Zaloguj
Każdy bardziej zaawansowany system elektroniczny wymaga wydajnego procesora (CPU), szybkiej i pojemnej pamięci operacyjnej (RAM), nieulotnej pamięci danych (NVM) oraz odpowiednich interfejsów przewodowych i bezprzewodowych. Zastąpienie tych elementów kompaktowym, przetestowanym modułem diametralnie przyspiesza prace projektowe i uruchomieniowe. Jednak różnorodność zastosowań wymusza przynajmniej kilka typów rozwiązań. Dlatego obecnie wyróżniamy kilka kategorii produktów tego typu.
SoC, SiP, MCM i PoP
Pierwsza grupa to komponenty, które są dostępne jako pojedyncze układy scalone. Ich parametry i funkcje mogą się bardzo różnić, a budowa wewnętrzna jest realizowana na kilka sposobów. Poniżej zostały opisane najczęściej stosowane technologie.
SoC (System on Chip)
Moduł SoC integruje wszystkie komponenty niezbędne do działania systemu w postaci układu scalonego, czyli na pojedynczym kawałku krzemu. Układy scalone typu System on Chip mają wiele zalet – są wydajne, kompaktowe i ekonomiczne w produkcji. Znajdują zastosowanie w systemach zorientowanych na małe wymiary i niskie zużycie energii, takich jak urządzenia IoT, smartfony czy systemy wbudowane.
Standardowy SoC może zawierać procesor CPU, akcelerator graficzny GPU (Graphics Processing Unit), akcelerator AI/NPU (Neural Processing Unit), pamięci RAM i/lub ROM, interfejsy zewnętrzne USB/HDMI/Ethernet, interfejs bezprzewodowy Wi-Fi/Bluetooth/5G oraz inne komponenty, takie jak przetworniki analogowo-cyfrowe czy układy zasilania. Pomimo kompaktowych rozmiarów, układy scalone SoC są niezwykle wydajne i często przewyższają parametrami systemy zbudowane z kilku oddzielnych układów. Z drugiej strony są kosztowne w projektowaniu i produkcji oraz mogą być trudne w implementacji, ponieważ:
- wymagają skomplikowanych płytek PCB dla doprowadzenia wielu sygnałów do jednego niewielkiego układu scalonego,
- mogą wymagać bardzo wydajnego i precyzyjnego układu zasilania,
- mogą generować duże ilości ciepła,
- brak możliwości modyfikowania zasobów sprzętowych sprawia, że zmiana lub dodanie nawet jednego bloku wymaga wyprodukowania nowego układu scalonego.
Popularnym układem SoC jest ESP32 od Espressif. W rozbudowanej wersji zawiera dwurdzeniowy procesor Xtensa, pamięci RAM/ROM/Flash, blok komunikacji radiowej Wi-Fi/Bluetooth, akcelerator kryptograficzny, rdzeń ULP oraz cały szereg interfejsów I/O (rysunek 1). Niski koszt tego układu oraz łatwość implementacji, dzięki bogatym zbiorom przykładów, bibliotek i tutoriali sprawiły, że jest on jednym z najczęściej stosowanych układów w aplikacjach IoT.
W kontekście układów SoC należy wyjaśnić również pojęcie ASIC (Application Specific Integrated Circuit). Układy scalone tej klasy są zaprojektowane specjalnie do jednego, konkretnego zastosowania, które wykonują bardzo wydajnie. Elementem układu SoC często jest struktura ASIC realizująca np. funkcje akceleratora AI/NPU czy kalkulatora sum kontrolnych SHA.
SiP (System in Package)
Moduł SiP łączy różnorodne komponenty – procesory, pamięci, moduły RF, moduły zarządzania energią, czujniki i dyskretne elementy pasywne – w jedną, kompaktową jednostkę (rysunek 2). Poszczególne bloki mogą być wykonane w różnych technologiach i rozmieszczone zarówno w płaszczyźnie 2D, jak i jako struktura 3D (tzw. 3D stacking) – wtedy uzyskuje się większą gęstość upakowania. Połączenia wykonywane są różnymi technikami, m.in. wire bonding, flip-chip albo za pomocą ich kombinacji.
Interesującym układem SiP jest procesor Apple M1, który zawiera zaawansowany i super wydajny układ SoC (8-rdzeniowy CPU, 8-rdzeniowy GPU, 16-rdzeniowy silnik neuronowy i kontroler interfejsu Thunderbolt) połączony z pamięciami LPDDR4X SDRAM o pojemności 8/16 GB (fotografia 1). Układ ten jest jednostką centralną niektórych komputerów MacBook.
W porównaniu do układów SoC, SiP wyróżniają się dużą elastycznością oraz krótkim cyklem projektowania i relatywnie niskim kosztem rozwoju. Produkcja gigantycznych, monolitycznych struktur półprzewodnikowych typu SoC w technologii 2…3 nm jest niesamowicie skomplikowana i obarczona dużym ryzykiem błędów. Łatwiej jest zbudować kilka mniejszych bloków i połączyć je w jednej obudowie. Dodatkowo SiP pozwala na integrację nowoczesnych układów mieszanych – cyfrowych i analogowych – w ich optymalnie skonfigurowanych, starszych strukturach. Możliwe jest również łączenie różnych materiałów półprzewodnikowych – Si, GaAs, GaN lub integracja układów MEMS, elementów optycznych i różnych czujników. Natomiast układy SiP ustępują SoC pod względem energooszczędności i w niewielkim stopniu także pod względem wydajności.
MCM (Multi-Chip Module)
Technologią podobną do SiP jest MCM. W tym przypadku mamy do czynienia z układem, który składa się z kilku oddzielnych struktur scalonych (tzw. chipletów – rysunek 3).
