Генератор годинника без кварцу
Осцилятори MEMS для “інтелектуальних обчислень”
Від Еріка Гарлепа та Паркера Трауека* | Перекладено AI
5 хв часу читання
Пов’язані продавці
Резонатори та генератори, засновані на технології MEMS, є ключовим фактором нової ери мініатюризації – вони відкривають можливості для розробників створювати все більш розумні та компактні пристрої IoT. Це робить кварц застарілим у таких програмах.
(Зображення: сітка)
Ерік Гарлепп – старший директор з маркетингу продуктів у Sitime в Санта -Кларі, США.
Parker Traweek – старший інженер з маркетингу продуктів у Сітмі в Санта -Кларі, США.
IoT Technologies є центральним рушієм автоматизації повсякденного життя – від міст, будівель та транспорту до роздрібної торгівлі та охорони здоров'я. Вони інтегрують інтелектуальні функції, що підвищують комфорт, безпеку та ефективність. Оскільки сучасний спосіб життя безперервно і постійно переходив між фізичними та цифровими світами, “Інтернет речей” стає все більш всюдисущим і потужним.
Для підтримки швидкого розширення IoT та пов'язаних з ними вимог до інтуїтивних, безшовних відповідей, обробки даних та штучного інтелекту все частіше потрібно перенести на край мережі-так званий край.
Галерея
Затримка, спричинена передачею інформації через Edge Network, дротова основна мережа, до хмарного центру обробки даних та назад, неприйнятна для додатків у режимі реального часу, таких як віртуальна та доповнена реальність (VR/AR), транспортний засіб до всіх (V2X), розумні будинки та розумні міста.
У той же час, зростаюча кількість бездротових пристроїв у мережі призводить до збільшення попиту на пропускну здатність-відшкодування значних досягнень мобільних технологій, таких як 5G-ADVAND та майбутні 6G.
Крайові центри обробки даних та AI в бездротовій інфраструктурі
Ці досягнення в мережевій інфраструктурі найближчим часом призведуть до двох центральних розробок: розширення країн, що знаходяться в області даних, та інтеграція обробки даних та штучного інтелекту в бездротові інфраструктури та локальні мережі Edge.
Подібно до центральних хмарних центрів обробки даних, Edge Data Data також покладаються на точні терміни. Зокрема, два додатки в середовищі центру обробки даних вимагають високоточного контролю за часом: синхронізація в кінці до кінця та високошвидкісна передача даних.
Точність синхронізації часу в мережі багато в чому залежить від екологічної стабільності локального генератора в кожному мережевому вузлі – наприклад, як сервери, комутатори чи маршрутизатори. Найбільш широко використовуваний метод синхронізації часу, протокол часу точності (PTP) згідно IEEE 1588, вимагає від локального генератора підтримувати стабільну частоту, тоді як програмне забезпечення 1588 вибирає найбільш надійні пакети часової позначки.
Чим більша частота стабільності локального генератора, тим довше може бути встановлена постійна часова петля управління – і тим ефективніше стає фільтрація пакетів.
Центри обробки даних: MEMS TCXOS проти кварцу TCXOS
MEMS TCXOS пропонує до п’яти разів більшу стабільність, ніж кварцові TCXO в умовах швидко мінливої температур, які зазвичай зустрічаються на серверах центру обробки даних (наприклад, при високому навантаженні процесора та активних системах охолодження).
Крім простого синхронізації часу, точне генерація годин має вирішальне значення для високошвидкісної передачі даних через Ethernet та оптичні з'єднання-особливо через вимоги до низького фазового тремтіння на краю годинника. У міру збільшення швидкості передачі даних від 200 до 400 Гбіт/с, 800 Гбіт/с і далі, допустимий тремтіння вдвічі зменшується з кожним технологічним кроком.
Порівняно з кварцовими осциляторами, осцилятори MEMS в десять разів менше чутливі до порушень, таких як шум напруги живлення, що може негативно вплинути на фазу тремтіння. Крім того, осцилятори MEMS гнучко налаштовуються та підтримують спеціальні варіанти коливань-наприклад, для сумісності з нестандартним низьким напругою-дозволяючи зменшити споживання електроенергії більш ніж на 30 мА.
З впровадженням 5G-адвенсації та 6G значна частина обробки даних та інтелекту буде вивантажена з центрів обробки даних та безпосередньо інтегрована в бездротову інфраструктуру. Це дозволяє бездротовим функціям AI з дуже низькою затримкою-навіть для найменших та енергоефективних пристроїв, таких як розумні носіння.
