分析 丨AI服务器和光模块增长，晶振的风口来了？

石英晶体振荡器（下文简称晶振）的历史可以追溯到1920年代，当时其用途主要是稳定无线电信号。直到最近几十年，晶振仍然用于数字电路，例如，多数频率控制产品仍使用到32.768kHz晶振，从笔记本电脑、手机等消费电子产品到工业汽车领域，32.768kHz晶振还是普遍接受的计时标准器件。

图注：振荡器的种类（来源：芯查查SaaS）
据芯查查SaaS显示，晶体振荡器属于无源器件的一个细分产品，分为XO、VCXO、TCXO、OCXO等。无论何种振荡器，技术原理都比较成熟，但终端应用，特别是AI相关的基础设施，对于振荡器的要求并非一成不变，这些应用正推动着振荡器市场的变化。晶振在AI服务器、光纤通信的市场规模生成式AI爆发，推动AI服务器、光纤通信网络发展，继而驱动着对振荡器的需求。分析师预计，预期2024年用于AI服务器的光模块将显著成长，其中需搭配高阶的差动式输出振荡器（differential oscillator），单价较一般服务器/消费电子的振荡器高约10-20倍，毛利率为50-60%以上。

按输出类型，振荡器可分为差动输振荡器出和单端输出振荡器。差动振荡器提供更强更清晰的信号，以驱动光学器件，满足光通信系统的要求。无论是AI服务器端，还是传统的光模块行业，未来需求的主要是差动振荡器。

晶体谐振器和振荡器在AI服务器、光纤通信中的市场规模有所不同。

对于AI服务器而言，需要振荡器提供基准时钟信号与高速差分时钟信号，满足系统部件的同步时序和高速运算要求。按成本占比看，差动振荡器作为关键元器件的重要作用，其市场规模应占AI服务器总成本的3-5%。各研究机构预测，2025年全球AI服务器市场规模将达到620-970亿美元，基于此可以粗略估算，差动振荡器市场规模可达到19-49亿美元，约为20-50亿美元之间。

对于光纤通信中的光模块而言，由于晶体谐振器和振荡器可以提供高精度的时钟信号和稳定的频率控制，因此在提高光模块速率、增加通信距离、提高带宽等方面扮演着重要角色。晶体谐振器和振荡器在模块中的成本占比不是很高，但却是光模块性能稳定性和可靠性的重要保障，其成本占比通常在1%-5%之间，不同的光模块中具体占比也会有所不同。

低抖动成为晶振应用的新挑战晶振在AI服务器、光纤通信的主要应用是时序（timing）和时钟（clock）。随着数据率提高，对更高性能时序和时钟的要求更加苛刻。

为了保证时序和时钟的稳定性准确性，要求晶体振荡器输出信号的时间稳定性越好。在许多应用中，如通信系统、音频设备和测量仪器等，保持低抖动时序是非常重要的要求。最先进的应用现在要求最大参考时钟抖动小于70飞秒（femtosecond）。

芯片工艺持续迭代，也对振荡器产品和应用提出挑战。任何在28nm时可能被忽视的工艺变化，在5nm时都可能成为一个主要问题，因为在5nm的误差余量要小得多。某些应用需要相同类型的抖动，但功耗要低得多，尺寸也要小得多。器件的持续缩小、更低功耗要求，也是时序产品的巨大挑战。

时序和时钟产品的市场高度分散，厂商有针对性的区分产品，比如，瑞萨电子提供三种不同的时序解决方案，旨在满足不同的性能和复杂性目标。晶振的主要厂商和产品就全球晶振厂商排名来看，日系厂商的生产规模和技术水平较高；中国台湾产品生产和技术更新的速度快，具有成本优势；美国企业在市场中的占比偏小，但技术研发能力较高；中国大陆企业的生产能力还在逐步提升，成长速度较快。

图注：全球晶振厂商排名（来源：台晶技2022年法人说明会）
1、爱普生
爱普生晶体振荡器产品的市场地位比较稳定，产品类别包括TCXO、高精度振荡器、晶体振荡器（kHz、MHz）、SPXO、VCXO、表面声波（SAW）振荡器等。此外，可编程晶体振荡器是爱普生的一个具有特色的产品。爱普生可编程晶体振荡器包括一个PLL电路，可以编程以输出所需的频率。能够针对任何输出频率进行编程，有助于缩短交货时间，实现小批量生产。需要特殊的编程工具才能将频率数据写入空白晶体振荡器。爱普生的可编程晶体振荡器是SG-8000系列，由SG-Writer编程工具编程。

图注：爱普生可编程晶体振荡器产品特点（来源：爱普生）
可编程晶体振荡器可以被用于通信系统，还可以用于无线频率合成器，无线频率合成器是一种能够生成多个不同频率信号的设备，常用于无线电通信、雷达、卫星通信等领域；此外，可编程晶体振荡器还可以应用于科学研究领域中对精确时间测量和同步的需求，例如，在天文观测中，多个望远镜需要保持同步以进行联合观测，而可编程晶体振荡器可以提供高精度的时钟信号实现同步。
2、Microchip
与传统石英晶体振荡器不同，MEMS振荡器采用硅晶圆生产工艺制造，并通过电极产生静电场来激励谐振器。由于MEMS振荡器完全基于硅片，因此属于IC产品，在抗振动、抗冲击、失效率、封装和交货时间，以及灵活性上要比晶体振荡器具有优势。随着连接设备和时序芯片数量的增加，预计到2027年，时序芯片市场将以6.2%的复合年增长率增长，达到84亿美元，MEMS振荡器市场预计到2024年将达到50亿美元。

图：MEMS振荡器和晶体振荡器的对比（来源：Microchip）

3、矽力杰
矽力杰为模拟芯片供应商，也提供时钟产品。针对5G基站，矽力杰推出SQ82201是一款10路输出的高性能时钟发生器，集成模拟锁相环，具有强大的频率合成、抖动滤除、超低时延等功能。广泛应用于5G AAU，小基站，通信系统，服务器等。有效满足各类通信设备的时钟同步需求。SQ82201是一款10路输出的高性能时钟发生器，其中包括3路LVPECL差分输出和7路单端输出。SQ82201内部集成低噪声鉴相器(PFD)，电荷泵(CP)，环路滤波器，低相位噪声高频压控振荡器(VCO)和输出整数分频器。

图注：SQ82201时钟应用示例（来源：矽力杰）

4、大普通信

大普通信是一家时钟解决方案及器件供应商，公司位于广东省东莞市松山湖国家高新技术产业开发区。大普通信长期专注于时钟领域的产品研发及推广，通过全系列晶振、时钟模块、时钟补偿芯片等尖端产品和专业服务，全面满足国内外通信网络、电力、工控、军工、金融、医疗等领域的客户差异化需求，并持续保持近5年来销售30%以上的增长。

图注：大普通信（来源：芯查查SaaS）
小 结
AI服务器和数据中心所需的高性能的处理器和加速器，对于稳定、精确的时钟信号要求非常高，以确保各个计算节点之间的协调运行。此外，晶体振荡器在光纤通信中的增长也比较突出，主要源于高精度和稳定性的需求，以确保数据传输的准确性，以及要求较低的相位噪声和抖动保障高速数据传输。综上所述，晶体振荡器有望受益于AI服务器和光纤通信的增长。


审核编辑 黄宇