Chiplety są projektowane jako komponenty większego układu scalonego lub układy SoC i mogą być dowolnie dobierane. Podział na mniejsze, niezależne jednostki przekłada się na większą elastyczność, wydajność i skalowalność. Chiplety są połączone za pomocą interposera – krzemowego bloku połączeń, który odgrywa kluczową rolę w utrzymaniu wysokiej integralności sygnałów i zmniejszeniu opóźnień. Ta struktura zwiększa wydajność i energooszczędność systemów bazujących na chipletach oraz umożliwia efektywne współdzielenie zasobów. Technologia MCM utorowała drogę dla SiP, a w ostatnim czasie przeżywa swój renesans w najpotężniejszych procesorach. Na fotografii 2 został pokazany procesor AMD EPYC Bergamo, wykonany z użyciem technologii chipletów i oferujący aż 128 rdzeni.
PoP (Package-on-Package)
Istnieje jeszcze jedna technologia ściśle związana z SoC i SiP. Package-on-Package to sprytne rozwiązanie konstrukcyjne, które pozwala zaoszczędzić miejsce poprzez układanie jednego gotowego układu scalonego na drugim. W branży smartfonów i nowoczesnych SBC jest to najczęstszy sposób łączenia procesora SoC z pamięcią RAM (rysunek 4) i pozwala na wyższe taktowanie pamięci.
Zasadniczą wadą tego rozwiązania jest utrudnione odprowadzanie ciepła. Grzejący się układ SoC jest osłonięty układem pamięci, co skutecznie pogarsza efektywność jego chłodzenia. Niektóre procesory do Raspberry Pi korzystały właśnie z technologii PoP – fotografia 3.
Producenci SoC/SiP
Najwięksi producenci SoC/SiP koncentrują się na produkcji układów do smartfonów, komputerów przenośnych i zaawansowanej elektroniki motoryzacyjnej. Do takich zastosowań wymagana jest przede wszystkim wysoka wydajność oraz integracja akceleratorów graficznych i jednostek AI/NPU. Liderami w branży są:
- Apple – układy z serii M i A. Apple jest pionierem w branży SoC i zrewolucjonizował rynek laptopów oferując układy, które osiągają wydajność komputerów desktopowych, zużywając zarazem wielokrotnie mniej energii. Niedawno Apple zaprezentowało nową generację układów – M5 Pro i M5 Max, które po raz pierwszy bazują na technologii o nazwie Fusion Architecture, pozwalającej na połączenie dwóch oddzielnych matryc (dies) w jeden wspólny system SoC przy użyciu zaawansowanych technologii produkcyjnych. Dzięki temu układy te oferują do 18 rdzeni CPU (w tym nowe super rdzenie) i do 40 rdzeni GPU, zachowując zunifikowaną architekturę pamięci o przepustowości do 614 GB/s.
- Qualcomm – układy Snapdragon napędzają większość urządzeń z systemem Android. Są wyposażone w wielordzeniowe CPU oraz zaawansowany silnik AI typu Hexagon o wydajności nawet do 100 TOPS (bilion operacji na sekundę) – patrz fotografia 4. Natomiast w tym roku zaprezentowano układy Snapdragon X2 Elite/Plus przeznaczone do komputerów przenośnych z systemem Windows, które dorównują tradycyjnym procesorom x86 lub je przewyższają.
- NVIDIA – układy Tegra/Drive/Thor. Marka jest kojarzona przede wszystkim z procesorami do kart graficznych, jednak produkuje również najbardziej zaawansowane SoC dla robotyki i autonomicznych samochodów. Najnowsze układy z serii Thor oferują potężną moc obliczeniową do 2000 TFLOPS i są przeznaczone do pojazdów, gdzie będą realizowały zarówno funkcje jazdy autonomicznej, jak i cały system Infotainment (fotografia 5).
- MediaTek – układy Dimensity to SoC zoptymalizowane do flagowych smartfonów. Producent przyjął architekturę All Big Core (brak małych rdzeni o niskiej wydajności), ponadto integruje w swoich układach jednostki wspomagające generowanie obrazów AI, autorskie akceleratory NPU oraz modemy 5G.
- Intel – układy SoC z serii Core Ultra. Intel dokonał ogromnej transformacji, przechodząc z klasycznych procesorów na układy typu SoC. Opracował technologię Tile-Based Design (odpowiednik MCM), w której różne bloki układu mają swoje osobne struktury krzemowe – tzw. kafelki (Tiles). Kafelki są ułożone obok siebie na wspólnej krzemowej tafli (Base Tile), realizującej matrycę połączeń (rysunek 5). Układy Core Ultra, oprócz rdzeni CPU i GPU, zawierają silnik NPU, tory radiowe obsługujące łączność Wi-Fi 6 i 7 oraz kontrolery nowoczesnych interfejsów PCI-Express 5.0, Thunderbolt 4 i USB4.
Przemysłowe SoC/SiP
Liderzy rynku przemysłowego projektują układy do zastosowań w komputerach SoM i SBC, czy też urządzeniach IoT, gdzie ważniejsze od wydajności są: niezawodność układów, odporność na temperaturę i zakłócenia, bezpieczeństwo danych oraz długi cykl życia produktu. Oto najważniejsi producenci rozwiązań z tej klasy.
NXP Semiconductors
Charakterystyka rodziny układów i.MX od NXP to droga ewolucji od klasycznych mikrokontrolerów do potężnych procesorów aplikacyjnych z akceleracją AI. Oto główne grupy układów.
