Zusammenfassung
Die Entscheidung zwischen einem „Chip-down“-Design und einem System-on-Module (SOM) für ein Industrieprodukt ist letztlich eine Risikoentscheidung über den gesamten Lebenszyklus hinweg und nicht nur ein Vergleich der Stückliste. Sicherheitsanforderungen, regulatorische Risiken, die Langlebigkeit der Lieferkette, Supportkosten nach der Markteinführung und die Markteinführungszeit spielen bei einer Produktlebensdauer von 10 Jahren oder mehr eine wichtige Rolle. Für die meisten Industrieprodukte mit mittlerem Produktionsvolumen senkt ein SOM auf einer Plattform wie Digi ConnectCore dieses Risiko und bringt das Produkt schneller auf den Markt. Ein „Chip-down“-Ansatz ist in der Regel nur bei sehr hohen Stückzahlen, unter extremen Größen- oder Leistungsbeschränkungen oder bei Vorhandensein eines erfahrenen, spezialisierten Hardware- und Sicherheitsteams sinnvoll.
Bei der Entscheidung „Selbst bauen oder kaufen“ im Rahmen der Entwicklung und Realisierung eingebetteter Systeme geht es längst nicht mehr nur darum, eingebettete Hardware zusammenzubauen und einen Prototyp zum Laufen zu bringen. Bei Industrieprodukten bestimmt die Entscheidung zwischen „Chip-Down“-Design und „System-on-Module“ (SOM) Ihre Sicherheitslage, Ihr regulatorisches Risiko, Ihre Anfälligkeit gegenüber Komponentenengpässen sowie Ihre Supportkosten für die nächsten 10 bis 15 Jahre. Sie ist zudem entscheidend für die Markteinführungszeit. Wählen Sie den Ausgangspunkt, der diese Risiken am besten bewältigt, und nicht nur den mit der niedrigsten Stückliste.
Digi ConnectCore Module,
TrustFence-Sicherheit, Digi Embedded Yocto und
ConnectCore Cloud und
Sicherheitsdienste sind darauf ausgelegt, einen Großteil dieses Risikos zu übernehmen. Der eigentliche Gewinn liegt darin, schneller auf den Markt zu kommen.
Die Entscheidung zwischen „Selbst entwickeln“ und „Kaufen“ hat sich geändert
Jahrelang wurde die Frage, ob ein individuelles Leiterplattenlayout um einen Prozessor herum entwickelt werden sollte (Chip-Down) oder ob man mit einem SOM beginnen sollte, als Abwägung zwischen Entwicklungsaufwand und Stückkosten betrachtet. Diese Sichtweise trifft bei industriellen Embedded-Produkten nicht mehr zu.
Industriegeräte sind ein Jahrzehnt oder länger im Einsatz. Sie sind Teil wichtiger Netzwerke: in Fabrikhallen, in der Energieinfrastruktur, im medizinischen Bereich und in Verkehrssystemen. Sie unterliegen Vorschriften, die es noch nicht gab, als viele Teams sich zuletzt für eine Plattform entschieden haben. Und die letzten Jahre haben gezeigt, wie schnell eine einzige nicht verfügbare Komponente eine Produktlinie zum Stillstand bringen kann.
Die eigentliche Frage lautet also: Welcher Ausgangspunkt bietet das geringste Gesamtrisiko und die niedrigsten Gesamtkosten über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg? Diese Frage betrifft Ingenieure, Produktmanager, Programmleiter und die Finanzabteilung gleichermaßen, und jede Gruppe sieht einen anderen Teil der Antwort.
Es ist ein Spektrum, keine binäre Entscheidung
Die meisten Teams ziehen zwei Optionen in Betracht, doch eigentlich gibt es drei Ansatzpunkte:
| Ausgangspunkt |
Was dir gehört |
Am besten geeignet |
| Chip-Down |
Alles: Schaltpläne, Layout, BSP, Sicherheit, Zertifizierung, Beschaffung |
Sehr hohe Stückzahlen, extreme Kosten- oder Größenbeschränkungen, fundiertes internes Fachwissen |
| System-on-Module (SOM) |
Trägerplatine, Anwendungssoftware, Konformität auf Produktebene |
Differenzierte Industrieprodukte, bei denen es auf Schnelligkeit und langfristigen Support ankommt |
| Single board computer (SBC) |
Gehäuse, Anwendung, Integration |
Schnelle Prototypenerstellung, Produkte in kleinen Stückzahlen, Machbarkeitsnachweis |
Fünf Fragen, die Sie sich stellen sollten, bevor Sie sich festlegen
1. Verfügen Sie über die richtigen technischen Ressourcen, um ein Produkt auf Chip-Basis zu entwickeln, und stehen diese tatsächlich zur Verfügung?