У міру того, як терміни стають все більш важливими для бездротової інфраструктури та більш точної синхронізації, а також більш швидкої передачі даних є важливими, осцилятори MEMS забезпечують необхідну надійність та точність для телекомунікацій нового покоління.
Тиск на кінцеві точки IoT через мініатюризацію
У самих невеликих пристроях IoT фокус часу зосереджується на досягненні правильних показників з оптимальною енергоефективністю та розміром. Носильні засоби, поглиблення, розумні теги та електронні етикетки, датчики на пристроях та майже всі інші компоненти, як правило, повинні бути невеликими та легкими.
У споживчих додатках видимий датчик означає, що магія втрачається. У деяких промислових програмах велика кількість розгортання датчиків настільки велика, що технічне обслуговування стає неможливим, тобто акумулятор повинен забезпечити достатню ємність протягом усього терміну експлуатації.
Це залишає мало місця для об'ємних або неефективних схем. Компактні схеми також забезпечують більше місця для акумулятора більшої ємності, який продовжує час роботи акумулятора. Для невеликих радіостанцій завжди існують обмеження щодо позиціонування радіомодуля, наприклад, для забезпечення зазору, необхідного для належної роботи антени.
Це може представити проблему для термінів, оскільки кристали кварцу за своєю суттю об'ємні. У активному режимі частоти годин, що використовуються для роботи ланцюгів зв'язку, зазвичай знаходяться в двозначному діапазоні МГц.
Більш низькі частоти зменшують споживання електроенергії
Для зменшення споживання електроенергії багато кінцевих точок IoT в режимі очікування використовують генератор або резонатор 32,768 кГц для максимізації терміну експлуатації акумулятора. Генератор годин зі значно меншою частотою просто споживає менше енергії.
На жаль, кварцові кристали з нижчими частотами потребують більших резонаторів через фізичні обмеження. Резонатори MEMS не мають цього питання. Найменші резонатори MEMS приблизно в десять разів менше, ніж найменші кварцові кристали з однаковою частотою.
MEMS XOS, TCXOS та резонатори пропонують додаткову цінну особливість для кінцевих точок IoT з їхніми перевагами у вимогах до продуктивності та простору: можливість значного зменшення розміру. Резонатори MEMS можуть бути невеликими, як і кілька десятих міліметрів, приблизно 0,016 дюймів х 0,016 дюймів.
Компоненти MEMS: стійкість до ударів та вібрацій
Оскільки вони мають значно меншу масу, ніж кварцовий резонатор, вони більш стійкі до ударів та вібрацій, оскільки прискорення, застосоване до структури MEMS, призводить до значно нижчої сили та зсуву частоти. Нарешті, сьогоднішні провідні резонатори MEMS демонструють більш стабільні частоти порівняно з їх кварцовими аналогами в широкому температурному діапазоні від –40 ° F до 260 ° F, що забезпечує більш високу точність годин і, таким чином, більш ефективні продуктивність системи IoT.
Мініатюризація, що ввімкнулася за допомогою технології MEMS, дозволяє інтегрувати генератори годинника MEMS, виготовлені з кремнію, в той самий пакет, що і мікроконтролер (MCU) або системний чіп (SOC). Така упаковка неможлива з звичайними кварцовими резонаторами, які не базуються на кремнію. Вони розміщуються в окремих керамічних або металевих пакетах, щоб надійно виробляти стабільну опорну частоту.
Корпус як обмежуючий фактор
У минулому механічні та теплові проблеми, зокрема невідповідність коефіцієнтів теплового розширення (CTE), виявили перешкоди для надійного та економічного упаковки з кварцовими компонентами. Зростаючий інноваційний тиск з боку сучасних та майбутніх додатків IoT робить ці обмеження зрозумілими.
Пакет являє собою ще один обмежуючий фактор для безперервної мініатюризації продуктів IoT. Незважаючи на те, що вдосконалені напівпровідникові технології забезпечують все менші розміри функцій, тим самим інтегруючи більше функціональних можливостей у SOC та ASPS, кварцовий кристал залишається у власному герметично герметичному керамічному пакеті – найважливіший на платі.
У цьому контексті дійсно можна сказати, що кварцові резонатори або генераторні ІМС все частіше стають вузьким місцем для подальшої мініатюризації в галузі, де компактні конструкції мають вирішальне значення. (KR)