- i.MX RT – nie są typowymi procesorami SoC, lecz mikrokontrolerami typu Crossover, czyli nowoczesnymi układami łączącymi cechy tradycyjnych MCU (prostota obsługi, niski pobór energii, krótki czas reakcji, łatwość programowania, niski koszt) z wysoką wydajnością procesorów aplikacyjnych MPU (taktowanie rzędu 600 MHz…1 GHz, rdzeń Cortex-M7). Aby uzyskać taką specyfikę układu, zamiast zintegrowanej pamięci Flash, która ogranicza prędkość działania, zastosowano interfejsy zewnętrznej pamięci Flash oraz ogromną ilość (kilka MB) zintegrowanej, szybkiej pamięci RAM (SRAM).
Układy RT są przeznaczone do aplikacji Real-time audio, do prostych interfejsów graficznych, do układów sterowania silnikami itp. Są oferowane w 4 wersjach:- jedno-rdzeniowe MCU – RT101x…RT106x (Cortex-M7);
- klasyczne MCU 2-rdzeniowe – RT116x…RT118x (Cortex-M7, Cortex-M33);
- nowoczesne MCU z ogromną ilością pamięci RAM (5 MB) oraz dodatkowym zaawansowanym, konfigurowalnym rdzeniem Cadence Tensilica – RT500, RT600 (Cortex-M33, Cadence Tensilica);
- podwójny zestaw MCU + Cadence Tensilica oraz 7,5 MB pamięci RAM i silnik AI/ML eIQ Neutron NPU – RT700 (Cortex-M33 + Cadence Tensilica Hi-Fi 4; Cortex-M33 + Cadence Tensilica Hi-Fi 1).
- i.MX 6 – podstawowe procesory aplikacyjne, które zbudowały potęgę NXP w branży przemysłowej. Dostępne z wersjach z 1, 2 lub 4 rdzeniami Cortex-A7/Cortex-A9, akceleratorem grafiki 2D/3D (Vivante GPU), pojedynczym lub podwójnym interfejsem Ethernet 1 Gb, interfejsem PCIe oraz w wersji dla branży automotive. Są przystosowane do warunków przemysłowych i odpowiednie do pracy w reżimie 24/7. Modele o mniejszej wydajności, obniżonym poborze energii i niskiej cenie to m.in.: 6ULZ, 6ULL, 6UltraLite, 6SLL, 6Solo, 6SoloLite. Modele o większej wydajności z rdzeniami dual-core i quad-core to: 6SoloX, 6DualLite, 6Dual, 6DualPlus, 6Quad, 6QuadPlus.
- i.MX 7 – charakteryzują się heterogeniczną architekturą, łączącą wydajny rdzeń Cortex-A7, na którym może działać system Linux, z energooszczędnym rdzeniem Cortex-M4 do mniej wymagających zadań. Dodatkowo układy i.MX 7 są wyposażone w zaawansowane moduły bezpieczeństwa oraz w interfejs wyświetlacza MIPI/równoległy/EPD, dlatego doskonale nadają się do urządzeń przenośnych, zasilanych bateryjnie i zapewniających bezpieczeństwo w świecie IoT. Model przeznaczony do aplikacji ultra low power to 7ULP, model zrównoważony to 7Solo, natomiast model o wysokiej wydajności to 7Dual.
- i.MX 8 – oferują ogromny skok wydajnościowy dzięki przejściu na architekturę 64-bitową i wielordzeniową, zawierającą jednostki Cortex-A72/A53/A35, Cortex-M4F/M33/M7, DSP/NPU/GPU, w różnych konfiguracjach. Oferują wirtualizację sprzętową, czyli możliwość uruchomienia dwóch systemów (np. Android i RTOS) na jednym procesorze, w całkowitej izolacji pomiędzy obydwoma systemami. Ponadto obsługują wyświetlacze do 4K, kamery oraz kodeki obrazu i dźwięku. Przeznaczone są do zaawansowanych zastosowań graficznych, wizji maszynowej, sterowania głosowego, analizy wideo i systemów nadzorowania bezpieczeństwa. Modele o mniejszej wydajności to 8XLite, 8X, 8ULP, modele o dużej wydajności to 8M Plus, 8M Nano, 8M Mini, 8M, zaś najbardziej wydajny przedstawiciel tej rodziny to i.MX 8 (2×A72 + 4×A53 + 2×M4F + DSP + 2×GPU).
- i.MX 9 – najnowsza generacja układów i.MX przeznaczona do aplikacji Edge AI i Edge Lock. Wprowadzono nowoczesne jednostki przetwarzania neuronowego NPU typu Ethos-U, dzięki czemu takie funkcje, jak rozpoznawanie głosu czy gestów odbywa się lokalnie przy minimalnym zużyciu energii. Wewnątrz układu znajduje się wydzielona, sprzętowa twierdza (Secure Enclave), która zarządza funkcjami bezpieczeństwa i kryptograficznymi. Ponadto zastosowano technologię Energy Flex odpowiadającą za precyzyjne zarządzanie energią – kontroler może wyłączyć niemal wszystkie bloki i pozostawić aktywny tylko jeden sensor. Najbardziej podstawowy model to 91, wyposażony w jeden rdzeń Cortex-A55. Modele 93, 94, 95 i 952 to wydajne, wielordzeniowe układy z interfejsami wyświetlaczy, kamer i PCIe (rysunek 6).
ST Microelectronics
ST Microelectronics ma w ofercie dwa rodzaje popularnych układów SoC. Pierwszy z nich stanowią rozbudowane mikrokontrolery STM32MP1 i STM32MP2, druga grupa obejmuje mikrokontrolery zintegrowane z uniwersalnym torem radiowym 2,4 GHz – STM32WB.
