本文由半導體產業縱橫（ID：ICVIEWS）綜合

片上系統和模塊系統憑借其眾多優勢，在過去十年中受到工程師的廣泛歡迎。雖然SoC和SoM受到了工程界的贊揚，但它們也帶來了一些挑戰。為什么SoC和SoM如此受歡迎，它們帶來了哪些挑戰，以及工程師如何解決這些問題？

為什么SoC和SoM變得如此受歡迎？

片上系統(SoC)和模塊系統(SoM)憑借其眾多優勢，在過去十年中受到工程師的廣泛歡迎。然而，為了更好地理解為什么這些技術如此有益，我們首先需要看看硬件設計發生了怎樣的變化。

在定制芯片和先進封裝技術時代之前，芯片將由分立元件組裝而成，包括電容器、電阻器和晶體管。雖然這使設計人員可以完全控制他們的設計，但它也使設計體積變得很大。對于大型系統（例如PC和服務器）來說，這并不是一個特別的問題（事實上，它可能相當有益，因為它允許系統組件隨著時間的推移進行更換和升級）。

然而，對于移動平臺，試圖將分立處理器、內存、I/O控制器和其他電路壓縮到微小的PCB上會帶來許多挑戰，包括布線和散熱。此外，與單芯片解決方案相比，分立元件通常會消耗更多能量，這可能會對電池壽命產生嚴重影響。

通過將多個系統組件壓縮到單個芯片（即SoC）上，不僅可以節省大量空間，而且還可以減少能耗，因為可以消除不必要的芯片級外圍設備和電路。由于信號傳輸距離更短，系統組件之間的空間減小，并且外部源產生的噪聲減少，因此可以實現更快的操作。

當然，開發定制SoC并不便宜，需要數千個工程時間和數百萬美元的投資。對于可以犧牲部分尺寸的應用，SoM為工程師提供了出色的解決方案。

通過將多個芯片組合到單個基板上，工程師可以選擇將在其設計中使用的硅部件，將它們在物理上彼此靠近（從而消除對大型芯片封裝的需要），并提高性能。雖然節能效果會較小，但將芯片混合并匹配到定制封裝中的能力為工程師提供了充足的自由。

考慮到所有這些因素，SoC和SoM在工程界盛行的原因就顯而易見了。它們的小尺寸允許顯著縮小設計，從而能夠開發極小的設備，并且它們的可定制性允許工程師創建特定于應用的零件，否則使用分立元件很難做到這一點。從根本上說，SoC和SoM使筆記本電腦、智能手機和物聯網設備等現代電子設備成為可能。

SoC和SoM面臨哪些挑戰？

雖然SoC和SoM無疑為工程師提供了眾多機會，但它們也面臨著一些挑戰。

硬件限制

SoC和SoM面臨的一個主要問題是它們通常直接焊接到設計中，因此難以更換。雖然這還有一個額外的優勢，即它們的體積非常小且組裝成本低廉，但從長遠來看，它也幾乎沒有升級的選擇。因此，使用此類技術的設備在使用幾年后可能會發現需要完全更換。

Apple M1和M2 SoC就是一個很好的例子。使用統一內存（即RAM放置在非常靠近處理器的位置）意味著訪問時間比外部RAM棒所經歷的時間要短得多，從而提高了計算性能。然而，隨著技術的進步，用戶最終將需要更多的RAM，雖然使用內存插槽的傳統計算機允許進行此類升級，但M1和M2設備不允許這樣做。

當考慮到這些設備直接焊接到主板上時，M1和M2的問題只會變得更糟，這意味著用戶也不能選擇更換整個SoC。因此，隨著技術的進步和軟件硬件要求的增加，M1和M2設備的用戶可能會看到更多的設備更換。

Apple的M1和M2芯片是其最新Mac機型的核心。這些芯片采用8核CPU設計，平衡高性能核心和高能效核心，提供最佳的計算體驗。它們還具有統一的內存架構，將高帶寬、低延遲的內存匯集到一個池中，從而提高性能和效率。M1和M2芯片還提供高達2TB的SSD存儲，為應用程序和文件提供充足的空間。

