在設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備時(shí)，是使用無(wú)線模塊還是片上系統(tǒng) (SoC) 可能是一個(gè)關(guān)鍵且具有挑戰(zhàn)性的決定。每個(gè)選項(xiàng)都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，選擇正確的技術(shù)需要平衡性能、功能和成本。在本文中，我們將通過(guò)詳細(xì)比較無(wú)線模塊和 SoC 的成本影響來(lái)消除此過(guò)程中的一些不確定性。

了解無(wú)線模塊和 SoC

讓我們簡(jiǎn)要回顧一下正在討論的技術(shù)。

無(wú)線模塊是一種預(yù)先認(rèn)證的單元，可作為完整的無(wú)線解決方案，通常包含帶有微控制器、軟件堆棧和天線的無(wú)線電收發(fā)器。無(wú)線模塊因其易用性和縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間而受到青睞。

圖 1. MRF24WB0MA/MB 2.4 GHz IEEE 802.11b/g/n 無(wú)線模塊的框圖。圖片由Microchip提供

片上系統(tǒng) (SoC)是一種集成電路，在同一硅片上結(jié)合了微控制器單元和射頻(RF) 前端。SoC提供更多控制和靈活性，但需要更多設(shè)計(jì)工作。

圖 2.通用 SoC 示意圖。圖片由Michael Keating 和Pierre Bricaud提供

無(wú)線模塊和SoC的成本比較

我們將使用以下指標(biāo)來(lái)比較無(wú)線模塊和 SoC 的成本：

• 初始購(gòu)買(mǎi)成本。
• 開(kāi)發(fā)成本。
• 供應(yīng)鏈成本。
• 可擴(kuò)展性成本。

初始購(gòu)買(mǎi)和開(kāi)發(fā)成本

無(wú)線模塊包括預(yù)先認(rèn)證的射頻電路、天線和軟件堆棧，所有這些都會(huì)增加購(gòu)買(mǎi)成本。相比之下，SoC 只是沒(méi)有額外組件的集成電路。由于它們?nèi)鄙贌o(wú)線模塊中的附加組件，因此初始購(gòu)買(mǎi)成本較低。這使得 SoC 對(duì)于預(yù)算有限的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)很有吸引力。

然而，同樣的簡(jiǎn)單性意味著開(kāi)發(fā)成本可能會(huì)迅速上升。考慮以下與開(kāi)發(fā)相關(guān)的費(fèi)用清單：

• 射頻設(shè)計(jì)和工程費(fèi)用。
• 實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施投資。
• PCB 配置和天線選擇的成本。
• 認(rèn)證費(fèi)用。

無(wú)線模塊包括預(yù)先設(shè)計(jì)、預(yù)先測(cè)試的射頻電路，無(wú)需內(nèi)部射頻設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)，并減少了對(duì)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的需求。它們通常還經(jīng)過(guò)預(yù)先認(rèn)證，并包含內(nèi)置天線和引腳排列，從而簡(jiǎn)化了 PCB 布局過(guò)程。這些東西都包含在初始購(gòu)買(mǎi)成本中，并且在開(kāi)發(fā)階段不需要更多支出。

另一方面，基于 SoC 的設(shè)計(jì)在進(jìn)入市場(chǎng)之前需要額外的費(fèi)用和時(shí)間來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)、測(cè)試和認(rèn)證。基于無(wú)線模塊的設(shè)計(jì)上市時(shí)間更短，投資回報(bào)更快。

供應(yīng)鏈和可擴(kuò)展性成本

與基于 SoC 的設(shè)計(jì)所需的所有單獨(dú)部件相比，采購(gòu)模塊更容易。后一種選擇可能會(huì)導(dǎo)致更高的供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)，特別是對(duì)于規(guī)模較小的公司或在零部件短缺期間。然而，依賴模塊供應(yīng)商來(lái)保證供應(yīng)連續(xù)性的成本可能會(huì)很高。如果選擇 SoC，較大的公司或大批量生產(chǎn)可能會(huì)受益于對(duì)供應(yīng)鏈的更多控制。

此外，無(wú)線模塊通常意味著更高的單位成本，這在擴(kuò)大規(guī)模時(shí)是一個(gè)缺點(diǎn)。對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)，SoC 的單位成本較低，可以抵消較高的開(kāi)發(fā)成本。

盈虧平衡示例：無(wú)線模塊與 SoC

Silicon Labs 的 Tom Nordman、Joe Tillison 和 Nick Dutton 分析了在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)中使用無(wú)線模塊和 SoC 的成本。他們比較了BGM210P 無(wú)線藍(lán)牙模塊和EFR32BG21 藍(lán)牙 SoC的成本（30萬(wàn)件的批量成本）。

