在过去的15年里，我非常关注半导体工艺的最终结果:终端产品。最初，我的职业生涯是从测试主板开始的，然后才开始研究处理器、架构、制造和这些公司的业务方面。随着机器学习和人工智能这些热门词汇的爆炸式增长，这些公司生产的硬件也越来越多，现在最大的规模已经达到多个芯片和数千瓦。最新的英伟达 NVL72是一个拥有72个GPU，9个交换机的完整服务器机架，耗电量为120千瓦。没有人知道真正的极限在哪里，或者我们能多有效地建造这些东西。

在我出生之前，所有这些硬件的基本要素之一就是频率和时钟信号。无论是我的那台老式旧Commodore C64的0.985兆赫兹频率，还是现代计算机芯片的数千兆赫兹频率，这些微小开关可以把电子变成猫的照片的能力，一直是该行业的一个基本部分。

频率发生器如此重要，以至于它实际上是一个100亿美元的产业。任何事物都需要一些频率发生器才能工作，在大多数情况下它不只需要一个。如何同步这些频率，使芯片能够相互对话，甚至芯片的各个部分能够与其他部分对话，是一个棘手的问题。大型芯片可能需要使用多个频率，或者在整个设计中分配相同的频率，因此设计必须考虑到这一点。

在历史上的大部分时间里，时钟都是由石英晶体提供的。石英具有优异的性质，那就是它是压电的晶体，具有特定的形状和大小，如果施加力，通过共振可以获得一个固定频率的交流电。全球有数十亿台电子设备都使用石英晶体作为时钟发生器——它们以独立封装的形式出现，用于从手持设备到航天器。石英与技术的结合已经非常彻底，甚至在我过去的超频时代，如果我们想提高CPU的频率，可以更换主板上的石英晶体，从而在游戏中获得更多帧数。

但问题就在这里。石英是这项工作的最佳工具吗？最近，机器学习硬件的推动以及对可持续性和可配置性的关注，意味着企业正在寻求改善设计中的一切——甚至是已经使用了几十年并被认为是“基本”的东西。

这就是我一直在了解的SiTime公司的用武之地。在他们看来，石英不再适合计时和时钟的生成。

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MEMS:微机电

SiTime是一家使用MEMS技术的公司——这是微机电的缩写。从任何角度来说，MEMS都不是新东西，但它涉及到创建小型机械设备(通常采用硅材料)来完成我们通常需要非硅大型结构来完成的工作。大家已经熟悉的MEMS示例包括智能手机中的传感器，用于检测位置、温度和湿度。

内置硅的微型机器(来源:SiTime)

通过特定的设计，MEMS设备对刺激做出反应的方式会产生可以解释的信号。当你把手机放在口袋里走路时，机械设备上的微型手臂会在你走路时感受到一股力量，并帮助计算步数，或者帮助GPS信号预测自上次GPS更新以来你所处的位置，而无需外部参考。

我第一次接触微机电系统是在攻读化学学位的时候。当时，微流控技术和芯片实验室的概念是进入基于更小尺寸的选择性化学反应的大门。至少在我接受教育的时候，芯片实验室可以通过让微升的试剂流过芯片来提高复杂反应的化学产量。此外，如果你的试剂碰巧很贵(例如，复杂的药物)，那么这也是一种控制生产和开发早期阶段的方法。当时对流体的控制是用电来完成的，然而，为了避免使用可能影响反应的电流，人们正在试验小型机械装置。它们也可以用于监测和控制。

微机电系统（MEMS）很难想象，因为它的尺寸很小，只有几微米，而不是几毫米或几米。在这种尺寸下，制造它们需要专业技术--就硅而言，需要光刻和微机械加工技术，而不是简单的锤子和凿子。我们习惯于把温度计挂在墙上，而不是把50000个温度计挂在指尖上。因此，微机电系统的优势之一也在于其尺寸。

