瞄準(zhǔn)行動(dòng)裝置輕薄與低功耗設(shè)計(jì)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(guò)，近期行動(dòng)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(shí)脈元件將進(jìn)逼石英主力市場(chǎng)。美商賽特時(shí)脈(SiTime)日前發(fā)表新款行動(dòng)裝置專用32kHz微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)振蕩器(圖1)，正式進(jìn)軍手機(jī)、平板時(shí)脈元件市場(chǎng)。
圖1 MEMS振蕩器設(shè)計(jì)架構(gòu)圖
由于新一代MEMS時(shí)脈元件的整體設(shè)計(jì)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(jī)制造商青睞，可望迅速瓜分行動(dòng)裝置時(shí)脈元件市場(chǎng)商機(jī)。
不過(guò)，近來(lái)高通(Qualcomm)、聯(lián)發(fā)科及銳迪科等行動(dòng)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(shí)現(xiàn)以往行動(dòng)裝置所需的三顆時(shí)脈元件功能，有助行動(dòng)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(jì)進(jìn)展，將使整個(gè)智慧型手機(jī)、平板裝置的時(shí)脈設(shè)計(jì)架構(gòu)改頭換面，同時(shí)也為既有振蕩器主動(dòng)元件的需求帶來(lái)嚴(yán)重的沖擊，進(jìn)而刺激石英和MEMS時(shí)脈元件制造商加緊展開新的產(chǎn)品策略布局。
進(jìn)逼石英主力戰(zhàn)場(chǎng) MEMS振蕩器搶進(jìn)手機(jī)
SiTime行銷執(zhí)行副總裁Piyush Sevalia透露，為加快手機(jī)業(yè)者的系統(tǒng)設(shè)計(jì)改搭MEMS振蕩器，SiTime也將推出相關(guān)參考設(shè)計(jì)，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(jī)開發(fā)商對(duì)內(nèi)部零組件的體積、省電要求日益嚴(yán)格，導(dǎo)致封裝厚度較高的石英振蕩器漸不敷使用，并正醞釀導(dǎo)入新興小尺寸、低功耗MEMS時(shí)脈元件。特別在平價(jià)高規(guī)的5?6寸平板手機(jī)(Phablet)設(shè)計(jì)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(wú)線通訊(NFC)、感測(cè)功能或鋰電池容量，因而也加速手機(jī)內(nèi)部時(shí)脈元件由石英轉(zhuǎn)換到MEMS的發(fā)展。
目前全球前十大手機(jī)品牌廠幾乎全投入Phablet開發(fā)，甚至中國(guó)大陸中低價(jià)智慧手機(jī)制造商也開始競(jìng)逐大螢?zāi)辉O(shè)計(jì)，給予MEMS振蕩器崛起契機(jī)。因應(yīng)市場(chǎng)需求，在MEMS時(shí)脈元件市占高達(dá)八成的SiTime，繼2011?2012年推出個(gè)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(jī)設(shè)計(jì)的32kHz MEMS振蕩器，積極圈地行動(dòng)市場(chǎng)；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(shí)，SiTime也導(dǎo)入可編程設(shè)計(jì)，讓32kHz MEMS振蕩器彈性支援1Hz?32kHz運(yùn)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(dòng)功耗。Sevalia強(qiáng)調(diào)，愈來(lái)愈多行動(dòng)裝置要求提升輕載效率，以延長(zhǎng)鋰電池使用時(shí)間，由于MEMS可透過(guò)數(shù)位電路動(dòng)態(tài)調(diào)整頻率，因而能以每秒啟動(dòng)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(yùn)作，且局限于石英晶體物理特性，在降頻同時(shí)也會(huì)加大晶片尺寸，無(wú)疑與手機(jī)設(shè)計(jì)背道而馳。
