瞄準行動裝置輕薄與低功耗設計需求，MEMS振蕩器業者積極以較小尺寸及功耗的32kHz振蕩器搶食傳統石英市占，讓石英與MEMS振蕩器戰火愈演愈烈。不過，近期行動處理器已開始整合32kHz諧振電路，將使MEMS振蕩器頓失發揮空間。
MEMS時脈元件將進逼石英主力市場。美商賽特時脈(SiTime)日前發表新款行動裝置專用32kHz微機電系統(MEMS)振蕩器(圖1)，正式進軍手機、平板時脈元件市場。
圖1 MEMS振蕩器設計架構圖
由于新一代MEMS時脈元件的整體設計成本已媲美傳統石英元件，占位面積與功耗則分別縮減85%和50%，因而一推出即吸引十五家以上手機制造商青睞，可望迅速瓜分行動裝置時脈元件市場商機。
不過，近來高通(Qualcomm)、聯發科及銳迪科等行動處理器大廠，已相繼在新款基頻處理器中整并32kHz諧振電路，僅須再搭配一顆MHz石英晶體(Crystal)，就能實現以往行動裝置所需的三顆時脈元件功能，有助行動裝置制造商減輕系統成本及占位空間。
此一處理器設計進展，將使整個智慧型手機、平板裝置的時脈設計架構改頭換面，同時也為既有振蕩器主動元件的需求帶來嚴重的沖擊，進而刺激石英和MEMS時脈元件制造商加緊展開新的產品策略布局。
進逼石英主力戰場 MEMS振蕩器搶進手機
SiTime行銷執行副總裁Piyush Sevalia透露，為加快手機業者的系統設計改搭MEMS振蕩器，SiTime也將推出相關參考設計，縮短轉換流程。左為SiTime亞太區行銷副總裁David Huieh·
SiTime行銷執行副總裁Piyush Sevalia(圖2右)表示，手機開發商對內部零組件的體積、省電要求日益嚴格，導致封裝厚度較高的石英振蕩器漸不敷使用，并正醞釀導入新興小尺寸、低功耗MEMS時脈元件。特別在平價高規的5?6寸平板手機(Phablet)設計熱潮興起后，品牌廠希望能縮減印刷電路板(PCB)空間，用以增加近距離無線通訊(NFC)、感測功能或鋰電池容量，因而也加速手機內部時脈元件由石英轉換到MEMS的發展。
目前全球前十大手機品牌廠幾乎全投入Phablet開發，甚至中國大陸中低價智慧手機制造商也開始競逐大螢幕設計，給予MEMS振蕩器崛起契機。因應市場需求，在MEMS時脈元件市占高達八成的SiTime，繼2011?2012年推出個人電腦、網通設備專用產品后，日前更搶先打造首款可用于手機設計的32kHz MEMS振蕩器，積極圈地行動市場；新產品除尺寸較現有最小石英封裝再縮小70%外，由于不須搭配兩顆電容，更可將整體系統占位空間減少85%。
同時，SiTime也導入可編程設計，讓32kHz MEMS振蕩器彈性支援1Hz?32kHz運作頻率，可配合主處理器或系統省電模式降低頻率，減少驅動功耗。Sevalia強調，愈來愈多行動裝置要求提升輕載效率，以延長鋰電池使用時間，由于MEMS可透過數位電路動態調整頻率，因而能以每秒啟動一次的頻率，將資料讀取功耗降到最低；相較之下，石英振蕩器大多僅能定頻運作，且局限于石英晶體物理特性，在降頻同時也會加大晶片尺寸，無疑與手機設計背道而馳。
MEMS廠以32kHz振蕩器發起在行動裝置時脈應用市場的第一波攻勢，主要考量在于每臺平板、手機平均須配備一至兩個32kHz時脈元件(分別與應用處理器、基頻處理器或SoC連接)，需求強勁；同時能有效突顯MEMS尺寸、功耗優于同級石英元件的優勢。現階段，SiTime亦已爭取到十五家手機品牌廠或原始設備制造商(OEM)的合作機會，并開始送樣；預期今年下半年即可完成終端產品樣品設計，正式為MEMS時脈元件廠打開手機市場大門。
不過，相較于具60年歷史的石英產業，MEMS供應鏈僅發展7年多，因而也引發業界對其產能不足與價格過高的疑慮。對此，Sevalia回應，目前MEMS振蕩器內部諧振電路IC和MEMS諧振器，制造良率均達到99%，且相容標準互補式金屬氧化物半導體(CMOS)晶圓制程與封裝，未來將隨著半導體制程演進，有效降低量產成本。
Sevalia進一步解釋，由于全球80%的石英陶瓷封裝產能被日商Kyocera掌握，每代晶片尺寸微縮又須搭配新封裝技術，在供貨來源不足、技術演進投資成本高且時程長的因素影響下，將逐漸在行動應用市場上喪失價格優勢。
另一方面，MEMS時脈元件商也透過與應用處理器和現場可編程閘陣列(FPGA)業者合力開發參考設計，以及內建MEMS諧振器矽智財(IP)的系統單晶片(SoC)，加速在時脈應用市場瓜分傳統石英元件市占。
處理器/FPGA廠相挺 MEMS時脈擴大勢力
