克服極端環境的嵌入式系統元件解決方案
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對於國防、航太設備、交通運輸、戶外應用、礦業開發、高溫或化學性的工業╱工廠等行業，經常處於溫度、濕度、壓力極端變化，以即可能接觸到腐蝕性化學物質的極端惡劣環境。長期經營嵌入式應用的研華科技，提出針對這類極端環境應用下的嵌入式系統元件的解決方案，從設計、用料到驗證階段，確保系統具備耐溫、抗壓、抗震、防水、抗腐蝕等能力……
研華(Advantech)嵌入式運算事業群協理蘇高源提到，工業與自動化，以及雲端與智能運算兩大趨勢，帶動新一波嵌入式應用市場契機。面對非常廣泛的溫度的變化，對嵌入式裝置溫度的耐受度是很大的考量。同時也必須面對溫室效應所造成的極端氣候的環境，以及資源衰竭的挑戰，像是過去挖煤礦的機器，平面挖完了朝向地底去挖，所面對的地熱、環境壓力也有所不同。
針對嚴苛環境設計的工控產品的設計特色為：1.對產品穩定性要求較高，要減少日後維修的成本。2.不一定要很高的運算能力。寬溫╱軍溫的嵌入式裝置僅執行單工的RTOS。3要求較長的保固與供貨期間。對於像是軍工、航太設備、交通運輸、戶外應用、礦業資源開發，高溫或化學等具危險性的工廠工業控制等，都是處於極端環境的應用範疇；要克服極端環境，嵌入式系統必須具備耐溫、抗壓與抗震、可靠性，以及防水、抗腐蝕，這些要求都可以從設計、用料到驗證來克服。
寬溫的嵌入式解決方案
蘇高源指出，寬溫產品從一開始設計階段，就需將把不符合工作溫度的料件先標示出來，並評估可能造成的影響，以省下後續驗證所花費的時間。產品設計上，則透過功能設計以及熱源模擬與分析。尤其許多寬溫產品內的某些料件還是商溫規格，如何確保它在寬溫環境下也能穩定的操作，研華在板子上設計了過熱保護的機制，防止料件過熱而當掉，以及低溫啟動─讓料件快速達到工作溫度而能正常運作。還有要考慮電源效率，處於沒有插頭的電力匱乏區域，讓高能源效率的裝置運作時間較為長久一點。
寬溫產品驗證上可分為開發階段與出貨階段的驗證。在開發階段的工程樣品╱系統，會送入chamber後開啟電源進行全負載運行，然後進行瞬間反覆從高溫到低溫，再從低溫到高溫的衝擊測試(Thermal Shock)；超過50小時的全負載燒機以及斷電╱重新啟動的Power Cycling測試。當進入量產製造階段，也要做100%的測試，每一套系統要燒機、確認所有功能正常才能出貨給客人。除了燒機測試之外，也可以進行加速老化的可靠度測試(Highly Accelerated Life Testing；HALT)，對產品進行加速老化的測試，並找出產品的弱點，選擇適當的改良或補強措施，讓產品的耐受性變得更好。
嵌入式產品與週邊的防水╱抗腐蝕╱抗震方案
像船舶、化學工廠、戶外大眾交通運輸(如火車)，以及在空氣污染嚴重的工業國家地區，空氣中有硫化物顆粒，容易造成嵌入式主機板腐蝕與損壞的問題。蘇高源進一步介紹防水與抗腐蝕的應用，藉由在主機板的PCB表面，加上化學的防護塗佈(Conformal Coating Service)，可以做到防潮、防塵、防腐蝕與抗摩擦的效用。塗佈材料有Acrylic(丙烯酸樹脂；AR)、Urethane(聚氨酯；UR)、有機矽(Silicone)與Epoxy(環氧樹脂；ER)，針對修補性、防潮性、抗磨性、抗溶解性、機械張力與彈性，每個材料有其特性與最適用的地方。
防護塗佈可分手工塗佈與機器塗佈。手工塗佈用於小量試產，但缺點是無法圖佈均勻。研華提供機器自動化塗佈服務，使用Acrylic resin 丙烯酸樹脂或有機矽為塗佈材料。遵循IPC-610D規範，最大塗佈面積450mm x 450mm，塗佈厚度從0.5？5mil，平均三分鐘可以塗佈一張主機板完成。提昇嵌入式系統防水、防濕、防鹽霧、防摩擦、防金屬顆粒與防病菌的能力。
要提昇系統抗震、抗板彎的能力，目前抗震設計方案有：1.在設計階段盡量將CPU、記憶體等晶片銲接在主機板上。2. Glued DRAM service(記憶體模組兩側塗膠)，將記憶體模組兩邊塗膠避免晃動與脫落。3.Locked Connector採用有固定卡榫的連接器╱插槽。4. Lockable flash(設計可固定或鎖緊Flash儲存模組)。
