隨著科技產業走過個人電腦(PC)時代與智慧型手機時代，如今AIoT與5G已逐步帶動新一波的典範轉移，使得應用場域變得更多元、複雜，除了技術門檻更高以外，元件設計也不再依附於單一的代表性應用產品，而是要以更靈活的策略來滿足多元應用需求，AIoT與5G的興起也帶動時脈解決方案推陳出新。
艾迪特科技(IDT，現為瑞薩電子株式會社子公司)IIBU時脈產品資深市場工程師駱叔良(Steve Lou)表示，儘管石英晶體在技術演進的過程仍有許多挑戰要克服，但其仍是市場上最可靠且便宜的時脈元件，現今約有98%的時脈系統仍運用石英晶體元件作為基本的時基，再透過鎖相環的技術轉換成高頻、多組輸出、不同頻率，來滿足各種應用需求。除了石英之外，也有其他的元件與技術包括MEMS、校準的LC Tank，但是比例不高。這些時脈元件在裝置中扮演非常重要的角色，不但影響系統功能，也掌握系統的穩定度。
5G/AIoT啟動科技新紀元
談到時脈元件的市場趨勢，台灣晶技總經理郭雅屏表示，時脈從過去的PC、手機時代發展至今一直都是很重要的元件，未來因應5G與AIoT的時代，裝置除了訴求更快、更低時延的傳輸效能，部署範圍也將從PC與手機應用場域遍及戶外、工廠等更多變的環境。在此發展趨勢下，時脈會扮演越來越重要的角色，如何確保裝置傳輸更精準、滿足部署環境條件與溫度等要求，是時脈元件與解決方案的開發重點。
在各項效能要求方面，市場在選擇時脈元件時主要有幾項考量，包括成本、頻率精準度、時脈性能要求、系統要求、參考設計、封裝(PCB占積要求)與交貨週數。其中成本不單指元件的成本，還包含周邊元件，電阻、電容、主被動元件等。而在時脈性能要求方面，抖動(Jitter)、相位噪聲(Phase Noise)、電源雜訊免疫度(PSRR)等指標是否能滿足應用需求則是重點；系統方面則有展頻、時脈樹以及同步時鐘等要求。
而若從市場面向來看，時脈元件主要應用領域大致可分為四類，包括無線、有線、資料中心以及工業/車用/消費性領域。駱叔良指出，對無線應用領域來說，低相位噪聲、省電、可控制輸出相位為最重要的幾項指標；而有線應用則要求低相位噪聲能滿足56G/112G的參考時鐘；資料中心方面，伺服器(Server)的參考設計非常重要，因此時脈解決方案業者也會參與主要晶片的設計，並與其結盟；在工業/車用/消費性產品，最重要的則是要能提供很好的設計彈性，以對應不同的市場需求。
因應5G、AIoT與400/600G資料中心的興起，時脈在系統中的角色也越來越重要，必須針對應用需求，提供高精準度或小型化方案，也使得此領域的技術門檻提升，如何保持技術優勢並備足產能以達到市場對於品質與產量的要求，成為決勝的關鍵。
5G低遲延大頻寬時代來臨 時脈訴求高精準度
Silicon Labs時脈產品總經理James Wilson表示，5G服務推陳出新，為智慧型手機帶來更快速度、更大頻寬的連線服務，同時改善行動基地台之間的協調，以改善通話品質，並將斷訊的次數減到最少。這些新服務有賴於效能更高、更低延遲的無線接取網路(RAN)。而5G RAN則需要行動基地台之間的時序同步更加緊湊，進而驅動對更優異之時脈解決方案的需求。
4G和5G網路架構還有一項重要的差別是，4G時代時間同步是放在(Baseband Unit, BBU)中，而5G時代IEEE 1588必須移到RRU上；此外，前傳(Fronthaul)也從CPRI改成eCPRI規格，以滿足5G更多天線、集中BBU設置的要求，使得時間同步成為5G不可忽視的新課題。
台灣愛普生科技電子零件事業技術服務部協理殷之江(圖1)也指出，進入5G時代，會需要新的、更高階的時脈，如恆溫晶體振蕩器(OCXO)(精確度達10ppb等級)。因應5G的低時延遲性以及其新應用，基礎建設也會使用到IEEE 1588精確時間協定(PTP)時脈，以確保多點廣播的傳輸與接收時間同步，而其使用到的時脈類型也是OCXO。其他較低階的應用則可能會採用石英晶體震盪器(TCXO)。
圖1 台灣愛普生科技電子零件事業技術服務部協理殷之江表示，5G低延遲的特性，使得高精確度的時脈元件更為重要。
整體來說，高資料傳輸速率及低網路延遲是5G重要的幾項特性，而石英元件品質優劣將會成為影響5G裝置的性能表現的因素之一。因此市場對石英元件除了有小型化的要求，高頻化、高頻率穩定度、低抖動及寬溫域操作等性能指標也相當重要。
AIoT時脈方案訴求彈性/客製化服務
