Taktgeber ohne Quarz MEMS-Oszillatoren für „Intelligent Edge Computing“

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SiTime Corporation

ET System electronic GmbH

Heitec AG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Resonatoren und Oszillatoren auf MEMS-Basis sind der Schlüssel zu einer neuen Ära der Miniaturisierung – sie eröffnen Entwicklern die Möglichkeit, immer smartere und kompaktere IoT-Geräte zu schaffen. Damit sind Quarze in derartigen Anwendungen obsolet.

IoT-Technologien sind ein zentraler Treiber der Automatisierung des täglichen Lebens – von Städten, Gebäuden und dem Transportwesen bis hin zum Einzelhandel und Gesundheitswesen. Sie integrieren intelligente Funktionen, die Komfort, Sicherheit und Effizienz steigern. Da sich der moderne Lebensstil nahtlos und kontinuierlich zwischen der physischen und der digitalen Welt bewegt, wird das „Internet of Things“ zunehmend allgegenwärtig und leistungsfähiger.

Um die rasante Expansion des IoTs und die damit verbundenen Anforderungen an intuitive, nahtlose Reaktionen zu unterstützen, müssen Datenverarbeitung und künstliche Intelligenz zunehmend an den Rand des Netzwerks – das sogenannte Edge – verlagert werden.

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Die Latenz, die durch die Übertragung von Informationen über das Edge-Netz, das kabelgebundene Kernnetz bis hin zum Cloud-Rechenzentrum und zurück entsteht, ist für Echtzeitanwendungen wie Virtual und Augmented Reality (VR/AR), Vehicle-to-Everything (V2X), Smart Homes und Smart Cities nicht akzeptabel.

Gleichzeitig führt die wachsende Anzahl kabellos arbeitender Geräte im Netzwerk zu einem steigenden Bandbreitenbedarf – was erhebliche Fortschritte bei Mobilfunktechnologien wie 5G-Advanced und dem künftigen 6G erfordert.

Edge-Rechenzentren und KI in Funk-Infrastrukturen

Diese Fortschritte in der Netzwerkinfrastruktur werden in naher Zukunft zwei zentrale Entwicklungen vorantreiben: den Ausbau von Edge-Rechenzentren sowie die Integration von Datenverarbeitung und künstlicher Intelligenz in Funkinfrastrukturen und lokale Edge-Netzwerke.

Ähnlich wie zentrale Cloud-Rechenzentren sind auch Edge-Rechenzentren auf eine präzise Taktgebung angewiesen. Insbesondere zwei Anwendungen im Umfeld von Rechenzentren erfordern eine hochgenaue Zeitsteuerung: die End-to-End-Synchronisation sowie die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung.

Die Genauigkeit der Zeitsynchronisation in einem Netzwerk hängt maßgeblich von der Umweltstabilität des lokalen Oszillators in jedem Netzwerkknoten ab – etwa in Servern, Switches oder Routern. Die am weitesten verbreitete Methode zur Zeitsynchronisation, das Precision Time Protocol (PTP) gemäß IEEE 1588, setzt voraus, dass der lokale Oszillator eine stabile Frequenz beibehält, während die 1588-Software die zuverlässigsten Zeitstempelpakete selektiert.

Je höher die Frequenzstabilität des lokalen Oszillators ist, desto länger kann die Zeitkonstante der Regelschleife gewählt werden – und desto wirksamer ist die Paketfilterung.

Rechenzentren: MEMS-TCXOs versus Quarz-TCXOs

MEMS-TCXOs bieten unter schnell wechselnden Temperaturbedingungen, wie sie typischerweise in Rechenzentrumsservern auftreten (z. B. bei hoher Prozessorlast und aktiven Kühlsystemen), eine bis zu fünfmal höhere Stabilität als Quarz-TCXOs.

Über die reine Zeitsynchronisation hinaus ist eine präzise Takterzeugung für die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung über Ethernet- und optische Verbindungen von zentraler Bedeutung – speziell aufgrund der Anforderungen an einen geringen Phasenjitter an der Taktflanke. Mit zunehmenden Datenraten von 200 auf 400 GBit/s, 800 GBit/s und darüber hinaus halbiert sich der zulässige Jitter bei jedem Technologieschritt.

Im Vergleich zu Quarzoszillatoren sind MEMS-Oszillatoren bis zu zehnmal unempfindlicher gegenüber Störquellen wie Versorgungsspannungsrauschen, das den Phasenjitter negativ beeinflussen kann. Darüber hinaus sind MEMS-Oszillatoren flexibel konfigurierbar und unterstützen benutzerdefinierte Schwingungsoptionen – beispielsweise für die Kompatibilität mit nicht standardisierten Low-Voltage-ICs – wodurch sich der Stromverbrauch um mehr als 30 mA reduzieren lässt.

Mit der Einführung von 5G-Advanced und 6G wird ein erheblicher Teil der Datenverarbeitung und Intelligenz aus den Rechenzentren ausgelagert und direkt in die Funk-Infrastruktur integriert. Dies ermöglicht drahtlose KI-Funktionen mit sehr geringer Latenz – selbst für kleinste und stromsparende Geräte wie Smart Wearables.

Da Taktgebung in der Funk-Infrastruktur immer wichtiger wird und eine präzisere Synchronisation sowie schnellere Datenübertragung entscheidend sind, bieten MEMS-Oszillatoren die erforderliche Ausfallsicherheit und Präzision für die Telekommunikation der nächsten Generation.

