瞄準行動裝置輕薄與低功耗設(shè)計需求，MEMS振蕩器業(yè)者積極以較小尺寸及功耗的32kHz振蕩器搶食傳統(tǒng)石英市占，讓石英與MEMS振蕩器戰(zhàn)火愈演愈烈。不過，近期行動處理器已開始整合32kHz諧振電路，將使MEMS振蕩器頓失發(fā)揮空間。
MEMS時脈元件將進逼石英主力市場。美商賽特時脈(SiTime)日前發(fā)表新款行動裝置專用32kHz微機電系統(tǒng)(MEMS)振蕩器(圖1)，正式進軍手機、平板時脈元件市場。
圖1 MEMS振蕩器設(shè)計架構(gòu)圖
由于新一代MEMS時脈元件的整體設(shè)計成本已媲美傳統(tǒng)石英元件，占位面積與功耗則分別縮減85%和50%，因而一推出即吸引十五家以上手機制造商青睞，可望迅速瓜分行動裝置時脈元件市場商機。
不過，近來高通(Qualcomm)、聯(lián)發(fā)科及銳迪科等行動處理器大廠，已相繼在新款基頻處理器中整并32kHz諧振電路，僅須再搭配一顆MHz石英晶體(Crystal)，就能實現(xiàn)以往行動裝置所需的三顆時脈元件功能，有助行動裝置制造商減輕系統(tǒng)成本及占位空間。
此一處理器設(shè)計進展，將使整個智慧型手機、平板裝置的時脈設(shè)計架構(gòu)改頭換面，同時也為既有振蕩器主動元件的需求帶來嚴重的沖擊，進而刺激石英和MEMS時脈元件制造商加緊展開新的產(chǎn)品策略布局。
進逼石英主力戰(zhàn)場 MEMS振蕩器搶進手機
SiTime行銷執(zhí)行副總裁Piyush Sevalia透露，為加快手機業(yè)者的系統(tǒng)設(shè)計改搭MEMS振蕩器，SiTime也將推出相關(guān)參考設(shè)計，縮短轉(zhuǎn)換流程。左為SiTime亞太區(qū)行銷副總裁David Huieh·
SiTime行銷執(zhí)行副總裁Piyush Sevalia(圖2右)表示，手機開發(fā)商對內(nèi)部零組件的體積、省電要求日益嚴格，導致封裝厚度較高的石英振蕩器漸不敷使用，并正醞釀導入新興小尺寸、低功耗MEMS時脈元件。特別在平價高規(guī)的5?6寸平板手機(Phablet)設(shè)計熱潮興起后，品牌廠希望能縮減印刷電路板(PCB)空間，用以增加近距離無線通訊(NFC)、感測功能或鋰電池容量，因而也加速手機內(nèi)部時脈元件由石英轉(zhuǎn)換到MEMS的發(fā)展。
目前全球前十大手機品牌廠幾乎全投入Phablet開發(fā)，甚至中國大陸中低價智慧手機制造商也開始競逐大螢幕設(shè)計，給予MEMS振蕩器崛起契機。因應市場需求，在MEMS時脈元件市占高達八成的SiTime，繼2011?2012年推出個人電腦、網(wǎng)通設(shè)備專用產(chǎn)品后，日前更搶先打造首款可用于手機設(shè)計的32kHz MEMS振蕩器，積極圈地行動市場；新產(chǎn)品除尺寸較現(xiàn)有最小石英封裝再縮小70%外，由于不須搭配兩顆電容，更可將整體系統(tǒng)占位空間減少85%。
同時，SiTime也導入可編程設(shè)計，讓32kHz MEMS振蕩器彈性支援1Hz?32kHz運作頻率，可配合主處理器或系統(tǒng)省電模式降低頻率，減少驅(qū)動功耗。Sevalia強調(diào)，愈來愈多行動裝置要求提升輕載效率，以延長鋰電池使用時間，由于MEMS可透過數(shù)位電路動態(tài)調(diào)整頻率，因而能以每秒啟動一次的頻率，將資料讀取功耗降到最低；相較之下，石英振蕩器大多僅能定頻運作，且局限于石英晶體物理特性，在降頻同時也會加大晶片尺寸，無疑與手機設(shè)計背道而馳。
