Estratégias de Desenvolvimento de Hardware para Sistemas Embarcados – Arquitetura Chipset

Chipset

Faz parte da vida de qualquer engenheiro que desenvolve produtos eletrônicos o desafio da escolha das melhores estratégias para alcançar o sucesso em um projeto.

 

Precisamos entender quais componentes serão utilizados, quantas interfaces de comunicação, tensão de alimentação, qualidade dos componentes, ciclo de vida, interferência elétrica e magnética, temperatura de operação e etc.

 

Também devemos considerar requisitos que vão além da eletrônica, como dimensões mecânicas e estruturais, assim como considerações sobre o software que irá operar no sistema.

 

Além de todas as considerações técnicas precisamos nos atentar aos requisitos comerciais e criar estratégias que levam em conta fatores como a escalabilidade do projeto, sua competitividade no mercado, a cadeia de suprimento de seus componentes e o tempo necessário para a execução.

 

Essas escolhas fazem parte de diversas discussões entre equipes de engenharia e da interação entre diversos setores de uma empresa. Dificilmente teremos uma solução perfeita que se encaixe em qualquer situação, pois a única regra que parece ser fundamental é o estudo de caso a caso do problema.

 

Levando em conta esses fatores, pretendo trazer nesta série de artigos o estudo de algumas arquiteturas de projeto juntamente com a elaboração de uma visão estratégica que podem auxiliar o processo desenvolvimento de um projeto eletrônico. Nosso estudo será orientado sob o ponto de vista de um desenvolvedor de produtos, mas também faremos algumas ressalvas considerando demandas de mercado.

 

Tomaremos como ponto de partida o circuito da parte principal de processamento de um equipamento eletrônico (popularmente a placa mãe), suas interfaces de comunicação (seja física ou de rádio frequência) e as interfaces de memória (seja RAM ou Flash). A título de simplificação, não trarei detalhes que envolvam conceitos de eletrônica de potência ou circuitos de condensação de sinais analógicos (apesar de que a mesma reflexão aqui desenvolvida pode ser aplicada para esses tipos circuitos eletrônicos).

 

O projeto de hardware será dividido em níveis de arquitetura:

  • Chipset;
  • Módulos;
  • Produtos de prateleira (off-the-shelf).

 

Em cada caso será definido o que é cada arquitetura, onde é utilizada, um estudo de caso, seus prós e contras.

 

 

Arquitetura Chipset

 

Esse é o tipo de projeto onde começamos com os elementos mais básicos em eletrônica e está baseado nos componentes passivos e em circuitos integrados. É nesse nível que se situam produtos como Kindle, devido ao grande volume de unidades produzidas, seu foco no mercado consumidor é num preço competitivo. Outros exemplos são Smartphones, Notebooks e grande parte do que compõem a eletrônica de consumo.

 

Exemplos de componentes:

Figura 1 – Processador NXP i.MX7; Memória Nayan DRAM; Processador Texas DaVini

 

A indústria de fornecedores é composta pelas grandes empresas de semicondutores: Intel, Qualcomm, Nvidia, NXP, Texas e etc.

 

Prós:

  • Projetos altamente customizáveis e com maior capacidade de inovação;
  • Domínio total do design e propriedade do projeto;
  • Alta possibilidade de escala;
  • Obtenção de menores custos e também maiores margens de lucro.

 

Contras:

  • Complexidade do projeto;
  • Investimentos maiores em engenharia, mais especificamente NRE (Non-Recurring Engineering);
  • Necessidade de um maior investimento para reduzir o tempo de desenvolvimento (Time-to-Market), devido à sua complexidade;
  • Maior lista de materiais (Bill of Materials – BOM).

 

Exemplo de produtos:

Figura 2 - Amazon Kindle; Smartphone Samsung Galaxy S8; Termostato Nest

 

 

Estudo de caso: Termostato Inteligente da Nest

 

Para ilustrar a complexidade de um projeto eletrônico a nível de chipset, vamos estudar a solução de termostato da Nest™.

