板卡与模块为何依旧不可或缺？

相比定制电路板设计，采用板卡与模块搭建系统，能够帮助工程师快速完成系统开发。当然也存在选择定制板卡的场景，例如需要缩小设备体积，或是集成嵌入式天线这类特殊功能。成本也会成为考量因素，大批量生产时定制方案可以摊薄成本。

使用板卡和模块对开发者而言优势显著，但会将设计与技术支持的责任转移至供应商。企业也可以基于板卡或模块轻松输出定制化解决方案，通过更换不同板卡、模块，实现降本或者性能提升。嵌入式AI的兴起也进一步推动了该方案的应用：只需替换一块支持AI的板卡或模块，无需改动整体系统设计，就能新增AI功能。

采用6U OpenVPX板卡加背板的方案会得到体积偏大的系统，不过市面上也存在大量小尺寸规格，包括VITA 90 VNX + 以及M.2。本文不会覆盖全部可选方案，将硬件划分为单板计算机（SBC）、处理器模块、外设模块三类。模块需要搭配载板才能工作；夹层模块同样可以配合单板计算机、基于背板的板卡使用。

使用紧凑型单板计算机

单板计算机（SBC）集成应用所需全部核心器件，计算单元通常包含CPU、GPU以及AI神经处理单元（NPU），一般自带存储、外设接口与连接器，可以独立运行。

RMS联盟（Rugged, Modular, Stackable），前身对应PC104组织，制定多项堆叠硬件标准，例如Versalogic的PC/104单板计算机，还有面向无人机、无人地面车、无人水面艇的全新UXV35标准。

图1：堆叠式PC/104板卡（左侧）与UxV/35板卡（右侧），通过模块堆叠即可搭建完整系统。

早期PC/104基于总线架构，所有堆叠模块共用同一条并行总线。PCI‑Express（PCIe）采用点对点高速串行接口，堆叠实现方式随之改变。这类板卡上下两面都设有连接器，板卡占用部分PCIe通道，剩余通道分配给堆叠的下一块板卡。RMS联盟推出两套基于PCIe的堆叠系统标准。

背板架构广泛应用于3U、4U、6U这类大尺寸设备。VITA‑100标准新增4U规格，它兼顾3U的紧凑特性，同时拥有更大空间，可搭载新一代高性能CPU、GPU以及AI加速器。

VNX属于卡片大小的小尺寸硬件规格。Pixus Technologies的军用加固ATR机箱可以容纳多块该规格板卡。

图2：Pixus Technologies军用加固ATR机箱，内部可插入多块VITA 90 VNX + 板卡，接入高速背板。

VITA 90面向机器人、无人机这类紧凑加固型设备。和PC架构PCIe板卡不同，VITA 90模块带外壳，支持传导散热与对流散热环境。

基于处理器模块搭建系统

选用处理器模块而非单板计算机，能够大幅简化系统设计。开发者无需设计复杂的印刷电路板（PCB）就可以完成系统定制，而高速处理器、串行接口场景下，复杂PCB设计十分常见。即便是高端处理器的电源子系统，本身设计难度也很高。

处理器模块方案中，载板负责提供各类连接与接口缓冲，载板PCB的层数与设计约束更低。同时同一底座可以兼容多款不同模块，方便系统配置调整。

系统必须配备载板，部分载板可以搭载多个模块底座，例如一个处理器模块底座，外加M.2、Mini‑PCIe等一个或多个外设底座。

PICMG组织制定的COM Express就是计算机模块（COM）标准之一。WinSystems的SBC‑ZETA‑3950是COM Express Mini Type 10规格单板计算机，尺寸84 × 55 毫米。大部分COM模块尺寸更大，例如面向高端场景的COM‑HPC开放计算机模块标准。

图3：WinSystems SBC‑ZETA‑3950，COM Express Mini Type 10规格处理器模块。

该模块搭载英特尔Atom Apollo Lake E3950处理器，配备1路Mini‑PCIe插槽；板载焊接式8GB LPDDR4内存（2400 MT/s）、128GB eMMC存储，外加microSD卡槽；连接器引出双千兆以太网、GPIO、串口、USB等接口。