智慧家庭和工業IoT市場將越來越多的裝置連接到網際網路，使全球各裝置、機器和系統之間需要傳輸的資料量大增。據業界估計，到2025年時，超過500億個IoT裝置將匯集400 Zetabytes的數據。這些數據大部分需要儲存在雲端，有賴於跨電信網路以更大的頻寬，連向儲存在集中式超大規模資料中心的雲端運算資源。藉由將這些資料儲存在雲端，供應商便能提供數據分析與機器學習，改善服務成本和品質。
Wilson表示，AIoT屬於新興市場，將物聯網的資料處理從集中式的資料中心帶向網路邊緣。許多AIoT應用都需要低延遲時間和即時的處理，因而帶動了邊緣運算需求，運算和儲存資源都在網際網路連接點(POP)，而且電信機房(CO)更接近用戶。因此，邊緣運算會需要新一代IoT路由器、伺服器、儲存平台，以及專用的機間通訊(M2M)工作負載加速器，把非結構式資料轉換成可以分析、搜尋和處理的結構式中繼資料，形成即時的智慧回應系統。這些邊緣運算平台則各自有賴於更新、更先進的時脈解決方案，因此時脈解決方案必須因應這些邊緣運算應用，提供高性能、頻率彈性的時脈產生器，以及可編程振盪器和低偏差/低抖動的時脈緩衝器。
舉例來說，在工廠應用中機器視覺系統、工業電腦、顯示器和乙太網路連線，會需要各種經濟高效的晶體振盪器和時脈產生器，為這些應用提供單一晶片的時脈解決方案。另外，自動駕駛加速推動汽車的電動化，也顯著提升了感測器網路和即時資料處理需要的半導體數量，而時脈解決方案須致力簡化車載應用中的時脈合成與分配，同時增加系統可靠度。
郭雅屏表示，汽車的環境條件對於石英元件來說是最嚴苛的，因為材料本身特性，會受到地震、風吹等環境因素影響，造成材料振動，進而影響時脈產品效能。而汽車引擎溫度高又是會快速移動的終端，且發動時就會產生振動，這些都會影響到元件的效能。因此針對汽車應用必須提供可信賴、更高穩定性的時脈產品，避免因汽車振動造成時脈元件的頻率偏移，影響整體系統效能。
有鑑於不同的晶片組和應用需要獨特的頻率組合，要找到滿足所有系統級要求的時脈解決方案可能相當困難。因此如何透過技術支援與參考設計，協助開發者簡化時脈方案的設計，且提供調整迅速、客製的時脈與振盪器，以針對每種設計進行個別優化，也是重要的環節。
IDT深耕時脈市場滿足需求
面對AIoT/5G新世代，時脈業者最重要的課題就是必須充分了解從5G網路設備、資料中心、網通設備到終端小型化產品的需求，去提供相應的解決方案。同時，也必須遵循各個領域的規格，包括基地台、傳輸介面與各家晶片廠所提出來的規格，確保時脈能提供每種應用良好的訊號傳輸品質與穩定性，並持續優化時脈方案，讓系統運作更為順暢。
而駱叔良認為，IDT最大的優勢在於，其在數位與類比技術都有很深的投入，市場上鮮少有一家公司能同時掌握這麼多的技術，而這些技術能量都是透過多年的耕耘與併購所建立的，才能提供不同應用市場所需的先進技術方案。
舉例來說，該公司運用55nm製程發展Clock Matrix多數字鎖相環的時脈元件，並搭配IEEE 1588的軟體，可提供5G基礎建設完整的解決方案。而在射頻時脈元件方面，8V19N492是IDT最新的射頻時脈元件，其JESD204B可用於RRU的射頻訊號鍊路之用，目前這些元件已被許多一線設備商大量採用，用於5G基地台的建設。
而展望未來，該公司最大的目標就是讓時脈產品能緊隨應用領域的演進，持續提供5G、乙太網路、資料中心、物聯網、自駕車以及消費性應用所需的方案，以及技術支援。
簡易/高階市場Silicon Labs皆有布局
5G RAN有賴於行動基地台之間更緊湊的時序同步，因而帶動對於更先進時序解決方案的需求。因應此發展趨勢，Silicon Labs以經濟、高效為主要訴求，提供時脈解決方案最佳整合與相位雜訊，從複雜、高效能的波束成形多輸入多輸出(MIMO)廣播到更簡易小型的行動廣播都可使用，擴展網路容量與覆蓋範圍。
談到市場對於時脈解決方案的要求，Wilson表示，在5G和其他的通訊應用中，參考時脈的效能可能會直接影響通訊連結的品質。而市場一般會挑選的時脈解決方案是，為抖動或相位雜訊需求提供顯著的餘量，確保有線/無線傳輸的品質。此外，在許多應用中，開發者會需要產生多個非整數相關的頻率副本，為整體系統提供必要的參考時脈，最簡單的做法是使用多個晶體振盪器。對於這些需要更加整合的解決方案來說，設計的關鍵除了有效地產生所需的時脈，還必須將不同時脈域之間的串音和干擾降到最低。然而，串擾與頻率組合有相關性，所以每種新的頻率組合都可能產生新的串擾挑戰。