SiTime将MEMS概念应用于他们的三个主要市场:时钟发生器、谐振器和振荡器。据称，MEMS变体与石英相比，体积更小，精度更高，功耗更低，制造可变性更低，并且由于是硅材料，因此可以进行编程。

为了更好地理解这一点，我提到了时钟制造现在是一个价值100亿美元的产业。其中，谐振器的成本为40亿美元，振荡器的成本为50亿美元，时钟的成本为10亿美元(我们稍后将讨论这两者之间的差异)。目前，SiTime正在解决市场中约为25亿至30亿美元，收入为1 . 44亿美元。

SiTime:公司

该公司最初是从博世分离出来的，成立的前提是石英计时器的生产是一个非常机械化的过程，而且变化太大，无法满足市场需求。制造具有正确特性的石英晶体需要切割、研磨成型、抛光和大量测试。在21世纪初，半导体制造的出现让SiTime的创始人想知道这是否是一种取代石英的合适方式。

MEMS谐振器实际上是在1968年由IBM(当然是IBM)发明的。对它们的研究受限于当时能力，而且由于当时的机械物理过程比“新”半导体光刻技术更容易扩展，所以它们并没有起飞。随着计算技术的发展，石英计时在80年代的个人计算机热潮中迅速实现了商品化。这已经足够好了，而且通常在达到最低标准后，就没有商业动机去寻找替代品了。

2000年伊始，消费芯片行业开始加速发展。千赫兹变成了兆赫兹，这些被称为GPU的新玩意开始用于图形处理。当我们将石英之类的东西提升到更高的频率时，它仍然可以工作，但是可变性就成了更大的问题。我们正在进入一个精确到小数点后几位的频率时代。例如，在100 MHz频率下，0.5%的偏差意味着频率在99.5 MHz至100.5 MHz之间，从而导致电子器件无法使用。

SiTime最初的设计者创造了博世传统范围之外的技术——博世更专注于汽车领域。通过谈判获得了独家许可，其他投资者也加入进来，五位联合创始人专注于硅化。前提是市场的其他部分正在从其他材料转向硅材料(如led到硅，硬盘到固态硬盘)，这是一个机会。

2007年，现任CEO Rajesh Vashist 加盟公司。公司当时100%专注于定时产品，从他们自己的准入来看，当时他们在硅谐振器的功能和可编程性方面具有竞争力，但性能上无法与石英相提并论。2012年，公司的收入降至数千万美元的低水平，该公司开始转向全新的产品线，旨在从各个方面超越当前的解决方案。

重新聚焦的首款产品是2013年推出的32千赫兹振荡器。它的体积比同类产品小85%，在很宽的温度范围内稳定，耐用，在智能可穿戴设备如火如荼的市场上取得了成功。智能手表公司希望产品体积小、效率高、精度高，而该公司的产品正是瞄准了这一其他解决方案没有准备好的市场，走在了正确的道路上。

该技术的下一个大浪潮是推动5G。对带宽、更低延迟、更高密度的全天候无线电部署的需求增加，要求现代基础设施的构建和部署方式发生巨大变化。5G频率的范围意味着，为了提供完整的覆盖，这些接入点将更加靠近，电信公司不再对部署在他们想要的地方非常挑剔。这意味着这些区域必须是空气冷却的、抗振动的(卡车经过)，而且还要处理热梯度和电噪声。

这一要求摒弃了被称为环境弹性振荡器的产品线，这种振荡器可以承受振动、冲击、气流、热量和噪音。在给定的瞬间，石英并不擅长其中的许多方面，例如，一个32千赫的振荡器在稳定时通常具有百万分之300的精度。在不稳定的条件下，这些问题会放大。(百万分率或ppm是振荡器的常用指标，300 ppm为0.03%。)相比之下，等效MEMS振荡器在更广泛的环境因素下提供约25 ppm的稳定性。与其他部件相比，它仍然更小，功耗更低。