Bei der Entwicklung vernetzter Embedded-Produkte ist der Umfang fast immer größer als in der Ideenfindungsphase erwartet. Seien Sie ehrlich: Hat das Team bereits Produkte dieser Art entwickelt? Können andere Projekte wirklich zurückgestellt werden? Und verfügen Sie über fundiertes Fachwissen in den weniger glamourösen Disziplinen: Hochgeschwindigkeits-Layout, Energiemanagement, HF-Design, Secure Boot und langfristige Linux-Wartung? Schon allein die Komplexität des HF-Designs kann zum Showstopper werden, wenn Ihrem Team die grundlegenden HF-Engineering-Kompetenzen fehlen. „Chip-down“ bedeutet, dass Sie all diese Kompetenzen in den Bereichen Design, Fertigung und Test besetzen müssen – nicht nur diejenigen, die Ihnen Spaß machen.
So hilft Digi: Ein ConnectCore-SOM wird mit einem Prozessor, Speicher, Energiemanagement und (bei drahtlosen Varianten) Funkmodulen geliefert, die bereits vorab zertifiziert, integriert und getestet wurden, und Digi Embedded Yocto bietet vom ersten Tag an ein validiertes Linux-Board-Support-Paket. Ihr Team kann sich auf die Anwendung und die Trägerplatine konzentrieren, anstatt sich mit dem Rechensubsystem zu befassen. Fachkundiger technischer Support und Particle Design Services stehen ebenfalls zur Verfügung, wenn Sie umfassendere technische Unterstützung benötigen.
2. Wie sieht Ihr Zeitplan tatsächlich aus?
Entwicklungsprojekte für eingebettete Systeme ohne festgelegten Zeitplan sind in der Regel am teuersten, da die Teams weitaus länger als nötig in Vollzeit arbeiten, ohne ihre maximale Effizienz zu erreichen. Ein vorintegriertes, vorab getestetes Modul verkürzt den Zeitplan auf praktische Weise: Die Softwareentwicklung kann vom ersten Tag an auf der Zielplattform beginnen, das Design der Anwendungsplatine kann sich an einem bewährten Referenzdesign orientieren, und Hardware- und Softwarearbeiten können parallel statt nacheinander durchgeführt werden.
So hilft Digi: Mit Entwicklungskits und Einplatinencomputern können Software-Teams bereits auf echter Zielhardware arbeiten, während das kundenspezifische Trägerboard noch in der Entwicklung ist. Digi stellt außerdem Schaltpläne, Gerber-Dateien und Stücklisten für seine Referenzboards zur Verfügung, sodass das Design des Trägerboards auf bewährten Grundlagen aufbauen kann und nicht bei Null beginnen muss.
3. Haben Sie die Gesamtbetriebskosten modelliert und nicht nur die Stückliste?
Ein „Chip-down“-Design mag auf dem Papier geringere Stückkosten aufweisen. Überprüfen Sie diese Annahme anhand eines Drucktests, indem Sie Folgendes einbeziehen:
- Einmalige Entwicklungsarbeiten für Hardware, Software und Testentwicklung
- Prototyp-Drehungen und erneute Drehungen
- Kosten für Zertifizierung und Einhaltung von Vorschriften, wie z. B. Funk-, Sicherheits- und andere branchenspezifische Anforderungen
- Entwicklung von Fertigungstests und Steigerung der Ausbeute
- Laufende Softwarewartung und Sicherheitspatches über die gesamte Lebensdauer des Produkts hinweg
- Veralterungsmanagement und Risiken bei der Neukonzeption
- Die Einnahmen, auf die Sie jeden Monat verzichten, in dem sich die Markteinführung Ihres Produkts verzögert (siehe unten)
Bei moderaten Stückzahlen und langen Lebenszyklen werden die höheren Stückkosten des Moduls häufig durch die eingesparten Entwicklungs- und Lebenszykluskosten aufgewogen.
