Silicium vervangt kristallen oscillators

Een Amerikaans bedrijf denkt de bekende kwartskristallen in elektronica overbodig te kunnen maken. De fabrikant zegt dat zijn cmos-oscillators wat nauwkeurigheid betreft met kwartskristallen kunnen concurreren.

In vrijwel alle apparatuur worden kristallen toegepast als kloksignaalgenerator; jaarlijks worden zo miljarden kristallen gebruikt. Zo wordt in de bekende digitale 'kwartshorloges' een kwartskristal gebruikt voor het genereren van een stabiele frequentie die dient als kloksignaal voor de elektronica. Ook in veel andere elektronica, waaronder mobiele telefoons en computers, worden kwartskristallen gebruikt voor het genereren van precieze frequenties. Deze piëzoëlektrische resonators zijn echter analoog en daarom niet in een lithografisch procedé te integreren.

Het in Portland gevestigde Integrated Device Technology heeft een cmos-oscillator gebouwd die de concurrentie met analoge, kristallen varianten zou aankunnen. Volgens IDT heeft de oscillator een nauwkeurigheid van 100ppm, of parts per million. De chip, de IDT3C02, wordt al aan oem's geleverd en zou onder meer gebruikt gaan worden in netwerkadapters, displayport-chips, pci-express- sata- en usb 3.0-controllers.

De IDT3C02 meet 2,5 bij 2 bij 0,9 millimeter en zou goedkoper en zuiniger zijn dan analoge alternatieven. Volgend jaar wil IDT de nauwkeurigheid tot 50ppm hebben verdubbeld, waarmee het voor fabrikanten nog aantrekkelijker wordt om de cmos-oscillators in hun ontwerpen te integreren.

Reacties (44)

[Backbird]

Die opmerking dat kristaloscillators niet op een chip zijn te integreren omdat ze analoog zijn, is een rare opmerking. Er worden namelijk gigantisch veel analoge schakelingen op chips geintegreerd. Het probleem is dat het productieproces van kristallen totaal verschilt van het maken van een silicium chip, en dus daarom niet integreerbaar zijn.

[Anoniem: 241044]

Het leuke is, in deze chip is ook een analoge schakeling geïntegreerd.

In de bron:

"...by beginning with a 3GHz self-referenced LC oscillator..."

[wkleunen]

100 ppm is nog niet echt nauwkeurig, nog niet echt geschikt voor heel veel toepassingen ben ik bang. 100 ppm is toch al gauw 8 seconden per dag drift.

[Reactie gewijzigd door wkleunen op 22 juli 2024 22:30]

[fevenhuis]

Inderdaad op Wikipedia heeft men he tover 6 ppm voor standaard kwaliteit kwarts klokken voor horloges. Dan komt men zelfs men een verdubbeling nog niet in de buurt bij standaard kwaliteit van kwarts.

Dit zal dus voor zeer beperkte doeleinden interessant zijn.

[robvanwijk]

Alle doeleinden die zichzelf toch wel een keer synchroniseren. Er staat in het artikel zelfs een opsomming:

netwerkadapters, displayport-chips, pci-express- sata- en usb 3.0-controllers

Ooit ontworpen we componenten om data uit te wisselen gebaseerd op stuursignalen (DAV/ACK bijvoorbeeld) of door de klok gewoon mee te sturen (op een aparte "data"lijn).
Tegenwoordig zijn er een heleboel protocollen (van ethernet weet ik het zeker, USB en SATA ook voor zover ik weet) die data versturen door precies in het ritme van de klok (die niet wordt meegezonden, maar door beide terminals zelfstandig wordt bijgehouden) de bitjes op de lijn te zetten.
In zo'n situatie lijkt 100 ppm me best werkbaar. Zolang het protocol maar error-detectie heeft, zodat het geen ramp is mocht je net iets uit de pas raken.

[vanaalten]

Van SATA weet ik het zeker, maar bij ethernet en USB verwacht ik iets vergelijkbaars: de klok wordt niet los meegezonden, maar in de data versleuteld. Of eigenlijk, de data wordt met een 8-bit/10-bit conversie op de lijn gezet. De conversie garandeerd een minimale hoeveelheid datawisselingen en op basis daarvan kan de klok aan de ontvangende kant 'teruggewonnen' worden. Er is aan de ontvangende kant voor het ontvangen dus geen nauwkeurige klok nodig.

[fdm391]

ethernet 10mbit gebruikt volgens mij manchester encoding en 100mbit ethernet gebruikt 4bit/5bit codering, gigabit ethernet gebruikt dan weer 8b/10b geloof ik
usb weet ik niet

[wkleunen]

Nou, ik betwijfel dat ze het voor netwerk adapters kunnen gebruiken. Om 100mbit ergens doorheen te persen heb je toch wel redelijk nauwkeurige clocken nodig, volgens mij.

