SoC和SoM的兴起：一把双刃剑？

本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）综合

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片上系统和模块系统凭借其众多优势，在过去十年中受到工程师的广泛欢迎。虽然SoC和SoM受到了工程界的赞扬，但它们也带来了一些挑战。为什么SoC和SoM如此受欢迎，它们带来了哪些挑战，以及工程师如何解决这些问题？

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为什么SoC和SoM变得如此受欢迎？

片上系统(SoC)和模块系统(SoM)凭借其众多优势，在过去十年中受到工程师的广泛欢迎。然而，为了更好地理解为什么这些技术如此有益，我们首先需要看看硬件设计发生了怎样的变化。

在定制芯片和先进封装技术时代之前，芯片将由分立元件组装而成，包括电容器、电阻器和晶体管。虽然这使设计人员可以完全控制他们的设计，但它也使设计体积变得很大。对于大型系统（例如PC和服务器）来说，这并不是一个特别的问题（事实上，它可能相当有益，因为它允许系统组件随着时间的推移进行更换和升级）。

然而，对于移动平台，试图将分立处理器、内存、I/O控制器和其他电路压缩到微小的PCB上会带来许多挑战，包括布线和散热。此外，与单芯片解决方案相比，分立元件通常会消耗更多能量，这可能会对电池寿命产生严重影响。

通过将多个系统组件压缩到单个芯片（即SoC）上，不仅可以节省大量空间，而且还可以减少能耗，因为可以消除不必要的芯片级外围设备和电路。由于信号传输距离更短，系统组件之间的空间减小，并且外部源产生的噪声减少，因此可以实现更快的操作。

当然，开发定制SoC并不便宜，需要数千个工程时间和数百万美元的投资。对于可以牺牲部分尺寸的应用，SoM为工程师提供了出色的解决方案。

通过将多个芯片组合到单个基板上，工程师可以选择将在其设计中使用的硅部件，将它们在物理上彼此靠近（从而消除对大型芯片封装的需要），并提高性能。虽然节能效果会较小，但将芯片混合并匹配到定制封装中的能力为工程师提供了充足的自由。

考虑到所有这些因素，SoC和SoM在工程界盛行的原因就显而易见了。它们的小尺寸允许显著缩小设计，从而能够开发极小的设备，并且它们的可定制性允许工程师创建特定于应用的零件，否则使用分立元件很难做到这一点。从根本上说，SoC和SoM使笔记本电脑、智能手机和物联网设备等现代电子设备成为可能。

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SoC和SoM面临哪些挑战？

虽然SoC和SoM无疑为工程师提供了众多机会，但它们也面临着一些挑战。

硬件限制

SoC和SoM面临的一个主要问题是它们通常直接焊接到设计中，因此难以更换。虽然这还有一个额外的优势，即它们的体积非常小且组装成本低廉，但从长远来看，它也几乎没有升级的选择。因此，使用此类技术的设备在使用几年后可能会发现需要完全更换。

Apple M1和M2 SoC就是一个很好的例子。使用统一内存（即RAM放置在非常靠近处理器的位置）意味着访问时间比外部RAM棒所经历的时间要短得多，从而提高了计算性能。然而，随着技术的进步，用户最终将需要更多的RAM，虽然使用内存插槽的传统计算机允许进行此类升级，但M1和M2设备不允许这样做。

当考虑到这些设备直接焊接到主板上时，M1和M2的问题只会变得更糟，这意味着用户也不能选择更换整个SoC。因此，随着技术的进步和软件硬件要求的增加，M1和M2设备的用户可能会看到更多的设备更换。

Apple的M1和M2芯片是其最新Mac机型的核心。这些芯片采用8核CPU设计，平衡高性能核心和高能效核心，提供最佳的计算体验。它们还具有统一的内存架构，将高带宽、低延迟的内存汇集到一个池中，从而提高性能和效率。M1和M2芯片还提供高达2TB的SSD存储，为应用程序和文件提供充足的空间。

