無線模塊還是SoC？物聯(lián)網(wǎng)設計中的成本考慮

在設計物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設備時，是使用無線模塊還是片上系統(tǒng) (SoC) 可能是一個關鍵且具有挑戰(zhàn)性的決定。每個選項都有其獨特的優(yōu)點和缺點，選擇正確的技術需要平衡性能、功能和成本。在本文中，我們將通過詳細比較無線模塊和 SoC 的成本影響來消除此過程中的一些不確定性。

了解無線模塊和 SoC

讓我們簡要回顧一下正在討論的技術。

無線模塊是一種預先認證的單元，可作為完整的無線解決方案，通常包含帶有微控制器、軟件堆棧和天線的無線電收發(fā)器。無線模塊因其易用性和縮短開發(fā)時間而受到青睞。

圖 1. MRF24WB0MA/MB 2.4 GHz IEEE 802.11b/g/n 無線模塊的框圖。圖片由Microchip提供

片上系統(tǒng) (SoC)是一種集成電路，在同一硅片上結合了微控制器單元和射頻(RF) 前端。SoC提供更多控制和靈活性，但需要更多設計工作。

圖 2.通用 SoC 示意圖。圖片由Michael Keating 和Pierre Bricaud提供

無線模塊和SoC的成本比較

我們將使用以下指標來比較無線模塊和 SoC 的成本：

• 初始購買成本。
• 開發(fā)成本。
• 供應鏈成本。
• 可擴展性成本。

初始購買和開發(fā)成本

無線模塊包括預先認證的射頻電路、天線和軟件堆棧，所有這些都會增加購買成本。相比之下，SoC 只是沒有額外組件的集成電路。由于它們?nèi)鄙贌o線模塊中的附加組件，因此初始購買成本較低。這使得 SoC 對于預算有限的設計人員來說很有吸引力。

然而，同樣的簡單性意味著開發(fā)成本可能會迅速上升?？紤]以下與開發(fā)相關的費用清單：

• 射頻設計和工程費用。
• 實驗室設備和基礎設施投資。
• PCB 配置和天線選擇的成本。
• 認證費用。

無線模塊包括預先設計、預先測試的射頻電路，無需內(nèi)部射頻設計專業(yè)知識，并減少了對實驗室測試的需求。它們通常還經(jīng)過預先認證，并包含內(nèi)置天線和引腳排列，從而簡化了 PCB 布局過程。這些東西都包含在初始購買成本中，并且在開發(fā)階段不需要更多支出。

另一方面，基于 SoC 的設計在進入市場之前需要額外的費用和時間來進行設計、測試和認證。基于無線模塊的設計上市時間更短，投資回報更快。

供應鏈和可擴展性成本

與基于 SoC 的設計所需的所有單獨部件相比，采購模塊更容易。后一種選擇可能會導致更高的供應風險，特別是對于規(guī)模較小的公司或在零部件短缺期間。然而，依賴模塊供應商來保證供應連續(xù)性的成本可能會很高。如果選擇 SoC，較大的公司或大批量生產(chǎn)可能會受益于對供應鏈的更多控制。

此外，無線模塊通常意味著更高的單位成本，這在擴大規(guī)模時是一個缺點。對于大規(guī)模生產(chǎn)，SoC 的單位成本較低，可以抵消較高的開發(fā)成本。

盈虧平衡示例：無線模塊與 SoC

Silicon Labs 的 Tom Nordman、Joe Tillison 和 Nick Dutton 分析了在物聯(lián)網(wǎng)設計中使用無線模塊和 SoC 的成本。他們比較了BGM210P 無線藍牙模塊和EFR32BG21 藍牙 SoC的成本（30萬件的批量成本）。

他們的成本比較基于以下假設：

• 年產(chǎn)量為 10,000 至 300,000 件，無線模塊和 SoC 的售價分別為 2.99 美元和 1.11 美元。
• SoC 的物料清單(BoM) 與制造過程中的測試相結合，每單位成本估計為 0.55 美元。其中 0.05 美元的成本來自測試；0.50 美元是 BoM。
• 他們計算出其產(chǎn)品的毛利率（產(chǎn)品銷售價格與其生產(chǎn)成本之間的差額）為4.98 美元。
• 據(jù)稱毛利率為 4.98 美元，比模塊價格高出 40%，這意味著利潤比他們在產(chǎn)品中使用無線模塊時產(chǎn)生的成本高出 40%。
• 由于其復雜的設計、認證和監(jiān)管審批流程，該 SoC 被認為需要額外六個月的開發(fā)時間。根據(jù)工程師平均年薪 100,000 美元，假設這需要額外花費 50,000 美元左右。

考慮到這些因素，并考慮到上市時間和使用 SoC 帶來的收入損失，年產(chǎn)量的盈虧平衡產(chǎn)量在 500,000 到 1,300,000 件之間。如果我們忽略由于上市時間延遲而造成的收入損失，盈虧平衡點將下降到100,000 到 200,000 件之間。此處的盈虧平衡和盈虧平衡產(chǎn)量均指使用 SoC 的利潤開始等于（并隨后超過）使用無線模塊的利潤的產(chǎn)量范圍。

Silicon Labs 團隊的分析圖如圖 3 所示。黃線內(nèi)的區(qū)域代表盈虧平衡量。由于生產(chǎn)過程中存在風險和不確定性，這個數(shù)量是一個范圍，而不是一個點。

圖 3.無線 SoC 和無線模塊的盈虧平衡。圖片由Silicon Labs提供

當產(chǎn)量低于 500,000 件時，使用無線模塊比使用 SoC 更有利可圖。這是由于與 SoC 相關的前期成本較高且上市時間較長。然而，一旦產(chǎn)量達到收支平衡區(qū)，這些前期成本可能會分攤到足夠多的單元上，從而使 SoC 成為利潤更高的選擇。

作者指出，SoC 可能不是所有大批量產(chǎn)品的最佳選擇。例如，由于物聯(lián)網(wǎng)設備小型化的挑戰(zhàn)，一些最暢銷的移動設備選擇無線模塊，而本盈虧平衡比較沒有考慮到這一點。無線模塊提供緊湊的設計（SiP 模塊）、全面的全球認證和具有競爭力的組件成本。盡管 SoC 具有潛在的大規(guī)模成本效益，但也存在無法量化的風險，例如技術問題或認證問題。

最佳選擇

使用 SoC 進行設計使產(chǎn)品開發(fā)人員能夠靈活地定制設計其系統(tǒng)并集成他們所需的硬件和軟件功能。這種可定制性的另一面是增加了復雜性和更長的開發(fā)時間——設計人員需要深入了解 SoC 架構及其上運行的軟件。

相比之下，預制無線模塊通常需要較少的開發(fā)時間和專業(yè)知識，但在定制和集成方面可能會有所不足。對于較小的生產(chǎn)運行，或者如果快速上市時間至關重要，無線模塊可能更具成本效益；對于較大的產(chǎn)量，或者如果有內(nèi)部專業(yè)知識，SoC 可能會更具成本效益。

那么最終，什么才是最劃算的選擇呢？這是一個不穩(wěn)定的答案，取決于許多因素：具體產(chǎn)品、設計師、產(chǎn)品發(fā)布的緊迫性、產(chǎn)量等等。