在抗震動測試部份則遵循IEC60068-2-64規範，最大振動加速力、頻率可達到5G、5？500Hz；以及遵循IEC60068-2-29的撞擊測試(最大撞擊力道15G)。此外為了避免PCB板彎造成BGA晶片錫裂現象，亦可以藉由晶片四周膠封(Corner Bonding)，以及加厚PCB板厚的方式來解決。
蘇高源指出研華也提供全系列工業用寬溫的週邊裝置。有SQFlash儲存模組系列(提供PATA/SATA/USB介面與三年保固)，SQRAM記憶體模組系列(寬溫、金手指30μm電鍍處理、Fix Die晶片固定膠封，與Thermal Sensor溫度感測器設計)，無線傳輸模組部份則提供寬溫與七年保固，以及寬溫高亮度的觸控式螢幕等顯示裝備。像研華的強固式工控螢幕解決方案(Rugged Industrial Display Solutions)，工作溫度-20？60℃的，日照下仍具備1,200nits 的易閱讀性；螢幕通過IP54防水防塵規範，外附鋼化玻璃，同時背光模組壽命長達五萬小時。
ARM在低階嵌入式裝置與智慧節點的機會
目前像AMD、Freescale、TI、nVIDIA等硬體開發商，加入像是PCI Express、USB、SATA等標準化的產業規格；微軟(Microsoft)、谷歌(Google)等推出Windows RT、Android等OS。工控同業如Kontron、congatec、MSC等正推廣Q7、ULP等尺寸標準(Form Factor)。據ARM 2012年市調數據，2011年採ARM的行動裝置達45億美元，成長15%；嵌入式裝置18億美元，成長70%；企業應用達13億美元，成長30%，家用裝置有3億美元，成長10%。
蘇高源認為ARM RISC架構具備低功耗(<3W)、寬溫(-40？105℃)、SOC設計以及快速開機的特色，原本應該比x86更受到客戶青睞。目前ARM產品單價低，但整體開發成本(C1)卻較x86高、資訊取得成本(C2)也不像x86那樣多元；ARM因為標準化程度不高且多屬於專案設計性質，對客戶有較高的道德風險(C3)，以及專屬陷入成本(C4)。導致ARM在低階嵌入式應用的普及程度受到限制。(參考邱志聖教授撰寫的「策略行銷分析」一書)
在智能地球的概念理，導入雲端運算架構的工控應用，最下游佈建的感測器，將資料以無線或有線方式傳送到以ARM為核心的智慧節點，再往上連結到上一層的運算核心(X86核心)，最後再上傳到雲端伺服器。智能節點的功能在於成為感知器連結雲端的橋樑(IP化)，並提供雲端底層智能運算的能力。分散雲端架構中的運算負載，讓雲端運算更有效率。
強化ARM在嵌入式應用早期設計與導入的支援
蘇高源分析，RISC客戶分佈成In House者、外包者、早期大眾(實用主義者)、晚期大眾(跟隨主義者)、落伍者。前兩者在意C1產品單價╱整體開發成本；早期大眾(實用主義者)處於設計標準品階段，受限於公司規模與開發能力，無法獨力開發ARM為核心的方案，不得不改用x86解決方案。這類型客戶，最在意前述的C3、C4、C2與C1等成本。晚期大眾(跟隨主義者)受市場潮流與RISC低單價因素，也會迫於其客戶要求而選擇ARM 方案，最在意的成本為C1、C4。落伍者特色是非因技術或市場因素而不導入ARM方案，如Intel的Partner。(參考邱志聖教授撰寫的「策略行銷分析」一書)
推動ARM標準化的可以解決道德風險成本(C3)與屬陷入成本(C4)；更緊密的上下游連結解決資訊取得成本(C2)，協同設計取代買賣的模式解決C2、C3、C4。
在Form Factor標準部份，2008年Congatec推出Qseven(Q7)，2008年研華推出RTX 1.0；2012年下半Kontron推ULP標準， 2013年研華針對強固式應用)推RTX 2.0。RTX 2.0採耐震設計，PCB厚度2mm可抗板彎、錫裂，採用類似ETX規格的B2B連接器，與多功能散熱片(Multi-Function Heatsink)的散熱設計，將比Q7、ULP等，提供更適合於強固型工控應用的領域。
最後蘇高源提到ARM RISC架構則以協同設計的方式來取代傳統買賣的模式。從U-Boot以及BSP/Driver初期開發階段，由研華提供RD人力與設計支援；在產品銷售到顧客端後，持續提供Design-In服務，協助幫助客戶完成他們的專案，藉此降低客戶採用ARM核心產品的困難度。
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