搭載M1和M2芯片的MacBook Air和MacBook Pro型號提供了一系列功能，可滿足不同用戶的需求。MacBook Air配備令人驚嘆的13.3英寸Retina顯示屏、高達16GB的統一內存和高達2TB的SSD存儲。另一方面，MacBook Pro提供14英寸和16英寸型號，最高配備64GB統一內存和最高8TB SSD存儲。這兩款機型都擁有令人印象深刻的電池續航時間，MacBook Air的電池續航時間長達18小時，MacBook Pro的電池續航時間長達21小時。

據MacRumors報道，M1 Mac中的RAM和SSD用戶不可升級，這進一步凸顯了SoC和SoM在可升級性方面的挑戰。

電子垃圾問題

使用SoC和SoM無法升級直接焊接到設計的硬件，這對環境和全球產生的電子垃圾量產生了進一步影響。由分立部件制成的設備可以很容易地拆開并回收有價值的材料，但由單芯片解決方案制成的設備回收起來卻極具挑戰性。不僅SoC和SoM設計更難回收，而且由于客戶更頻繁地更換設備而導致浪費增加，從而產生更多數量的電子垃圾。雖然RoHS和REACH等立法有助于消除現代電子產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會對環境造成危險。

據《衛報》報道，包括SoC和SoM在內的半導體行業由于其高能源和水消耗以及產生的危險廢物而具有顯著的碳足跡。

Semiwiki討論了日益嚴重的電子垃圾問題，并提出了潛在的解決方案，例如機械拆卸、電路板和子系統再利用以及材料提取和處置。這些解決方案可以幫助減輕SoC和SoM對環境的影響。

進入壁壘

SoC和SoM面臨的另一個問題是，只有在完全針對其應用進行定制時，它們的優勢才能真正實現。雖然通用的現成SoC和SoM當然可以幫助改進設計，但芯片級缺乏完整的定制意味著不必要的電路仍然會存在，從而損害能源消耗。這就是蘋果等主要設備制造商轉向定制SoC的原因，以便節省能量，同時最大限度地提高設備性能。

但高成本障礙意味著較小的工程團隊通常無法嘗試定制SoC和SoM。因此，使用現成部件開發的解決方案不會盡可能地節省能源和空間，只有擁有數百萬美元資金的大公司才能充分利用SoC和SoM技術。

有趣的是，盡管M1和M2芯片采用集成設計，但有報道稱M1 Mac上的RAM和SSD已成功升級。據報道，中國的技術人員已成功用更大容量的組件替換了RAM和SSD模塊，并且macOS能夠正確識別這些組件。然而，值得注意的是，這個過程極具挑戰性和風險，并且毫無疑問會使蘋果的保修失效。因此，雖然它表明M1 Mac具有一定程度的靈活性，但對于大多數用戶來說，這并不是推薦的操作方案。

正如Semiwiki指出的那樣，定制SoC和SoM的高成本可能成為小型工程團隊的進入障礙。然而，研究和全行業標準合作可以幫助改變電子垃圾的經濟性，并使這些技術更容易獲得。

工程師如何解決這些問題？

關于可升級性，唯一真正的解決方案是將SoC和SoM安裝到允許未來升級的插槽上。雖然SoC或SoM本身不會升級（只需更換為更好的版本），但周圍的硬件仍然可以重新利用，就智能手機而言，周圍的硬件很少需要升級（因為真正的技術變革是在處理器本身）。

通過采用插座設計，升級產生的電子垃圾也將顯著減少。事實上，舊的SoC和SoM可以重新用于其他不需要最新技術即可運行的設備。例如，高端計算系統可以將其SoC替換為包含更多內存的新版本，但刪除的舊SoC可以安裝到較小的系統中，例如家庭服務器或物聯網設備。

Semiwiki建議解決可升級性問題的一種潛在解決方案是將SoC和SoM安裝到允許未來升級的插槽上。這不僅可以減少電子垃圾，還可以將舊的SoC和SoM重新用于其他設備。

總體而言，SoC和SoM為工程師提供了許多令人興奮的機會，但它們也并非沒有缺點。展望未來，工程師將需要考慮無法升級的硬件的長期影響，不僅對消費者，而且對環境。