搭载M1和M2芯片的MacBook Air和MacBook Pro型号提供了一系列功能，可满足不同用户的需求。MacBook Air配备令人惊叹的13.3英寸Retina显示屏、高达16GB的统一内存和高达2TB的SSD存储。另一方面，MacBook Pro提供14英寸和16英寸型号，最高配备64GB统一内存和最高8TB SSD存储。这两款机型都拥有令人印象深刻的电池续航时间，MacBook Air的电池续航时间长达18小时，MacBook Pro的电池续航时间长达21小时。

据MacRumors报道，M1 Mac中的RAM和SSD用户不可升级，这进一步凸显了SoC和SoM在可升级性方面的挑战。

电子垃圾问题

使用SoC和SoM无法升级直接焊接到设计的硬件，这对环境和全球产生的电子垃圾量产生了进一步影响。由分立部件制成的设备可以很容易地拆开并回收有价值的材料，但由单芯片解决方案制成的设备回收起来却极具挑战性。不仅SoC和SoM设计更难回收，而且由于客户更频繁地更换设备而导致浪费增加，从而产生更多数量的电子垃圾。虽然RoHS和REACH等立法有助于消除现代电子产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会对环境造成危险。

据《卫报》报道，包括SoC和SoM在内的半导体行业由于其高能源和水消耗以及产生的危险废物而具有显著的碳足迹。

Semiwiki讨论了日益严重的电子垃圾问题，并提出了潜在的解决方案，例如机械拆卸、电路板和子系统再利用以及材料提取和处置。这些解决方案可以帮助减轻SoC和SoM对环境的影响。

进入壁垒

SoC和SoM面临的另一个问题是，只有在完全针对其应用进行定制时，它们的优势才能真正实现。虽然通用的现成SoC和SoM当然可以帮助改进设计，但芯片级缺乏完整的定制意味着不必要的电路仍然会存在，从而损害能源消耗。这就是苹果等主要设备制造商转向定制SoC的原因，以便节省能量，同时最大限度地提高设备性能。

但高成本障碍意味着较小的工程团队通常无法尝试定制SoC和SoM。因此，使用现成部件开发的解决方案不会尽可能地节省能源和空间，只有拥有数百万美元资金的大公司才能充分利用SoC和SoM技术。

有趣的是，尽管M1和M2芯片采用集成设计，但有报道称M1 Mac上的RAM和SSD已成功升级。据报道，中国的技术人员已成功用更大容量的组件替换了RAM和SSD模块，并且macOS能够正确识别这些组件。然而，值得注意的是，这个过程极具挑战性和风险，并且毫无疑问会使苹果的保修失效。因此，虽然它表明M1 Mac具有一定程度的灵活性，但对于大多数用户来说，这并不是推荐的操作方案。

正如Semiwiki指出的那样，定制SoC和SoM的高成本可能成为小型工程团队的进入障碍。然而，研究和全行业标准合作可以帮助改变电子垃圾的经济性，并使这些技术更容易获得。

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工程师如何解决这些问题？

关于可升级性，唯一真正的解决方案是将SoC和SoM安装到允许未来升级的插槽上。虽然SoC或SoM本身不会升级（只需更换为更好的版本），但周围的硬件仍然可以重新利用，就智能手机而言，周围的硬件很少需要升级（因为真正的技术变革是在处理器本身）。

通过采用插座设计，升级产生的电子垃圾也将显著减少。事实上，旧的SoC和SoM可以重新用于其他不需要最新技术即可运行的设备。例如，高端计算系统可以将其SoC替换为包含更多内存的新版本，但删除的旧SoC可以安装到较小的系统中，例如家庭服务器或物联网设备。

Semiwiki建议解决可升级性问题的一种潜在解决方案是将SoC和SoM安装到允许未来升级的插槽上。这不仅可以减少电子垃圾，还可以将旧的SoC和SoM重新用于其他设备。

总体而言，SoC和SoM为工程师提供了许多令人兴奋的机会，但它们也并非没有缺点。展望未来，工程师将需要考虑无法升级的硬件的长期影响，不仅对消费者，而且对环境。