑戰(zhàn)？

雖然SoC和SoM無疑為工程師提供了眾多機(jī)會(huì)，但它們也面臨著一些挑戰(zhàn)。

硬件限制

SoC和SoM面臨的一個(gè)主要問題是它們通常直接焊接到設(shè)計(jì)中，因此難以更換。雖然這還有一個(gè)額外的優(yōu)勢(shì)，即它們的體積非常小且組裝成本低廉，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，它也幾乎沒有升級(jí)的選擇。因此，使用此類技術(shù)的設(shè)備在使用幾年后可能會(huì)發(fā)現(xiàn)需要完全更換。

Apple M1和M2 SoC就是一個(gè)很好的例子。使用統(tǒng)一內(nèi)存（即RAM放置在非?？拷幚砥鞯奈恢茫┮馕吨L問時(shí)間比外部RAM棒所經(jīng)歷的時(shí)間要短得多，從而提高了計(jì)算性能。然而，隨著技術(shù)的進(jìn)步，用戶最終將需要更多的RAM，雖然使用內(nèi)存插槽的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)允許進(jìn)行此類升級(jí)，但M1和M2設(shè)備不允許這樣做。

當(dāng)考慮到這些設(shè)備直接焊接到主板上時(shí)，M1和M2的問題只會(huì)變得更糟，這意味著用戶也不能選擇更換整個(gè)SoC。因此，隨著技術(shù)的進(jìn)步和軟件硬件要求的增加，M1和M2設(shè)備的用戶可能會(huì)看到更多的設(shè)備更換。

Apple的M1和M2芯片是其最新Mac機(jī)型的核心。這些芯片采用8核CPU設(shè)計(jì)，平衡高性能核心和高能效核心，提供最佳的計(jì)算體驗(yàn)。它們還具有統(tǒng)一的內(nèi)存架構(gòu)，將高帶寬、低延遲的內(nèi)存匯集到一個(gè)池中，從而提高性能和效率。M1和M2芯片還提供高達(dá)2TB的SSD存儲(chǔ)，為應(yīng)用程序和文件提供充足的空間。

搭載M1和M2芯片的MacBook Air和MacBook Pro型號(hào)提供了一系列功能，可滿足不同用戶的需求。MacBook Air配備令人驚嘆的13.3英寸Retina顯示屏、高達(dá)16GB的統(tǒng)一內(nèi)存和高達(dá)2TB的SSD存儲(chǔ)。另一方面，MacBook Pro提供14英寸和16英寸型號(hào)，最高配備64GB統(tǒng)一內(nèi)存和最高8TB SSD存儲(chǔ)。這兩款機(jī)型都擁有令人印象深刻的電池續(xù)航時(shí)間，MacBook Air的電池續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)達(dá)18小時(shí)，MacBook Pro的電池續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)達(dá)21小時(shí)。

據(jù)MacRumors報(bào)道，M1 Mac中的RAM和SSD用戶不可升級(jí)，這進(jìn)一步凸顯了SoC和SoM在可升級(jí)性方面的挑戰(zhàn)。

電子垃圾問題

使用SoC和SoM無法升級(jí)直接焊接到設(shè)計(jì)的硬件，這對(duì)環(huán)境和全球產(chǎn)生的電子垃圾量產(chǎn)生了進(jìn)一步影響。由分立部件制成的設(shè)備可以很容易地拆開并回收有價(jià)值的材料，但由單芯片解決方案制成的設(shè)備回收起來卻極具挑戰(zhàn)性。不僅SoC和SoM設(shè)計(jì)更難回收，而且由于客戶更頻繁地更換設(shè)備而導(dǎo)致浪費(fèi)增加，從而產(chǎn)生更多數(shù)量的電子垃圾。雖然RoHS和REACH等立法有助于消除現(xiàn)代電子產(chǎn)品中最有害的化合物，但在芯片中使用有毒化合物以及微量元素仍然會(huì)對(duì)環(huán)境造成危險(xiǎn)。

