Estratégias de Desenvolvimento de Hardware para Sistemas Embarcados - Arquitetura Modular

Chipset

Dependendo do projeto, há necessidade de integrar circuitos complexos, porém é possível que não seja viável economicamente e/ou estrategicamente desenvolver internamente todo o projeto do sistema em nível de Chipset e é aí que uma arquitetura modular começa a ser interessante.

 

Basicamente, uma arquitetura desse tipo é composta por uma placa de circuito impresso com diversos componentes internos e conectores para a comunicação com outro sistema. É muito comum também que os fornecedores de módulos ofereçam a camada de software em conjunto com o produto, além de uma biblioteca de configuração e acesso e comunicação com o hardware.

 

O módulo por si só não é funcional, pois ele deverá ser incluído em uma outra placa e também receber um software para a implantação da lógica do sistema.

 

Arquitetura Modular - Módulo inserido em uma placa base
Figura 1 - Módulo inserido em uma placa base

 

Geralmente o tipo de indústria que utiliza esses módulos são empresas que possuem produtos eletrônicos com volumes de peças por ano abaixo de 10k unidades e é muito comum encontrar essa arquitetura em produtos para ambientes industriais, em automação, na área médica, em telecomunicação dedicada, entre outros. Mas também podem estar presentes em diversos produtos de consumo (o termostato que analisamos no primeiro artigo da série utiliza um módulo Wifi - Texas Instrument WL1270B).

 

São exemplos: módulos de comunicação como Wi-Fi, Zigbee, Bluetooth, GSM, 3G, 4G, Sigfox, e Lora, além de computadores modulares (Computer-on-Module) e módulos de processamento microcontrolados.

 

Olhando pelo lado dos fornecedores, há uma introdução de uma nova camada. Podemos citar: Toradex, Digi, Compulab, Variscite, Congatec, Sierra, Telit, Murata, Bluegiga.

 

Exemplos:

 

Figura 2 - Colibri iMX6 da Toradex; Modem 3G Sierra Wireless; Módulo Wifi Murata

 

Prós:

  • Boa capacidade de personalização, mas menor do que a de um projeto em nível de Chipset;

  • BOM reduzido;

  • Redução da complexidade da placa de circuito impresso, com uma concentração de circuitos complexos internamente no módulo, como por exemplo circuitos de rádio frequência e sinais de alta velocidade (conexões com memória RAM);

  • Abstração de camadas de software, acelerando parte do desenvolvimento;

  • Time-to-market reduzido.

 

Contras:

  • Custo maior do que na arquitetura Chipset – valor agregado devido à mão de obra da empresa fabricante do módulo;

  • Dependência e limitações do fabricante do módulo;

  • O software fornecido pode ser proprietário, sem a oferta do código fonte;

  • Escalabilidade ficará atrelada ao modelo de negócio do fabricante.

 

Exemplos de produtos que utilizam esses módulos:

 

Figura 3 - Monitor Multiparamétrico; Tap de cerveja automatizado da Mytapp; Display Interativo QuirkLogic

 

 

Estudo de caso: Módulo Colibri iMX7 da Toradex

 

Colibri iMX7
Figura 4 - Colibri iMX7

 

Como mencionado anteriormente, um módulo sozinho não é um sistema funcional e ele sempre estará atrelado a uma outra placa, que normalmente chamamos de placa base ou até mesmo placa mãe.

 

Abaixo nós possuímos uma placa base de desenvolvimento Aster da Toradex. Note que essa placa base apresenta conectores, circuitos de potência e alguns componentes para circuitos auxiliares do sistema.

 

Figura 5 - Placa Base Aster; Instalação do módulo na placa base

 

A empresa vai personalizar e agregar valor ao seu produto durante o desenvolvimento do projeto de hardware da placa base e no desenvolvimento do software.

 

Projeto de uma placa base
Figura 6 - Projeto de uma placa base

 

Para entender quais componentes estão presentes no computador em módulo, vamos olhar a distribuição dos componentes:

 

Colibri iMX7 componentes top
Figura 7 - Colibri iMX7 componentes top

 

Colibri iMX7 componentes bottom
Figura 8 - Colibri iMX7 componentes bottom

 

Arquitetura Colibri iMX7
Figura 9 - Arquitetura Colibri iMX7

 

Ele é composto por:

 

Tabela 1 - Componentes Colibri iMX7D 512MB

Componente

Especificação

SoC

NXP I.MX7D Dual ARM A7 1.0 GHz + M4 200Mhz

PMIC

Ricoh RN5T567

RAM

Nanya NT5CC64M16GP-DII 512MB

FLASH

Macronix MX30LF4G28AB-TI 512MB

PHY Ethernet

Microchip KSZ8041NL

Audio Codec

NXP SGTL5000

TouchScreen Controller

Analog Devices AD7879-1

 

