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智能的世界物联网Wi,GROUP的成功应用

[据欧洲《航空航天制造》杂志2011年12月报道]美国Silvaco公司欧洲分公司是计算机辅助设计和电子设计自动化软件的领先供应商,它与合作伙伴获得了490万欧元的计划合同,开发先进的软件建模方法。该计划称作PARSIMO,将持续3年,由公私合营、汇集欧洲纳米技术领域研究者的ENIAC JU组织资助。这个计划合同将提升关键产品中复杂半导体组件的设计效率。不同系统级封装中使用的高集成度电路设计为航空工业带来更小、更灵巧和更高能效的产品。PARSIMO计划将研究提升SIP设计预测精确度的建模方法,该方法还能减少仿真时间以使用新的分离方法优化成本和性能。通过削减制造成本,SIP方案可以为更多中小企业接受。

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一、技术概述

物联网智库 原创

目标 为了推动其在野营用品和大篷车制造领域的成功,Knaus Tabbert Group必须缩短新产品和已有产品和模具的设计周期。同样急切的还有,继续提供更高质量和更具创新性的产品,以便在其目标市场上更富竞争力。 问题/挑战 ·无法执行高端和复杂的形状设计功能; ·缺乏2D同3D设计环境的关联性; ·缺乏CAD与PDM系统之间的集成; ·缺少能让员工都接受的软件技术 TD 解决方案 40 套TD (3D/2D), 40 套TD Styling及50套TD PDM获益 ·采用单一零部件库节省了时间和相关成本; ·优秀的曲面建模功能; ·可视化的2D/3D环境; ·与制造部门更高水准的信息传递; ·能利用和修改2D和3D的遗留数据; ·减少了制造过程的错误; ·得以快速的实施和促进生产; ·团队工作更为迅速有效并缩短了设计周期; ·加强了使用人员在产品设计中的合作; ·使用统一的CAD/PDM软件使制造装置更合乎标准客户感言:“我们的员工对TD的兴趣非常大,由此引发了他们高涨的工作热情。我们可以比以前工作得更快和更有效果,这也是扭转整个过程比原先计划的进展得更快的一个主要原因。”--------Karl-Heinz Müller- CAD/EDM 经理关于knaus Tabbert Group:Knaus Tabbert Group是欧洲最具影响力和创新力的野营用品和大篷车的设计、制造企业。在德国,它是野营用品和大篷车领域的老大,在发动机领域排第二,它的产品出售品牌是以Knaus, Tabbert, Wilk, Weinsberg, Vimara 和Eifelland等命名-以做工精细和质量上乘而闻名。 Tabbert因其具有很高的客户可定制性而出名,公司的目标是要提供高质量和富有创意的产品,为此公司专门寻找了一款具有成熟的设计功能的3D软件。由于找不到一个能整合2D/3D环境和具有强大的PDM功能的解决方案,公司一直使用着2D和3D的双套软件,这样做的缺点就是缺乏2D和3D的交互。另外,大篷车和野营器具的设计需要用到复杂的曲面建模功能,可以深入到内部装置细节上,而这种效果只能通过自由曲面功能才能实现。“除了考虑性价比,另外一个决定性的标准就是要能提供自由曲面建模功能。这也是早期很多软件供应商退出竞争的原因。” Karl-Heinz Müller, CAD/EDM 经理这样说到。 新的软件也必须协调贯穿不同的开发环节,比如直接采用CNC设计和5轴的磨削加工。有了这一系列的标准,供应商的数量缩减到了几家高端CAD公司和TD。Knaus Tabbert让这几家制作一种车型的水盆用以衡量各自的技术。使用TD Styling和GSM功能,盥洗池设计不到15分钟就做好了。此外,CNC也通过TD Styling和hyperForm创建出来了。使用TD Styling,可以使设计进程加快30%并达到更高的质量。 Knaus Tabbert公司的产品的生命周期很长,所以使用一款一流的PDM系统极为重要。此前,由于不同环节不同点有不同的目录,这对组件的管理造成了不必要的麻烦。TD PDM的一项好处就是集中管理零部件目录,这样就节省了时间和降低了成本。 “在通过对六款软件解决方案的评估对比之后,我们选择了TD,因为它有可视化的2D/3D环境和超强的自由曲面建模功能。” Müller 说。“由于TD的帮助,我们期待提高我们设计部门的生产力,从而最终缩短新产品进入市场的时间。只要我们所有员工能全力支持,一切都是有可能的。有了TD Styling和TD PDM,将意味着一个正确的、新的开始。” 关键成果 ·产品在规定的时间内投入市场 ·生产力提高30% ·存货成本大大降低