 

Termostato Inteligente
Figura 3 - Termostato Inteligente

 

Vamos analisar esse produto sob dois pontos de vista: do cliente e mercado e sob olhar da engenharia.

 

Provavelmente a equipe de marketing do produto e divulgação da empresa ressaltaria as seguintes características desse produto:

  • Se programa automaticamente: Registra e aprende a temperatura de preferência do usuário e se configura independentemente;
  • Auto Power-off: Desliga sozinho para economizar energia;
  • Controle Remoto: Conectividade e fácil conexão com Smartphone, Laptop ou Tablet;
  • Fácil Instalação: Instalação em menos de 30 minutos sem a necessidade de um profissional capacitado.

 

Olhando pela visão de um engenheiro de desenvolvimento, podemos fazer as seguintes considerações:

  • Qual unidade de processamento utilizada? Processador, Microcontrolador ou FPGA?
  • Qual memória de armazenamento presente? Flash, eMMC? Qual o tamanho?
  • Quais linguagens de programação foram utilizadas?
  • Há presença de um sistema operacional?
  • Qual mecanismo de upgrade do device?

 

É muito comum um engenheiro de desenvolvimento olhar somente através de uma visão técnica, mas, no final das contas, o que irá garantir que seu projeto seja bem-sucedido são fatores que transcendem a engenharia como valor agregado do projeto: rapidez de desenvolvimento, cadeia produtiva, preço, concorrência e aceitação do mercado. Para conseguir alcançar o sucesso de um projeto, um engenheiro precisa estar alinhado também com essas informações.

 

Abaixo nós possuímos uma vista em explosão do produto (para um teardowm completo do equipamento, confira o site).

 

Vista explodida do termostato
Figura 4 - Vista explodida do termostato
Placa mãe
Figura 5 - Placa mãe

 

A placa mãe possui os seguintes componentes:

 

Tabela 1 – Componentes do Termostato

Componente

Especificação

SoC

Texas Instrument AM3703CUS ARM Cortex A8

PMIC

Texas Instrument TPS65921B

RAM

Samsung K4X51163PK 512MB DRAM

Módulo Zigbee

Ember EM357 Zigbee 802.15.4

FLASH

Micron MT29F2G16ABBEAH4

Front end Zigbee

Skyworks 2436L 2.4Ghz 802.15.4

Wi-Fi

Texas Instrument WL1270B 802.11 b/g/n

 

Alguns detalhes dos desafios técnicos do projeto desse equipamento:

  • Complexidade da Placa de Circuito Impresso: envolve BGAs com interface com memória RAM, trilhas de alta velocidade (pares diferenciais), múltiplas camadas, considerações sobre emissão de RF (fontes de emissão de rádio frequência no equipamento);
  • Configuração e port do sistema operacional: como nesse sistema há um processador de aplicação (Texas Instruments AM3703CUS), um sistema operacional completo, como Linux, está presente. Nesse caso é necessário se atentar a diversos detalhes, como a versão do Kernel, o bootloader, os drivers, o device-tree, os pacotes de software e o sistema de arquivos;
  • Configuração do subsistema de rádio frequência: Wifi, Zigbee;
  • Memória FLASH: a placa utiliza uma memória flash SLC da Micron MT29F2G16ABBEAH4. Um ponto de consideração em memórias flash é seu ciclo de vida e, como consequência, o desgaste causado pelo processo de gravação da memória e é necessário verificar a necessidade de implementar controle de gravação (wear-level);
  • Programação e implementação do Software: considerações sobre segurança e também mecanismo de upgrade do equipamento;
  • Time-to-market: quantas pessoas devem ser alocadas no projeto e quanto tempo seria necessário para a construção de um Prove of Concept (POC) e a produção do primeiro lote do produto?
  • Nível de qualificação e equipe especializada: Qual tamanho da equipe e qual nível de capacitação de cada integrante para conseguir entregar esse projeto?
  • Escalabilidade do projeto em volume: para isso, é necessário considerar a aquisição dos componentes, a manufatura do PCB, a montagem, a configuração e a distribuição.

