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无线模块还是SoC？物联网设计中的成本考虑

已有 303 次阅读| 2023-11-30 12:40 |系统分类:芯片设计

在设计物联网 (IoT) 设备时，是使用无线模块还是片上系统 (SoC) 可能是一个关键且具有挑战性的决定。每个选项都有其独特的优点和缺点，选择正确的技术需要平衡性能、功能和成本。在本文中，我们将通过详细比较无线模块和 SoC 的成本影响来消除此过程中的一些不确定性。

了解无线模块和 SoC

让我们简要回顾一下正在讨论的技术。

无线模块是一种预先认证的单元，可作为完整的无线解决方案，通常包含带有微控制器、软件堆栈和天线的无线电收发器。无线模块因其易用性和缩短开发时间而受到青睐。

图 1. MRF24WB0MA/MB 2.4 GHz IEEE 802.11b/g/n 无线模块的框图。图片由Microchip提供

片上系统 (SoC)是一种集成电路，在同一硅片上结合了微控制器单元和射频(RF) 前端。SoC提供更多控制和灵活性，但需要更多设计工作。

图 2.通用 SoC 示意图。图片由Michael Keating 和Pierre Bricaud提供

无线模块和SoC的成本比较

我们将使用以下指标来比较无线模块和 SoC 的成本：

初始购买成本。
开发成本。
供应链成本。
可扩展性成本。

初始购买和开发成本

无线模块包括预先认证的射频电路、天线和软件堆栈，所有这些都会增加购买成本。相比之下，SoC 只是没有额外组件的集成电路。由于它们缺少无线模块中的附加组件，因此初始购买成本较低。这使得 SoC 对于预算有限的设计人员来说很有吸引力。

然而，同样的简单性意味着开发成本可能会迅速上升。考虑以下与开发相关的费用清单：

射频设计和工程费用。
实验室设备和基础设施投资。
PCB 配置和天线选择的成本。
认证费用。

无线模块包括预先设计、预先测试的射频电路，无需内部射频设计专业知识，并减少了对实验室测试的需求。它们通常还经过预先认证，并包含内置天线和引脚排列，从而简化了 PCB 布局过程。这些东西都包含在初始购买成本中，并且在开发阶段不需要更多支出。

另一方面，基于 SoC 的设计在进入市场之前需要额外的费用和时间来进行设计、测试和认证。基于无线模块的设计上市时间更短，投资回报更快。

供应链和可扩展性成本

与基于 SoC 的设计所需的所有单独部件相比，采购模块更容易。后一种选择可能会导致更高的供应风险，特别是对于规模较小的公司或在零部件短缺期间。然而，依赖模块供应商来保证供应连续性的成本可能会很高。如果选择 SoC，较大的公司或大批量生产可能会受益于对供应链的更多控制。

此外，无线模块通常意味着更高的单位成本，这在扩大规模时是一个缺点。对于大规模生产，SoC 的单位成本较低，可以抵消较高的开发成本。

盈亏平衡示例：无线模块与 SoC

Silicon Labs 的 Tom Nordman、Joe Tillison 和 Nick Dutton 分析了在物联网设计中使用无线模块和 SoC 的成本。他们比较了BGM210P 无线蓝牙模块和EFR32BG21 蓝牙 SoC的成本（30万件的批量成本）。

他们的成本比较基于以下假设：

年产量为 10,000 至 300,000 件，无线模块和 SoC 的售价分别为 2.99 美元和 1.11 美元。
SoC 的物料清单(BoM) 与制造过程中的测试相结合，每单位成本估计为 0.55 美元。其中 0.05 美元的成本来自测试；0.50 美元是 BoM。
他们计算出其产品的毛利率（产品销售价格与其生产成本之间的差额）为4.98 美元。
据称毛利率为 4.98 美元，比模块价格高出 40%，这意味着利润比他们在产品中使用无线模块时产生的成本高出 40%。
由于其复杂的设计、认证和监管审批流程，该 SoC 被认为需要额外六个月的开发时间。根据工程师平均年薪 100,000 美元，假设这需要额外花费 50,000 美元左右。

考虑到这些因素，并考虑到上市时间和使用 SoC 带来的收入损失，年产量的盈亏平衡产量在 500,000 到 1,300,000 件之间。如果我们忽略由于上市时间延迟而造成的收入损失，盈亏平衡点将下降到100,000 到 200,000 件之间。此处的盈亏平衡和盈亏平衡产量均指使用 SoC 的利润开始等于（并随后超过）使用无线模块的利润的产量范围。

Silicon Labs 团队的分析图如图 3 所示。黄线内的区域代表盈亏平衡量。由于生产过程中存在风险和不确定性，这个数量是一个范围，而不是一个点。

图 3.无线 SoC 和无线模块的盈亏平衡。图片由Silicon Labs提供

当产量低于 500,000 件时，使用无线模块比使用 SoC 更有利可图。这是由于与 SoC 相关的前期成本较高且上市时间较长。然而，一旦产量达到收支平衡区，这些前期成本可能会分摊到足够多的单元上，从而使 SoC 成为利润更高的选择。

作者指出，SoC 可能不是所有大批量产品的最佳选择。例如，由于物联网设备小型化的挑战，一些最畅销的移动设备选择无线模块，而本盈亏平衡比较没有考虑到这一点。无线模块提供紧凑的设计（SiP 模块）、全面的全球认证和具有竞争力的组件成本。尽管 SoC 具有潜在的大规模成本效益，但也存在无法量化的风险，例如技术问题或认证问题。