虚拟制造技术是80年代后期提出并得到迅速发展的一个新思想。它是以虚拟现实和仿真技术为基础,对产品的设计、生产过程统一建模,在计算机上实现产品从设计、加工和装配、检验、使用整个生命周期的模拟和仿真。这样,可以在产品的设计阶段就模拟出产品及其性能和制造过程,以此来优化产品的设计质量和制造过程,优化生产管理和资源规划,以达到产品开发周期和成本的最小化,产品设计质量的最优化和生产效率最高化,从而形成企业的市场竞争优势。

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虚拟制造技术按其功能可划分为:

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作为一种新型的封装技术,SIP的出现或许在技术上没有那么的令人兴奋,但是其在异质部分的整合,成本控制、研发周期以及综合性能方面有着绝对的优势。

1.产品的虚拟设计技术。面向产品的原理、结构和性能的设计、分析、模拟和评测,以优化产品本身的性能、成本为目标。

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2.产品的虚拟制造技术。面向产品制造过程模拟、检验和优化,检验产品的可制造性、加工方法和工艺的合理性,以优化产品的制造工艺过程、保证产品的制造质量、制造周期和最低的制造成本为目标。

消费电子产品对于轻薄短小的造型与多元化功能的追求是永无止境的,这也连带着促使了“制程微缩”和“系统整合”成为了半导体发展的两大趋势,几十年来,强调制程微缩为主的晶圆制造业一直遵循着“摩尔定律”快速发展,但是,随着物理极限的逼近,摩尔定律的魔力正在逐渐的失效,因而,将不同功能的异质晶粒进行系统的整合,以便对电子产品的尺寸与性能进行优化的做法必将会越来越受到重视。在此发展方向的引导下,物联网Wi-Fi行业形成了相关的三大新主流:系统单芯片SoC、传统PCBA模块与系统化封装SIP,但是,在新兴的物联网时代,SoC、PCBA模块和SIP这三大技术流派到底谁才能成为主宰呢?

3.虚拟制造系统。着重于生产过程的规划、组织管理、资源调度、物流、信息流等的建模、仿真与优化。如虚拟企业、虚拟研发中心等。

越来越尴尬PCBA模块

虚拟制造技术是CAD/CAE/CAM/CAPP和仿真技术的更高阶段。利用虚拟现实技术、仿真技术等在计算机上建立起的虚拟制造环境是一种接近人们自然活动的一种“自然”环境,人们的视觉、触觉和听觉都与实际环境接近。人们在这样环境中进行产品的开发,可以充分发挥技术人员的想象力和创造能力,相互协作发挥集体智慧,大大提高产品开发的质量和缩短开发周期。 二、现状及国内外发展趋势

传统的PCBA模块因为技术成熟,门槛比较低,早些年在国内市场很流行,但是,近几年,因为物联网消费终端市场的兴起,PCBA模块的尺寸过大问题越来越突出,在产品低功耗、小尺寸的趋势下PCBA模块的前景会越来越尴尬。

虚拟制造技术的发展首先是在其支撑技术的发展上取得进展,例如,虚拟现实技术、仿真技术等。特别是一些单元技术与制造业的紧密结合不断深入,并为其作出了巨大的贡献,更推动了这些技术的进一步发展。

Wi-Fi SOC会是救世主吗?

同时,支撑技术和单元技术的不断成熟和在制造业中发挥越来越大的作用,也推动了虚拟制造技术的组合和集成。但由于各技术的相对独立性,其统一的特征模型的建立、数据共享和交换等遇到了巨大的挑战。基于STEP、EDI、TCP/IP等标准的集成技术是唯一的发展方向。

SoC(System on Chip)即片上系统,顾名思义,就是将所有电子元器件集成到一个芯片上,以组成一个可以独立运行的系统,这听起来是一件令人兴奋的事情,因为,要是能够将一个电子产品所有的电子元器件集成到小小的一块芯片上,这对于整个行业来说都是一个标志性的进步。