大约在这个时候，也就是2014年，SiTime被日本公司Megachips收购。尽管它被收购了，但由于业务和商业模式的有限重叠，两家公司还是独立运营。2014年收入为1900万美元，到2019年，这一数字上升至8300万美元。2019年，在纳斯达克上市的SiTime-mega chips仍然是最大的股东。

在此期间，SiTime 95%的收入来自振荡器——这是一种有源单输出时钟设备。为了扩展到时钟发生器业务(即具有多个时钟输出和可编程性的设备)，该公司与Aura Semiconductor合作。在2020年，他们创造了一个时钟系统芯片，或时钟系统芯片，以及一个新的市场与级联产品线。这旨在通过将多个机载元件打包成一个来简化设计周期和上市时间。2023年，SiTime收购了Aura的所有产品，并带给全球客户。

最新的产品线叫做Chorus。这是一款用于数据中心的完全自主开发的MEMS时钟发生器，作为一款发生器，它在一个芯片上包含谐振器和多个时钟，减少了对多个时钟源的需求，并安装了多个组件。关键是每个现代设备都有多个时钟，这些时钟要么需要一个主信号，然后按照给定的比率进行分频/倍频，要么根据需要简单地分离输入信号。

SiTime合声方框图

这一领域的客户出于多种原因希望淘汰石英。

1. 简单:当很少组件运行良好时，为什么要使用更多的组件

2. 可靠性:石英在这些设计中的可靠性通常是5000-6000万小时无故障。MEMS往往是10亿甚至更多。

3. 电源:持续切换需要电源和时间来打开/关闭物质，特别是对于使用无线电接口的移动设备，如智能电表或智能手机。石英在整个温度范围内的稳定性可以达到200-300 ppm，而MEMs可以达到3 ppm，提高了100倍。这意味着启用RF所需的时间因稳定窗口而缩短，从而节省高达30%的功耗。

4. 优势2:有时石英会有内置的热稳定环境，如“迷你烤箱”，以确保稳定性。移除烤箱可以节省电力，或者对MEMS使用类似的概念，在更低的电力下提供更好的稳定性。加热微米大小的东西比保持大晶体的热稳定性更容易。

5. 准确性:由于一切都相互连接，保持整个数据中心或数据中心区域之间的准确时间本身就是一项挑战。操作顺序很重要，最精确的MEMS振荡器提供0.001 ppm(即1 ppb)的精度，功耗仅为420 mW。用石英做这个需要三倍的功率。(我确实在2021年看过一个PCIe卡片上的原子钟，由Meta设计，能够达到0.001 ppb的精度，但那是许多瓦的功率。它显示了这些需求是如何扩展的。)

因此，SiTime在智能网卡和网络交换机等设备中看到了这类产品的吸引力。在这些器件中，多个MEMS时钟与可配置性相结合，简化了设计，最终缩短了上市时间。

微机电系统的问题:教育

市场的增长听起来依赖于工程师。几十年来大家都在使用石英替代品，为什么现在停止呢？我是说，没人会因为买石英而破产，对吧？根据我与公司副总裁的讨论，他们最大的问题是市场教育。Quartz在很大程度上是一个垂直集成的、商品化的交钥匙解决方案，许多设计师都非常习惯于它。相比之下，除了更好的功率/可靠性/简单性/准确性，MEMS还引入了资深工程师不习惯的功能和可定制性。

我们的期望是，随着云计算和边缘计算的新浪潮，以及实现这一切的更高要求，MEMS的优势证明了其使用的合理性。SiTime正在与客户合作，寻求进一步的产品集成、模块化、封装和“谐振器加IP”路线图。

NVIDIA的Spectrum-X开关硅的底部，采用SiTime(来源:me)

为此，我有幸在Computex 2024上看到了SiTime的一款芯片。虽然该公司没有在展会上，但我在NVIDIA的企业演示区，并专注地看着新的Blackwell GPUs以及网络家族的一些更新。在网络系列中，我发现了一个SiTime MEMS解决方案——在Spectrum-X以太网交换机内部。这个交换机是一个庞然大物，在一个机架中至少占用4U，并且有(我相信)96个800 GbE端口。在每个内部光谱开关芯片的下面，是一个提供时钟的SiTime设备。

