엘리트 플랫폼, 쿼츠 오실레이터의 문제 해결

향후 타이밍 시장은 쿼츠 대신 MEMS 오실레이터가 주도할 것
  • 2016년 11월호
  • 김영학 기자, yhk@elec4.co.kr


MEMS 기반의 실리콘 타이밍 솔루션이 등장한 지 10년이 지났다. 당시 MEMS 오실레이터를 출시하며 세간의 주목을 받았던 싸이타임(SiTime)은 시장 판도에 변화를 줄만한 신제품을 들고 나왔다. 한국 시장 공략을 위해 방한한 짐홀브룩(Jim Holbrook) 고객 기술지원 담당 디렉터와 박인수 전략영업 담당 부사장은 이번에 출시한 엘리트 플랫폼이 쿼츠(quartz, 석영) 기반의 타이밍 솔루션에 비해 30배 더 높은 동적 성능과 20배 뛰어난 진동 내구성을 보장한다고 전했다.

MEMS 및 아날로그 반도체 전문기업이자 메가칩스(MegaChips) 자회사인 싸이타임(SiTime)은 타이밍 시장에서 전통적인 쿼츠 대신 MEMS 기반의 실리콘 타이밍 솔루션을 공급하고 있다.

MEMS 기반의 실리콘 타이밍 솔루션은 기존의 쿼츠 기반 타이밍 제품이 지닌 문제점을 해결하고 대량생산, 고객 맞춤형 제품 제공 측면에서 최근 몇 년 사이 주목을 받고 있다.

싸이타임이 이번에 출시한 엘리트 플랫폼(Elite PlatformTM)은 스트레스 요인이 있는 환경에서도 최상의 성능과 안정성, 서비스 품질을 제공할 수 있다는 점에서 기대를 모으고 있다. 엘리트 플랫폼 소개를 위해 한국에 방문한 싸이타임의 짐 홀브룩 고객 기술지원 담당 디렉터와 박인수 전략영업 담당 부사장은 “앞으로 타이밍 시장은 쿼츠를 대신해 MEMS 기반의 실리콘 타이밍 솔루션이 주도할 것”이라며 “엘리트 플랫폼을 시작으로 싸이타임은 시장의 변화와 혁신을 만들어 나갈 것”이라고 강조했다. 짐 홀브룩 고객 기술지원 담당 디렉터와의 일문일답이다.         



Q. 싸이타임이란 회사가 귀에 익숙하지않다.

짐 홀브룩 싸이타임 고객 기술지원 담당 디렉터(이하 짐 홀브룩) 싸이타임은 MEMS 및 아날로그 반도체 기업으로 MEMS 오실레이터를 통해 타이밍 시장을 공략해왔다. 전체 타이밍 시장은 60억 달러 규모로 매년 5%씩 성장하고 있다. 성장률이 낮다고 생각할 수 있겠으나 전체 타이밍 시장 중 MEMS 부문은 연간 65%씩 성장하고 있어 향후 MEMS 오실레이터가 쿼츠 오실레이터보다 선호 기술이 될 것으로 전망하고 있다. 싸이타임의 MEMS 오실레이터는 지금까지 5억 개의 누적 선적량을 기록했으며 2018년까지 10억 개 돌파를 목표로 하고 있다.

싸이타임은 MEMS, 아날로그, 시스템등에서 100여 개의 자체 특허를 보유하고 있으며, 기술적 측면에서는 경쟁사보다 3~5년 정도 앞서 있다고 자부한다. 10년 전 싸이타임이 MEMS 기술로 타이밍 시장에 도전했을 때 곧바로 글로벌 기업들이 비슷한 솔루션을 출시하려고 했지만, 기술력 차이로 인해 현재는 대부분 포기한 상태다. 싸이타임의 가장 큰 장점은 자체 PLL 기술을 활용해 고객이 원하는 사양의 제품을 추가비용 없이 바로 프로그램해서 제공하는 유연성을 지니고 있다는 점이다. 이 결과 MEMS 오실레이터 분야에서 약 90%의 시장 점유율을 기록하고 있다.


