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我们对传统的石英晶振并不陌生，几乎所有的电子设备都离不开这款器件。但是石英晶振有不可避免的缺点，那就是在温度或者工作电源电压发生变化时精度不准，其性能受环境条件和电路元件选择的影响很大。而对于电信设备来说，置身的环境各种各样，温度、湿度随着季节、环境变化很大，因此需要时钟元件必须能在高温、热震荡、振动以及不可预期的气流下持续运行，因此传统石英晶振应用于电信设备面临严峻的挑战。是否有新的技术能够满足电信设备新的需求？SiTime 的硅时钟进入用户的视线，这家公司从 2009 年到 2015 年的芯片出货量是 5 亿颗，预计到 2018 年会再出货 5 亿颗，累积达到 10 亿颗，目前全球有超过 1000 家系统厂商客户，在硅时钟市场的占有率达到 90%。
经过十年的研发，SiTime 近期推出了 Elite Platform，其中包含 Super-TCXO（温度补偿型振荡器）和多款振荡器。这些高精度器件可以用来解决电信与网络设备存在已久的时钟问题。即使在有环境压力的情况下，Elite Platform 仍有助于通信设备达到最优异的性能、可靠性及服务质量。
高可靠性：石英晶振的瓶颈，硅时钟的优势
时钟产品具有三个技术指标：频率稳定性、抖动和艾伦偏差。SiTime 凭借多年的技术研发，稳定度十年内提升了 250 倍，抖动问题十年内改善 800 倍，无线构架的艾伦偏差十年内提升 3 万倍。
图 1：稳定度技术指标
图 2：抖动技术指标
图 3：艾伦偏差技术指标
SiTime 公司的技术工程师还通过视频的方式向笔者展示了，同一电路板上同一环境条件，石英温补晶体输出和 Elite 超级温补振荡器输出的对比。
图 4：当温度发生变化时两者的参数变化对比图
图 5：受到敲击时两者的参数变化对比图
图 6：电源电压发生变化时两者的参数变化对比图
由此可以看出，Elite 超级温补振荡器的稳定度要远远高于英温补晶体的稳定度，这样的动态频率性能对 NSST（连网、服务器、存储与电信公司的缩写）来说相当重要，SiTime 首席执行官 Rajesh Vashist 解释，“由此可以看出，当遭遇气流、温度快速变化时 Elite 超级温补振荡器仍可维持性能；部署于立式高架、路边仍免受振动影响；支持 105℃ 温度的户外环境；电磁干扰(EMI)等噪声源的影响降至最低。”
DualMEMS 架构+TurboCompensation 技术：优异的动态性能
Elite 超级温补振荡器之所以能达到这样的高性能，要得益于 SiTime 在架构和技术方面的创新， Rajesh Vashist 指出，“Elite Platform 采用了 DualMEMS 架构和 TurboCompensation 技术，因此实现了三大技术性能：第一，坚固耐用、可靠且经过验证的 TempFlat MEMS 能消除频率扰动（activity dip），振动免疫力也比石英高出 30 倍；第二，100%准确热耦合的 DualMEMS 温度检测，因此温度跟踪快了 40 倍，可确保气流与快速温度变化条件下的最佳性能；第三，高度集成的混合信号电路，搭配片上内置稳压器、时间至数字转换器（TDC）以及低噪声锁相环回路（PLL），对电源噪声的免疫力提高了 5 倍，温度分辨率达 30 uK，是石英 10 倍之多，且支持 1- 700 MHz 之间的所有频率。”
图 7：DualMEMS 架构+TurboCompensation 技术结构图
关于 DualMEMS 架构和 TurboCompensation 技术，Rajesh Vashist 介绍，“从图中可以看出，DualMEMS 架构中配备了两个谐振器，一个作为真正的频率谐振器，一个作为温度传感器，因为两者在同一个位置，温度传感器可以快速检测温度变化，因此可以快速做温度补偿，工作频率 350Hz，补偿速度是传统石英晶体的 40 倍。除了温补性能的改善，我们还增加了针对系统工程师未来需要的功能，如将外部要加的电源管理器整合到 IC 内部，另外这款器件增加了 I2C 或者 SPI 串口，系统工程师可以通过串口直接做数字化编程。”
“基于以上的架构和技术，Elite 可满足基础设施市场对高精密频率技术的需求，如同步以太网络、光纤、小型基站、基站、电缆调制解调器终端系统与影音视频、智能电网、云端服务器、工业用 GPS 和仪器仪表等。” Rajesh Vashist 补充。
高可靠性使用户几乎无售后需求
对比英晶体根据频率设计，每一个规格都是从头开发、制作的过程，而 Sitime 的硅时钟是可编程的，在出货之前将频率、工作电压编写进去即可，设计弹性很高。而且硅时钟的可靠性要远高于石英晶体，从 2007 年到 2015 年的出货返修率来看，SiTime 每年的产品不良率只有百万分之一点五，而传统石英晶体的一线供应商产品不良率是百万分之五十，二线供应商的产品不良率是百万分之一百五。如此低的返修率，以至于当笔者问到 Sitime 的本土技术支持配比时，Rajesh Vashist 自信地解释，“MEMS 现场失效率为零，终身质保，因此我们在中国只有四个销售人员，也正是因为 SiTime 的产品返修率极低，因此几乎不需要进行技术支持。”
图 8：Elite Platform 样片
技术瓶颈让很多半导体厂商望而却步
频率器市场容量大概 60 亿美元，分三大类市场应用，包括石英水晶片占 35 亿美元，频率发生器占 15 亿美金，含 PCB 系统级的时钟系统占 10 亿美金。其中第一类需要配合石英加工厂，第二类如 SiliconLabs，IDT，MicroSemi 和 TI，他们的参考时钟源需要第一类厂商的晶体或者晶振来提供，而他们无法制造石英水晶片或者替代石英水晶片的产品，第三类，如 MicroSemi，除了做石英水晶片，还会做整个时钟模组。SiTime 的优势在于，它是目前唯一一家可以把市场上的三类应用进行整合的公司，原因是它的方案中不需要石英水晶片做为材料，用半导体硅谐振器取代石英厂商做频率器件的部分。目前着重于第一类产品应用，未来会进行频率发生器和双模组产品的开发。
基于 MEMS 的硅时钟解决方案优势凸显，发展前景良好，因此很多公司不惜花费人力物力开发，但是为什么目前只有 Sitime 推出了产品？Rajesh Vashist 指出，“这在于这项技术的难度，其实有好几家年营业额超过 5 亿美金的前沿公司研发这项技术，如 IDT、Siliconlabs、TI 等，他们或者自行研发，或者收购相关公司进行研发，但是都失败而终，唯有 SiTime 坚持了十年，最终推出了符合市场需求的产品，因此 SiTime 拿到了 90%的市场份额，未来或许会有更多公司想来分这个市场，但是 SiTime 会一直站在前沿进行产品研发。”
硅时钟会取代石英晶振？
通过参数对比，很多人可能会想到硅时钟是否会完全取代石英晶振呢？当然这对于 SiTime 来说是一个好消息，但是在教育市场的道路上还要继续走一段，Rajesh Vashist 坦言，“就成本而言，石英晶体的不良率要远高于硅时钟，因此总体而言硅时钟更具有成本优势。问题在于市场教育，工程师的对新技术尝试的意愿不高，敢于大胆尝试新技术的人还是少数，我们会继续研发匹配更多的应用领域的产品，更好地服务于系统客户。”
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