虚拟制造技术虽然于80年代才刚刚提出来的。但随着计算机技术的迅速发展,在90年代得到人们的极大重视而获得迅速发展。

想必,SoC的优点足以让众多的从业者兴奋不已,事实上,英特尔、高通、三星等芯片巨头都有种类繁多的SoC产品,更不用说国内众多的方案集成商早已把SoC当成未来的救世主,准备在物联网时代大展宏图。

1983年美国国家标准局NEL发展并提出了“虚拟制造单元”的报告,以更大的柔性完成分析、行程和时序安排、报告和监控等功能。1989年麻省理工学院的“虚拟制造”的报告提出了虚拟制造在产品概念设计和性能早期评价方面的优势。1993年爱荷华大学的报告“制造技术的虚拟环境”提出了建立支持虚拟制造的环境,包括虚拟制造的评估系统、装配顺序计划和材料去除过程模拟以及离线编程等技术。里海大学的报告则提出了与CAD/CAM、CIM、CAPP、快速原型、敏捷制造、柔性制造有关的可制造性等问题。1995年美国标准与技术研究所的报告“国家先进制造实验台的概念设计计划”,强调分散的、多节点的分散虚拟制造,即虚拟企业的概念,强调企业、政府和大学的联合。美国国家研究委员会的报告“制造中的信息技术”探讨了产品集成、过程设计、车间控制、虚拟工厂等的信息技术问题。1997年美国标准与技术研究所的报告“使用VRML的制造系统建模”则探讨了虚拟现实技术及在网络上的应用。

但是,SoC真的有这么神奇么?它能够如“云南白药”一样包治百病么?事实上,SoC的应用现状可以验证西方的那句谚语“The more hopes,the more disappointed would be”,时至今日,SoC产品的性价比远没有达到人们的期望值。

可见,美国已经从虚拟制造的环境和虚拟现实技术、信息系统、仿真和控制、虚拟企业等方面进行了系统的研究和开发,多数单元技术已经进入实验和完善的阶段。例如,美国华盛顿大学的虚拟制造技术实验室发展的用于设计和制造的虚拟环境VEDAM、用于设计和装配的虚拟环境等,已经初具规模。但虚拟制造作为一个完整的体系,尚没有进行全面的集成。特别应说明的是,虚拟企业的研究在美国得到政府和企业界的极大关注,研究异常活跃,成为其敏捷制造技术的主要支柱之一。

站在用户的角度,SOC使用面临如下问题:

欧洲以大学为中心也纷纷开展了虚拟制造技术研究,如虚拟车间、建模与仿真工程等的研究。日本在60-70年代的经济崛起受益于先进制造与管理技术的采用。日本对虚拟制造技术的研究也秉承其传统的特点-重视应用,主要进行虚拟制造系统的建模和仿真技术以及虚拟工厂的构造环境研究。

1.Wi-Fi 的RF性能参数校准

我国在虚拟制造技术方面的研究只是刚刚起步,其研究也多数是在原先的CAD/CAE/CAM和仿真技术等基础上进行的,目前主要集中在虚拟制造技术的理论研究和实施技术准备阶段,系统的研究尚处于国外虚拟制造技术的消化和与国内环境的结合上。由于我国受到CAD/CAE/CAM基础软件、仿真软件、建模技术的制约,阻碍了虚拟制造技术

由于无线指标对于外围环境参数的变化而非常敏感,比如PCB板材材质,厚度都会引起阻抗变化,这样就会导致每个客户都要对SOC的功率、误码率等各种指标进行测试、调试,这也是目前模组公司的核心价值之一。通常物联网分布在各个行业,这些校准需要专门的测试设备进行操作,并不适用于大多数行业

2.集成度不高

通常来说,SOC通常很难集成Flash,晶体、滤波器这些元器件,用户还需要把这些对参数非常敏感和专业性强的元器件集成到PCB上,提高了使用门槛

3.软件服务

PCBA模块和SIP都集成了大量软件和各种云端服务

SIP 现身江湖

系统化封装SIP(System in a Package)就是将多种不同功能的电子元件,包括处理器、存储器等集成在一个封装内,从而实现一套完整的功能。

简而言之,SIP就是一个外形长得和SOC一模一样的PCBA模块,既有传统Wi-Fi模块的功能和易用性,价格也比传统模块便宜,体积又比SOC小,是结合二者优点,在产业链上是SOC的下游段。