So hilft Digi: Vorzertifizierte WLAN- und Bluetooth-Funktionen auf drahtlosen SOMs reduzieren den Aufwand für die Funkzertifizierung erheblich. Die ConnectCore Cloud Services werden in den Stufen „Essential“ und „Premium“ angeboten, mit Abonnement- und nutzungsabhängigen Zahlungsoptionen, sodass die laufenden Verwaltungskosten vorhersehbar sind und sich an die Größe der Geräteflotte anpassen.
4. Können Sie Ihren Sicherheits- und regulatorischen Verpflichtungen über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg nachkommen?
Hier haben sich die Rahmenbedingungen am stärksten verändert. Sicherheit bei der Entwicklung vernetzter Industrieprodukte ist nicht mehr nur ein Feature, das vor der Markteinführung hinzugefügt wird. Sie ist eine fortlaufende Verpflichtung, die bereits beim Embedded-Design und bei der Prototypenentwicklung beginnt und sich über den gesamten Produktlebenszyklus im Einsatz fortsetzt.
Vorschriften, die vernetzte Produkte betreffen, wie beispielsweise das EU-Gesetz zur Cyber-Resilienz, die Cybersicherheitsanforderungen der EU-Funkgeräterichtlinie sowie Branchenstandards wie die IEC 62443 für die industrielle Automatisierung verpflichten den Hersteller, Produkte sicher zu entwickeln, Schwachstellen zu verfolgen und offenzulegen sowie während der gesamten Supportdauer Sicherheitsupdates bereitzustellen.
Für ein Produktentwicklungsteam bei „ IoT “ bedeutet das konkret:
- Sicherer und authentifizierter Systemstart, verschlüsselter Speicher und geschützte Schnittstellen
- Ein vertrauenswürdiger, signierter Mechanismus für drahtlose Updates
- Eine Software-Stückliste (SBOM) und ein Verfahren zur Überwachung neuer Sicherheitslücken in jeder von Ihnen ausgelieferten Open-Source-Komponente
- Ein Verfahren zum Umgang mit und zur Offenlegung von Sicherheitslücken
- Hardwaregestützte Geräteidentität und Schlüsselverwaltung
All dies intern im Rahmen eines maßgeschneiderten „Chip-Down“-Designs aufzubauen und aufrechtzuerhalten, ist eine erhebliche und dauerhafte Verpflichtung.
So hilft Digi: Die Sicherheit wird auf drei Ebenen gewährleistet: durch Chips von NXP und STMicroelectronics mit Hardware-Sicherheitsgrundlagen, durch das Digi TrustFence-Framework (Secure Boot, verschlüsselte Dateisysteme, authentifizierter Zugriff und sichere Firmware-Updates) sowie durch die ConnectCore Security Services (SBOM, Schwachstellen-Scans und CVE-Berichterstattung) in Verbindung mit Cloud-Diensten für sichere Over-the-Air-Patches. Digi positioniert diese Kombination als Unterstützung für die Anforderungen von CRA Anhang I. Im Folgenden wird jede Ebene beschrieben.
5. Kann Ihre Lieferkette das Produkt über einen Zeitraum von 10 Jahren oder länger unterstützen?
Die Lieferengpässe der letzten Jahre führten dazu, dass viele Teams auf Produkte zurückgreifen mussten, die sie nicht selbst herstellen konnten. Bei Industrieprodukten muss die Langlebigkeit der Lieferkette ein Auswahlkriterium sein und darf nicht erst im Nachhinein berücksichtigt werden.
Fragen, die Sie jedem Plattformanbieter stellen sollten – und die Sie sich selbst stellen sollten, wenn Sie sich zwischen einem Chip-Down- und einem SOM-Design entscheiden:
- Wie lang ist das garantierte Verfügbarkeitsfenster für den Prozessor und das Modul?
- Stammt der Prozessor von einem Anbieter, der ein Programm zur Verlängerung der Lebensdauer für industrielle Anwendungen anbietet?
- Wie werden Auslaufankündigungen gehandhabt, und wie läuft der „Last-Time-Buy“-Prozess ab?
- Gibt es einen klaren Migrationspfad zu einem Nachfolgemodell mit pin-kompatiblen oder softwarekompatiblen Optionen?
- Wer kümmert sich um das Multi-Sourcing und die Risiken auf Komponentenebene: Sie oder Ihr Lieferant?
