蘋果帶火了另一類晶片

近期，蘋果自主研發的數據機晶片C1首次亮相於iPhone 16e機型，引發業界廣泛關注。 C1晶片的推出標誌著蘋果在通訊領域的技術進步，逐步取代了高通的技術。然而，除了C1晶片，iPhone 16e上還隱藏了一顆值得關注的晶片，根據TechInsights對iPhone 16e這款智慧型手機拆解後，發現了來自SiTime的MEMS時脈晶片。

這顆時脈晶片為何如此特殊？它為何值得我們關注？長期以來，智慧型手機等電子裝置普遍採用傳統的石英振盪器作為時脈晶片。然而，iPhone 16e對MEMS時脈晶片的採用，可能標誌著「從石英到矽」的轉變。蘋果作為消費性電子領域的風向標，其選擇往往具有強大的示範效應。這項發現不僅揭示了蘋果在晶片選擇上的新動向，也預示著時脈晶片領域一場潛在的革命。

頭部廠商的技術抉擇

SiTime公司的財務資料也從側面印證了這個趨勢。 2023年，SiTime營收達2.027億美元，年增41%。 TechInsights估計，每支手機中SiTime零件的成本約為50美分。翻閱SiTime 2024年的財報，公司產品主要透過Pernas、Arrow和Quantek三個經銷商來銷售。根據經銷商提供的銷售訊息，這些經銷商識別了終端客戶，SiTime認為大部分銷售給Pernas和Quantek的產品，最終都被整合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%。

其實不只蘋果，下圖這是more than moore的一篇報導中所提到的，在AI算力基礎設施領域，NVIDIA Spectrum-X Switch晶片也採用了SiTime的時脈晶片，進一步提升了網路資料傳輸與處理的精確度與效率。

對於人工智慧來說，時脈不僅需要更精確，而且還需要在多個GPU 之間完美同步。大型人工智慧模型將其任務分攤到多個GPU 上，每個GPU 執行一小部分運算。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。換句話說，計算速度只與最薄弱的環節一樣快。所有GPU 在等待時都保持開啟狀態，因此任何此類延遲都會導致能量損失。

今年1月份，SiTime也為AI資料中心推出了SiT5977 Super-TCXO單晶片計時解決方案，實現了3倍更好的同步和800G網路連線，同時佔用空間減少了4倍，應用市場包括智慧網路介面卡(Smart NIC)、加速卡、交換器和運算節點2000億美中繼資料中心基礎設施市場。

兩大科技巨頭的共同選擇，突顯了MEMS時脈晶片在5G通訊、AI運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時鐘晶片的主要供應商；還有一個MEMS計時新創公Stathera，得到了聯發科和精工愛普生的投資支援；在國內，佈局MEMS矽時鐘晶片的公司包括麥斯塔微電子和揚興科技等。

根據SiTime的分析，時脈晶片是一個價值100億美元的產業，其中諧振器市場佔40億美元，振盪器市場佔50億美元，而時脈IC市場的規模為10億美元。

時脈晶片：電子裝置的“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、最早的水鐘到近代的機械鐘、石英鍾、以及到現代的高精度MEMS計時技術。在這演變過程中，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、格林尼治標準時間的確立等等。

現代電子系統中，計時裝置如同電子產品的「脈搏」。正如我們的大腦和心臟相互依存一樣，時脈晶片透過向各種關鍵元件提供並分發時脈訊號，例如中央處理單元、通訊和介面積體電路（IC）、以及射頻元件，確保系統平穩、可靠地運作。