- STM32MP1 – układy, które umożliwiły przejście mikrokontrolerów do świata systemów operacyjnych typu Linux. Firma ST Microelectronics nie próbowała konkurować z procesorami do smartfonów, zamiast tego opracowała rozbudowane, niezawodne i energooszczędne mikrokontrolery z solidnym wsparciem programowym. Pierwsze modele (MP131, MP133, MP135) dysponują jednym rdzeniem Cortex-A7 o taktowaniu do 1 GHz. Kolejne układy (MP151, MP153, MP157) mają 1 lub 2 rdzenie Cortex-A7 oraz rdzeń Cortex-M4, a najlepiej wyposażona wersja MP157 zawiera dodatkowo silnik graficzny 3D OpenGL ES 2.0 (rysunek 7).
- STM32MP2 – druga generacja procesorów aplikacyjnych otwiera drzwi do wyższej wydajności dzięki platformie 64-bitowej i nowoczesnym rdzeniom Cortex-A35/Cortex-M33. Dodatkowo, dzięki akceleratorowi NPU wbudowanemu w procesory MP25x i MP23x, a także za sprawą ekosystemu ST Edge AI, można łatwo wybierać, trenować i optymalizować aplikacje AI. Układy wyposażone są także w zaawansowane, certyfikowane funkcje bezpieczeństwa.
- STM32WB – układy z tej rodziny bazują na rdzeniu Cortex-M4, który działa jako procesor aplikacji oraz na drugim rdzeniu Cortex-M0+, który realizuje zadania związane z komunikacją radiową w paśmie 2,4 GHz (rysunek 8). Zapewniają obsługę technologii Bluetooth LE zgodnej ze specyfikacją Bluetooth Core 5.4, a także standardów: IEEE 802.15.4 ZigBee, Thread i innych współbieżnych standardów bezprzewodowych. Dodatkowo układy STM32WB zawierają szereg standardowych zasobów: pamięć Flash do 1 MB, liczniki, interfejsy komunikacyjne, zasoby analogowe, peryferia interfejsu użytkownika oraz bloki funkcjonalne zwiększające bezpieczeństwo aplikacji.
Rockchip
Układy Rockchip w ostatnich latach stały się bazą dla najwydajniejszych komputerów jednopłytkowych (SBC) i zaawansowanych urządzeń IoT. NXP czy ST stawiają na certyfikacje i stabilność przemysłową, podczas gdy firma Rockchip postawiła na dużą moc obliczeniową i multimedia.
- RK3399 – to wydajny procesor SoC zbudowany w architekturze sześciordzeniowej Big.LITTLE – 2×Cortex-A72 + 4×Cortex-A53. Jest on wyjątkowo popularny w świecie komputerów jednopłytkowych SBC, takich jak Pine64 czy Rock 4C (fotografia 6), ze względu na świetny stosunek ceny do możliwości. Oferuje układ graficzny Mali-T860 MP4 ze wsparciem dla 4K/60 fps, USB-C z DisplayPort, szybkie interfejsy PCIe i jest wspierany przez niemal każdą dystrybucję Linuksa na ARM.
- RK3566/RK3568 – układy o średniej wydajności, ale nowoczesne i energooszczędne. Zastąpiły starsze jednostki w tanich tabletach, TV Boxach i budżetowych SBC (np. Orange Pi 3B). Oferują cztery rdzenie Cortex-A55 oraz prostą jednostkę NPU (ok. 1 TOPS), a także szeroką gamę interfejsów – SATA, PCIe 3.0, Dual Gigabit Ethernet, co czyni je idealnymi bazami dla tanich serwerów domowych (NAS) i routerów.
- RK3588/RK3588S – to flagowe układy SoC nowej generacji, wykonane w procesie technologicznym 8 nm i przeznaczone do zaawansowanych zastosowań w AI, Edge IoT oraz do złożonego przetwarzania danych. Układy te konkurują z procesorami Intela i Qualcomma w świecie systemów embedded. Ośmiordzeniowa architektura big.LITTLE składa się z 4 wydajnych rdzeni Cortex-A76 (2,4 GHz) oraz 4 energooszczędnych rdzeni Cortex-A55 (1,8 GHz). Zintegrowany układ graficzny Mali-G610 MP4 wspiera zaawansowane renderowanie 3D, wymagające interfejsy graficzne – 8K/60 fps oraz możliwość podłączenia do 4 wyświetlaczy jednocześnie. Całość uzupełnia wbudowany akcelerator AI o wydajności 6 TOPS, wspierający operacje mieszane (INT4/INT8/INT16/FP16) i popularne frameworki, takie jak TensorFlow, PyTorch czy Caffe.
- RV1103/RV1106 – to wysoce zintegrowany procesor SiP z serii AI Vision, zaprojektowany z myślą o urządzeniach IoT, inteligentnych kamerach IP oraz systemach brzegowych wymagających wsparcia dla sztucznej inteligencji. Zawiera jednordzeniowy procesor Cortex-A7 taktowany zegarem 1,2 GHz, zintegrowaną pamięć RAM DDR3L 128/256 MB oraz sprzętowy blok przetwarzania obrazu ISP 3, obsługujący wejście wideo do 5 MP/30 fps. Wspiera technologie HDR, WDR, 2D/3D noise reduction oraz funkcje korekcji obrazu (np. defogging, fisheye correction). Umożliwia sprzętowe kodowanie w formatach H.264 i H.265 (do 5 MP/30 fps) oraz snapshoty JPEG do 16 MPx. Charakterystyczne cechy tego mikrosystemu to bardzo krótki czas startu – Fast Boot, możliwość przechwycenia obrazu w 250 ms i rozpoznawania twarzy w mniej niż 1 sekundę.
