你必須了解的電路板局勢:小型、單純的硬體即將稱霸

七月 7, 2017
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微控制器板和單板電腦的數量和種類在過去幾年都有巨幅成長。如同1980年代初期便宜的家用電腦問世帶來了種類和選擇的爆增,現今市場上的微控制器板數量的成長也顯示了製造商在功能和尺寸上都已做出各式各樣的嘗試。

然而現在時代不同了,推動微控制器成長的潮流正引領市場走向與過去不同的方向。在1980年代,那些新的家用電腦不僅是發光的螢幕,而是擁有很多功能的魔術箱。現在的電腦、智慧型手機和平板電腦則被視為是溝通的工具。而現在,微控制器,甚至是「真正」的電腦,如果沒有網路連線,就只是一塊磚頭而已。

​回顧

現今的微控制器板市場是從開發板起步的,基本上是因為製造商有新晶片要上市才推出這些擴充板。這些板子讓專業工程師在訂購欲放入產品內、成千上萬件晶片之前,可以先做測試。

對業餘玩家而言,這些開發板是為專業人士設計,而且價格一般太高而不實用。主要來說,這些現在備受尊崇的PIC微控制器可說是自造者運動(maker movement)中電子設備的基礎,而且是以晶片的形式,而非電路板的形式推出。
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各種PIC微控制器。照片由Microchip Technology提供。

我們現處的這個時代,微控制器很容易就能安裝在電路板上。這是從Arduino開啟的現象。這塊「藍色小板子」改變了我們做電子產品的方式,不僅是對於業餘玩家,更影響了專業人士。昂貴又沒有詳細說明文件的開發板在專業市場上已經讓步給更容易操作、更便宜的微控制器板。這對所有人,包括專業人士來說,都是件好事,而這都要感謝Maker。

前瞻

網路連線的智慧型裝置,也就是所謂的物聯網(IoT)已經日漸普及,也改變了微控制器板市場的面貌。

目前這一代的電路板已經具備無線電,有的甚至是很多組無線電。在IoT發展之前,微控制器扮演的是過去電腦的角色,被視為自動化或控制的工具。而現在它們也成為通訊工具了。

不同的點在於,它們幾乎都是互相溝通,而不是跟我們溝通了。

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Adafruit Feather板上的無線電天線。攝影:Hep Svadja。

想得到都裝上去

微控制器板的市場正在轉型,隨著電腦使用方式的改變,硬體的生產也跟著改變。因此,製造商會因為無法完全肯定產品會做為何種運用而感到恐慌,接著就會「乾脆再加個無線裝置上去」。

過去這兩年的趨勢,造成了這一塊我稱為「什麼都有」的電路板問世,它以搭載所有使用者的所有需求為目的。這在Kickstarter特別明顯,因為募資者極力想要讓自己的電路板和競爭者有所區別。

微控制器終究要拿來控制東西,代表它不會有單一用途的情況,然而這並不代表應該拿單一塊擁有所有功能和所有無線裝置的電路板來做所有微控制器可能會做的工作。「什麼都有」板一般配有多組無線裝置,以及比多數嵌入式裝置配有更多的CPU和RAM。而且這種硬體很昂貴。這樣的「至尊魔板」永遠不會是適合運用的板子。就像UNIX指令行,我們應該要試著製作精巧、簡易的硬體工具,而非這種巨砲。

尺寸議題

早期家用電腦時代的結束,同時也造成了電腦尺寸和規格多樣性的下降。微控制器也在經歷同樣的過程,而對單板電腦而言,在某種程度上也是如此。

人們應該要試著製作精巧、單純的硬體工具,而非巨砲。

「經典」的Arduino配置,包含其中第7、8腳位之間惱人的不規則間距,已經自然而然成為標準、甚至是預設的規格。除了仿製品外,Arduino的廣大社群也帶來與其配置相應的各種擴充板和其他硬體。也就是說,即使是在運算上不同於Arduino的板子,在外型上仍會與它相似。

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各種不同尺寸的Arduino上第7、8腳位的間距。攝影:Hep Svadja。

其他開發板製造商的設計也逐漸標準化了。舉例來說,Adafruit的Feather開發板系列就有標準的配置,而且已經有仿製商和競爭品牌開始複製。

在較小型的市場中,也有一波製造商開始在單板上生產整合模組的趨勢。經常會裝在其他電路板上的齒形模組,已經成為現在利用微小表面黏著元件的主要管道,打進了沒有工具或技術的廣大社群中,讓他們能直接使用。這個現象在ESP8266問世後特別明顯,也讓ESP-12的形式成為主流。RTL8710等競爭者現在也開始採用相似的配置,有的甚至有相容的腳位。