MEMS廠以32kHz振蕩器發(fā)起在行動(dòng)裝置時(shí)脈應(yīng)用市場(chǎng)的第一波攻勢(shì)，主要考量在于每臺(tái)平板、手機(jī)平均須配備一至兩個(gè)32kHz時(shí)脈元件(分別與應(yīng)用處理器、基頻處理器或SoC連接)，需求強(qiáng)勁；同時(shí)能有效突顯MEMS尺寸、功耗優(yōu)于同級(jí)石英元件的優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)階段，SiTime亦已爭(zhēng)取到十五家手機(jī)品牌廠或原始設(shè)備制造商(OEM)的合作機(jī)會(huì)，并開始送樣；預(yù)期今年下半年即可完成終端產(chǎn)品樣品設(shè)計(jì)，正式為MEMS時(shí)脈元件廠打開手機(jī)市場(chǎng)大門。
不過(guò)，相較于具60年歷史的石英產(chǎn)業(yè)，MEMS供應(yīng)鏈僅發(fā)展7年多，因而也引發(fā)業(yè)界對(duì)其產(chǎn)能不足與價(jià)格過(guò)高的疑慮。對(duì)此，Sevalia回應(yīng)，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(dá)到99%，且相容標(biāo)準(zhǔn)互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)晶圓制程與封裝，未來(lái)將隨著半導(dǎo)體制程演進(jìn)，有效降低量產(chǎn)成本。
Sevalia進(jìn)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(lái)源不足、技術(shù)演進(jìn)投資成本高且時(shí)程長(zhǎng)的因素影響下，將逐漸在行動(dòng)應(yīng)用市場(chǎng)上喪失價(jià)格優(yōu)勢(shì)。
另一方面，MEMS時(shí)脈元件商也透過(guò)與應(yīng)用處理器和現(xiàn)場(chǎng)可編程閘陣列(FPGA)業(yè)者合力開發(fā)參考設(shè)計(jì)，以及內(nèi)建MEMS諧振器矽智財(cái)(IP)的系統(tǒng)單晶片(SoC)，加速在時(shí)脈應(yīng)用市場(chǎng)瓜分傳統(tǒng)石英元件市占。
處理器/FPGA廠相挺 MEMS時(shí)脈擴(kuò)大勢(shì)力
據(jù)悉，SiTime去年已與類比混合訊號(hào)晶片大廠--Maxim Integrated，在一款智慧電表(Smart Meter)處理器中成功導(dǎo)入32kHz MEMS振蕩器，打造出更高整合度的SoC；同時(shí)，旗下MEMS時(shí)脈元件亦已打入現(xiàn)場(chǎng)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(yīng)用領(lǐng)域。
無(wú)獨(dú)有偶，混合訊號(hào)晶片供應(yīng)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(zhǔn)性、高可靠度MEMS振蕩器。由于該產(chǎn)品能實(shí)現(xiàn)業(yè)界最低的1微微秒(ps)以下相位抖動(dòng)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(shì)愈來(lái)愈凌厲。
Sevalia透露，近期SiTime推出業(yè)界首款行動(dòng)裝置專用MEMS振蕩器，并同步與一線應(yīng)用處理器供應(yīng)商、手機(jī)和平板品牌廠展開合作，預(yù)期今年中就能實(shí)現(xiàn)相關(guān)參考設(shè)計(jì)，讓終端品牌產(chǎn)品在下半年大量出爐。他預(yù)期，隨著行動(dòng)裝置設(shè)計(jì)空間、物料成本日益緊縮，MEMS時(shí)脈元件將有機(jī)會(huì)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(guò)，現(xiàn)階段MEMS在整體時(shí)脈元件市場(chǎng)的占有率至多5%，仍落后石英一大截，對(duì)此，Sevalia認(rèn)為，以逆向思考角度來(lái)看，這對(duì)MEMS業(yè)者來(lái)說(shuō)意味著極大的發(fā)展空間，因?yàn)镸EMS時(shí)脈能克服微型化挑戰(zhàn)，且能跟隨半導(dǎo)體制程演進(jìn)腳步加速效能升級(jí)與成本優(yōu)化，這都是石英難以同時(shí)達(dá)成的目標(biāo)；因此，未來(lái)5-10年內(nèi)MEMS勢(shì)將大規(guī)模取代石英，成為時(shí)脈產(chǎn)業(yè)主角。
盡管MEMS搶市動(dòng)作頻頻，但石英業(yè)者也正與行動(dòng)晶片商布局新的行動(dòng)裝置時(shí)脈設(shè)計(jì)架構(gòu)，以鞏固市場(chǎng)地位。事實(shí)上，隨著高通、聯(lián)發(fā)科和RDA開始在基頻處理器中導(dǎo)入32kHz電路，新一代晶片已可支援部分時(shí)脈元件功能，只要再搭一顆MHz石英晶體就能因應(yīng)所有行動(dòng)裝置時(shí)脈與頻率工作需求，將為MEMS時(shí)脈主動(dòng)元件未來(lái)在中低價(jià)手機(jī)、平板市場(chǎng)的發(fā)展捎來(lái)噩耗。