MEMS廠以32kHz振蕩器發(fā)起在行動裝置時脈應用市場的第一波攻勢，主要考量在于每臺平板、手機平均須配備一至兩個32kHz時脈元件(分別與應用處理器、基頻處理器或SoC連接)，需求強勁；同時能有效突顯MEMS尺寸、功耗優(yōu)于同級石英元件的優(yōu)勢?，F(xiàn)階段，SiTime亦已爭取到十五家手機品牌廠或原始設(shè)備制造商(OEM)的合作機會，并開始送樣；預期今年下半年即可完成終端產(chǎn)品樣品設(shè)計，正式為MEMS時脈元件廠打開手機市場大門。
不過，相較于具60年歷史的石英產(chǎn)業(yè)，MEMS供應鏈僅發(fā)展7年多，因而也引發(fā)業(yè)界對其產(chǎn)能不足與價格過高的疑慮。對此，Sevalia回應，目前MEMS振蕩器內(nèi)部諧振電路IC和MEMS諧振器，制造良率均達到99%，且相容標準互補式金屬氧化物半導體(CMOS)晶圓制程與封裝，未來將隨著半導體制程演進，有效降低量產(chǎn)成本。
Sevalia進一步解釋，由于全球80%的石英陶瓷封裝產(chǎn)能被日商Kyocera掌握，每代晶片尺寸微縮又須搭配新封裝技術(shù)，在供貨來源不足、技術(shù)演進投資成本高且時程長的因素影響下，將逐漸在行動應用市場上喪失價格優(yōu)勢。
另一方面，MEMS時脈元件商也透過與應用處理器和現(xiàn)場可編程閘陣列(FPGA)業(yè)者合力開發(fā)參考設(shè)計，以及內(nèi)建MEMS諧振器矽智財(IP)的系統(tǒng)單晶片(SoC)，加速在時脈應用市場瓜分傳統(tǒng)石英元件市占。
處理器/FPGA廠相挺 MEMS時脈擴大勢力
據(jù)悉，SiTime去年已與類比混合訊號晶片大廠--Maxim Integrated，在一款智慧電表(Smart Meter)處理器中成功導入32kHz MEMS振蕩器，打造出更高整合度的SoC；同時，旗下MEMS時脈元件亦已打入現(xiàn)場可編程閘陣列(FPGA)一哥--賽靈思(Xilinx)的零組件配置建議清單，全速拓展網(wǎng)通、工業(yè)應用領(lǐng)域。
無獨有偶，混合訊號晶片供應商IDT日前亦基于旗下壓電MEMS(pMEMS)諧振器專利，搶推伺服器和網(wǎng)通設(shè)備專用的高精準性、高可靠度MEMS振蕩器。由于該產(chǎn)品能實現(xiàn)業(yè)界最低的1微微秒(ps)以下相位抖動規(guī)格，已吸引許多OEM采用，足見MEMS業(yè)者向石英廠發(fā)起的攻勢愈來愈凌厲。
Sevalia透露，近期SiTime推出業(yè)界首款行動裝置專用MEMS振蕩器，并同步與一線應用處理器供應商、手機和平板品牌廠展開合作，預期今年中就能實現(xiàn)相關(guān)參考設(shè)計，讓終端品牌產(chǎn)品在下半年大量出爐。他預期，隨著行動裝置設(shè)計空間、物料成本日益緊縮，MEMS時脈元件將有機會取代石英產(chǎn)品在高通、聯(lián)發(fā)科處理器公板中的地位。
不過，現(xiàn)階段MEMS在整體時脈元件市場的占有率至多5%，仍落后石英一大截，對此，Sevalia認為，以逆向思考角度來看，這對MEMS業(yè)者來說意味著極大的發(fā)展空間，因為MEMS時脈能克服微型化挑戰(zhàn)，且能跟隨半導體制程演進腳步加速效能升級與成本優(yōu)化，這都是石英難以同時達成的目標；因此，未來5-10年內(nèi)MEMS勢將大規(guī)模取代石英，成為時脈產(chǎn)業(yè)主角。