他們的成本比較基于以下假設(shè)：

• 年產(chǎn)量為 10,000 至 300,000 件，無(wú)線模塊和 SoC 的售價(jià)分別為 2.99 美元和 1.11 美元。
• SoC 的物料清單(BoM) 與制造過(guò)程中的測(cè)試相結(jié)合，每單位成本估計(jì)為 0.55 美元。其中 0.05 美元的成本來(lái)自測(cè)試；0.50 美元是 BoM。
• 他們計(jì)算出其產(chǎn)品的毛利率（產(chǎn)品銷(xiāo)售價(jià)格與其生產(chǎn)成本之間的差額）為4.98 美元。
• 據(jù)稱毛利率為 4.98 美元，比模塊價(jià)格高出 40%，這意味著利潤(rùn)比他們?cè)诋a(chǎn)品中使用無(wú)線模塊時(shí)產(chǎn)生的成本高出 40%。
• 由于其復(fù)雜的設(shè)計(jì)、認(rèn)證和監(jiān)管審批流程，該 SoC 被認(rèn)為需要額外六個(gè)月的開(kāi)發(fā)時(shí)間。根據(jù)工程師平均年薪 100,000 美元，假設(shè)這需要額外花費(fèi) 50,000 美元左右。

考慮到這些因素，并考慮到上市時(shí)間和使用 SoC 帶來(lái)的收入損失，年產(chǎn)量的盈虧平衡產(chǎn)量在 500,000 到 1,300,000 件之間。如果我們忽略由于上市時(shí)間延遲而造成的收入損失，盈虧平衡點(diǎn)將下降到100,000 到 200,000 件之間。此處的盈虧平衡和盈虧平衡產(chǎn)量均指使用 SoC 的利潤(rùn)開(kāi)始等于（并隨后超過(guò)）使用無(wú)線模塊的利潤(rùn)的產(chǎn)量范圍。

Silicon Labs 團(tuán)隊(duì)的分析圖如圖 3 所示。黃線內(nèi)的區(qū)域代表盈虧平衡量。由于生產(chǎn)過(guò)程中存在風(fēng)險(xiǎn)和不確定性，這個(gè)數(shù)量是一個(gè)范圍，而不是一個(gè)點(diǎn)。

圖 3.無(wú)線 SoC 和無(wú)線模塊的盈虧平衡。圖片由Silicon Labs提供

當(dāng)產(chǎn)量低于 500,000 件時(shí)，使用無(wú)線模塊比使用 SoC 更有利可圖。這是由于與 SoC 相關(guān)的前期成本較高且上市時(shí)間較長(zhǎng)。然而，一旦產(chǎn)量達(dá)到收支平衡區(qū)，這些前期成本可能會(huì)分?jǐn)偟阶銐蚨嗟膯卧希瑥亩?SoC 成為利潤(rùn)更高的選擇。

作者指出，SoC 可能不是所有大批量產(chǎn)品的最佳選擇。例如，由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備小型化的挑戰(zhàn)，一些最暢銷(xiāo)的移動(dòng)設(shè)備選擇無(wú)線模塊，而本盈虧平衡比較沒(méi)有考慮到這一點(diǎn)。無(wú)線模塊提供緊湊的設(shè)計(jì)（SiP 模塊）、全面的全球認(rèn)證和具有競(jìng)爭(zhēng)力的組件成本。盡管 SoC 具有潛在的大規(guī)模成本效益，但也存在無(wú)法量化的風(fēng)險(xiǎn)，例如技術(shù)問(wèn)題或認(rèn)證問(wèn)題。

最佳選擇

使用 SoC 進(jìn)行設(shè)計(jì)使產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員能夠靈活地定制設(shè)計(jì)其系統(tǒng)并集成他們所需的硬件和軟件功能。這種可定制性的另一面是增加了復(fù)雜性和更長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間——設(shè)計(jì)人員需要深入了解 SoC 架構(gòu)及其上運(yùn)行的軟件。

相比之下，預(yù)制無(wú)線模塊通常需要較少的開(kāi)發(fā)時(shí)間和專業(yè)知識(shí)，但在定制和集成方面可能會(huì)有所不足。對(duì)于較小的生產(chǎn)運(yùn)行，或者如果快速上市時(shí)間至關(guān)重要，無(wú)線模塊可能更具成本效益；對(duì)于較大的產(chǎn)量，或者如果有內(nèi)部專業(yè)知識(shí)，SoC 可能會(huì)更具成本效益。

那么最終，什么才是最劃算的選擇呢？這是一個(gè)不穩(wěn)定的答案，取決于許多因素：具體產(chǎn)品、設(shè)計(jì)師、產(chǎn)品發(fā)布的緊迫性、產(chǎn)量等等。