SGET组织推出的SMARC 2.0是另一类处理器模块规格，采用边缘连接器。Tria Technologies的SM2S‑G3E模块采用瑞萨RZ/G3E处理器，配备8GB LPDDR4内存、256GB eMMC闪存。

图4：Tria Technologies SM2S‑G3E，基于瑞萨RZ/G3E处理器。

RZ/G3E内置四核Arm Cortex‑A55，搭配一颗用于实时处理的Cortex‑M33内核，集成AI处理单元。SMARC 2.2模块接口丰富，包含双千兆以太网、USB2.0/3.2、相机接口、LVDS、HDMI显示接口。

英伟达Jetson Orin模块已经成为机器人领域热门AI硬件平台。模块体积小巧，搭载1024核Ampere架构GPU，内含32个张量核心，AI算力最高可达157 TOPS，可适配Diamond Systems的Jackson载板。

图5：Diamond Systems Jackson载板，用于搭载英伟达Jetson Orin NX模块。

这款载板引出模块绝大多数接口，额外扩展双千兆网口、相机接口、USB2.0/3.0；载板背面设有M.2 2242/2280插槽、短款M.2 E‑Key 2230插槽以及Mini‑PCIe插槽。“Jackson配备独特相机转接连接器，可以对接各类相机，包含标准相机、定制相机、CSI、GMSL相机。”

外设模块选型

外设模块种类繁多，既有厂商私有方案，也有Mini‑PCIe、M.2这类标准化规格；接口覆盖I2C、SPI、PCI‑Express、NVMe。NVMe在服务器和PC市场占据主流，但嵌入式系统场景不一样，SATA固态硬盘依旧拥有很长生命周期。

Mini‑PCIe既可以做存储，也可以实现外设功能。例如Acces I/O Products的mPCIe‑AIO16‑16F模块，是多功能数据采集卡，集成双通道1MHz、16位差分ADC，支持16路单端或8路差分输入，4路16位DAC输出，配备锁存IO连接器。M.2形态也有同类功能模块。

图6：Acces I/O Products Mini‑PCIe mPCIe‑AIO16‑16F系列模块。

大量厂商推出Mini‑PCIe模块，功能覆盖电机控制到无线通信，也有存储类模块；不过如今存储优先选用M.2形态，例如铠侠EG7固态硬盘。

图7：铠侠EG7 M.2 BiCS Flash NVMe固态硬盘，QLC闪存最高容量2TB。

EG7 M.2 SSD最高2TB QLC闪存，接口为PCIe 4.0 NVMe 3.0；顺序读取7GB/s，IOPS最高100万；支持TCG Opal 2.02的自加密硬盘可选；根据容量不同提供M.2 2230、2242、2280多种尺寸。

M.2同样大量用于外设，涵盖有线无线通信、接口、数据采集等功能。

M.2与Mini‑PCIe存在几点短板：板上电子元器件布局空间有限、加固等级实现难度高、散热缺少统一标准。VITA 93 QMC加固夹层模块标准就此应运而生，例如Acromag的QMC730系列多功能I/O模块。

图8：Acromag QMC730多功能I/O模块，搭载16位ADC、四路16位DAC、定时器、16路数字IO。

QMC730为单宽QMC模块，集成16位ADC、四路16位DAC、定时器、16路数字IO；配有两组接插件，结构类似底部带连接器的COM Express处理器模块。VITA 93标准同时定义传导散热、对流散热方案，这类模块多用于航空电子等严苛加固场景，空间与散热是核心设计约束。

VITA 93定义x1、x2、x3、x4四种尺寸模块，散热、供电、接口引脚、板卡面积依次提升，能够搭载更大芯片，性能上限高于M.2、Mini‑PCIe。x1规格QMC尺寸26 × 78.25 毫米，和M.2 2280（22 × 80 毫米）大小接近。

本文介绍的小尺寸板卡与模块只是冰山一角。很多厂商推出自有硬件规格，例如英伟达Jetson生态，也获得其他厂商支持。还有更多尺寸更大或者更小的硬件方案，选型锁定最终设计前，应当充分评估各类备选器件。