SIP封装技术采取了多种裸芯片或模块进行排列组装,若就排列方式进行区分可大体分为平面式2D封装和3D封装的结构。此外,SIP还可以采用多功能性基板整合组件的方式——将不同组件内藏于多功能基板中,达到功能整合的目的。不同的芯片排列方式,与不同的内部接合技术搭配,使SIP的封装形态产生多样化的组合,并可依照客户或产品的需求加以客制化或弹性生产。

SIP的优势

作为一种新型的封装技术,SIP的出现或许在技术上没有那么的令人兴奋,但是其在异质部分的整合,成本控制、研发周期以及综合性能方面有着绝对的优势。

1.体积超小,集成应用软件

一般情况下,Wi-Fi 的SoC只集成ARM M3和无线收发器之类的基本架构系统,而SiP集成了SOC的die+Flash+晶体+感容器件+软件,对于用户的使用要求非常低,同时SIP采用特殊材料工艺和全自动化生产线,有效的控制了成本。 

以笔者所熟悉的上海汉枫电子科技有限公司为例,该公司最近研发了一款新产品“HF-SIP120”,这款产品是基于目前SDK开发的SIP,真正做到零外围,就连3.3V电源滤波的电容都集成在内,采用128K/256K RAM,2M Flash,无缝兼容汉枫已有产品的软件和SDK,并且,汉枫电子借助百度网络是其股东的优势,下一步计划是在SIP里面集成智能语音识别功能和音频等更为丰富的功能,以满足各个领域的要求。

 

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2.更低的成本

SIP封装技术在节省成本方面效果也十分的明显,与传统模块相比,由于SIP的制造和测试都是自动化,而传统模块的生产和测试都涉及大量流水线工人检测和制造,导致生产成本上升和生产效率不高。SIP则提高了生产效率和生产良率,从而制造和测试成本进一步下降,同样功能的模块和SIP,成本可以下降10%~15%,生产效率则数倍于传统模块。

3.更短的研发周期

SIP因为集成了众多的软件功能模块,基本可以实现一个电子产品的整体正常运行的功能,这对于众多的消费产品有着重要的意义。我们知道,目前市面上流行的电子消费品是典型的“Time to Market”产品,这对于研发周期提出了很高的要求,因此,SIP技术的出现,足以取代传统单一的模块,成为众多智能消费产品的选择。

上海汉枫电子科技有限公司创始人兼董事长谢森先生向笔者透露,该公司的SIP产品不仅在易用性方便做的是十分的出色,并且还可以支持阿里云、京东云、云智易、机智云等主流云平台,兼容目前软件和SDK,进一步降低软硬件的使用门槛,可以帮助用户极大的缩短了研发周期。

SIP——物联网产品的明智之选

可以看到,与在印刷电路板上进行系统集成相比,SIP能最大限度地优化系统性能、避免重复封装、缩短开发周期、降低成本、提高集成度。相对于SoC和传统PCBA模块,SIP还具有灵活度高、集成度高、设计周期短、开发成本低、容易进入等特点。

SIP封装技术的众多优势使其不仅可以广泛的应用于工业应用领域,而且在包括智能手机、及智能手表、智能手环、智能眼镜等物联网消费领域也有非常广阔的市场。

目前智能硬件厂商在设计智能可穿戴设备时,主要面临的挑战是如何将众多的需求功能全部放入极小的空间内。以智能眼镜为例,在硬体设计部分就须要考量无线通讯、应用处理器、储存记忆体、摄影镜头、微投影显示器、感应器、麦克风等主要元件特性及整合方式,也须评估在元件整合于系统板后的相容性及整体的运作效能。而运用SIP系统微型化设计,能以多元件整合方式,简化系统设计并满足设备微型化。在不改变外观条件下,又能增加产品的可携性和无线化以及即时性的优势。

事实上,苹果一直是Wi-Fi SIP技术的忠实粉丝,苹果手机从1代到第6代,Wi-Fi全部都是使用村田公司SIP,而在Apple Watch以及最新的iphone7已全面采用SIP封装技术,巨头的推动将会使SIP技术的普及发展更为顺利,SIP也正在成为后摩尔定律时代行业发展的新助力。

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