計(jì)算機(jī)模塊(COM) 簡介

COM 是集成嵌入式計(jì)算機(jī)核心構(gòu)建模塊的電路板

計(jì)算機(jī)模塊有多種不同類型，其名稱各異，如系統(tǒng)級(jí)模塊 (SoM) 和計(jì)算機(jī)模塊 (COM)。由于后者更為常見且更精確，本文將使用計(jì)算機(jī)模塊或COM這一術(shù)語。但總體而言，兩者含義相同：都指包含嵌入式計(jì)算機(jī)核心構(gòu)建模塊的電路板。

COM模塊集成了處理器、內(nèi)存、高速I/O及電源管理核心，但不同于單板計(jì)算機(jī) (SBC)，它需搭配載板才能運(yùn)行。載板負(fù)責(zé)接口擴(kuò)展、供電與結(jié)構(gòu)適配，讓OEM廠商能靈活定制系統(tǒng)尺寸與功能布局。

01  現(xiàn)成可用的超級(jí)組件

COM 的核心價(jià)值，在于其能夠作為“現(xiàn)成可用的超級(jí)組件”快速導(dǎo)入嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

在經(jīng)過完整驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)化模塊中，COM 已集成構(gòu)建嵌入式計(jì)算平臺(tái)所需的大部分核心功能，包括：

●處理單元(CPU)，部分型號(hào)集成圖形處理與 AI 加速器

●系統(tǒng)內(nèi)存(RAM)，內(nèi)存條，加固版本采用板載內(nèi)存

●圖形、以太網(wǎng)、USB、GPIO 等接口

●部分版本還提供實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、CAN 總線、MIPI CSI、Thunderbolt等擴(kuò)展接口

OEM 廠商可直接采購含板級(jí)支持包（BSP）的 COM 模塊，驅(qū)動(dòng)及軟件工具一并提供。通常還可選配定制散熱方案和評(píng)估用載板。

設(shè)設(shè)計(jì)人員可在專有 COM 與標(biāo)準(zhǔn)化COM 之間選擇。強(qiáng)烈建議優(yōu)先選用基于開放標(biāo)準(zhǔn)的 COM，以充分發(fā)揮模塊化設(shè)計(jì)思路并獲取獨(dú)特優(yōu)勢。

02  COM優(yōu)勢一目了然

◆更快上市：

COM 可將應(yīng)用專屬的設(shè)計(jì)工作與底層嵌入式計(jì)算技術(shù)分離，幫助節(jié)省時(shí)間。設(shè)計(jì)人員可以專注自身核心能力，把計(jì)算功能交由COM來實(shí)現(xiàn)。

◆降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)：

COM 可將風(fēng)險(xiǎn)降到更低。無論是設(shè)計(jì)階段的基礎(chǔ)變更，還是產(chǎn)品生命周期中途的調(diào)整, 都能輕松應(yīng)對(duì)。只需插入新一代計(jì)算機(jī)模塊即可繼續(xù)推進(jìn)。基于同一基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，便能用不同 COM 輕松打造完整的產(chǎn)品系列。

◆更低的開發(fā)成本：

相較于完全定制方案，COM通過降低開發(fā)與升級(jí)的一次性工程費(fèi)用，顯著節(jié)省成本。采用標(biāo)準(zhǔn)化 COM 后，開發(fā)者無需在復(fù)雜的設(shè)計(jì)流程上耗費(fèi)大量時(shí)間。

◆敏捷性更進(jìn)一步：

COM 具備出色的可擴(kuò)展性, 可滿足各類性能需求，從低功耗到高性能，從Arm 架構(gòu)到 x86。只需更換模塊，即可從容應(yīng)對(duì)快速的技術(shù)演進(jìn)，獲得更強(qiáng)性能，并解鎖 AI 等全新可能。

◆更高的ROI與可持續(xù)性：

COM 可延長應(yīng)用的使用周期?，F(xiàn)有設(shè)計(jì)只需更換模塊，就能輕松升級(jí)以滿足新的、甚至未曾預(yù)見的需求。即使已運(yùn)行數(shù)年的系統(tǒng)也能完成升級(jí)，從而進(jìn)一步延長硬件壽命。

◆投資保障更安心：

COM 可在新技術(shù)與不同供應(yīng)商之間實(shí)現(xiàn)無縫遷移，讓您的應(yīng)用不再受制于技術(shù)更迭、停產(chǎn)淘汰風(fēng)險(xiǎn)， 以及單一技術(shù)供應(yīng)商。這樣可持續(xù)保持兼容性，并保護(hù)軟件投入。

03  COM方案--自研還是外購呢?

在開發(fā)新應(yīng)用時(shí)，關(guān)于嵌入式計(jì)算技術(shù)有一個(gè)根本問題：自研還是外購？

自研的利與弊

從零打造全定制方案，往往能得到高度優(yōu)化的結(jié)果。外形與功能可按應(yīng)用的精確需求量身定做，并以更具成本效率的方式封裝實(shí)現(xiàn)。但全定制設(shè)計(jì)也意味著在研發(fā)人力、資金投入與周期上需要先期付出可觀成本。

此外，未來升級(jí)（例如更強(qiáng)大、更節(jié)能的處理器）往往會(huì)迫使現(xiàn)有方案進(jìn)行一次徹底重構(gòu)。不過在很多情況下，最大的取舍來自于缺乏將復(fù)雜PC核心組件導(dǎo)入設(shè)計(jì)所需的專業(yè)能力和/或資源。