據(jù)《衛(wèi)報(bào)》報(bào)道，包括SoC和SoM在內(nèi)的半導(dǎo)體行業(yè)由于其高能源和水消耗以及產(chǎn)生的危險(xiǎn)廢物而具有顯著的碳足跡。

Semiwiki討論了日益嚴(yán)重的電子垃圾問題，并提出了潛在的解決方案，例如機(jī)械拆卸、電路板和子系統(tǒng)再利用以及材料提取和處置。這些解決方案可以幫助減輕SoC和SoM對(duì)環(huán)境的影響。

進(jìn)入壁壘

SoC和SoM面臨的另一個(gè)問題是，只有在完全針對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行定制時(shí)，它們的優(yōu)勢(shì)才能真正實(shí)現(xiàn)。雖然通用的現(xiàn)成SoC和SoM當(dāng)然可以幫助改進(jìn)設(shè)計(jì)，但芯片級(jí)缺乏完整的定制意味著不必要的電路仍然會(huì)存在，從而損害能源消耗。這就是蘋果等主要設(shè)備制造商轉(zhuǎn)向定制SoC的原因，以便節(jié)省能量，同時(shí)最大限度地提高設(shè)備性能。

但高成本障礙意味著較小的工程團(tuán)隊(duì)通常無法嘗試定制SoC和SoM。因此，使用現(xiàn)成部件開發(fā)的解決方案不會(huì)盡可能地節(jié)省能源和空間，只有擁有數(shù)百萬美元資金的大公司才能充分利用SoC和SoM技術(shù)。

有趣的是，盡管M1和M2芯片采用集成設(shè)計(jì)，但有報(bào)道稱M1 Mac上的RAM和SSD已成功升級(jí)。據(jù)報(bào)道，中國(guó)的技術(shù)人員已成功用更大容量的組件替換了RAM和SSD模塊，并且macOS能夠正確識(shí)別這些組件。然而，值得注意的是，這個(gè)過程極具挑戰(zhàn)性和風(fēng)險(xiǎn)，并且毫無疑問會(huì)使蘋果的保修失效。因此，雖然它表明M1 Mac具有一定程度的靈活性，但對(duì)于大多數(shù)用戶來說，這并不是推薦的操作方案。

正如Semiwiki指出的那樣，定制SoC和SoM的高成本可能成為小型工程團(tuán)隊(duì)的進(jìn)入障礙。然而，研究和全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)合作可以幫助改變電子垃圾的經(jīng)濟(jì)性，并使這些技術(shù)更容易獲得。

工程師如何解決這些問題？

關(guān)于可升級(jí)性，唯一真正的解決方案是將SoC和SoM安裝到允許未來升級(jí)的插槽上。雖然SoC或SoM本身不會(huì)升級(jí)（只需更換為更好的版本），但周圍的硬件仍然可以重新利用，就智能手機(jī)而言，周圍的硬件很少需要升級(jí)（因?yàn)檎嬲募夹g(shù)變革是在處理器本身）。

通過采用插座設(shè)計(jì)，升級(jí)產(chǎn)生的電子垃圾也將顯著減少。事實(shí)上，舊的SoC和SoM可以重新用于其他不需要最新技術(shù)即可運(yùn)行的設(shè)備。例如，高端計(jì)算系統(tǒng)可以將其SoC替換為包含更多內(nèi)存的新版本，但刪除的舊SoC可以安裝到較小的系統(tǒng)中，例如家庭服務(wù)器或物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

Semiwiki建議解決可升級(jí)性問題的一種潛在解決方案是將SoC和SoM安裝到允許未來升級(jí)的插槽上。這不僅可以減少電子垃圾，還可以將舊的SoC和SoM重新用于其他設(shè)備。

總體而言，SoC和SoM為工程師提供了許多令人興奮的機(jī)會(huì)，但它們也并非沒有缺點(diǎn)。展望未來，工程師將需要考慮無法升級(jí)的硬件的長(zhǎng)期影響，不僅對(duì)消費(fèi)者，而且對(duì)環(huán)境。