Renesas
Renesas to japoński gigant, który wyspecjalizował się w produkcji układów SoC dla branży automotive. Układy Renesas są fundamentem systemów wspomagania kierowcy (ADAS) oraz krytycznej infrastruktury przemysłowej.
- Seria R-Car (V4M/V4H) – układy zaprojektowane tak, aby zarządzały zarówno systemem rozrywki (Infotainment), jak i systemami bezpieczeństwa (ADAS) oraz jazdy autonomicznej na poziomach 2+ i 3 (rysunek 10). To absolutna czołówka procesorów w świecie elektroniki dla motoryzacji, wyposażonych w potężne jednostki Cortex-A76/A55, rdzenie czasu rzeczywistego Cortex-R52 i dedykowane akceleratory deep learning. Zintegrowany procesor graficzny AXM-8-256 osiąga wydajność ponad 150 GFLOPS, a procesor sygnałowy obrazu (ISP) obsługuje kamery o wysokiej rozdzielczości – do 8 MP.
- Seria RZ/G – układy z grupy Mainstream, stanowiące bezpośrednią konkurencję dla i.MX od NXP czy STM32MP1. Są to procesory aplikacyjne przeznaczone do paneli HMI i rozwiązań IoT. Wyposażone w rdzenie GPU Mali-G31, oferują świetny balans między estetyką interfejsu a niskim poborem prądu.
- Seria RZ/V – najbardziej innowacyjna grupa układów Renesas, która wprowadza autorską technologię akceleracji sztucznej inteligencji – DRP-AI (Dynamically Reconfigurable Processor). To unikalne podejście stanowi połączenie tradycyjnego procesora z układem FPGA. DRP-AI potrafi skonfigurować swoje bloki logiczne w locie, aby idealnie dopasować się do konkretnego algorytmu sieci neuronowej. W efekcie uzyskiwana jest ekstremalnie wysoka wydajność AI na każdy wat pobieranej energii. Rodzina RZ/V doskonale nadaje się do aplikacji wymagających wizji 3D i rozpoznawania obiektów (fotografia 7).
- Seria RZ/N i RZ/T – układy przeznaczone do sterowników PLC i robotyki, gdzie liczy się każda mikrosekunda opóźnienia (rysunek 11). Architektura bazuje na rdzeniach Cortex-R, które gwarantują przewidywalny czas odpowiedzi systemu. Ponadto układy oferują sprzętową obsługę zaawansowanych protokołów przemysłowych (EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP). Nowsze jednostki, jak RZ/N2L, wspierają technologię Time-Sensitive Networking (TSN), niezbędną w nowoczesnych fabrykach Przemysłu 4.0.
Moduły SoM
Moduły SoC/SiP mają wiele zalet, ale mogą też sprawić wiele trudności:
- często wymagają zewnętrznej pamięci Flash lub dodatkowej szybkiej pamięci RAM,
- do stabilnej pracy potrzebują precyzyjnego i wydajnego układu zasilania,
- niektóre interfejsy, w tym Ethernet, muszą być połączone z zewnętrznym układem szybkiego transceivera, np. Ethernet PHY,
- interfejs bezprzewodowy wymaga implementacji skomplikowanych obwodów antenowych lub kompletnego modułu radiowego.
W efekcie, skoncentrowane w układzie SoC nowoczesne funkcjonalności i tak wymagają zaprojektowania złożonych obwodów współpracujących. Moduły SoM (System on Module) powstały po to, aby rozwiązać ten problem.
SoM to niewielka płytka drukowana, która integruje w sobie najbardziej skomplikowane w implementacji elementy systemu wbudowanego: procesor SoC, pamięć RAM, pamięć NVM – Flash/eMMC, układ zarządzania zasilaniem – PMIC, układy interfejsów przewodowych i bezprzewodowych. Czasami określana jako CoM (Computer on Module), jednak w przeciwieństwie do gotowych komputerów SBC, moduł SoM przeważnie nie zawiera złączy, np. USB, HDMI, Ethernet, dostępnych bezpośrednio dla użytkownika (rysunek 12). Zamiast tego ma wielostykowe złącza (zwykle krawędziowe lub typu Mezzanine – przyp. red.), które wyprowadzają wszystkie kluczowe sygnały na zewnątrz. Zalety modułów SoM to przede wszystkim:
- skalowalność – można zaprojektować jedną płytę bazową i w zależności od budżetu lub wymagań projektu, dołączyć do niej moduł z 1-rdzeniowym lub 8-rdzeniowym procesorem;
- szybkość projektowania – wszystkie krytyczne połączenia, takie jak szybkie interfejsy i szeroka magistrala pamięci, są już wykonane i przetestowane. Płytka bazowa jest zatem niezbyt rozbudowana i łatwa w projektowaniu;
- łatwość programowania – producenci modułów SoM udostępniają skonfigurowane i gotowe do użycia systemy operacyjne oraz pakiety oprogramowania BSP (Board Support Package), biblioteki, frameworki, przykłady programów;
- długowieczność – gdy procesor stanie się przestarzały lub któryś element ulegnie uszkodzeniu, wystarczy wymienić niewielki moduł SoM. Cała płyta bazowa ze specjalistycznymi złączami i układami wykonawczymi nie musi być nawet demontowana na czas serwisu;
- niezawodność – moduły SoM są zwykle testowane i/lub certyfikowane, co gwarantuje wysoką niezawodność i wydajność produktów końcowych. Może to mieć kluczowe znaczenie w przypadku zastosowań w urządzeniach medycznych, systemach motoryzacyjnych i automatyce przemysłowej.
Podział modułów CoM
Moduły CoM to przede wszystkim rozbudowane i zaawansowane minikomputery, które zwykle są dostosowane do jednego z kilku otwartych standardów. Dzięki temu istnieje możliwość wymiany modułu na wyższy model lub na produkt innej marki. Moduły CoM najczęściej produkowane są w jednym z 3 standardów.