外購的利與弊

另一端則是現(xiàn)成的商用主板。購買商用主板通常是將產(chǎn)品快速落地的捷徑。此外，這條路徑在設(shè)計(jì)保障方面也更讓人放心，客戶買到的是經(jīng)過完整驗(yàn)證、穩(wěn)定可靠的成熟設(shè)計(jì)。不過，這種做法也并非沒有短板。設(shè)計(jì)人員往往會(huì)為超出實(shí)際需求的功能買單。

例如: 主板可能塞不進(jìn)現(xiàn)有機(jī)箱空間，也可能無法在合適的接口數(shù)量、配置方式或板上位置上滿足要求。在主板上使用 PCIe擴(kuò)展卡，也未必能達(dá)到所需的抗機(jī)械或抗熱應(yīng)力能力。有時(shí)，由于可選處理器型號(hào)受限，標(biāo)準(zhǔn)化主板也無法提供所需的可擴(kuò)展性。

04  COM 設(shè)計(jì)方案的黃金平衡點(diǎn)

在上述兩條路線之間，計(jì)算機(jī)模塊(COM)兼顧兩者優(yōu)勢，成為更理想的設(shè)計(jì)選擇。COM 將應(yīng)用相關(guān)設(shè)計(jì)與底層復(fù)雜的嵌入式計(jì)算技術(shù)解耦。

相比完全定制的設(shè)計(jì),工程師既無需親自集成復(fù)雜的處理器、內(nèi)存和高速接口, 也不用從零搭建包含所有相關(guān)驅(qū)動(dòng)、庫與 API 的完整板級(jí)支持包(BSP)。這些組件都可以直接從對(duì)應(yīng)的模塊供應(yīng)商處獲得現(xiàn)成方案。如此一來，工程師就能把精力集中在專用應(yīng)用的優(yōu)化上，這也正是他們的核心所長。

除了研發(fā)部門，采購團(tuán)隊(duì)同樣能從 COM 中受益：物料清單(BOM) 可從多種器件精簡為用于處理核心的塊模。誠然，這只是效率提升中的一環(huán)，但依然是COM帶來的重要優(yōu)勢之一。

最高可擴(kuò)展性

COM在處理性能升級(jí)方面具備極強(qiáng)的可擴(kuò)展性。采用完全定制方案時(shí)，想要直接更換處理器，通常只能選擇引腳兼容的型號(hào)。然而在大多數(shù)情況下，后繼處理器往往并非引腳兼容。若使用定制主板，設(shè)計(jì)人員就不得不重新設(shè)計(jì)PCB。

選擇COM, 在不同處理器代際與供應(yīng)商之間切換會(huì)簡單得多，而且始終可行。只需更換模塊，就能推出新一代產(chǎn)品。另一個(gè)優(yōu)勢是應(yīng)用的長期可用性：當(dāng)某款嵌入式處理器歷經(jīng)多年后進(jìn)入生命周期末期時(shí)，往往已有搭載其后繼型號(hào)的模塊可用，從而實(shí)現(xiàn)無縫升級(jí)替換。

封閉沒有未來，開放標(biāo)準(zhǔn)才是硬道理。

不過，要實(shí)現(xiàn)真正的高可擴(kuò)展性，離不開標(biāo)準(zhǔn)化。計(jì)算機(jī)模塊(COM) 正是通過采用開放標(biāo)準(zhǔn)來做到這一點(diǎn)。開放標(biāo)準(zhǔn)會(huì)規(guī)定諸如模塊外形尺寸、連接器的類型與數(shù)量、引出到載板的信號(hào)，以及最大功耗等關(guān)鍵要素。

開放標(biāo)準(zhǔn)為COM帶來的優(yōu)勢非常顯著。標(biāo)準(zhǔn)化可提供極高的設(shè)計(jì)保障：它確保未來仍能獲得具備相同接口的模塊。設(shè)計(jì)人員還能制定第二來源策略，不必受制于單一供應(yīng)商。這既提升了設(shè)計(jì)可靠性，也增強(qiáng)了供貨可得性，即使供應(yīng)鏈出現(xiàn)波動(dòng)，也能由其他廠商迅速補(bǔ)位。

標(biāo)準(zhǔn)化還催生了龐大的商用配套生態(tài)，配件覆蓋散熱片、載板、線纜套件到機(jī)殼等一應(yīng)俱全。這使得從第三方采購組件變得輕松便捷，NRE成本可降至最低。

此外，圍繞該外形規(guī)格持續(xù)投入的龐大設(shè)計(jì)人員社群，也推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)不斷迭代完善。最重要的廠商無關(guān)計(jì)算機(jī)模塊標(biāo)準(zhǔn)包括：由PCI工業(yè)計(jì)算機(jī)制造商組織（PICMG）制定的COM-HPC?和 COM Express?，以及由嵌入式技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化組織e.V.（SGET）推出的SMARC和Qseven。

標(biāo)準(zhǔn)化散熱

這些標(biāo)準(zhǔn)并不僅定義模塊本身，還涵蓋相配套的散熱片。散熱片充當(dāng)模塊與系統(tǒng)散熱方案之間的熱接口：所有發(fā)熱器件都會(huì)將熱量傳導(dǎo)至散熱片，以避免形成局部熱點(diǎn)。

此外，標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了整體Z向高度以確保一致性。散熱片可抹平模塊上CPU及各類器件高度的差異。因此，在同一標(biāo)準(zhǔn)下，從框架頂部到散熱片頂部的整體高度始終保持一致。即便模塊直接與系統(tǒng)機(jī)殼貼合、依靠被動(dòng)散熱，也能保證模塊可互換。

本文只是我們?nèi)胩剿饔?jì)算機(jī)模塊(COM)的開始。

請繼續(xù)關(guān)注本系列后續(xù)文章，我們將深入解讀各種模塊標(biāo)準(zhǔn), 包含COM-HPC、COM Express、SMARC 與其載板設(shè)計(jì)指南。