據悉，SiTime去年已與類比混合訊號晶片大廠--Maxim Integrated，在一款智慧電表(Smart Meter)處理器中成功導入32kHz MEMS振蕩器，打造出更高整合度的SoC；同時，旗下MEMS時脈元件亦已打入現場可編程閘陣列(FPGA)一哥--賽靈思(Xilinx)的零組件配置建議清單，全速拓展網通、工業應用領域。
無獨有偶，混合訊號晶片供應商IDT日前亦基于旗下壓電MEMS(pMEMS)諧振器專利，搶推伺服器和網通設備專用的高精準性、高可靠度MEMS振蕩器。由于該產品能實現業界最低的1微微秒(ps)以下相位抖動規格，已吸引許多OEM采用，足見MEMS業者向石英廠發起的攻勢愈來愈凌厲。
Sevalia透露，近期SiTime推出業界首款行動裝置專用MEMS振蕩器，并同步與一線應用處理器供應商、手機和平板品牌廠展開合作，預期今年中就能實現相關參考設計，讓終端品牌產品在下半年大量出爐。他預期，隨著行動裝置設計空間、物料成本日益緊縮，MEMS時脈元件將有機會取代石英產品在高通、聯發科處理器公板中的地位。
不過，現階段MEMS在整體時脈元件市場的占有率至多5%，仍落后石英一大截，對此，Sevalia認為，以逆向思考角度來看，這對MEMS業者來說意味著極大的發展空間，因為MEMS時脈能克服微型化挑戰，且能跟隨半導體制程演進腳步加速效能升級與成本優化，這都是石英難以同時達成的目標；因此，未來5-10年內MEMS勢將大規模取代石英，成為時脈產業主角。
盡管MEMS搶市動作頻頻，但石英業者也正與行動晶片商布局新的行動裝置時脈設計架構，以鞏固市場地位。事實上，隨著高通、聯發科和RDA開始在基頻處理器中導入32kHz電路，新一代晶片已可支援部分時脈元件功能，只要再搭一顆MHz石英晶體就能因應所有行動裝置時脈與頻率工作需求，將為MEMS時脈主動元件未來在中低價手機、平板市場的發展捎來噩耗。
處理器包32kHz電路 行動裝置時脈設計丕變
臺灣晶技研發處長姜健偉表示，一線行動晶片商正大舉推動時脈共享(Clock Co-share)的整合設計方式，已將32kHz諧振電路包進基頻處理器，甚至也開始研擬整入應用處理器中，期促進有線、無線功能共用時脈的架構成形，擴大取代行動裝置內部多個主動時脈元件，以精簡系統零組件用量和總體功耗，并可再擴充電池容量。
據悉，過往行動裝置時脈設計大多須搭配各一顆MHz石英晶體、32kHz振蕩器及溫度補償晶體振蕩器(TCXO)，才能覆蓋所有無線和有線技術的頻率與時脈工作；然而，行動裝置用料精簡的趨勢，驅使處理器業者不斷推升周邊功能整合度，內建32kHz諧振電路的基頻晶片遂應用而生，目前主流手機已有不少比重改采此類晶片搭配一顆MHz石英晶體及兩顆電容的設計方案，進而牽動時脈主動元件需求急縮。
對此，臺灣晶技產品經理張毓芳不諱言，隨著處理器業者包山包海的產品研發策略發酵，已為時脈元件市場帶來負面化學變化，無論是傳統石英業者或近來動作頻頻的MEMS時脈元件商均將面臨振蕩器產品需求逐步放緩，影響重要營收來源的嚴峻挑戰。
但是，張毓芳也強調，對石英業者來說，僅32kHz振蕩器事業受沖擊，至于MHz石英晶體被動元件仍是必需品，市場需求將隨著行動裝置出貨量成長而持續攀升；相形之下，現階段僅能以振蕩器形式存在的MEMS元件，因價格較石英晶體貴上好幾倍，在系統廠緊縮物料成本的考量下，勢將承受處理器廠觸角伸及時脈領域的最大沖擊，未來在行動裝置時脈市場的發展前景變數頗多。
除價格因素外，MEMS時脈元件的耗電流通常在10毫安培(mA)左右，而石英晶體僅須一半；加上系統廠顧及產品設計延續性將盡可能避免換料，所以包括功耗、投資風險等問題，都將使MEMS時脈商在行動市場上的發展綁手綁腳，難以全面取代石英。
張毓芳也指出，晶技與全球前十大行動晶片商、前五大手機品牌合作多年，旗下石英主被動元件早已被列入建議系統廠優先選用的料件清單，因此，即便近來MEMS廠頻頻祭出產品攻勢，晶技還是老神在在。
姜健偉則進一步分析，石英與MEMS振蕩器開發商未來若逐漸淡出行動裝置市場，側重長程演進計劃(LTE)、802.11ac等高階無線時脈應用領域的布局，石英陣營還是贏面較大(表1)。主因系高階產品通常對相位噪聲(Phase Noise)的規格要求較嚴格，而MEMS產品因物理特性限制，壓低相位噪聲勢必犧牲功耗，導致整體效能表現不及石英，將成為其拓展應用版圖的最大罩門。
事實上，包括日本、臺灣石英大廠近來也積極開發可編程頻率、多重輸出(Multiple Output)的次世代振蕩器，將挾數10年產業發展優勢，以及優異的特性、價格，持續吸引系統廠采用。