SMARC (Smart Mobility ARChitecture)
Obecnie najpopularniejszy standard kompaktowych, energooszczędnych komputerów modułowych CoM z procesorami ARM i x86. Główne cechy standardu SMARC:
- stosowany przez wielu producentów,
- dwa zdefiniowane rozmiary: 82×50 mm oraz 82×80 mm,
- zdefiniowane rozmieszczenie punktów mocowania,
- złącze krawędziowe 314-pinowe o rastrze 0,5 mm,
- obsługa procesorów ARM oraz x86,
- obsługa systemów o niskim poborze mocy, rzędu kilku watów.
Dzięki interfejsom graficznym do wyświetlaczy i kamer, dźwiękowym, sieciowym i komunikacyjnym (rysunek 13), moduły SMARC nadają się nie tylko do systemów mobilnych, ale także do platform multimedialnych, urządzeń IoT i wielu wymagających aplikacji o niskim poborze mocy.
Qseven
Otwarty standard komputerów modułowych CoM, przeznaczony do systemów wbudowanych o niskim poborze mocy i niewielkich wymiarach (rysunek 14). Główne cechy standardu Qseven to:
- kompaktowy rozmiar – moduły występują w dwóch formatach: standardowym 70×70 mm (stąd nazwa Q od quadratic i seven) oraz mniejszym μQseven o wymiarach 40×70 mm,
- niski pobór mocy – moduły są zoptymalizowane pod kątem chłodzenia pasywnego, a maksymalny współczynnik TDP zazwyczaj nie przekracza 12 W,
- złącze krawędziowe 230-pinowe, które eliminuje potrzebę stosowania drogich złączy typu board-to-board,
- obsługa wielu architektur – wspiera zarówno procesory x86, jak i architekturę Arm.
COM Express
Standard przemysłowy dla komputerów typu CoM. Wysoce zintegrowany, kompaktowy moduł obliczeniowy, wyposażony w jedno lub dwa niskoprofilowe, 220-stykowe złącza typu Board-to-Board umieszczone na spodzie płytki, które umożliwiają połączenie z płytą bazową (carrier board). Standard definiuje cztery główne rozmiary modułów (rysunek 15) oraz różne konfiguracje styków (Type). Jest zarezerwowany dla najbardziej wymagających zastosowań przeznaczonych do pracy w trudnych warunkach przemysłowych, medycznych i militarnych.
Podział modułów SoM
Moduły SoM są dostępne jako zaawansowane, miniaturowe płytki PCB, zwykle w formacie charakterystycznym dla danego producenta. Wymiana modułu jest możliwa, ale najczęściej tylko w obrębie jednej grupy produktów tego producenta. Dostępne są wtedy wersje o różnym rodzaju i ilości pamięci, z różnymi wersjami procesora SoC, np. jedno- i wielordzeniowym.
Głównym zastosowaniem modułów SoM są systemy embedded oraz IoT, gdzie sprawdziły się 3 różne formaty:
- SODIMM Style – zawiera złącze krawędziowe, przez co moduły wyglądają jak moduły pamięci RAM do laptopa. Bardzo popularne, łatwe w wymianie i konkurencyjne cenowo.
- B2B (Board-to-Board) – wyposażone w niskoprofilowe, wielostykowe złącza typu Mezzanine. Pozwalają na budowę bardzo kompaktowych systemów (np. Raspberry Pi Compute Module 4/5).
- Solderable SoM (LGA, QFN) – moduły, które wlutowuje się na stałe na płytę bazową (fotografia 8). Są najbardziej odporne na wstrząsy i wibracje, zajmują najmniej przestrzeni, ale są trudne w serwisowaniu (raczej nie przewiduje się możliwości ich wymiany).
Poniżej znajduje się lista wybranych producentów i najnowszych modeli modułów SoM.
SomLabs
SoMLabs jest niezależną polską firmą skupiającą się na rozwoju i produkcji szerokiej gamy platform wbudowanych, takich jak System on Module (SoM) i Carrier Board (CB) dla projektów wbudowanych. Jest oficjalnym partnerem firm NXP, ST Microelectronics oraz Renesas i dlatego oferta obejmuje moduły z układami tych właśnie producentów.
- StarSOM-STM32H757 – moduł typu B2B z dwoma miniaturowymi złączami o 100 stykach każde (typu Hirose DF40C100DP04V51) – fotografia 9. Przeznaczony do aplikacji wymagających niskiego zużycia energii oraz funkcjonalności systemu czasu rzeczywistego. Zawiera dwurdzeniowy procesor SoC STM32H757XI (Cortex-M7 480 MHz + Cortex-M4 240 MHz), który jest połączony z pamięcią SDRAM 32 MB oraz pamięcią Flash QSPI 32 MB. Oferuje kompletny interfejs Ethernet 100 Mb, interfejs radiowy 802.11b/g/n Wi-Fi/ Bluetooth 5.1, równoległy (24-bitowy) interfejs wyświetlacza oraz MIPI-DSI, akcelerator graficzny Chrom-ART GPU, zaawansowane funkcje bezpieczeństwa oraz szeroki wachlarz klasycznych interfejsów.