 

Olhando por uma visão financeira, é possível criar uma planilha com estimativas. No exemplo abaixo não constam valores reais, visto que eles são constantemente atualizados e podem diferenciar significativamente devido à data da pesquisa.

 

Tabela 2 - Estimativa de custos

ITEM

Part Number (PN)

Preço unitário

(1K un)

Link pesquisa

SoC

AM3703CUS

US$ 14,00

https://ciiva.com/matrixsearch?q=AM3703CUS

PMIC

TPS65921B

US$ 2,00

https://ciiva.com/matrixsearch?q=TPS65921B

RAM

K4X51163PK

US$ 2,00

https://ciiva.com/matrixsearch?q=K4X51163PK

Zigbee

EM357

US$ 5,00

https://ciiva.com/matrixsearch?q=EM357

Flash

MT29F2G16ABBEAH4

US$ 3,00

https://ciiva.com/matrixsearch?q=MT29F2G16ABBEAH4

Front End Zigbee

SE2436L

US$ 2,00

https://ciiva.com/matrixsearch?q=SE2436L&currency=1

Wi-Fi

WL1270B

US$ 13,00

https://ciiva.com/part/wl1271byfvt-8818541?currency=1&qUI=tab-pricing#tab_pricing_avail

PCB e componentes passivos

 

US$ 10,00

Estimado

Shielding

 

US$ 10,00

Estimado

Preço Estimado Total

 

US$ 61,00

 

 

O custo estimado de uma placa mãe para 1k unidades é em torno de US$61. Para construir uma estimativa do valor final do projeto nós devemos também incluir custos do hardware de potência, do dimensionamento da bateria, do projeto mecânico, dos conectores, do molde, da estrutura, do display, do design, do custo de desenvolvimento e também da margem de lucro.

 

Note que o valor de venda de uma unidade é de US$ 249,00 (em 25/09/2017). Com base na estimativa, o valor do sistema de processamento representa aproximadamente 25% do valor final do produto.

 

Um produto como esse é um projeto que almeja facilmente volumes de centenas de milhares de peças por ano e os preços dos componentes vão mudar drasticamente por conta da economia de escala.

 

Há estudos mais detalhados que consideram milhares de unidades no valor dos componentes e montagem e o preço final do produto pode chegar próximo de US$82,00.

 

Não é difícil perceber que o projeto de um produto inovador e competitivo nesse nível possui múltiplas vertentes, é multidisciplinar e traz consigo diversas preocupações, exigindo um grande de investimento em P&D além de um estudo do mercado em questão.

 

Empresas que trabalham com esse tipo de desenvolvimento geralmente são de grande porte e possuem uma equipe grande.

 

No próximo artigo vamos estudar uma arquitetura modular, uma alternativa muito útil para reduzir investimento e tempo de desenvolvimento. Até a próxima.

Outros artigos da série

Estratégias de Desenvolvimento de Hardware para Sistemas Embarcados - Arquitetura Modular >>
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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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Diogo Guilherme Garcia de Freitas
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Diogo Freitas

Ola Fernando,

Estou procurando referencias de literatura para a arquitetura chipset. Voce poderia me passar alguma? De preferencia em ingles se conseguir.

Obrigado!

Pedro Henrique Pereira
Membro

Excelente artigo! Muito bacana ter um case com números pra exemplificar a relação custo/peça e custo/lote no caso de chipset. Parabéns.

Cleisson Tavares Brito
Membro
Cleisson Tavares Brito

Excelente matéria. Parabéns!

Matías de Andrea
Visitante
Matías de Andrea

Achei muito interessante o assunto discutido e acredito que oferece muito valor para quem participa do desenvolvimento de produtos electronicos.
Só tenho uma pequena observação que poderia ser substituída a palavra engenheiro por desenvolver ou outra mais abrangente. Abraço