本文来自微信公众号“半导体行业观察”，【作者】杜芹DQ。
近期，苹果公司自主研发的调制解调器芯片C1首次亮相于iPhone 16e机型，引发业界广泛关注。C1芯片的推出标志着苹果在通信领域的技术进步，逐步替代了高通的技术。然而，除了C1芯片，iPhone 16e上还隐藏了一颗值得关注的芯片，根据TechInsights对iPhone 16e这款智能手机拆解后，发现了来自SiTime的MEMS时钟芯片。
这颗时钟芯片为何如此特殊？它为何值得我们关注？长期以来，智能手机等电子设备普遍采用传统的石英振荡器作为时钟芯片。然而，iPhone 16e对MEMS时钟芯片的采用，可能标志着“从石英到硅”的转变。苹果作为消费电子领域的风向标，其选择往往具有强大的示范效应。这一发现不仅揭示了苹果在芯片选择上的新动向，也预示着时钟芯片领域一场潜在的革命。
头部厂商的技术抉择
SiTime公司的财务数据也从侧面印证了这一趋势。2023年，SiTime营收达到2.027亿美元，同比增长41%。TechInsights估计，每部手机中SiTime部件的成本约为50美分。翻看SiTime 2024年的财报，公司产品主要通过Pernas、Arrow和Quantek三个分销商来销售。根据分销商提供的销售信息，这些分销商识别了终端客户，SiTime认为大部分销售给Pernas和Quantek的产品，最终都被集成到了该司最大终端客户——苹果公司的产品中。因此，SiTime表示，来自其最大终端客户的收入分别占2024年、2023年和2022年12月31日结束的财年收入的约22%、21%和20%。
其实不仅是苹果，下图这是more than moore的一篇报道中所提到的，在AI算力基础设施领域，NVIDIA Spectrum-X Switch芯片也采用了SiTime的时钟芯片，进一步提升了网络数据传输和处理的精度与效率。
NVIDIA Spectrum-X Switch硅片的底部（来源：morethanmoore）
对于人工智能来说，时钟不仅需要更精确，而且还需要在多个GPU之间完美同步。大型人工智能模型将其任务分摊到多个GPU上，每个GPU执行一小部分计算。然后，将它们的结果拼接在一起。如果一个GPU落后于其他GPU，则整个计算将不得不等待该节点。换句话说，计算速度仅与最薄弱的环节一样快。所有GPU在等待时都保持开启状态，因此任何此类延迟都会导致能量损失。
今年1月份，SiTime还为AI数据中心推出了SiT5977 Super-TCXO单芯片计时解决方案，实现了3倍更好的同步和800G网络连接，同时占用空间减少了4倍，应用市场包括智能网络接口卡(Smart NIC)、加速卡、交换机和计算节点2000亿美元数据中心基础设施市场。
两大科技巨头的共同选择，突显了MEMS时钟芯片在5G通信、AI计算等前沿应用场景中的战略重要性。SiTime作为MEMS振荡器的最大供应商，其出货量已超过30亿台。此外，Microchip和Pericom也是MEMS时钟芯片的主要供应商；还有一家MEMS计时初创公Stathera，得到了联发科和精工爱普生的投资支持；在国内，布局MEMS硅时钟芯片的公司包括麦斯塔微电子和扬兴科技等。
根据SiTime的分析，时钟芯片是一个价值100亿美元的行业，其中谐振器市场占40亿美元，振荡器市场占50亿美元，而时钟IC市场的规模为10亿美元。
时钟芯片：电子设备的“脉搏”
计时技术可以说是人类的一项伟大发明，其发展历程深刻影响了全球各行各业的技术进步。自人类历史上最早的时间测量工具诞生以来，计时技术经历了多个阶段的革新。
下图展示了从公元前3100年到现代的主要时间测量工具和技术的演变。它包括了从石器时代的巨石阵、日晷、最早的水钟到近代的机械钟、石英钟、以及到现代的高精度MEMS计时技术。在这一演变过程中，有一些关键的历史事件和人物，如儒略历的引入、伽利略提出等时性、格林尼治标准时间的确立等等。
时间测量技术的历史进程图（来源：SiTime）
现代电子系统中，计时设备如同电子产品的“脉搏”。正如我们的大脑和心脏相互依存一样，时钟芯片通过向各种关键组件提供并分发时钟信号，例如中央处理单元、通信和接口集成电路（IC）、以及射频组件，确保系统平稳、可靠地运行。
时钟芯片主要由三个关键元件构成：谐振器、振荡器和时钟IC。
- 谐振器（Resonator）是时钟芯片的核心组件之一，它是一种在特定频率下振动的机械结构，负责为振荡器系统提供精度和稳定性。大多数谐振器采用机械加工石英晶体，成本大约为0.10美元，并通过切割、抛光和后期制造测试来提高其精度。
- 振荡器（Oscillator）将谐振器与模拟混合信号IC结合，促使谐振器振动，从而生成稳定的时钟信号。每个振荡器通常提供单一的时钟信号。
