5G 5G NR AIoT Timing Clock 時脈 OCXO TCXO

5G/AIoT應用挑戰多 時脈精確度/彈性服務決勝負

2019-08-27
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。

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