MEMS振盪器的國產破局者 - asiasworldcity.hk

「香港飛龍」標誌

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2013年，SiTime推出了其首款32kHz的MEMS振盪器—— SiT15xx系列。據介紹，這款面向智能終端應用的產品可以克服傳統石英振盪器的諸多限制，在面積、功耗、可靠性和壽命方面都有了大幅度的提升。時任SiTime首席執行官的Rajesh Vashist表示：“SiTime的突破性硅MEMS和模擬技術提供了創新的計時解決方案，超越了石英行業數十年的發展。”在後續的發展中，SiTime步步爲營，並最終在2019年上市。能獲得這個成績，與公司SiT15xx系列有着莫大的關係。有行內人士甚至認爲，SiTime能上市，就是依靠這系列被賣爆的芯片。近來，隨着蘋果發佈iPhone 16e，又一次把這家公司推向了風口浪尖。因爲知名分析機構TechInsights拆解發現，iPhone 16e率先在智能手機行業首次引入了MEMS振盪器，並有望在後續的產品中持續引入這類振盪器，這勢必會帶動這家美國芯片公司業績強勁增長。本土MEMS振盪器初創企業麥斯塔創始人雷永慶更是直言：“MEMS振盪器在未來會取代石英振盪器。”作爲國內這條賽道爲數不多的廠商，麥斯塔也在其中扮演重要角色。MEMS振盪器，大勢所趨翻看振盪器的歷史，其實可以追溯到1880年。當時，居里兄弟研究石英水晶片時，發現在晶片上施加機械應力時，就會產生電荷的偏移。這就驅使他們提出了壓電效應這個概念。在接下來的幾十年裏，無數先驅投入到石英振盪器的研究中，使得這個產品成爲電子產品中不可或缺的重要組成，因爲我們的電子系統（包括各種各樣的處理器），都需要有一箇週期性的脈衝信號，這就是石英振盪器發揮作用的地方。然而，隨着電子設備越來越小型化，人工智能的快速崛起，傳統的石英振盪器，越來越難應付這些場景。雷永慶以現在熱門的人工智能應用舉例說，隨着各種大模型如火如荼的發展，採用先進的GPU、DPU以及網絡交換芯片的AI數據中心，各個服務器板卡之間的數據傳輸速率和數據交換速率越來越快，只有高精度和低抖動的同步時鐘才能確保數據傳輸和交換的準確性，否則會導致模型訓練失敗。衆多國際知名AI公司在其服務器板卡以及網絡交換機中都不約而同的採用了高頻、高精度和低抖動的MEMS時鐘。在AI服務器和網絡交換機領域，MEMS時鐘方案節省了80%以上體積。在功耗和性能方面也是領先於傳統方案。具體到性能方面，MEMS方案面對服務器的溫度變化和震動等場景，性能也可以保持不變。這就讓MEMS振盪器變得越來越不可或缺。“現在的智能汽車，因爲智能化程度越來越高，也正在使用很多石英振盪器（大概每輛車三十顆），這些振盪器需要面臨嚴苛的車規級芯片考驗，在可靠性上也面臨前所未有的挑戰。車規級的石英振盪器進行AEC-Q200認證，而車規級的MEMS振盪器都在進行更嚴苛的AEC-Q100認證。”雷永慶表示。全球知名的新能源車廠都在大規模使用車規MEMS時鐘產品。他同時指出，智能手機、可穿戴設備等應用因爲對內部尺寸和功耗有着嚴苛的要求，擁有小型化、高精度、抗振動和抗衝擊的MEMS振盪器正在受到上述多箇應用市場的歡迎。衆多智能終端國際大廠在AR/VR、智能手錶、手環及戒指等產品中大量採用更小體積、更高精度和更低功耗的MEMS振盪器。還是以iPhone 16e爲例，據天風國際分析師郭明錤介紹，這款設備上，首次集成了蘋果自研的C1基帶。和高通調制解調器依賴三種石英晶體振盪器（32kHz、24MHz 和 76.8MHz）的設計不同，蘋果自家的調制解調器現在只使用一種24MHz石英晶體振盪器，其他兩種（32kHz和76.8MHz）則用SiTime的MEMS振盪器取代。未來，蘋果公司有計劃用MEMS振盪器全面取代石英振盪器，毋容置疑，蘋果公司正在推動時鐘行業的深刻變革。業內人士分析，MEMS振盪器讓智能手機在衛星通信和導航定位方面具有一定的領先優勢，此外可以讓智能手機擁有更優秀的續航表現。SiTime在其博客文章中也總結說，與傳統的石英振盪器相比，MEMS振盪器在頻率穩定性和準確性、可靠性和長期性能、緊湊性、抗震性以及與現代半導體封裝的無縫集成都擁有了前者無法比擬的優勢；而且，其原生的硅-硅兼容性消除了對石英補償電路和調諧的需求，從而簡化了電路設計並優化了製造可擴展性；此外，成本和功耗優勢、供應鏈優勢以及製造效率，讓MEMS振盪器受到越來越多的開發者歡迎。正因MEMS振盪器如此受歡迎，SiTime在過去幾年裏業績穩步上升。據郭明錤預測，從2025年到2027年，光是蘋果一箇客戶就給SiTime貢獻4000萬美元、1.1億美元和2億美元。如果考慮到其他客戶的貢獻，SiTime的成長能力驚人。雷永慶也透露，國內的MEMS振盪器幾乎是由SiTime獨家壟斷。除了他們以外，僅有Microchip能提供有限的選擇。“在北斗導航模組上，由於受到尺寸的嚴苛限制，只能選用MEMS振盪器。在過去，除了SiTime，他們別無選擇。”雷永慶舉例說。在這種情況下，一家本土的MEMS振盪器供應商就顯得無比重要。成立於2021年的麥斯塔，乘勢崛起。