Q. 지금까지 타이밍 시장은 쿼츠기반의 오실레이터가 주를 이루고 있다. 그럼에도 불구하고 싸이타임이 MEMS 오실레이터로 시장을 공략하고 있는 배경은 무엇인가.

짐 홀브룩 타이밍 솔루션은 거의 모든 전자제품에 들어간다고 봐도 무방한데, 타이밍 제품들은 대부분 쿼츠를 기반으로 하고 있다. 문제는 쿼츠 기반 타이밍 솔루션이 기술 측면에서 제약사항이 많다는 것이다.

타이밍 시장을 세분화해보면 주파수제어(35억 달러 규모), 실리콘 타이밍(10억 달러 규모), 시스템(10억 달러 규모) 등으로 구분할 수 있다. 주파수 제어 시장은 XTAL(수정 진동자), XO(오실레이터), VCXO(전압 제어 오실레이터), OCXO(오븐 제어 오실레이터) 등이 있다. 실리콘 타이밍 시장은 CG(클록 제너레이터), 버퍼 등이 있으며, 시스템 시장에서는 마이크로세미(MSCC)등에서 출시하는 제품 등이 존재한다.

하지만 이들 제품은 각 분야별로 문제점을 내재하고 있다. 주파수 제어에서는 아날로그 전문성 결여와 막대한 자본비용이, 실리콘 타이밍에서는 주파수 제어에 대한 전문성 결여가, 시스템에서는 고객 자체 제작의 어려움 등이 존재한다. 싸이타임은 각 세분화된 시장에서 겪고 있는 문제점을 어떻게 하면 해결할 수 있을 지에 대해 고민했고, 그 동안 쌓아온 노하우를 통해 장점을 살리고 단점을 없애며 세분화된 시장을 통합해 적용할 수 있는 제품을 개발했는데, 그것이 바로 엘리트 플랫폼이다.

Q , 싸이타임에서 처음 MEMS 오실레이터를 선보인것이 10년전인데, 기술적 측면에서 어떤 발전이 있었나?

짐 홀브룩 싸이타임의 MEMS 오실레이터는 지금까지 선적한 5억 개의 타이밍 솔루션의 현장 불량률(Field Failure)은 ‘0’에 가까웠다. 2007~2015년까지 연간 평균 불량 발생률(DPPM; Defective parts million)을 살펴보면, 티어 1에서 제작한 쿼츠 오실레이터가 약 50 DPPM, 티어 2의 쿼츠 오실레이터는 약 150 DPPM인 반면, 싸이타임은 1.5 DPPM을 기록하고 있다.

싸이타임이 출시한 제품을 주파수 안정도(ppm) 측면에서 볼 때 2006년 산업 제어용이 25 ppm이었다면, 2011년 텔레콤 PBX용은 5 ppm, 그리고 이번에 출시한 스트라텀 3 정밀 Super- TCXO는 0.1 ppm으로 10년간 250배로 향상시켰다. 위상 지터 측면에서도 10년간 800배 향상됐는데, 통상 값 기준으로 2006년 마이크로프로세서용이 175 ps였다면, 2010년 컴퓨팅 서버용이 15 ps, 2016년 100 GB 이더넷용 초저 지터(Jitter) 디퍼렌셜 오실레이터가 0.23 ps의 통합 RMS 위상 지터를 달성했다. 또한 무선 인프라용의 앨런 편차(ADEV)는 2006에 출시한 SiT8002가 1e- 6이었다면, Super- TCXO는 3e- 11로 10년간 3만 배 향상됐다(그림 1~3).



LDO, DAC가 필요 없는 오실레이터

Q. 엘리트 플랫폼의 MEMS 타이밍 솔루션 제품군의 특징은 무엇인가.

짐 홀브룩 엘리트 MEMS 타이밍은 4개의 신제품으로 구성돼 있다. 통신 및 클라우드 인프라 장비를 위한 스트라텀 3(Stratum 3) 정밀 Super- TCXO는 가장 넓은 동작온도 범위인 - 40℃~+105℃에서 TCXO를 탑재한 ±100ppb의 주파수 안정성을 보장한다.

또한 타이밍 디바이스 중에서 매우 독특한 성능인 1분당 10℃의 매우 빠른 온도변화율에서 1~5 ppb/℃의 주파수 변화율(ΔF/ΔT), 전형적인 쿼츠 TCXO보다 10배 더 뛰어난 평균시간 10초에서 3e- 11의 앨런 편차, 0.2 ps/mV의 PSNR(Power Supply Noise Rejection)로 전용 시스템 LDO 불필요, 옵션 사항인 I2C/SPI를 통한 주파수 튜닝으로 외부 DAC 불필요 등이 특징이다. GNSS, 산업 및 자동차 애플리케이션용 Super- TCXO는 - 40℃~+105℃ 온도 범위에서 ±0.5 ppm의 주파수 안정도를 제공한다(그림 4).