- 时钟IC是一个更复杂的电路系统，通常包含多个功能模块，如锁相环（PLLs）、时钟分频器和驱动器等。这些时钟IC能够产生多个不同频率的时钟信号，并将它们分配到需要同步的电路组件中。时钟IC可以管理和分配多个时钟信号，保证不同系统组件之间的同步和协调工作。
在电子系统中，这三种产品类型可以单独使用，也可以组合使用，具体取决于最终产品的性能、价格和尺寸要求。简单的电子系统通常需要一个独立的谐振器和一个基本的振荡器电路，这些电路嵌入在微处理器、系统芯片或应用特定集成电路等半导体设备中。在这种系统中，可能会使用多个谐振器来实现不同的功能。更复杂的电子系统则需要先进的计时解决方案，这些解决方案可能使用多种振荡器、时钟IC和谐振器。当使用这些计时解决方案的系统的性能要求提高时，计时解决方案的复杂性也会显著增加，例如需要支持AI数据中心或5G通信网络基础设施的电子系统。
从石英到MEMS硅：时钟芯片的新时代
超过半个世纪以来，石英晶体一直是谐振器的主要技术。石英具有压电特性，即具有特定形状和尺寸，如果施加力，则可以利用共振获得具有规则频率的交流电。全球数十亿电子设备都使用石英晶体作为时钟发生器，它们采用独立封装，可用于从手持设备到航天器等各种设备。
然而，石英计时设备在几十年来变化不大，具有许多固有的局限性。例如，基于石英的振荡器仅提供单个MHz或kHz输出，每个系统至少需要2个振荡器，这会占用大量PCB面积并增加BOM成本。此外，石英振荡器不兼容CMOS，无法扩展或集成到芯片上。此外，它们的精度和性能受到温度、湿度、压力、振动和冲击等环境因素的严重影响。这会导致过早失效、电池寿命缩短和系统成本增加。
石英振荡器（图源：stathera）
1968年，IBM首次提出MEMS谐振器概念，但受限于当时的技术水平，未能实现商业化。因为当时机械物理过程比“新”半导体光刻技术更容易扩展，再加上当时石英在80年代的个人计算热潮中迅速商品化，替代品就没有那么大的动力了。
随着半导体技术的进步，MEMS时钟芯片凭借其集成度高、抗干扰能力强等优势，逐渐崭露头角。
苹果iPhone 16e采用MEMS的时钟芯片的原因，与其优势有着密切的关系：1）MEMS能够与其他电路集成到标准半导体封装中，这使得谐振器和更广泛的计时技术能够实现规模化的标准制造。2）MEMS计时产品可以在广泛的频率范围内工作，更能抵抗振动、机械冲击和温度变化，且不容易出现频率跳跃。3）它们小巧的体积和可编程的设计使MEMS计时解决方案相比于体积更大、能耗更高的石英替代品具有更大的灵活性。4）基于MEMS技术的计时解决方案使用半导体工艺在拥有高生产能力的晶圆厂中制造，从而实现具有成本效益的大规模生产。
MEMS时钟芯片可以说开创了精确计时的新时代。
MEMS时钟芯片的未来前景
随着电子系统变得更加复杂、功能丰富和强大，它们需要更复杂的计时系统，这些系统能够无缝集成多种振荡器、时钟IC和谐振器的各种系统级组合。对于传统的石英系统来说，这种无缝集成变得更加困难。这些局限性在严苛环境下影响了计时信号的精度和质量。
MEMS时钟芯片的优势显而易见，将在多个领域释放潜力：
（一）通信、数据中心和企业：无线基站、有线基础设施设备、企业网络、云数据中心和人工智能基础设施中的通信基础设施设备必须在要求严格的环境中提供高性能和稳定性，这些环境可能包括温度波动和振动。例如，由于设备内部数据处理密集，内部温度升高，可能需要冷却风扇，这不仅迅速改变环境温度，还会引起振动。如果设备中的计时解决方案失败，数据可能会损坏或网络可能会关闭，导致服务中断和更高的运营成本。
（二）汽车、工业和航空航天：汽车应用中，计时技术必须在汽车的生命周期内可靠地工作，且在具有振动、机械冲击、电磁干扰和快速温度变化的环境中表现出色。工业设备，从工厂机械到诊断设备，通常暴露在温度波动、机械冲击、振动、电磁干扰和电源噪声等环境中，MEMS可能比传统的基于石英的解决方案表现更好，且功耗更低，可靠性更高。用于航空航天和国防应用（如火箭和卫星）的计时设备需要在操作过程中承受极端的振动力和温度梯度。基于石英的解决方案可能会受到作用于整个系统的振动力的影响。
（三）移动设备、物联网与消费电子：移动设备的依赖性日益增长，推动了数十亿互联网连接设备在工业和消费应用中的普及。这些设备从智能手机和个人可穿戴设备到嵌入家电和工业机械中的电子产品不等。许多这些设备需要在有限的电池供电和尺寸受限的形式因子中包装大量电子元件，同时仍需高性能和高精度。由于能够与集成电路（IC）集成，硅MEMS计时解决方案非常适合优化移动设备、物联网设备和消费电子设备中整体系统的占地面积、可靠性和功耗。
结语
苹果与英伟达在消费终端与算力基建两端同时落子，不仅是对MEMS时钟芯片这一技术的认可，更是基于产业需求的一种响应。MEMS时钟芯片芯片凭借其小巧、低功耗和高精度的特性，能够满足未来智能设备和高性能网络的需求。随着技术的不断演进，基于MEMS的时钟芯片芯片有望在更多领域实现突破，成为推动产业革新的核心动力。