Druck auf IoT-Endpunkte durch Miniaturisierung

In den kleinen IoT-Geräten selbst geht es bei der Takterzeugung darum, die richtige Leistungsfähigkeit bei optimaler Energieeffizienz und Größe zu erzielen. Wearables, Ingestibles, Smart Tags und elektronische Etiketten, Sensoren in Geräten und fast alle anderen Komponenten müssen in der Regel klein und leicht sein.

In Consumer-Anwendungen bedeutet ein sichtbarer Sensor, dass der Mythos verloren geht. In manchen industriellen Anwendungen ist die schiere Anzahl der einzusetzenden Sensoren so groß, dass eine Wartung unmöglich ist, sodass die Batterie eine ausreichende Kapazität für die gesamte Lebensdauer bereitstellen muss.

Dies lässt wenig Platz für sperrige oder ineffiziente Schaltungen. Kompakte Schaltungen bieten außerdem mehr Platz für eine Batterie mit größerer Kapazität, was die Batterielebensdauer verlängert. Bei kleinen Funkgeräten gibt es immer Einschränkungen hinsichtlich der Positionierung des Funkmoduls, z. B. um den für den ordnungsgemäßen Betrieb der Antenne erforderlichen Freiraum zu gewährleisten.

Dies kann ein Problem bei der Taktung darstellen, da Quarzkristalle von Natur aus sperrig sind. Im aktiven Modus liegen die Taktfrequenzen, mit denen Kommunikationsschaltungen betrieben werden, meist im zweistelligen MHz-Bereich.

Geringere Frequenzen senken den Stromverbrauch

Um den Stromverbrauch zu senken, verwenden viele IoT-Endpunkte jedoch im Ruhemodus einen 32,768-kHz-Oszillator oder -Resonator, um die Batterielebensdauer zu maximieren. Ein Taktgeber mit deutlich niedrigerer Frequenz verbraucht schlicht weniger Strom.

Leider erfordern Quarzkristalle mit niedrigerer Frequenz aufgrund physikalischer Gegebenheiten größere Resonatoren. MEMS-Resonatoren haben dieses Problem nicht. Die kleinsten MEMS-Resonatoren sind in etwa zehnmal kleiner als die kleinsten Quarzkristalle mit derselben Frequenz.

MEMS-XOs, -TCXOs und -Resonatoren bieten mit ihren Vorteilen in Bezug auf Leistungsfähigkeit und Platzbedarf eine weitere wertvolle Eigenschaft für IoT-Endpunkte: die Möglichkeit erheblicher Größenreduzierung. MEMS-Resonatoren können nur wenige Zehntel Millimeter groß sein, etwa 0,4 mm × 0,4 mm.

MEMS-Bausteine: Resistenz gegen Stöße und Vibrationen

Da sie zudem deutlich weniger Masse als ein Quarzresonator haben, sind sie widerstandsfähiger gegen Stöße und Vibrationen, da eine auf die MEMS-Struktur ausgeübte Beschleunigung zu einer viel geringeren Kraft und Frequenzverschiebung führt. Schließlich weisen die heute führenden MEMS-Resonatoren im Vergleich zu ihren Quarz-Pendants eine stabilere Frequenz über einen breiten Temperaturbereich von –40 bis 125 °C auf, was eine höhere Taktgenauigkeit und damit eine effizientere Leistungsfähigkeit eines IoT-Systems ermöglicht.

Die durch MEMS-Technologie ermöglichte Miniaturisierung erlaubt es, MEMS-Taktgeber aus Silizium im selben Gehäuse wie der Mikrocontroller (MCU) oder ein System-on-Chip (SoC) zu integrieren. Eine solches Co-Packaging ist mit herkömmlichen Quarzresonatoren, die nicht auf Silizium basieren, nicht realisierbar. Diese werden in separaten Keramik- oder Metallgehäusen verbaut, damit sie eine stabile Referenzfrequenz zuverlässig erzeugen.

Das Gehäuse als limitierender Faktor

In der Vergangenheit haben sich mechanische und thermische Herausforderungen, insbesondere die Fehlanpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE), als Hindernis für ein zuverlässiges und wirtschaftliches Co-Packaging mit Quarzkomponenten erwiesen. Der zunehmende Innovationsdruck durch moderne und künftige IoT-Anwendungen macht diese Einschränkungen deutlich sichtbar.

Das Gehäuse stellt einen weiteren limitierenden Faktor für die kontinuierliche Miniaturisierung von IoT-Produkten dar. Während fortschrittliche Halbleitertechnologien immer kleinere Strukturgrößen ermöglichen und dadurch mehr Funktionalität in SoCs und ASSPs integrieren, verbleibt der Quarzkristall in einem eigenen hermetisch abgeschlossenen Keramikgehäuse – dauerhaft auf der Leiterplatte montiert.

In diesem Zusammenhang lässt sich durchaus sagen, dass Quarzresonatoren oder Oszillator-ICs zunehmend zu einem Engpass für die weitere Miniaturisierung werden – in einer Branche, in der kompakte Bauformen von entscheidender Bedeutung sind. (kr)

* Eric Garlepp ist Senior Director Product Marketing bei SiTime in Santa Clara / USA.

* Parker Traweek ist Senior Product Marketing Engineer bei SiTime in Santa Clara / USA.

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