- SpaceSOM-8Mplus – moduł typu SODIMM z 260-stykowym złączem krawędziowym (rysunek 16). Zaprojektowany do aplikacji multimedialnych i AI klasy przemysłowej, wymagających wysokiej mocy obliczeniowej i działających na systemach Linux oraz Android. 5-rdzeniowy (4×Cortex-A53 1,8 GHz + Cortex-M7 800 MHz) procesor aplikacyjny SoC i.MX8M Plus Quad, ze zintegrowanym akceleratorem NPU, jest połączony z energooszczędną pamięcią RAM typu LPDDR4 o pojemności do 4 GB i szybką pamięcią eMMC o pojemności do 32 GB. Nowoczesny SoC oferuje interfejs komunikacyjny PCIe 3.0, interfejs USB 2.0/3.0, interfejs wyświetlacza HDMI/LVDS i MIPI-DSI, a na płytce znajduje się miejsce na opcjonalny moduł radiowy Murata obsługujący dwupasmowe Wi-Fi 2,4/5 GHz, 802.11a/b/g/n/ac oraz i Bluetooth 5.1.
- VisionSOM-iMX93 – moduł typu SODIMM z 200-stykowym złączem krawędziowym (rysunek 17). Zawiera jeden z najnowszych procesorów SoC zaprojektowanych przez NXP – i.MX9352 (2×Cortex-A55 1,7 GHz + Cortex-M33 250 MHz), który jest zintegrowany z zaawansowaną jednostką przetwarzania grafiki 2D (PXP) i energooszczędnym koprocesorem AI/ML NPU (Ethos U-65 microNPU). Ma wszystkie standardowe, jak i nowocześniejsze interfejsy: CAN-FD, I3C, Ethernet 1 Gb MIPI-DSI, MIPI-CSI. Moduł jest przeznaczony do aplikacji IoT, Edge AI, interfejsów HMI i automatyki, gdzie wymagana jest energooszczędność i elastyczność przy zrównoważonych kosztach.
Raspberry Pi
W ofercie Raspberry Pi gotowym komputerom SBC od dawna towarzyszyły moduły typu SoM nazywane modułami obliczeniowymi – Compute Module (CM). Są to warianty flagowych komputerów jednopłytkowych Raspberry Pi przeznaczone do zastosowań przemysłowych i komercyjnych. Oprócz tego, że mają kompaktową konstrukcję, są wyposażone w pamięć NVM typu eMMC i dostępne w różnych wariantach.
- RPi Compute Module 5 (CM5) – moduł typu B2B z dwoma miniaturowymi złączami na spodzie płytki (fotografia 10). Jest wyposażony w 4-rdzeniowy, 64-bitowy procesor Cortex-A76 typu Broadcom BCM2712, taktowany z częstotliwością dochodzącą do 2,4 GHz, który zapewnia wysoką wydajność, zwłaszcza w aplikacjach multimedialnych. Zamontowana szybka pamięć RAM typu LPDDR4 może mieć pojemność od 2 do 16 GB (z obsługą korekcji błędów ECC), natomiast pamięć eMMC może mieć pojemność 0 (wersja Lite)/16/ 32/64 GB. W zakresie komunikacji CM5 oferuje interfejs Gigabit Ethernet oraz wbudowane Wi-Fi 6 i Bluetooth 5.2.
- RPi Compute Module 4S (CM4S) – moduł typu SODIMM ze złączem krawędziowym (fotografia 11), zgodny z formatem DDR2 stosowanym we wcześniejszym wersjach: CM1, CM3 i CM3+. Wyposażony w czterordzeniowy procesor Cortex A72 (1,5 GHz), do 8 GB pamięci LPDDR4-3200 SDRAM z ECC oraz do 32 GB pamięci eMMC. Moduł obsługuje szereg interfejsów, takich jak USB 2.0, HDMI 2.0 (do 4K przy 60 fps), MIPI DSI i CSI oarz umożliwia dekodowanie wideo 4K w standardach H.265 (HEVC) i H.264. Ponadto, dzięki 46 pinom GPIO, moduł oferuje duże możliwości możliwości rozbudowy, a zgodność z Raspberry Pi OS czyni go rozwiązaniem łatwym w uruchomieniu.
Microchip
Znany producent mikrokontrolerów skoncentrował się na produkcji modułów SoM typu solderable, czyli montowanych w płytach bazowych poprzez bezpośrednie lutowanie na docelowej PCB. Takie rozwiązanie ma pewne ograniczenia, ale jednocześnie jest nieporównywalnie kompaktowe (wlutowany moduł praktycznie nie jest wyższy od innych elementów na płytce bazowej) oraz najbardziej ekonomiczne i najłatwiejsze w produkcji seryjnej.
- SAM9X75D2GN4 – bardzo kompaktowy moduł o wymiarach 35×30 mm ze stykami umieszczonymi na krawędziach płytki (174 piny, raster 0,65 mm), przeznaczonymi do lutowania maszynowego lub ręcznego (fotografia 12). Zawiera procesor SAM9X75 (ARM926EJ-S) o częstotliwości taktowania do 800 MHz, 256 MB pamięci DDR3L SDRAM oraz 512 MB pamięci NAND Flash. Komunikacja może być realizowana poprzez interfejs Ethernet 1 Gb oraz wiele klasycznych interfejsów i wyprowadzeń I/O. Zintegrowana jednostka zarządzania energią (Power Management Unit) dba o prawidłowe zasilanie komponentów. Seria modułów SOM SAM9X75 jest wspierana przez darmową dystrybucję systemu Linux oraz przykłady w języku C.
- SAMA5D27 – bardzo kompaktowy moduł o wymiarach 40×38 mm ze stykami umieszczonymi na krawędziach płytki (176 pinów, raster 0,8 mm) przeznaczonymi do lutowania maszynowego lub ręcznego (fotografia 13). Zawiera procesor SAMA5D27 (Cortex-A5) o częstotliwości taktowania do 500 MHz, 128 MB pamięci DDR2 SDRAM oraz 8 MB pamięci QSPI Flash. Komunikacja może być realizowana poprzez interfejs Ethernet 100 Mb oraz wiele klasycznych interfejsów i wyprowadzeń I/O. Zintegrowana jednostka zarządzania energią typu MIC2800 (Power Management Unit) pozwala na elastyczne zarządzanie poborem energii.