盡管MEMS搶市動作頻頻，但石英業(yè)者也正與行動晶片商布局新的行動裝置時脈設(shè)計架構(gòu)，以鞏固市場地位。事實上，隨著高通、聯(lián)發(fā)科和RDA開始在基頻處理器中導入32kHz電路，新一代晶片已可支援部分時脈元件功能，只要再搭一顆MHz石英晶體就能因應所有行動裝置時脈與頻率工作需求，將為MEMS時脈主動元件未來在中低價手機、平板市場的發(fā)展捎來噩耗。
處理器包32kHz電路 行動裝置時脈設(shè)計丕變
臺灣晶技研發(fā)處長姜健偉表示，一線行動晶片商正大舉推動時脈共享(Clock Co-share)的整合設(shè)計方式，已將32kHz諧振電路包進基頻處理器，甚至也開始研擬整入應用處理器中，期促進有線、無線功能共用時脈的架構(gòu)成形，擴大取代行動裝置內(nèi)部多個主動時脈元件，以精簡系統(tǒng)零組件用量和總體功耗，并可再擴充電池容量。
據(jù)悉，過往行動裝置時脈設(shè)計大多須搭配各一顆MHz石英晶體、32kHz振蕩器及溫度補償晶體振蕩器(TCXO)，才能覆蓋所有無線和有線技術(shù)的頻率與時脈工作；然而，行動裝置用料精簡的趨勢，驅(qū)使處理器業(yè)者不斷推升周邊功能整合度，內(nèi)建32kHz諧振電路的基頻晶片遂應用而生，目前主流手機已有不少比重改采此類晶片搭配一顆MHz石英晶體及兩顆電容的設(shè)計方案，進而牽動時脈主動元件需求急縮。
對此，臺灣晶技產(chǎn)品經(jīng)理張毓芳不諱言，隨著處理器業(yè)者包山包海的產(chǎn)品研發(fā)策略發(fā)酵，已為時脈元件市場帶來負面化學變化，無論是傳統(tǒng)石英業(yè)者或近來動作頻頻的MEMS時脈元件商均將面臨振蕩器產(chǎn)品需求逐步放緩，影響重要營收來源的嚴峻挑戰(zhàn)。
但是，張毓芳也強調(diào)，對石英業(yè)者來說，僅32kHz振蕩器事業(yè)受沖擊，至于MHz石英晶體被動元件仍是必需品，市場需求將隨著行動裝置出貨量成長而持續(xù)攀升；相形之下，現(xiàn)階段僅能以振蕩器形式存在的MEMS元件，因價格較石英晶體貴上好幾倍，在系統(tǒng)廠緊縮物料成本的考量下，勢將承受處理器廠觸角伸及時脈領(lǐng)域的最大沖擊，未來在行動裝置時脈市場的發(fā)展前景變數(shù)頗多。
除價格因素外，MEMS時脈元件的耗電流通常在10毫安培(mA)左右，而石英晶體僅須一半；加上系統(tǒng)廠顧及產(chǎn)品設(shè)計延續(xù)性將盡可能避免換料，所以包括功耗、投資風險等問題，都將使MEMS時脈商在行動市場上的發(fā)展綁手綁腳，難以全面取代石英。
張毓芳也指出，晶技與全球前十大行動晶片商、前五大手機品牌合作多年，旗下石英主被動元件早已被列入建議系統(tǒng)廠優(yōu)先選用的料件清單，因此，即便近來MEMS廠頻頻祭出產(chǎn)品攻勢，晶技還是老神在在。
姜健偉則進一步分析，石英與MEMS振蕩器開發(fā)商未來若逐漸淡出行動裝置市場，側(cè)重長程演進計劃(LTE)、802.11ac等高階無線時脈應用領(lǐng)域的布局，石英陣營還是贏面較大(表1)。主因系高階產(chǎn)品通常對相位噪聲(Phase Noise)的規(guī)格要求較嚴格，而MEMS產(chǎn)品因物理特性限制，壓低相位噪聲勢必犧牲功耗，導致整體效能表現(xiàn)不及石英，將成為其拓展應用版圖的最大罩門。
事實上，包括日本、臺灣石英大廠近來也積極開發(fā)可編程頻率、多重輸出(Multiple Output)的次世代振蕩器，將挾數(shù)10年產(chǎn)業(yè)發(fā)展優(yōu)勢，以及優(yōu)異的特性、價格，持續(xù)吸引系統(tǒng)廠采用。