 

초저 지터(Jitter) 디퍼렌셜 오실레이터(Differential Oscillators)는 0.23ps의 통합 RMS 위상 지터(12 kHz~20MHz), 10G·40G·100G용 이더넷 마스크(Ethernet Mask) 하에서 0.1ps의 통합 RMS 위상 지터, - 40℃~+95℃ 온도 범위에서 ±10 ppm의 주파수 안정도를 제공한다.

고온 고신뢰성 디퍼렌셜 VCXO는 뛰어난 위상 잡음 성능으로 최대 +95℃까지 지원하며, ±25 ppm~±3,600 ppm의 폭넓은 APR(Absolute Pull Range), 모든 조건에서 0.1%의 주파수 튜닝 선형성(Linearity)을 지원하며 쿼츠보다 50배 우수하다. 이 중 엘리트 기반 초저 지터디퍼렌셜 오실레이터와 고온 VCXO의 샘플은 현재 일부 고객사에게 제공되고 있고, 엘리트 기반 Super- TCXO 샘플은 2017년 1분기에 샘플이 공급될 예정이다.


Q. 쿼츠 기반 오실레이터와 MEMS 오실레이터의 차이점은 무엇인가?

짐 홀브룩 NSST 분야를 예로 들면, NSST는 네트워크 기술이 발전하면서 과거보다 더 뛰어난 성능을 요구하고 있고 장치 수도 많아져 기존보다 밀집되고 있으며, 여러 가지 요인으로 환경적 변화 역시 다양해지고 있다. 쿼츠 기반의 오실레이터의 경우 급격한 온도 변화, 기계적 충격, 진동, EMI, 전원 공급 잡음 등의 환경에 매우 민감해 동적타이밍 성능에 문제가 발생할 수 있다.

또한 기류에 민감해 데이터 링크와 패킷의 손실을 유발할 수도 있다. 스몰셀의 경우도 진동에 민감하기 때문에 통화 중단이나 데이터 링크의 손실이 생길 수 있다.

하지만 MEMS 오실레이터는 애플리케이션별로 요구하는 사양에 맞게 설계가 가능하며 기류 변화, 온도 변화, 진동, 충격, 잡음 등의 환경을 극복할 수 있다는 측면에서 장점이 있다. 이 장점은 싸이타임이 MEMS 기반 타이밍 솔루션을 지속적으로 연구개발한 결과이기도 하다.


Q. 기존의 오실레이터와 비교했을 때, 엘리트 플랫폼은 어떤 기술적 효율성을 달성했는가?

짐 홀브룩 특히 이번에 출시한 엘리트 플랫폼은 3가지 구성요소를 통해 쿼츠를 대신할 혁신적인 문제해결을 제시하고 있다. 이 구성요소를 살펴보면, 견고하고 신뢰할 수 있으며 검증된 TempFlat MEMS™는 액티비티 딥 문제를 제거하며 쿼츠보다 30배 더 우수한 진동 내구성을 갖췄다.

 

DualMEMS™ 온도 센싱은 100% 열적 결합을 형성함으로써 40배 더 빠르게 온도 추적이 가능하므로 기류나 급격한 온도 변화에도 불구하고 뛰어난 성능을 유지할 수 있다. 온칩 레귤레이터, TDC(온도- 대- 디지털 컨버터), 저잡음 PLL을 포함하는 고도로 통합적인 혼성신호 회로는 전원 잡음에 대한 내성이 5배 더 우수하고, 30 μK 온도 분해능이 가능하며(쿼츠보다 10배 더 우수), 1 MHz부터 700 MHz까지 사이의 모든 주파수를 지원할 뿐 아니라 0.23 ps의 지터를 달성한다.

