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開放式標準模塊（OSM）規(guī)范于2021年由SGET（嵌入式技術(shù)標準化組織e.V.）正式采用，迎來了世界上第一個獨立于制造商的可焊接模塊化計算機標準。在整個超低功耗應(yīng)用處理器市場，隨著原始設(shè)備制造商（OEM）努力從專有解決方案轉(zhuǎn)向統(tǒng)一標準，目前已經(jīng)形成第二波標準化浪潮。

可焊接模塊化計算機并不是新的概念，各家制造商已經(jīng)在提供專有的模塊化計算機，可以在一定程度上進行SMT組裝。與需要手工THT組裝的經(jīng)典模塊化計算機不同，這些可焊接模塊能夠使OEM從全自動組裝和測試過程中受益。然而，到目前為止，這些模塊的標準化一直欠缺。

這樣導(dǎo)致的結(jié)果是，每種模塊都有不同的外形尺寸和不同的引腳，使廠商在鎖定供應(yīng)商和長期供貨時不得不依靠某家制造商。業(yè)內(nèi)沒有獨立的維護規(guī)范、設(shè)計指南或廣泛的開發(fā)人員社區(qū)，更不用說開源計劃。專門從事可焊接模塊化計算機母板的開發(fā)公司也消失殆盡，傳統(tǒng)模塊化計算機場景中常見的整個生態(tài)系統(tǒng)也是如此。OEM客戶必須自己集成模塊，或者依靠模塊制造商來實現(xiàn)設(shè)計，這需要極大的信任，并且比標準化的模塊化計算機具有非常大的更高設(shè)計風險。

OSM面向超低功耗處理器

隨著OSM標準的實施，上述情況正在發(fā)生變化。越來越多的應(yīng)用正在采用最高8W的超低功耗處理器來實現(xiàn)，處理器通?？梢栽跊]有散熱器的情況下進行設(shè)計，這種轉(zhuǎn)變恰逢其時。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）以及相關(guān)的應(yīng)用愿景是使盡可能多的設(shè)備變得“智能”，例如通過智能手機應(yīng)用程序對其進行管理，這極大地增加了對此類應(yīng)用處理器更簡單集成的需求，即便是對于工業(yè)市場批量，模塊化計算機本質(zhì)上也是因此而設(shè)計。

一般來說，模塊化計算機提供了一個應(yīng)用就緒的計算核心，在一個完全驗證的封裝內(nèi)集成了所有特定的接口，包括所有標準驅(qū)動程序和必要的操作系統(tǒng)支持。這明顯縮短了上市時間，并大大降低了一次性工程（NRE）成本。標準化的模塊化計算機還可提供一些典型優(yōu)勢，如多供應(yīng)商供貨、跨不同代處理器、不同制造商甚至不同架構(gòu)的可擴展性，從而確保了長期供貨穩(wěn)定，并保護了投資，這為原始設(shè)備制造商提供了高水平的設(shè)計安全性和最大的投資回報。通過部署模塊化計算機，還可以節(jié)省與電路板相關(guān)的成本，因為高電流密度通常只存在于處理器，一旦它分布在母板上，就可以使用更少層PCB。

不僅連接器要花錢

然而，當涉及到利用超低功耗處理器時，可插拔的模塊化計算機并不是最有效的選擇，因為它們需要一些額外的投資，這在一定程度上抵消了更便宜處理器的優(yōu)勢。這些投資包括采購實際的連接器、THT組件、螺釘固定件和鎖緊螺母，以及測試模塊的設(shè)備。此外，可插拔COM的測試站需要定期更換測試板，以進行更大規(guī)模的生產(chǎn)運行，因為連接器具有特定的有限接合周期，通常不超過幾百個。封包裝也較為復(fù)雜，涉及防靜電壓力密封袋、氣泡膜或泡沫包裝以及紙盒等，且每個模塊通常單獨包裝。RMA管理不僅耗時，也會磨損測試站。在這方面，對于成本約為70歐元的高性能處理器，可插拔模塊化計算機的概念才是真正價值所在，其它費用則無足輕重，只占每個模塊成本的5-10%。對于更昂貴的處理器，這一比例甚至更低。

OSM模塊提高成本效率

相比之下，更便宜的超低功耗處理器需要成本更低的解決方案，以實惠的價格將其作為應(yīng)用就緒模塊推向市場。畢竟，其中的設(shè)計通常不那么復(fù)雜，使完全定制設(shè)計更加可行。一個明顯更具成本效益的解決方案是采用可焊接模塊化計算機，在ARM領(lǐng)域也稱為系統(tǒng)模塊。它們可以完全自動化組裝、測試和封裝。在實現(xiàn)標準化后，測試模塊的設(shè)備也可以標準化，并在所有模塊測試中使用，從而可消除設(shè)備磨損。由于模塊化計算機在泡罩包裝中儲存、運輸并準備進行SMT組裝，也消除復(fù)雜的包裝管理和相關(guān)成本，這使得模塊化成為一種可行的解決方案，即使對于成本僅為幾歐元/美元的簡單32位處理器也是如此。