而為了將時脈輸出之間的串音干擾降到最低，Silicon Labs也利用專屬的混合訊號設計技術，與易於使用的ClockBuilder Pro軟體將串音最小化，幫助客戶在不影響系統效能下，實現完整的單晶片時脈樹解決方案。而針對體積敏感、設計空間受限的小型化產品，該公司日前也推出了抖動衰減時脈的新系列產品，免除對外部石英晶體的需求，簡化PCB布局，同時改善整體系統可靠度。
晶技持續優化石英性能備戰5G/AIoT
從4G跨入5G，頻率元件廠商之研發與生產技術將成為最重要之關鍵。然而，對於石英晶片(Quartz Blank)技術來說，高頻及微型化晶片為石英晶體的一大挑戰，石英晶片的厚度差只要1nm就會對應20ppm的差異。為克服此挑戰，晶技採用石英微機電技術進行石英晶片開發，運用該製程完成1.0×0.8mm之微型化晶體產品(行動裝置使用)及高頻石英振盪器(光纖模組)之開發，為目前所有頻率元件廠商中，惟二可以有穩定之量產能力者。此外，也自主研發具有對應力補償的特性之小型表貼式雙轉角SC切石英晶片，特別適用於小型化OCXO產品之低老化率及高穩定度需求。
台灣晶技研發一處處長高笙翔(圖2)指出，針對5G高速傳輸應用場域需高穩定之TCXO/OCXO提供同步應用訊號給5G基地台達成同步要求。另高頻Crystal(例如200MHz)提供點對點無線傳輸所需、高頻VCXO提供訊號供RF前端電路之鎖相電路、小型化高頻XO(例如285MHz)提供光纖模組應用。而針對微型化OCXO開發，該公司以內嵌加熱器之陶瓷封裝專利技術，取代傳統離散式之加熱元件，提供一種熱場效率及可靠度更佳之恆溫槽結構，運用該技術，可提供9.7×7.5mm之OCXO產品供5G基地台之同步應用(±20ppb，-40~95C)。
圖2 台灣晶技研發一處處長高笙翔表示，5G高速傳輸應用場域需要高穩定TCXO/OCXO提供同步訊號。
此外，為滿足AIoT/5G廣泛市場的各式應用需求，該公司也投入客製積體化電路開發，將溫度控制迴路與振盪電路整合於單晶片IC中，取代過往複雜的離散式電路設計，縮減電路元件的數量。
談到整體發展與布局策略，郭雅屏表示，5G與AIoT的到來將帶來科技產業的典範轉移，在產品設計上也將產生全新的規格要求，因此從測試設備、生產設備到廠房都必須做改造，或添購新的設備，並且在產能上做足準備。
晶技也預期，5G商轉後將有望帶起一波換機需求。然而，在技術門檻提高的情況下，能提供可靠、高品質時脈元件的業者將越來越少，市場對可信賴的時脈廠商的元件需求會更加明顯，因此除了維持產品品質，元件商也必須在產能方面做足準備，才能即時的回應5G帶來的龐大市場需求。
愛普生QMEMS技術為小型化核心
隨著5G與AIoT世代的到來，邊緣運算與400/600G資料中心都會是相當重要的議題，其中，網路基礎建設、伺服器與交換器等網通設備都會需要更高品質的時脈解決方案。因應此市場需求，愛普生也持續投入高頻基本波模式(High-frequency Fundamental, HFF)晶體技術開發，並且也提供TCXO、低抖動(Low Jitter)VCXO、OCXO與Low Jitter XO等方案，滿足從5G小型基地台、毫米波RF IC/合成器、400G資料中心、4級脈衝幅度調變(PAM-4)編碼的光學收發器到5G NR網路建設的市場需求。
殷之江說明，一般石英晶體基本頻率最高頻通常只到60MHz左右，因此若要滿足高速串列需求，就必須使用差動訊號輸出的時脈解決方案，透過倍頻諧波技術來滿足高頻需求。而HFF產品的優勢在於，其基頻就是高頻(以愛普生產品為例基頻是156.25MHz)，所以訊號品質與穩定性都會比傳統的石英晶體解決方案好，可降低抖動率，相當適合用在高速網路，包括交換器等台灣網通市場的主力產品。
而在HFF生產線方面，該公司也長期投入QMEMS製程技術，提供反相蝕刻技術(Inverted-mesa)結構。殷之江表示，由於石英晶體的頻率是由厚度來決定，頻率越高就必須越薄，但石英越薄就越容易破碎，因此一般採用研磨方式的石英生產線會有頻率上限。而不同一般石英生產線，共振器(Resonator)在此結構中，只有接近激發電極(Excitation Electrode)的部分是細薄的，因此可提供更高的穩定性，並支援更高的頻率。
不論是AIoT還是行動通訊的裝置的尺寸都不斷微縮，對石英晶片的尺寸要求也越來越嚴苛，使得產品尺寸成為傳統製程的一大挑戰。因應此趨勢，該公司也利用QMEMS製程技術為核心，提供滿足AIoT、手機與LPWA等應用市場所需的小型化、高性能的晶體元件。不過，殷之江也坦言，此項技術最大的挑戰在於成本，包括生產與設備的成本都相對高昂，必須加以克服。