[Jaco69]

1/10 promille afwijking is klein genoeg. De iets snellere of tragere download van die orde van grootte merkt niemand.

[MSalters]

"Die afwijking merkt niemand" ?!

't is toch wel vervelend als je bron denkt 1000 bits verzonden te hebben, maar je ontvanger er maar 999 van gezien heeft. Dat is niet iets langzamer, dan kun je je hele TCP/IP packet weggooien.

[Sjohnnie83]

100 ppm is toch al gauw 8 seconden per dag drift.

De specificatie van oscillatoren is gebaseert op het temperatuur bereik. Als dit -40-70 deg C is, en de opgaaf voor afwijking is 100ppm, dan is dat geldig voor over dit hele bereik.
De truc is dus om de temperatuur te controleren. Met een horloge doe je dit zelf: het zit aan je pols, dus de temperatuur in het horloge is mooi gekoppeld aan een zeer stabiele temperatuur regelaar: jou lichaam. De grafiek van de nauwkeurigheid van een horloge kristal is een parabool, met het midden van de grafiek op 25 degC. Als je nu een paar graden naar links of naar rechts gaat, dan veranderd de frequentie niet zoveel omdat je in het platte gedeelte van de grafiek zit. Echter, hoemeer je afwijkt van dit middelpunt, des te groter de afwijking.
Daarom is jou horloge nauwkeurig. Stop maar eens in de vriezer voor een dagje, dan zal je ook al gauw een minuut afwijken.

[Reactie gewijzigd door Sjohnnie83 op 22 juli 2024 22:30]

[Pmf1971]

ik vrees dat na een paar uur het ding al dood is omdat de batterij dan geen of te weinig spanning meer afgeeft....

[Anoniem: 110743]

ok wiseguy, stop 'm dan in een oven op zo'n 75 graden.
Doet je batterij het uitmuntend

Het punt van Sjohnnie leek me toch wel duidelijk...

[Reactie gewijzigd door Anoniem: 110743 op 22 juli 2024 22:30]

[Cheezus]

Ik denk dat het interessanter is om de oscilator op een chip te integreren om zo het aantal externe componenten te kunnen reduceren. De voordelen van een externe chip ipv een extern kristal zie ik zo 1,2,3 niet. Het verbruik van een kristal is nou niet zo dramatisch dat dit voor veel toepassingen een punt is (je horloge doet het immers ook jarenlang op een knoopcel).

[vanaalten]

De externe chip zou volgens het artikel ook kleiner zijn, dat is wel degelijk voor veel applicaties een voordeel. Ook het verbruik kan meetellen - alle beetjes helpen.

Daarnaast biedt het bedrijf ook los silicium aan, zodat je kan stapelen of een multichip-package kan maken. Spaar je nog meer board-ruimte, en dus geld.

[Jasper Janssen]

Eerste stap is dropin replacement. Daarna gaan ze dat ook echt wel verkopen aan mensen die het als module willen integreren.

[Sissors]

Deze piëzoëlektrische resonators zijn echter analoog en daarom niet in een lithografisch procedé te integreren.

Ik weet niet precies wat hier bedoeld wordt, maar het klopt iig niet. Twee dingen, als eerste is sowieso in de echte wereld alles analoog. Ten tweede, als je kijkt naar hoe het gebruikt wordt is juist één van de uitdagingen tegenwoordig om zoveel mogelijk analoge schakelingen te ontwerpen in processen die voor digitale logica bedoeld zijn. En dat lukt best redelijk, dus analoog op CMOS is niks bijzonders.
Edit: Wat backbird dus zei

Het probleem is denk ik eerder een combinatie van het piëzoelektrische materiaal op chip krijgen en de benodigde grootte, dat zal waarschijnlijk zo groot zijn dat je net zo goed een externe kon gebruiken. Dus dit is zeker een zeer nuttige ontwikkeling.

[Reactie gewijzigd door Sissors op 22 juli 2024 22:30]

[Jasper Janssen]

Je kunt geen externe analoge componenten op een chip bouwen. Op een chip kun je alleen lithografische processen toepassen,en niet met een pincetje een kristal erin gooien.

[vlaaing peerd]

eigenlijk leven we in een partikel wereld die te omschrijven is met informatie en is onze wereld digitaal en niet vloeiend anoloog.

Als ik het artikel doorlees lijkt me dit gezien de onnauwkeurigheid nog geen goede vervanger voor de klokkristal op moederborden. Ik snap ook niet de meerwaarde, kristallen zijn geloof ik behoorlijk goedkoop en ik zou ook niet weten waarom je geen anologe schakeling op een digitale chip te zetten of beter het kloksignaal naar een digitale processor kan sturen.