時脈晶片主要由三個關鍵元件構成：諧振器、振盪器和時脈IC。

• 諧振器（ Resonator）是時脈晶片的核心元件之一，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，成本約為0.10美元，並透過切割、拋光和後期製造測試來提高其精度。
• 振盪器（ Oscillator）將諧振器與類比混合訊號IC結合，促使諧振器振動，產生穩定的時脈訊號。每個振盪器通常提供單一的時脈訊號。
• 時脈IC是一個更複雜的電路系統，通常包含多個功能模組，如鎖相環（PLLs）、時脈分頻器和驅動器等。這些時脈IC能夠產生多個不同頻率的時脈訊號，並將它們分配到需要同步的電路元件中。時鐘IC可以管理和分配多個時脈訊號，確保不同系統元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，這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、系統晶片或應用特定積體電路等半導體裝置中。在這種系統中，可能會使用多個諧振器來實現不同的功能。更複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、時脈IC和諧振器。當使用這些計時解決方案的系統的效能需求提高時，計時解決方案的複雜性也會顯著增加，例如需要支援AI資料中心或5G通訊網路基礎設施的電子系統。

從石英到MEMS矽：時鐘晶片的新時代

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，則可以利用共振來獲得具有規則頻率的交流電。全球數十億電子裝置都使用石英晶體作為時鐘產生器，它們採用獨立封裝，可用於從手持裝置到太空船等各種裝置。

然而，石英計時裝置在幾十年來變化不大，具有許多固有的限制。例如，基於石英的振盪器僅提供單一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，石英振盪器不相容於CMOS，無法擴展或整合到晶片上。此外，它們的精度和性能受到溫度、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。

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。

隨著半導體技術的進步，MEMS時鐘晶片憑藉其整合度高、抗干擾能力強等優勢，逐漸嶄露頭角。

蘋果iPhone 16e採用MEMS的時脈晶片的原因，與其優勢有著密切的關係：1）MEMS能夠與其他電路整合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製造。 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、機械衝擊和溫度變化，且不容易出現頻率跳躍。 3）它們小巧的體積和可程式設計的設計使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製程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時脈晶片可以說是開創了精確計時的新時代。

MEMS時脈晶片的未來前景

隨著電子系統變得更加複雜、功能豐富和強大，它們需要更複雜的計時系統，這些系統能夠無縫整合多種振盪器、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說，這種無縫整合變得更加困難。這些限制在嚴苛環境下影響了計時訊號的精確度和品質。

MEMS時脈晶片的優勢顯而易見，將在多個領域釋放潛力：

（一）通訊、資料中心和企業：無線基地台、有線基礎設施裝置、企業網路、雲端資料中心和人工智慧基礎設施中的通訊基礎設施裝置必須在嚴格要求的環境中提供高效能和穩定性，這些環境可能包括溫度波動和振動。例如，由於裝置內部資料處理密集，內部溫度升高，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。如果裝置中的計時解決方案失敗，資料可能會損壞或網路可能會關閉，導致服務中斷和更高的營運成本。

（二）汽車、工業和航空航太：汽車應用中，計時技術必須在汽車的生命周期內可靠地工作，且在具有振動、機械衝擊、電磁干擾和快速溫度變化的環境中表現出色。工業裝置，從工廠機械到診斷裝置，通常暴露在溫度波動、機械衝擊、振動、電磁干擾和電源噪音等環境中，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。用於航空航太和國防應用（如火箭和衛星）的計時裝置需要在操作過程中承受極端的振動力和溫度梯度。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）行動裝置、物聯網與消費性電子：行動裝置的依賴性日益增長，推動了數十億網路連線裝置在工業和消費應用中的普及。這些裝置從智慧型手機和個人穿戴裝置到嵌入家電和工業機械中的電子產品不等。許多這些裝置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。由於能夠與積體電路（IC）整合，矽MEMS計時解決方案非常適合最佳化行動裝置、物聯網裝置和消費性電子裝置中整體系統的佔地面積、可靠性和功耗。

結語

蘋果與輝達在消費終端與算力基建兩端同時落子，不僅是對MEMS時脈晶片這項技術的認可，更是基於產業需求的一種回應。 MEMS時脈晶片晶片憑藉其小巧、低功耗和高精度的特性，能夠滿足未來智慧型裝置和高效能網路的需求。隨著技術的不斷演進，基於MEMS的時脈晶片晶片可望在更多領域實現突破，成為推動產業革新的核心動力。 （半導體產業觀察）