Bei einem SOM wird ein Großteil der Komponentenbeschaffung, der Veralterungsüberwachung und der Lebenszyklusplanung an einen Lieferanten ausgelagert, dessen Kerngeschäft genau darin besteht. Bei „Chip-down“ liegt die Verantwortung für jeden Kondensator, jedes Speicherbaustein und jeden Leistungs-IC auf Ihrer Platine bei Ihnen.
So hilft Digi: Digi entwickelt ConnectCore-SOMs für eine lange Lebensdauer im industriellen Einsatz und stützt sich dabei auf Prozessorfamilien von NXP und STMicroelectronics, die auf eine langfristige industrielle Verfügbarkeit ausgelegt sind. Außerdem übernimmt Digi die Beschaffung der Komponenten auf Modulebene, die Kommunikation bezüglich der letzten Abnahme sowie die Nachfolgeplanung, sodass Sie sich darum nicht kümmern müssen. Die Module werden für industrielle Einsatzbedingungen entwickelt und geprüft, einschließlich erweiterter Temperaturbereiche und Zuverlässigkeitsprüfungen wie IEC 60068 und HALT bei aktuellen Designs.
Die Kosten, die nach dem Start anfallen
Viele Teams planen ihre Entwicklungsausgaben sorgfältig ein, unterschätzen dann aber die damit verbundenen Folgekosten. Nach der Markteinführung sind Sie weiterhin für Folgendes verantwortlich:
- Firmware-Updates
- Sicherheitspatches
- Fehlerbehebungen und Kernel-Updates
- Reaktion auf neue Sicherheitslücken in Komponenten von Drittanbietern
- Verwaltung des Flotteneinsatzes
- Überwachung und Fernaktualisierungen
- Änderungen an Komponenten vornehmen, ohne die Zertifizierung zu gefährden
Über einen Lebenszyklus von 10 Jahren können diese Kosten die ursprünglichen Entwicklungsinvestitionen erreichen oder sogar übersteigen. Produktmanager sollten diese Lebenszyklusbetrachtung von vornherein einfordern, da sie der Teil des Business Case ist, der am häufigsten fehlt.
Dies ist auch der Bereich, in dem sich ein Plattformansatz am meisten auszahlt. Updates, Schwachstellenüberwachung und Flottenmanagement sind keine einmaligen technischen Aufgaben, sondern wiederkehrende Dienstleistungen. Digi bündelt sie genau so, wie im Folgenden beschrieben.
Die Einnahmenseite: Was eine schnellere Markteinführung wert ist
Die meisten Analysen zum Vergleich zwischen SOM- und Chip-Down-Design werden als Kostenvergleiche dargestellt. Dabei wird die wichtigste Zahl im Business Case außer Acht gelassen: der Umsatz und die Marge, die Sie erzielen – oder auf die Sie verzichten –, je nachdem, wann Ihr Produkt die Kunden erreicht. Produktmanager und Finanzverantwortliche sollten diesen Aspekt auf die gleiche Ebene stellen wie die technische Schätzung.
Jeder Monat Verzögerung hat seinen Preis. Einfach ausgedrückt lässt sich dies wie folgt formulieren: Kosten der Verzögerung pro Monat = erwarteter monatlicher Bruttogewinn im Gleichgewichtszustand, angepasst an die Geschwindigkeit, mit der der Umsatz ansteigt.
Die Bedeutung der Geschwindigkeit bei der Einführung Ihrer Embedded-Lösung ergibt sich aus mehreren Faktoren:
- Frühere Umsätze. Wenn das Ende Ihres Marktfensters feststeht (Markteinführung eines Mitbewerbers, Termin eines Kundenprogramms, behördliche Frist), ist jeder Monat, in dem Sie früher starten, ein Monat mit Umsätzen, den Sie sonst nie wieder zurückbekommen.
- Wettbewerbsposition. Industriekunden prüfen Lieferanten auf ihre Eignung und bleiben in der Regel bei ihnen. Wer als Erster auf dem Markt ist, kann den Zuschlag für die Einbindung in das Produktdesign erhalten – und damit auch den damit verbundenen Bestand an installierten Anlagen.
- Preissetzungsmacht. In der Anfangsphase eines Marktes ist man dem Preisdruck durch Nachahmer weniger ausgesetzt.
- Schnelleres Lernen. Durch einen früheren Einsatz in der Praxis erhalten wir echtes Kundenfeedback, das in die nächste Version einfließt.
- Entwicklungskapazitäten. Ingenieure, die nicht damit beschäftigt sind, eine Rechenplattform neu zu entwickeln, können sich auf die Funktionen konzentrieren, die Ihr Produkt von anderen abheben, oder an dem nächsten Produkt arbeiten.