Podsumowanie
Klasyczne procesory i mikrokontrolery to dziś w elektronice za mało. Wyraźnym kierunkiem rozwoju stały się technologie z zakresu AI i cyberbezpieczeństwa, co widać po analizie budowy najnowszych układów SoC. Wynika to z ciągłego udoskonalania i poszerzania funkcjonalności urządzeń, np. w zakresie rozpoznawania obrazów i dźwięków, a także z przesunięcia ciężaru przetwarzania danych z centralnej chmury na lokalne jednostki.
Aby nadążyć za tym postępem, trzeba być gotowym na zmiany. Moduły SoM stanowią pod tym względem doskonałe rozwiązanie, ponieważ można je łatwo zmienić w projekcie, a ich producenci przejmują na siebie cały proces zaadaptowania i uruchomienia nowoczesnych układów SoC. Gotowość na zmiany jest ważna również w innym kontekście. Nie minęło wiele czasu, od kiedy udało się przywrócić ciągłość produkcji i ustabilizować łańcuchy dostaw po tzw. kryzysie półprzewodników, a już musimy mierzyć się z kolejnym wyzwaniem – dużym wzrostem cen i problemami z dostępnością pamięci półprzewodnikowych. Jak sobie z tym radzić? Można optymalizować aplikacje tak, by działały z mniejszą ilością pamięci lub zastosować starsze typy pamięci DDR4/LPDDR4 bądź DDR3/LPDDR3 zamiast najnowszych generacji, na które jest największe zapotrzebowanie. Jeśli projekt bazuje na SoM-ie, jest to niesamowicie łatwe – wystarczy zamontować inny moduł.
Damian Sosnowski, EP
Bibliografia:
- https://www.mouser.pl/datasheet/2/891/Espressif_Systems_01292021_esp32-1991551.pdf
- https://pl.wikipedia.org/wiki/Apple_M1
- https://www.researchgate.net/figure/Comparison-among-SOC-System-On-Chip-MCM-Multi-Chip-Module-SIP-System-In-Package_fig1_228870734
- https://pcbsync.com/sip/
- https://elektronikab2b.pl/opinie/52663-chiplet-nowy-sposob-na-stare-problemy
- https://www.cadence.com/en_US/home/explore/chiplets.html
- https://www.pcbcart.com/assembly-capability/package-on-package-assembly.html
- https://www.purepc.pl/procesor-chip-apple-m5-pro-max-specyfikacja
- https://www.toptal.com/developers/ios/apple-m1-processor-compatibility-overview
- https://www.purepc.pl/qualcomm-snapdragon-x2-elite-wydajnosc-w-grach
- https://mobiili.fi/2018/12/06/qualcomm-paljasti-snapdragon-855n-yksityiskohdat-android-huippupuhelimiin-jopa-45-prosenttia-lisaa-suorituskykya/
- https://smartfonstudio.pl/blog/327_nvidia-jetson-agx-thor-nowy-mozg-robotow-2025.html
- https://nanoreview.net/en/soc/mediatek-dimensity-9500s
- https://www.komputerswiat.pl/komputery-i-laptopy/laptopy/rewolucja-w-swiecie-komputerow-test-procesora-intel-core-ultra-7-155h/ldd134x
- https://www.nxp.com/products/processors-and-microcontrollers/arm-processors/i-mx-applications-processors:IMX_HOME
- https://www.nxp.com/docs/en/brochure/IMXRTPORTBR.pdf
- https://www.st.com/en/microcontrollers-microprocessors/stm32mp1-series.html
- https://ep.com.pl/rynek/temat-miesiaca/14912-od-mikrokontrolerow-do-ukladow-radiowych-bluetooth-z-ukladami-stm32wb
- https://www.st.com/en/microcontrollers-microprocessors/stm32wbx5.html
- https://www.keyestudio.com/products/rock-4-model-c-4gb-single-board-computer-rockchip-rk3399-t-arm-cortex-a72
- https://www.tabletmaniak.pl/212356/rockchip-rk3399/
- https://www.renesas.com/en/about/newsroom/renesas-leads-adas-innovation-power-efficient-4th-generation-r-car-automotive-socs?srsltid=AfmBOopybukXixA5Bz6i-Zx65ChGaXlxg2cO7-uzwUzUSqdPb07K3SJw
- https://www.renesas.com/en/blogs/exploring-entry-fusion-application-architecture-and-cost-effective-solution-utilizing-r-car-v4h?srsltid=AfmBOop_zsvMCSVPGKWPVYES5Kr9hcnT-SB8FkSCd7qQsDiuqgN5Vq4a
- https://deepvisionconsulting.com/renesas-rz-v2h-embedded-vision-platform/
- https://www.electropages.com/blog/2021/05/what-system-module
- https://www.ezurio.com/resources/blog/system-on-module-vs-system-on-chip-what-s-the-difference?srsltid=AfmBOoovk81tBtqGdjEB8jug2zpuMrCh4U8a5ZQZE6oqqzVf6fcwtR7F
- https://www.baslerweb.com/it-it/learning/embedded-processing-platforms/
- https://www.module-store.de/de/smarc/
- https://en.wikipedia.org/wiki/Qseven
- https://www.compulab.com/blog/advantages-of-using-smt-solder-down-system-on-modules/
- https://somlabs.com/
- https://www.raspberrypi.com/documentation/computers/compute-module.html
- https://www.microchip.com/en-us/products/microprocessors/32-bit-mpus/sip-and-som/system-on-module
