今天小編分享的科技經驗：蘋果帶火了又一類芯片，歡迎閱讀。
近期，蘋果公司自主研發的調制解調器芯片 C1 首次亮相于 iPhone 16e 機型，引發業界廣泛關注。C1 芯片的推出标志着蘋果在通信領網域的技術進步，逐步替代了高通的技術。然而，除了 C1 芯片，iPhone 16e 上還隐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 時鍾芯片。
這顆時鍾芯片為何如此特殊？它為何值得我們關注？長期以來，智能手機等電子設備普遍采用傳統的石英振蕩器作為時鍾芯片。然而，iPhone 16e 對 MEMS 時鍾芯片的采用，可能标志着 " 從石英到矽 " 的轉變。蘋果作為消費電子領網域的風向标，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，也預示着時鍾芯片領網域一場潛在的革命。
頭部廠商的技術抉擇
SiTime 公司的财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 年的财報，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，這些分銷商識别了終端客戶，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戶——蘋果公司的產品中。因此，SiTime 表示，來自其最大終端客戶的收入分别占 2024 年、2023 年和 2022 年 12 月 31 日結束的财年收入的約 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 算力基礎設施領網域，NVIDIA Spectrum-X Switch 芯片也采用了 SiTime 的時鍾芯片，進一步提升了網絡數據傳輸和處理的精度與效率。
NVIDIA Spectrum-X Switch 矽片的底部（來源：morethanmoore）
對于人工智能來說，時鍾不僅需要更精确，而且還需要在多個 GPU 之間完美同步。大型人工智能模型将其任務分攤到多個 GPU 上，每個 GPU 執行一小部分計算。然後，将它們的結果拼接在一起。如果一個 GPU 落後于其他 GPU，則整個計算将不得不等待該節點。換句話說，計算速度僅與最薄弱的環節一樣快。所有 GPU 在等待時都保持開啟狀态，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，同時占用空間減少了 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 時鍾芯片在 5G 通信、AI 計算等前沿應用場景中的戰略重要性。SiTime 作為 MEMS 振蕩器的最大供應商，其出貨量已超過 30 億台。此外，Microchip和Pericom也是 MEMS 時鍾芯片的主要供應商；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；在國内，布局 MEMS 矽時鍾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，時鍾芯片是一個價值 100 億美元的行業，其中諧振器市場占 40 億美元，振蕩器市場占 50 億美元，而時鍾 IC 市場的規模為 10 億美元。
時鍾芯片：電子設備的 " 脈搏 "
計時技術可以說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鍾、石英鍾、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，如儒略歷的引入、伽利略提出等時性、格林尼治标準時間的确立等等。
時間測量技術的歷史進程圖（來源：SiTime）
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髒相互依存一樣，時鍾芯片通過向各種關鍵組件提供并分發時鍾信号，例如中央處理單元、通信和接口集成電路（IC）、以及射頻組件，确保系統平穩、可靠地運行。
時鍾芯片主要由三個關鍵元件構成：諧振器、振蕩器和時鍾 IC。
諧振器（Resonator）是時鍾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，負責為振蕩器系統提供精度和穩定性。大多數諧振器采用機械加工石英晶體，成本大約為 0.10 美元，并通過切割、抛光和後期制造測試來提高其精度。
振蕩器（Oscillator）将諧振器與模拟混合信号 IC 結合，促使諧振器振動，從而生成穩定的時鍾信号。每個振蕩器通常提供單一的時鍾信号。
時鍾 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）、時鍾分頻器和驅動器等。這些時鍾 IC 能夠產生多個不同頻率的時鍾信号，并将它們分配到需要同步的電路組件中。時鍾 IC 可以管理和分配多個時鍾信号，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，具體取決于最終產品的性能、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蕩器電路，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蕩器、時鍾 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，計時解決方案的復雜性也會顯著增加，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 矽：時鍾芯片的新時代
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鍾發生器，它們采用獨立封裝，可用于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，具有許多固有的局限性。例如，基于石英的振蕩器僅提供單個 MHz 或 kHz 輸出，每個系統至少需要 2 個振蕩器，這會占用大量 PCB 面積并增加 BOM 成本。此外，石英振蕩器不兼容 CMOS，無法擴展或集成到芯片上。此外，它們的精度和性能受到溫度、溼度、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。
石英振蕩器（圖源：stathera）
1968 年，IBM 首次提出 MEMS 諧振器概念，但受限于當時的技術水平，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。
随着半導體技術的進步，MEMS 時鍾芯片憑借其集成度高、抗幹擾能力強等優勢，逐漸嶄露頭角。
蘋果 iPhone 16e 采用 MEMS 的時鍾芯片的原因，與其優勢有着密切的關系：1）MEMS 能夠與其他電路集成到标準半導體封裝中，這使得諧振器和更廣泛的計時技術能夠實現規模化的标準制造。2）MEMS 計時產品可以在廣泛的頻率範圍内工作，更能抵抗振動、機械衝擊和溫度變化，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 計時解決方案相比于體積更大、能耗更高的石英替代品具有更大的靈活性。4）基于 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制造，從而實現具有成本效益的大規模生產。
MEMS 時鍾芯片可以說開創了精确計時的新時代。
MEMS 時鍾芯片的未來前景
随着電子系統變得更加復雜、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蕩器、時鍾 IC 和諧振器的各種系統級組合。對于傳統的石英系統來說，這種無縫集成變得更加困難。這些局限性在嚴苛環境下影響了計時信号的精度和質量。
MEMS 時鍾芯片的優勢顯而易見，将在多個領網域釋放潛力：
（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，這些環境可能包括溫度波動和振動。例如，由于設備内部數據處理密集，内部溫度升高，可能需要冷卻風扇，這不僅迅速改變環境溫度，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周期内可靠地工作，且在具有振動、機械衝擊、電磁幹擾和快速溫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，通常暴露在溫度波動、機械衝擊、振動、電磁幹擾和電源噪聲等環境中，MEMS 可能比傳統的基于石英的解決方案表現更好，且功耗更低，可靠性更高。用于航空航天和國防應用（如火箭和衛星）的計時設備需要在操作過程中承受極端的振動力和溫度梯度。基于石英的解決方案可能會受到作用于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。由于能夠與集成電路（IC）集成，矽 MEMS 計時解決方案非常适合優化移動設備、物聯網設備和消費電子設備中整體系統的占地面積、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 時鍾芯片這一技術的認可，更是基于產業需求的一種響應。MEMS 時鍾芯片芯片憑借其小巧、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。随着技術的不斷演進，基于 MEMS 的時鍾芯片芯片有望在更多領網域實現突破，成為推動產業革新的核心動力。