- Marktzugang. Bei Produkten, die auf regulierten Märkten verkauft werden, kann die Nichteinhaltung eines Stichtags den Umsatz vollständig verhindern und nicht nur verzögern.
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Ein anschauliches Beispiel für den Vergleich zwischen SOM- und Chip-Down-Design
| Annahme oder Ergebnis |
Hypothetischer Wert |
| Jahresvolumen |
20.000 Stück |
| Erwarteter Bruttogewinn des Produkts im stationären Zustand |
200.000 Dollar pro Monat |
| Beschleunigung der Markteinführung durch einen modulbasierten Ansatz |
6 Monate zuvor |
| Zusätzlicher Bruttogewinn durch die frühere Markteinführung (festgelegtes Marktfenster, Hochlaufphase unberücksichtigt) |
1,2 Millionen Dollar |
| Einsparung von NRE-Kosten (Hardware des Rechensubsystems, BSP, Sicherheits-Bring-up) |
~1 Million Dollar |
| Einsparung von Zertifizierungs- und Neuentwicklungskosten |
$150,000 |
| Einsparungen bei der laufenden Wartung von Linux und Sicherheitsmaßnahmen (1 Vollzeitstelle zu 200.000 $/Jahr × 10 Jahre) |
~2 Millionen Dollar |
| Gesamtbetrag der vermiedenen Kosten |
~4,35 Millionen Dollar |
| 10-Jahres-Kostenanalyse |
Hypothetischer Wert |
| Kostenaufschlag des Moduls im Vergleich zur Chip-Down-Stückliste |
15 Dollar pro Einheit oder 300.000 Dollar pro Jahr, 3 Millionen Dollar über einen Zeitraum von 10 Jahren |
| Delta-Kosten (vermiedene Kosten – Kostenaufschlag) |
~1,35 Millionen Dollar |
In diesem hypothetischen Fall belaufen sich die zusätzlichen Modulkosten über zehn Jahre auf insgesamt etwa 3 Millionen Dollar, doch der frühere Markteintritt, die eingesparten Entwicklungs- und Zertifizierungsarbeiten sowie der entfallende Wartungsaufwand haben einen Wert von etwa 4,35 Millionen Dollar. Erst ab etwa 29.000 Einheiten pro Jahr spricht die Bilanz für die „Chip-down“-Strategie. Ihre Zahlen werden zwar abweichen, doch die Methode bleibt gültig: Vergleichen Sie die Lebenszykluskosten mit den Lebenszykluseinsparungen zuzüglich des Werts der Markteinführungszeit, nicht die Stücklistenkosten mit den Stücklistenkosten.
Die Teams sollten auch den Fall eines Preisverfalls ehrlich modellieren. Bei sehr hohen Stückzahlen und einem langen, stabilen Marktfenster kann der Aufschlag pro Einheit eine größere Rolle spielen.
Wann ist ein „Chip-down“-Design sinnvoll?
Ein modularer Ansatz ist nicht immer die richtige Lösung. Eine „Chip-down“-Produktentwicklung kann sinnvoll sein, wenn:
- Die Absatzmengen sind sehr hoch, und die Stückkosten spielen bei der Wirtschaftlichkeitsanalyse eine entscheidende Rolle.
- Die verfügbaren Module können die Anforderungen hinsichtlich Größe, Leistung oder Formfaktor nicht erfüllen
- Sie verfügen über ein erfahrenes, engagiertes Hardware- und Sicherheitsteam mit einem etablierten Prozess
- Sie betreuen bereits eine langlebige Softwareplattform für den Prozessor
Selbst dann entwickeln viele Teams zunächst einen Prototyp mit einem System-on-Module-Ansatz anstelle eines Chip-Down-Designs und bringen das Produkt sogar auf Basis eines Modul-Designs auf den Markt. Auf diese Weise können sie das Produkt und den Markt validieren, bevor sie sich auf ein kundenspezifisches Design festlegen. Da Digi Embedded Yocto und das TrustFence-Framework auf der gesamten ConnectCore-Familie laufen und auf Standard-Chips von NXP und STMicroelectronics basieren, lassen sich die auf einem SOM durchgeführten Software- und Sicherheitsarbeiten übernehmen, wenn Sie später auf eine kundenspezifische Platine umsteigen.