處理器包32kHz電路 行動(dòng)裝置時(shí)脈設(shè)計(jì)丕變
臺(tái)灣晶技研發(fā)處長(zhǎng)姜健偉表示，一線行動(dòng)晶片商正大舉推動(dòng)時(shí)脈共享(Clock Co-share)的整合設(shè)計(jì)方式，已將32kHz諧振電路包進(jìn)基頻處理器，甚至也開始研擬整入應(yīng)用處理器中，期促進(jìn)有線、無(wú)線功能共用時(shí)脈的架構(gòu)成形，擴(kuò)大取代行動(dòng)裝置內(nèi)部多個(gè)主動(dòng)時(shí)脈元件，以精簡(jiǎn)系統(tǒng)零組件用量和總體功耗，并可再擴(kuò)充電池容量。
據(jù)悉，過(guò)往行動(dòng)裝置時(shí)脈設(shè)計(jì)大多須搭配各一顆MHz石英晶體、32kHz振蕩器及溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(TCXO)，才能覆蓋所有無(wú)線和有線技術(shù)的頻率與時(shí)脈工作；然而，行動(dòng)裝置用料精簡(jiǎn)的趨勢(shì)，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(yīng)用而生，目前主流手機(jī)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(jì)方案，進(jìn)而牽動(dòng)時(shí)脈主動(dòng)元件需求急縮。
對(duì)此，臺(tái)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(shí)脈元件市場(chǎng)帶來(lái)負(fù)面化學(xué)變化，無(wú)論是傳統(tǒng)石英業(yè)者或近來(lái)動(dòng)作頻頻的MEMS時(shí)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(yíng)收來(lái)源的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
但是，張毓芳也強(qiáng)調(diào)，對(duì)石英業(yè)者來(lái)說(shuō)，僅32kHz振蕩器事業(yè)受沖擊，至于MHz石英晶體被動(dòng)元件仍是必需品，市場(chǎng)需求將隨著行動(dòng)裝置出貨量成長(zhǎng)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(jià)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(shì)將承受處理器廠觸角伸及時(shí)脈領(lǐng)域的最大沖擊，未來(lái)在行動(dòng)裝置時(shí)脈市場(chǎng)的發(fā)展前景變數(shù)頗多。
除價(jià)格因素外，MEMS時(shí)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(jì)延續(xù)性將盡可能避免換料，所以包括功耗、投資風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題，都將使MEMS時(shí)脈商在行動(dòng)市場(chǎng)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(dòng)晶片商、前五大手機(jī)品牌合作多年，旗下石英主被動(dòng)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(lái)MEMS廠頻頻祭出產(chǎn)品攻勢(shì)，晶技還是老神在在。
姜健偉則進(jìn)一步分析，石英與MEMS振蕩器開發(fā)商未來(lái)若逐漸淡出行動(dòng)裝置市場(chǎng)，側(cè)重長(zhǎng)程演進(jìn)計(jì)劃(LTE)、802.11ac等高階無(wú)線時(shí)脈應(yīng)用領(lǐng)域的布局，石英陣營(yíng)還是贏面較大(表1)。主因系高階產(chǎn)品通常對(duì)相位噪聲(Phase Noise)的規(guī)格要求較嚴(yán)格，而MEMS產(chǎn)品因物理特性限制，壓低相位噪聲勢(shì)必犧牲功耗，導(dǎo)致整體效能表現(xiàn)不及石英，將成為其拓展應(yīng)用版圖的最大罩門。
事實(shí)上，包括日本、臺(tái)灣石英大廠近來(lái)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(shì)，以及優(yōu)異的特性、價(jià)格，持續(xù)吸引系統(tǒng)廠采用。