OCXO와 같은 급의 ±1~±5 ppb 주파수 대 온도 변화율(ΔF/ΔT)을 달성하므로, IEEE 1588 애플리케이션에서 OCXO 대신에 스트라텀 3 정밀 Super- TCXO를 사용할 수 있다. 그로인해 기존 OCXO 대비 70%의 저전력 효율성을 달성했으며 부피 역시 50%정도 작기 때문에 저전력화, 소형화를 달성할 수 있다. 또한 DAC(digitalto- analog converter)와 LDO(low drop out regulator)의 필요성도 제거했다. 이는 I2C 인터페이스와 0.1 ppb 분해능의 디지털 주파수 튜닝으로 튜닝 정확도를 향상시킨 것(DAC 불필요)과 보드 상의 어느 스위칭 전원이나 공유(LDO 불필요)할 수 있으므로 비용을 낮추고 디자인을 간소화할 수 있다.

또한 SOIC- 8 무연 패키지이고 충격 및 진동에 대한 내구성이 뛰어나므로 더욱 개선된 솔더 접합부 신뢰성을 달성한다. 시각적/광학적 검사 비용도 낮출 수 있다. 가장 소형화된 3.2 mm×2.5 mm 패키지이며, LVPECL, LVDS, HCLS 출력으로 0.23 ps의 지터를 달성하므로 SFP 모듈 같은 소형 폼팩터 애플리케이션에 사용하도록 고주파 저 지터 타이밍 레퍼런스를 제공한다.



듀얼 MEMS로 동적 성능 향상

Q. ADEV, TDEV, MTIE와 같은 텔레콤 분야의 주요 규격 요건과 관련해 스트라텀 3 정밀 Super- TCXO의 동적성능은 어떠한가?

짐 홀브룩 스트라텀 3 정밀 Super- TCXO는 기류, 열 충격, 진동 같은 환경 스트레스에 대해서 내구성이 뛰어나도록 설계됐다. <그림 5~8>은 엘리트 제품의 동적 성능을 나타낸 것이다.

ADEV, TDEV, MTIE 그래프에서는 대부분 CPU 기반 시스템에서 사용되는 표준 쿨링팬으로 인한 기류가 가해지는 상황에서 엘리트 제품과 동급 최상의 ±50 ppb 쿼츠 TCXO의 성능을 비교해서 보여주고 있다.


Q. 스트라텀 3 정밀 Super- TCXO는 어떻게 이와 같은 동적 성능을 달성할 수 있는가? 쿼츠 TCXO로도 동일한 성능을 달성할 수 있는가?

짐 홀브룩 스트라텀 3 정밀 Super- T CXO는 혁신적인 듀얼 MEMS(DualMEMS™) 아키텍처와 터보컴펜세이션(TurboCompensation™) 기술을 결합해 가능했다.

이 아키텍처에서 특징적인 것은 세계에서 가장 정확한 실리콘 온도 센서를 채택하고 있다는 점이다. 온도 센싱 구조는 동일 다이 상에 2개의 MEMS 공진기(Resonator)로 이루어졌다. 이러한 구조는 쿼츠를 사용할 때는 불가능하고 반도체를 사용할 때만 가능하다. 이 중 한 공진기는 온도에 대해서 주파수 특성이 평탄하도록 설계됐으며, 두 번째 MEMS 공진기는 온도 변화에 대해서 민감하도록 설계되어 온도 센서의 역할을 한다. 두 공진기 사이의 주파수 비율이 30 μK 분해능으로 공진기 온도에 대한 정확한 리딩을 제공한다(그림 10).

 

이러한 듀얼 MEMS 설계는 공진기와 온도 센서 사이에 열 경사도를 제거한다. 두 공진기가 물리적으로 동일 다이기판 상에 놓여 있기 때문에 100% 열적 결합을 형성하므로 MEMS 공진기와 MEMS 온도 센서 사이에는 어떠한 지체도 없다.

이렇게 정확한 듀얼 MEMS 온도 센싱구조는 물론, CMOS IC에 첨단 온도 보정 회로도 포함하고 있다. MEMS 다이는 혼성신호 오실레이터 IC 위에 탑재되기 때문에 MEMS와 CMOS IC 다이 사이에 긴밀한 결합이 형성된다. 이처럼 긴밀한 결합을 형성할 수 있는 구조이므로 스트라텀 3 정밀 Super- TCXO는 쿼츠 기반 솔루션보다 훨씬 빠르게 과온도를 검출하고 보정할 수 있다. 또한 터보컴펜세이션 설계는 수백 Hz로 실행되는 보정 대역폭을 사용해서 쿼츠 TCXO보다 훨씬 뛰어난 동적 성능을 보여준다(그림 11).

