蘋果帶火了又一類芯片_風聞
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近期，蘋果公司自主研發的調制解調器芯片C1首次亮相於iPhone 16e機型，引發業界廣泛關注。C1芯片的推出標誌着蘋果在通信領域的技術進步，逐步替代了高通的技術。然而，除了C1芯片，iPhone 16e上還隱藏了一顆值得關注的芯片，根據TechInsights對iPhone 16e這款智能手機拆解後，發現了來自SiTime的MEMS時鐘芯片。
這顆時鐘芯片為何如此特殊？它為何值得我們關注？長期以來，智能手機等電子設備普遍採用傳統的石英振盪器作為時鐘芯片。然而，iPhone 16e對MEMS時鐘芯片的採用，可能標誌着“從石英到硅”的轉變。蘋果作為消費電子領域的風向標，其選擇往往具有強大的示範效應。這一發現不僅揭示了蘋果在芯片選擇上的新動向，也預示着時鐘芯片領域一場潛在的革命。
頭部廠商的技術抉擇
SiTime公司的財務數據也從側面印證了這一趨勢。2023年，SiTime營收達到2.027億美元，同比增長41%。TechInsights估計，每部手機中SiTime部件的成本約為50美分。翻看SiTime 2024年的財報，公司產品主要通過Pernas、Arrow和Quantek三個分銷商來銷售。根據分銷商提供的銷售信息，這些分銷商識別了終端客户，SiTime認為大部分銷售給Pernas和Quantek的產品，最終都被集成到了該司最大終端客户——蘋果公司的產品中。因此，SiTime表示，來自其最大終端客户的收入分別佔2024年、2023年和2022年12月31日結束的財年收入的約22%、21%和20%。
其實不僅是蘋果，下圖這是more than moore的一篇報道中所提到的，在AI算力基礎設施領域，NVIDIA Spectrum-X Switch芯片也採用了SiTime的時鐘芯片，進一步提升了網絡數據傳輸和處理的精度與效率。
對於人工智能來説，時鐘不僅需要更精確，而且還需要在多個 GPU 之間完美同步。大型人工智能模型將其任務分攤到多個 GPU 上，每個 GPU 執行一小部分計算。然後，將它們的結果拼接在一起。如果一個 GPU 落後於其他 GPU，則整個計算將不得不等待該節點。換句話説，計算速度僅與最薄弱的環節一樣快。所有 GPU 在等待時都保持開啓狀態，因此任何此類延遲都會導致能量損失。
今年1月份，SiTime還為AI數據中心推出了SiT5977 Super-TCXO單芯片計時解決方案，實現了3倍更好的同步和800G網絡連接，同時佔用空間減少了4倍，應用市場包括智能網絡接口卡 (Smart NIC)、加速卡、交換機和計算節點2000億美元數據中心基礎設施市場。
兩大科技巨頭的共同選擇，突顯了MEMS時鐘芯片在5G通信、AI計算等前沿應用場景中的戰略重要性。SiTime作為MEMS振盪器的最大供應商，其出貨量已超過30億台。此外，Microchip和Pericom也是MEMS時鐘芯片的主要供應商；還有一家MEMS計時初創公Stathera，得到了聯發科和精工愛普生的投資支持；在國內，佈局MEMS硅時鐘芯片的公司包括麥斯塔微電子和揚興科技等。
根據SiTime的分析，時鐘芯片是一個價值100億美元的行業，其中諧振器市場佔40億美元，振盪器市場佔50億美元，而時鐘IC市場的規模為10億美元。
時鐘芯片：電子設備的“脈搏”
計時技術可以説是人類的一項偉大發明，其發展歷程深刻影響了全球各行各業的技術進步。自人類歷史上最早的時間測量工具誕生以來，計時技術經歷了多個階段的革新。
下圖展示了從公元前3100年到現代的主要時間測量工具和技術的演變。它包括了從石器時代的巨石陣、日晷、最早的水鍾到近代的機械鐘、石英鐘、以及到現代的高精度MEMS計時技術。在這一演變過程中，有一些關鍵的歷史事件和人物，如儒略曆的引入、伽利略提出等時性、格林尼治標準時間的確立等等。
現代電子系統中，計時設備如同電子產品的“脈搏”。正如我們的大腦和心臟相互依存一樣，時鐘芯片通過向各種關鍵組件提供並分發時鐘信號，例如中央處理單元、通信和接口集成電路（IC）、以及射頻組件，確保系統平穩、可靠地運行。
時鐘芯片主要由三個關鍵元件構成：諧振器、振盪器和時鐘IC。
諧振器（Resonator）是時鐘芯片的核心組件之一，它是一種在特定頻率下振動的機械結構，負責為振盪器系統提供精度和穩定性。大多數諧振器採用機械加工石英晶體，成本大約為0.10美元，並通過切割、拋光和後期製造測試來提高其精度。振盪器（Oscillator）將諧振器與模擬混合信號IC結合，促使諧振器振動，從而生成穩定的時鐘信號。每個振盪器通常提供單一的時鐘信號。時鐘IC是一個更復雜的電路系統，通常包含多個功能模塊，如鎖相環（PLLs）、時鐘分頻器和驅動器等。這些時鐘IC能夠產生多個不同頻率的時鐘信號，並將它們分配到需要同步的電路組件中。時鐘IC可以管理和分配多個時鐘信號，保證不同系統組件之間的同步和協調工作。