完全定制設(shè)計吸引力減弱

同樣值得注意的是，設(shè)計策略正從完全定制設(shè)計轉(zhuǎn)向模塊和母板解決方案。對于THT組裝模塊，要達到成本核算平衡，嵌入式系統(tǒng)的限制數(shù)量通常在2萬左右。然而，SMT組裝的潛在成本節(jié)約是如此之大，以至于達到盈虧平衡的數(shù)量可增加到20萬左右。這些推斷只是經(jīng)驗值，可能因具體設(shè)置而異。但能夠肯定的是，可焊接模塊化計算機能夠用于解決更大批量的生產(chǎn)問題，這極大地擴大了目標市場，因此也增加了需求。反過來，更大的目標群體可以促進更快的市場增長，從而通過更好的規(guī)模經(jīng)濟實現(xiàn)更低價格。所有這些，再加上標準化、非專有格式的實施，能夠促進市場競爭，最終將使原始設(shè)備制造商受益，這就是為什么隨著OSM標準的推出，可焊接模塊化計算機的專有市場正面臨越來越大壓力。

明確的引腳規(guī)范

然而，OSM標準包括一個經(jīng)常被誤解的條款，即沒有強制性的引腳分配。如果沒有更詳細的描述，這可能會導(dǎo)致每家廠商都可以隨心所欲，從而引發(fā)一個問題：專有的和標準化的模塊化計算機之間區(qū)別到底在哪里？這主要在于可選規(guī)范，OSM標準最終為引腳分配提供了一個相當嚴格的總體規(guī)劃。OSM規(guī)范為“Large（大）”的外形尺寸有多達660個引腳（即使是COM-HPC服務(wù)器模塊也只有大約其21%的引腳?。?，并且明確規(guī)定了哪個引腳可以執(zhí)行什么功能。然而，分配引腳并不是強制性的，這能提供巨大的優(yōu)勢。

100%互操作性

這意味著OSM模塊是100%可互操作的，可以部署在任何兼容OSM的母板上。由于600個引腳能夠為所有通用接口提供足夠的空間，OSM模塊可選規(guī)范允許在單一標準基礎(chǔ)上提供高度專用且非常異構(gòu)的SoC。一個潛在問題是，可選接口規(guī)范規(guī)定，五個以太網(wǎng)接口僅適用于L及以上尺寸模塊。因此，每種模塊尺寸都有一個明確定義的功能范圍，這些對于某些處理器來說可能會有所不同。例如，高度專業(yè)化的交換機控制器也適用于尺寸為M的模塊。最終，標準化OSM模塊與之前的模塊化計算機之間唯一區(qū)別在于，強制性規(guī)范較少，一些處理器制造商曾通過對引腳規(guī)范施加影響來拒絕競爭對手進入COM業(yè)務(wù)。這使得競爭對手無法利用模塊化計算機的乘數(shù)效應(yīng)（multiplier effect）。然而，通過用可選接口取代強制性接口，該標準幾乎兼容所有可用于高度異構(gòu)設(shè)計的超低功耗SoC。

完全的靈活性

這使得OSM標準非常開放且經(jīng)得起未來考驗，即便對于具有汽車接口或集成式FPGA的非常專用解決方案也是如此。將來，新的或尚未通用的接口可以簡單地分配給未使用引腳或替換過時的引腳。對于永遠不會在組合中出現(xiàn)的功能，引腳可以多次分配。這種靈活性為高度集成的超低功耗SoC異構(gòu)領(lǐng)域提供了非常必要的設(shè)計安全性。

領(lǐng)先制造商的支持

SGET成員研華、Aries、安富利、F&S、Geniatech、iesy、iWave和Kontron是首批提供官方OSM模塊的制造商，圍繞模塊的生態(tài)系統(tǒng)也在不斷發(fā)展。首批母板開發(fā)者已經(jīng)在宣傳他們不僅提供經(jīng)典的COM，還提供OSM模塊設(shè)計。iWave和Yamaichi等制造商也在銷售OSM模塊的測試適配器。支持OSM標準的應(yīng)用就緒Gen2模塊化計算機已經(jīng)有多種變體：

一個母板適用于所有OSM模塊

所有這些模塊都可以在同一母板上進行測試，前提是它們支持OSM引腳的全部功能。這能夠使設(shè)計更加一致，并可簡化PCB布局的重用。一個測試系統(tǒng)可用于所有OSM模塊，沒有與連接器相關(guān)的磨損效應(yīng)。在評估各種處理器時，能夠降低成本，提高靈活性。使用一個基本布局即可以構(gòu)建高度異構(gòu)的產(chǎn)品系列，這可以帶來巨大的規(guī)模經(jīng)濟效應(yīng)。即便是對于母板天線設(shè)計之類的棘手任務(wù)也可重復(fù)使用，因為OSM也將這些信號納入引腳規(guī)范，從而可實現(xiàn)無連接器天線設(shè)計。

今天，大多數(shù)OSM模塊仍然帶有預(yù)鍍錫和非鍍錫接觸引腳。然而，一旦第二波標準化浪潮擴大，未來具有更多優(yōu)勢的BGA變體可能會更頻繁地出現(xiàn)。從一定數(shù)量開始，對于更簡單、更可靠SMT工藝的投資最終將轉(zhuǎn)化為市場競爭優(yōu)勢，并可提供其它附加價值。

請注意，制造OSM模塊需要SGET會員資格。但該規(guī)范是開源式，在硬件和軟件方面都是在知識共享許可（Creative Commons license）下提供，這增加了對OSM標準的信任。未來是否還會有針對Arduino或Raspberry Pi的OSM模塊，這將是一件有趣且值得期待的事情。從技術(shù)角度來看，這當然很可能。

作者：Ansgar Hein是嵌入式技術(shù)標準化組織（SGET）的主席