 

반면 쿼츠 TCXO는 기본적으로 공진기로부터 떨어져 있는 오실레이터 IC에 배치되어 있는 디스크리트 온도 센서를 사용해 성능이 저하된다. 쿼츠 크리스털은 패드 상에 탑재되고 비아를 통해 오실레이터 IC로 연결된다. 따라서 공진기와 오실레이터 IC가 분리되어 있으므로 크리스털이 자유롭게 진동할 수 있게 된다.

크리스털 공진기와 온도 센서가 떨어져 있고 열적 결합을 이루고 있지 않아 루프 안정성 문제를 일으키지 않으면서 빠르게 온도 보정을 할 수 있는 루프를 설계하기는 어렵다. 그렇기 때문에 쿼츠 기반의 TCXO는 통상적으로 보정 대역폭이 5~10 Hz여서 급격한 변화를 추적하기에는 너무 느리며 기류나 온도 불안정성이 가해졌을 때 갑작스러운 주파수 점프를 일으킬 수도 있다.

10년 안에 MEMS가 쿼츠의 시장점유율을 앞설 것 

Q. 엘리트 플랫폼 출시로 싸이타임의 제품 포트폴리오와 타깃 시장은 어떤 변화가 있는가?

짐 홀브룩 싸이타임은 엘리트 플랫폼 출시로 NSST(네트워킹, 서버, 스토리지, 텔레콤), 자동차, 고정밀 GNSS, 시험 계측 애플리케이션용으로 사용할 수 있는 MEMS 타이밍 제품을 더욱 다양화할 수 있었다.

스트라텀 3 정밀 Super- TCXO 출시로 스몰셀, IEEE 1588, 동기 이더넷, 광전송 같은 새로운 애플리케이션에 사용할 수 있는 MEMS 정밀 오실레이터 제품군을 더욱 확대하게 됐다. 이들 분야에서는 시스템 차원에서 견고한 성능을 달성하기 위해 스트라텀 3 등급 및 동적 성능을 중요하게 요구하고 있다. GNSS, 산업 및 자동차 애플리케이션용 Super- TCXO는 뛰어난 동적 안정성으로 산업용 및 자동차용 GNSS 시스템의 신뢰성 및 성능에 대한 요구를 충족한다.

일상적인 환경적 스트레스에서도 더 정확한 포지셔닝과 더 빠르게 위성을 포착할 수 있다. 또한 초저 지터 디퍼렌셜 오실레이터는 싸이타임의 기존 차동 제품을 보완하기 위한 것으로, 0.1~0.3ps 지터를 요구하는 고속 데이터 통신에 사용하기에 적합하다. 고온 고신뢰성 디퍼렌셜 VCXO는 무선 리피터, CMTS(케이블 모뎀 종단 시스템), 브로드캐스트 시스템 같은 애플리케이션에 적합하다. 싸이타임의 기존 VCXO는 오디오 및 산업용 애플리케이션에 적합하다.

Q. 앞서 MEMS 시장이 연간 65%씩 성장한다고 했는데, 향후 타이밍 시장의 판도를 예상한다면?

짐 홀브룩 쿼츠의 기술력은 높은 수준으로 진화하지 못하고 있는 상태다. 앞서 설명한 쿼츠의 단점을 개선한 MEMS 기반 실리콘 타이밍 솔루션은 앞으로 빠르게 시장을 확대해 나갈 것이라 전망한다. 예측컨대, 10년 안에 MEMS는 쿼츠를 대신해 타이밍 시장을 주도하는 기술로 등극할 것이다.

그 이유는 MEMS 기반 타이밍 솔루션이 대량생산이 가능하고 표준 공정을 거치며 별도의 추가 비용 없이 고객이 원하는 대로 다량의 타이밍 솔루션을 빠르게 생산해낼 수 있기 때문이다. 따라서 안정성과 내구성 측면의 기술 부분은 이미 쿼츠 기반의 타이밍 솔루션을 앞섰으며 가격경쟁력이나 효율성, 디자인 측면에서도 뛰어나 앞으로 타이밍 시장은 MEMS를 중심으로 재편될 것이다. 

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