Ao levantar os custos, lembrando que eles podem ser atualizados:

 

Tabela 2 - Estimativa custos Colibri iMX7

ITEM

Partnumber (PN)

QTD para 1 un

Preço unitário (1k un)

SOC

MCIMX7D5EVM10S

1

US$ 15,00

RAM DDR3 32bit 1066MT/s 512Mbyte

NT5CC64M16GP-DII

2

US$ 8,00

SLC NAND FLASH 128M (8bit)

MX30LF4G28AB-TI

1

US$ 4,00

PMIC

RN5T567

1

US$ 3,00

ETH PHY

KSZ8041NL

1

US$ 2,00

Audio Codec

SGTL5000

1

US$ 1,50

Touch Screen Controller

AD7879-1

1

US$ 2,50

PCB e componentes passivos

  

US$ 5,00

Preço Total Estimado

  

US$ 41,00

 

O custo considerando somente a lista de materiais para 1k unidades é de em torno de US$41,00.

 

Do site oficial da Toradex, nós podemos obter o preço oficial do produto. Hoje o custo de 1k unidades não está mais no site e para adquirir você deve entrar em contato diretamente com a equipe de vendas. Mas nós possuímos o preço da faixa de 500 – 999 unidades que é de US$61,60 e vamos utiliza-lo para nossa comparação.

 

A diferença entre nossa estimativa é de US$20,60 e devemos considerar que a empresa fornecedora não apenas entrega o hardware já montado, mas também a camada básica de software, port do sistema operacional funcional, logística de armazenamento além de suporte ao produto.

 

Considerando a estimativa acima, vamos tentar entender até que ponto é mais interessante utilizar um módulo produto de mercado ou desenvolver esse projeto em nível Chipset. Para isso vamos fazer as seguintes suposições:

  • O Tempo de execução de um projeto de SOM (considerando o projeto de Hardware, o bring-up, o port do sistema operacional, os testes, a documentação e etc) = 1 ano;

  • Custo em engenharia para execução desse projeto - Non-Recurring Engineering (NRE) = US$ 150k;

  • Custo unitário dos componentes do módulo considerando 1k unidades = US$ 41,00;

  • O preço por unidade de um módulo pronto de mercado. Utilizando como exemplo o caso da Toradex, o custo tabelado considerando o preço oficial para 100 unidades é de US$ 68,75, com uma queda estimada de 10% para 1k unidades e a mesma estimativa para 10k.

 

Com essas considerações:

 

Tabela 3 - Produzir ou Comprar um SOM?

Unidades produzidas em 1 ano

Custo de engenharia por unidade

Custo BOM (estimado)

Custo por unidade em um projeto customizado

Preço Toradex Tabelado

Economia por unidade

Economia total

100

US$ 1.500,00

US$ 45,10

US$ 1.545,10

US$ 68,75

US$ 1.476,35

US$ 147.635,00

1000

US$ 150,00

US$ 41,00

US$ 191,00

US$ 55,44

US$ 135,56

US$ 134.560,00

10000

US$ 15,00

US$ 36,90

US$ 51,90

US$ 49,89

US$ 2,01

US$ 20.100,00

 

O gráfico a seguir mostra uma comparação entre o custo de desenvolver um SOM internamente contra a compra do dispositivo de um fabricante do mercado:

 

Modelo financeiro de quando é interessante comprar ou produzir
Figura 10 - Modelo financeiro de quando é interessante comprar ou produzir

 

Veja que há um ponto onde o custo do módulo comprado se equivale ao custo de produzir o módulo internamente na empresa. Dependendo do projeto outros fatores devem ser considerados, mas podemos dizer que para volumes abaixo de aproximadamente 10k peças por ano, os módulos prontos de mercado são atrativos e podem trazer economias no plano financeiro e ganhos no tempo de desenvolvimento do produto.

 

No próximo e último artigo, vamos estudar o que é uma arquitetura de prateleira e também fazer um comparativo entre todas as arquiteturas que estudamos. Até a próxima.

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Fernando Luiz Cola
Formado em Engenharia Eletrônica pela EESC-USP. Possui 8 anos experiência em hardware, software e a integração entre eles e 5 anos em Linux Embarcado, RTOS e Python. Proprietário da Emc Logic, empresa de consultoria em desenvolvimento de software para sistemas embarcados. É gamer desde antes do termo ser inventado e foi jogador de longa data de World of Warcraft.

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jiang ann

good article, I learned a lot about electronic components