[pe1pme]

Deze piëzoëlektrische resonators zijn echter analoog en daarom niet in een lithografisch procedé te integreren.
Ik weet niet precies wat hier bedoeld wordt, maar het klopt iig niet. Twee dingen, als eerste is sowieso in de echte wereld alles analoog. Ten tweede, als je kijkt naar hoe het gebruikt wordt is juist één van de uitdagingen tegenwoordig om zoveel mogelijk analoge schakelingen te ontwerpen in processen die voor digitale logica bedoeld zijn. En dat lukt best redelijk, dus analoog op CMOS is niks bijzonders.

Alleen wat hier bedoelt wordt, is dat het stukje "rots" dat in zo'n quartskristal zit, fysiek trilt.
Het moet ook bepaalde fysieke eigenschappen hebben (denk aan vorm een grootte) om op een bepaalde frequentie te trillen. Dat kan dus niet op een chip worden uitgevoerd (lithografisch gezien)

[Reactie gewijzigd door pe1pme op 22 juli 2024 22:30]

[Aham brahmasmi]

Alleen wat hier bedoelt wordt, is dat het stukje "rots" dat in zo'n quartskristal zit, fysiek trilt. Het moet ook bepaalde fysieke eigenschappen hebben (denk aan vorm een grootte) om op een bepaalde frequentie te trillen. Dat kan dus niet op een chip worden uitgevoerd (lithografisch gezien)

Vorm en grootte zijn nou juist niet het belangrijkste; je kunt gewoon geen kwarts uit silicium etsen.

[Stoney3K]

[...]


Vorm en grootte zijn nou juist niet het belangrijkste; je kunt gewoon geen kwarts uit silicium etsen.

Kwarts is toch echt de gekristalliseerde vorm van siliciumoxide (SiO2) hoor.

Mag je raden waar het gemiddelde chip-substraat uit bestaat. Of het raam in je huiskamer.

[ls470]

Ik ben benieuwd hoe je op een silicium wafer zorgt voor quartz (SiO2 is gemakkelijk te verkrijgen, maar zover ik weet altijd in de amorfe fase, en dat is geen quartz)

[joepurlings]

Ppm staat in dit geval niet voor parts per million (dat is in een cleanroom bijvoorbeeld) maar pulses per million.

[Anoniem: 111970]

Blijft 'parts per million' - het is gewoon een eenheidsloos begrip (zolang de omvang van de 'part' en de 'per N' dezelfde eenheid zijn).

Hier zijn dat pulsen per miljoen pulsen, bij een cleanroom is het aantal stofdeeltjes in zegge 1 liter lucht per miljoen liter lucht.

[Anoniem: 180506]

bij een cleanroom is het aantal stofdeeltjes in zegge 1 liter lucht per miljoen liter lucht.

van het '1 l / 1 x 10⁶ l' klopt niets: bij een cleanroom wordt er gesproken over het aantal deeltjes van een bepaalde grootte (meestal uitgedrukt in µm) per m³ lucht. Lucht wordt daar trouwens gefilterd met HEPA en LUPA-filters.
Deze eenheid voor de hoeveelheid deeltjes in de lucht wordt trouwens ook gebruikt bij perslucht. Door de perslucht door een paar verschillende filters heen te sturen kun je vervuiling in je systeem voorkomen en gaan aangesloten apparaten hoogstwaarschijnlijk langer mee (mits er ook een luchtdroger in het systeem zit)

Hier nog wat extra info over cleanrooms.

[Reactie gewijzigd door Anoniem: 180506 op 22 juli 2024 22:30]

[ipaqlinux48]

Dus in feite een zelf oscillerende filter zeg maar?

[JapyDooge]

Mooi, weer minder kans op mechanische defecten bij het laten vallen van je moederbord

[atimar]

Een DCF77-ontvanger is voor een horloge wat minder praktisch, de antennes voor die golflengtes zijn daarvoor te groot.

hoezo? heb er 2, beide casio ... werken prima.
bij de ene zijn er metalen delen van de kast die als antenne fungeren.
bij de 2e, de ocw-m700 .... helemaal metaal, denk dat de hele kast antenne is ... en werkt nog op zonnecellen ook XD (=super zuinig)

ontopic:
al met al, 100ppm is niet slecht als begin, ben benieuwd hoe het is met temperatuur stabiliteit

[Anoniem: 82612]

Ehm...


Wat een heerlijk onzin bericht, kwarts *is* ommers Silicium oxide, dus *ook* van Silicium...

Volgens mij is het een hele slimme marketing truuk dat zelfs Tweakers er zo intuint...