麥斯塔，本土破局者資料顯示，總部位於深圳的麥斯塔微電子已研發出上百項專利技術，核心專利領域涉及ASIC、MEMS、封裝與成品。公司自主研發推出的MEMS振盪器更是填補了國內MEMS振盪器技術領域的空白，打破了國外在此領域的技術壟斷。在被問到爲何能做到這一點的時候，雷永慶多次強調：“勇氣和運氣都很重要，缺一不可！”他表示，在當時創業的時候，MEMS振盪器雖然已經發展了多年，但依然還是沒進入“主流”。也就是說還沒做到智能手機這類龐大市場應用中，AI也還沒有大紅大紫，所以談什麼先見之明，也是事後諸葛亮。而他之所以會選擇這條賽道，首先是因爲自己在這個行業深耕多年，熟悉這個市場的需求和客戶；其次，當時他創業的時候，是想選一箇既有壁壘，且國內還沒有突破的方向。於是，MEMS振盪器就成爲了他的選擇。成立兩年之後，麥斯塔就發佈了公司的首款產品MST8011，可編程MHz MEMS XO，累計客戶已經超過百家。據介紹，公司正在推出的低功耗、小尺寸、高精度的32.768kHz MEMS TCXO，該系列產品一推出，備受矚目，各種智能終端客戶和IoT客戶爭先進行評測和使用。當用戶採用上述MEMS振盪器後，在人工智能終端領域，其高穩定性確保多傳感器數據與時間軸高度同步，抗振動性能比石英高50倍，保障複雜環境下的可靠運行；智能穿戴設備中，芯片級封裝（1.5×0.8mm CSP）節省85%面積，配合可編程擺幅技術降低30%-50%功耗，提升續航能力；衛星導航模塊依賴其快速定位能力（TTFF優化），抗衝擊性能超30000g，保障極端環境下的授時精度；IoT和電力領域則通過±5ppm高精度減少網絡同步開銷，提升同步和計時精度。雷永慶表示，與傳統的石英晶體及晶振相比，32.768kHz系列MEMS振盪器擁有非常明顯的小體積、高精度及低功耗優勢。全球在AI終端設備智能化浪潮中，32.768kHz系列MEMS振盪器正以其獨特的技術優勢，爲核心處理器提供精準時鐘頻率。這類振盪器也能重構AR眼鏡、智能手機、智能穿戴、智慧家居、車載智能終端等設備的性能邊界。能在短短几年取得如此成績，按照雷永慶所說，這是公司團隊堅持的結果。MEMS振盪器技術出現二十餘年，國內有不少科研機構和高校的團隊在做MEMS振盪器領域的前沿探索和研究，此外，也有一些企業結合高校團隊進行商業化方向的嘗試。在被問及MEMS振盪器研發和產業化的難點在哪裏？雷永慶的觀點如下：首先，MEMS振盪器研發是一箇複雜的系統性工作，MEMS諧振器開發、ASIC開發、封裝開發及產測設備開發，這些環節相互影響、缺一不可，開發過程經常會遇到耦合的技術難題，此外這四個環節必須環環相扣，任何一箇環節出現問題，都會導致產品功虧一簣。其次，MEMS振盪器的核心部件MEMS諧振器開發週期長，開發風險高。MEMS諧振器需要開發者跟晶圓廠定製工藝而且有極高的工藝要求，投片成本很高，回片週期長，這就使得不少人會倒在“跑通工藝”這一個環節。此外，即使跑通了工藝，如何實現不同批次晶圓的一致性，從“跑通工藝”到“量產”，也存在諸多難點，如果晶圓良率偏低，又無法在短期內提升，將會導致產品無法規模商用。“麥塔斯恰好做到了上述幾點，這也讓公司有能力推出了上述產品。”雷永慶表示。“我們是國內唯一一家能夠規模交付對標美國同類產品的公司。”雷永慶補充說。他指出，麥斯塔一如既往地做差異化，成本控制也要做得比美國同類產品更好。“我們要做中國人都能用得起的MEMS振盪器。”雷永慶強調。引領替代新潮流在這些領先產品的支持下，麥斯塔已經收穫超百個客戶，公司也出貨了不少MEMS振盪器產品。現在，隨着iPhone 16e對MEMS振盪器的採用，麥斯塔正在面向智能手機客戶和可穿戴用戶，加緊這些產品的推廣。在談及未來發展時，雷永慶堅定地認爲，MEMS振盪器會是全新的替代方案，無論是從技術與產品先進性迭代，還是市場需要的第二廠商替代維度，皆是如此。他解析說，MEMS振盪器採用半導體材料，MEMS工藝及半導體封裝技術，製造工藝流程短、自動化程度高，隨着晶圓廠的升級迭代，還可以進一步降低其成本。2023年，Yole預測2027年MEMS時鐘市場規模會達到16億美金。“我認爲，未來振盪器和各種獨立的時鐘芯片會融合在一起，MEMS時鐘擁有巨大的市場潛力，美國公司已經推出了很多基於MEMS技術的高性能時鐘發生器和抖動濾除時鐘芯片，這些產品比傳統的時鐘解決方案具有明顯的性價比、體積和功耗優勢，衆多國際頭部的智能終端公司、人工智能公司、新能源汽車公司都在採用更高集成度的MEMS時鐘芯片。”雷永慶最後說。半導體精品公衆號推薦專注半導體領域更多原創內容關注全球半導體產業動向與趨勢*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅爲了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯繫半導體行業觀察。今天是《半導體行業觀察》爲您分享的第4091期內容，歡迎關注。『半導體第一垂直媒體』實時專業原創深度公衆號ID：icbank喜歡我們的內容就點“在看”分享給小夥伴哦

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