在電子系統中，這三種產品類型可以單獨使用，也可以組合使用，具體取決於最終產品的性能、價格和尺寸要求。簡單的電子系統通常需要一個獨立的諧振器和一個基本的振盪器電路，這些電路嵌入在微處理器、系統芯片或應用特定集成電路等半導體設備中。在這種系統中，可能會使用多個諧振器來實現不同的功能。更復雜的電子系統則需要先進的計時解決方案，這些解決方案可能使用多種振盪器、時鐘IC和諧振器。當使用這些計時解決方案的系統的性能要求提高時，計時解決方案的複雜性也會顯著增加，例如需要支持AI數據中心或5G通信網絡基礎設施的電子系統。
從石英到MEMS硅：時鐘芯片的新時代
超過半個世紀以來，石英晶體一直是諧振器的主要技術。石英具有壓電特性，即具有特定形狀和尺寸，如果施加力，則可以利用共振獲得具有規則頻率的交流電。全球數十億電子設備都使用石英晶體作為時鐘發生器，它們採用獨立封裝，可用於從手持設備到航天器等各種設備。
然而，石英計時設備在幾十年來變化不大，具有許多固有的侷限性。例如，基於石英的振盪器僅提供單個 MHz或kHz輸出，每個系統至少需要2個振盪器，這會佔用大量PCB面積並增加BOM成本。此外，石英振盪器不兼容CMOS，無法擴展或集成到芯片上。此外，它們的精度和性能受到温度、濕度、壓力、振動和衝擊等環境因素的嚴重影響。這會導致過早失效、電池壽命縮短和系統成本增加。
石英振盪器（圖源：stathera）
1968年，IBM首次提出MEMS諧振器概念，但受限於當時的技術水平，未能實現商業化。因為當時機械物理過程比“新”半導體光刻技術更容易擴展，再加上當時石英在80年代的個人計算熱潮中迅速商品化，替代品就沒有那麼大的動力了。
隨着半導體技術的進步，MEMS時鐘芯片憑藉其集成度高、抗干擾能力強等優勢，逐漸嶄露頭角。
蘋果iPhone 16e採用MEMS的時鐘芯片的原因，與其優勢有着密切的關係：1）MEMS能夠與其他電路集成到標準半導體封裝中，這使得諧振器和更廣泛的計時技術能夠實現規模化的標準制造。2）MEMS計時產品可以在廣泛的頻率範圍內工作，更能抵抗振動、機械衝擊和温度變化，且不容易出現頻率跳躍。3）它們小巧的體積和可編程的設計使MEMS計時解決方案相比於體積更大、能耗更高的石英替代品具有更大的靈活性。4）基於MEMS技術的計時解決方案使用半導體工藝在擁有高生產能力的晶圓廠中製造，從而實現具有成本效益的大規模生產。
MEMS時鐘芯片可以説開創了精確計時的新時代。
MEMS時鐘芯片的未來前景
隨着電子系統變得更加複雜、功能豐富和強大，它們需要更復雜的計時系統，這些系統能夠無縫集成多種振盪器、時鐘IC和諧振器的各種系統級組合。對於傳統的石英系統來説，這種無縫集成變得更加困難。這些侷限性在嚴苛環境下影響了計時信號的精度和質量。
MEMS時鐘芯片的優勢顯而易見，將在多個領域釋放潛力：
（一）通信、數據中心和企業：無線基站、有線基礎設施設備、企業網絡、雲數據中心和人工智能基礎設施中的通信基礎設施設備必須在要求嚴格的環境中提供高性能和穩定性，這些環境可能包括温度波動和振動。例如，由於設備內部數據處理密集，內部温度升高，可能需要冷卻風扇，這不僅迅速改變環境温度，還會引起振動。如果設備中的計時解決方案失敗，數據可能會損壞或網絡可能會關閉，導致服務中斷和更高的運營成本。
（二）汽車、工業和航空航天：汽車應用中，計時技術必須在汽車的生命週期內可靠地工作，且在具有振動、機械衝擊、電磁干擾和快速温度變化的環境中表現出色。工業設備，從工廠機械到診斷設備，通常暴露在温度波動、機械衝擊、振動、電磁干擾和電源噪聲等環境中，MEMS可能比傳統的基於石英的解決方案表現更好，且功耗更低，可靠性更高。用於航空航天和國防應用（如火箭和衞星）的計時設備需要在操作過程中承受極端的振動力和温度梯度。基於石英的解決方案可能會受到作用於整個系統的振動力的影響。
（三）移動設備、物聯網與消費電子：移動設備的依賴性日益增長，推動了數十億互聯網連接設備在工業和消費應用中的普及。這些設備從智能手機和個人可穿戴設備到嵌入家電和工業機械中的電子產品不等。許多這些設備需要在有限的電池供電和尺寸受限的形式因子中包裝大量電子元件，同時仍需高性能和高精度。由於能夠與集成電路（IC）集成，硅MEMS計時解決方案非常適合優化移動設備、物聯網設備和消費電子設備中整體系統的佔地面積、可靠性和功耗。
結語
蘋果與英偉達在消費終端與算力基建兩端同時落子，不僅是對MEMS時鐘芯片這一技術的認可，更是基於產業需求的一種響應。MEMS時鐘芯片芯片憑藉其小巧、低功耗和高精度的特性，能夠滿足未來智能設備和高性能網絡的需求。隨着技術的不斷演進，基於MEMS的時鐘芯片芯片有望在更多領域實現突破，成為推動產業革新的核心動力。