同樣地,Raspberry Pi的配置也經常被模仿,有好幾款新的開發板甚至完全照抄。其中之一是Asus的Tinker,它快速打下了低價媒體中心基礎。熱門的Raspberry Pi Zero最近也推出了無線版本,讓它變得好用許多,勢必會吸引他人模仿。然而我們並未觀察到單板電腦全面性的尺寸標準化,至少目前還沒有。就像Arduino的排針,Raspberry Pi的排針也自然成為預設的標準,而對SBC市場而言,或許這就夠了。

便宜到可以視為拋棄式的運算技術

具有機上Wi-Fi的一般用途微控制器板現在不到兩美元就能買得到,再多付些錢就可以買到單板電腦了。即使是對我們這些看著摩爾定律長大的人而言,這都很難想像,而我們已經進入的這個時代,運算技術不僅便宜,幾乎可說是免費了。
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A Raspberry Pi Zero、ESP8266和CHIP。攝影:Hep Svadja。

這改變了人們使用微控制器的方式。ESP8266已然成為贏家,而且許多方面都與那些對市場沒有主見的製造商所推出的「什麼都有」板大行其道,正邁向做為IoT的解決方案。

有時候,「剛剛好」最好。

ESP8266的成功也來自於它快速成長的社群。這個社群的聚集不是因為電路板提供的功能(已經有其他小尺寸的無線開發板),而是因為一項其他電路板沒有的特點:價格。這讓ESP8266成為Arduino和Raspberry Pi之外,Maker電子元件領域的「第三社群」。雖然成功的一部分來自ESP8266和Arduino的相容性,但ESP8266社群所打造的Lua開發環境其實更為普遍,顯示出價格確實是趨使社群選擇產品的動力。看來有時候只要「剛剛好」就好了。

​FPGA問世

現場可程式化閘陣列(FPGA)和微控制器有很大的不同。在微控制器上,你可以控制軟體,也就是儲存在晶片上的程式碼。但在FPGA上是從一張白紙開始。你會需要設計電路。在設計出來之前,沒有處理器會執行你的軟體。
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剛從生產線出爐的SiFive SOC。照片由SiFive提供。

這聽起來很瘋狂,但它給你的是更多的彈性。Maker FPGA的時代降臨,但還沒有大風行。現在Lattice的iCE40 FPGA已經有一套開源的工具鏈,另外也出現針對Maker市場推出的FPGA板,例如Alorium的XLR8。這些電路板在硬體層面提供更多彈性,讓你可以隨著物件的開發而調整硬體,而不是將它替換掉。

有趣的是,類似FPGA的晶片開始出現在「真正」的產品裡。例如Apple新推出的AirPods其實就是根據Cypress PSoC晶片所設計。
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電路樹。繪圖:Rob Nance。

把機器學習封裝起來

Arduino 101在推出時最引發大家好奇的特點之一,是電路板核心的Intel Curie中藏有的128節點神經網路。在它上市的幾個月內,幾乎不可能取得這個網路的任何消息或管道,只知道Intel保證說明文件和資料庫支援「即將推出」。直到General Vision釋出CurieNeurons資料庫才改變了這個狀況。其免費版提供了有限存取,「Pro」版每人19美元(幾乎是開發板本身價格的三分之二),提供了完整支援,但對多數Maker而言,價格遙不可及。

看了Intel為Maker市場推出產品的結果後,以要求高效能的高階Maker為目標的Galileo、Joule和Edison 等開發板系列近期幾乎無預警地從市場撤出。現今的市場上,低階開發板不斷發揮出多數人沒料到的極限,因此昂貴、缺乏說明文件的機型自然就很難有說服力。

大家對開發板到底有什麼期待?

多數人和多數的Maker想要做的是解決問題。對某部分的人而言,電路板的規格很重要,但這些人佔極少數。部分製造商沒認清、甚至一錯再錯的地方,是多數人並不需要超出需求的效能。他們寧可少付一點錢購買適合的工具,也不要花更多的錢得到多餘的效能。總而言之,多數人並不需要萬能的「至尊魔板」開發版,除非他們要拿來征服世界。

​(譯:屠建明)
原文

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