SiTime市场

如前所述，今天的计时市场约为100亿美元，其中谐振器、振荡器和时钟各占4/5/1。

· 共鸣器

· 振荡器

· 时钟

谐振器市场大部分是0.10美元的加工晶体。字面上的切割，抛光和制造后测试，以达到几百ppm以内。如今，SiTime占据了25-30亿美元的市场份额，其中95%的收入来自振荡器。今年晚些时候，该公司将推出一款独立的无源谐振器，将潜在市场扩大到35亿美元。

这种多元化战略旨在增强他们在谐振器领域的地位，并利用MEMS技术的优势更深入地渗透到时钟生成市场。SiTime对可编程性和集成的关注符合依赖精确定时解决方案的行业不断发展的需求，包括电信、数据中心和消费电子产品。

计时技术的未来趋势和创新

正如SiTime等公司所展示的那样，计时技术的未来预计将涉及各种行业的重大进步和更广泛的采用。推动这一发展的一个关键趋势是对时序解决方案的精度和可靠性要求越来越高，尤其是在电信、数据中心和消费电子等行业。随着网络向5G及更高水平发展，对精确、稳定、节能的计时器件的需求变得至关重要。与传统石英相比，基于MEMS的谐振器和振荡器的性能特性似乎非常适合满足这些需求，许多市场可能会采用这种技术:

物联网(IoT)和边缘计算是不断扩展的领域，需要鲁棒、小型化和低功耗的时序解决方案。MEMS振荡器和谐振器由于其小尺寸和低能耗，适合这些应用。网络边缘的设备，如智能传感器和执行器，需要精确的定时来确保同步操作和高效的数据处理。可编程MEMS器件可以根据特定应用需求进行定制，为物联网部署提供灵活性。

随着5G和6G网络的部署，对能够承受环境压力同时保持高精度的计时设备的需求正在增长。基于MEMS的振荡器不断发展，在抗振性、热稳定性和抗电噪声能力方面的性能不断提高，以满足这些需求。这些特性对于在密集的城市环境和恶劣的工业环境中保持可靠的通信链路非常重要。未来的创新可能包括更紧凑和集成的时序模块，进一步降低网络基础设施组件的尺寸和功耗要求。

人工智能(AI)和机器学习(ML)系统需要精确的时间来进行数据同步和高效处理。基于MEMS的时序解决方案可以通过提供精确的时钟信号来增强处理器和加速器的性能，从而支持更复杂的AI硬件的开发。启用更精确的时钟信号还有助于优化功耗，这是未来大规模计算的一个关键因素。

未来其他时序技术的创新无疑将专注于下一代要求所需的性能，但也可能包括多功能器件的开发，这些器件将时序与相邻功能相结合，进一步减少元件数量和功耗。材料科学和纳米制造技术的进步可能会导致更小、更有效和更坚固的MEMS装置。此外，MEMS计时解决方案与量子计算和高级无线通信等新兴技术的集成可能会为精密计时应用开辟新的领域。

结论:进化

随着MEMS技术的发展，计时市场也在不断发展，为传统石英解决方案提供了替代方案。随着各行业对更高效、更精确、更可靠的计时机制的需求，SiTime是这一领域的市场领导者，提供基于MEMS的时钟、振荡器和谐振器，展现了市场对更小、更节能和高度稳定选项的需求。事实上，我能够在随机展示的NVIDIA网络交换机中看到它，这突出了对这种设计的需求。

向MEMS技术的转变给市场教育和采用带来了挑战，它为电子设备的效率和精度提供了潜在的改进。随着像SiTime这样的公司继续开发和推出MEMS解决方案，它们可能会在各种行业中变得越来越不可或缺，取代石英，石英在这一点上似乎不再适合管道中的新一轮计算。