~Maker Interview~

メーカのHOTなトピックス、今最も注力している製品にフォーカスし、
開発現場や製品企画担当の方々に戦略や今後の方針を語っていただくコーナー。
※最新の業界動向をお届けします。

SiTime – MEMSタイミング・デバイスの品揃えを強化、「顧客の課題解決」を売り物に市場拡大を図る

Piyush Sevalia氏

 独Robert Bosch社から独立するかたちで2003年に設立された米SiTime社。MEMS技術で製造した振動子(レゾネータ)や発振器(オシレータ)などの「MEMSタイミング・デバイス(MEMSデバイス)」を市場に広く普及させるべく、先行する水晶タイミング・デバイス(水晶デバイス)の牙城に挑み続けてきた。

 チップワンストップの「Maker Interview」のコラムでは2018年2月に、SiTime社でマーケティング担当Executive Vice Presidentを務めるPiyush Sevalia氏にインタビューし、MEMSデバイスの特徴や当時の製品ポートフォリオなどについて聞いた(関連記事:https://www.chip1stop.com/sp/interview/sitime-mems_iv)。それから約3年が経過。その間にMEMSデバイスを取り巻くビジネス環境はどのように変化したのか。MEMSデバイスによる水晶デバイスの置き換えはどの程度進んだのか。新しく市場投入したMEMSデバイスにはどのような製品があるのか。今回も前回と同じく、Piyush Sevalia氏に最新の状況を聞いた
(聞き手:山下勝己=技術ジャーナリスト)。

前回のインタビューから約3年が経過した。その間、SiTime社を取り巻く環境は、どのような変化があったのか?

Sevalia 最大の変化は、米国の株式市場「NASDAQ(National Association of Securities Dealers Automated Quotations)」に上場したことだろう。当社は、2014年に日本のメガチップスに買収され、その後は同社の一部門として活動してきた。しかしその後、メガチップスは2020年6月にSiTime社株式の一部を売却。その後、NASDAQに上場し、現在は公開企業になっている。

MEMSデバイスによる水晶デバイスの置き換えは順調に進んでいるのか?

Sevalia 正確に言うと、「MEMSデバイスによる水晶デバイスの置き換え」という表現は正しくない。当社はただ単に、水晶デバイスを置き換えているわけではない。実際のところ、水晶デバイスよりも低い価格を提示して、それを置き換えるというビジネスには取り組んでいない。基本的には、顧客が困っていることや水晶デバイスでは実現できないことに対して、MEMSデバイスを使った解決策を提案することで新しいビジネスを獲得している。例えば、5G通信機器やロケットなどの用途では、振動に対して高い周波数安定度を確保しなければならない。ところが水晶デバイスでは、求められる周波数安定度を達成するのは難しい。MEMSデバイスを使うしか解がないのが実情だ。こうした強みを生かして新しい市場を獲得し、着実にシェアを拡大させている。

現在、市場シェアはどのぐらいなのか?

タイミング・デバイスの市場規模

図1:タイミング・デバイスの市場規模
タイミング・デバイスの市場規模は、2018年に約77億米ドルだった。2024年には約101億米ドルに達する見込みだ。仏Yole Développement社調べ。

Sevalia 振動子(レゾネータ)や発振器(オシレータ)、クロックICを含めた世界全体の市場規模は2018年に約77億米ドルに達した(図1)。一方、同じ年の当社の売上高は1.16億米ドルであり、市場シェアに換算すると約1.5%になる。売上高の上位10社には入っているものの、決して大きな市場シェアではない。逆に言えば、低価格を売り物とする市場に参入し、売上規模を拡大させることは目指していない証になるだろう。ただし、売上高の成長率は極めて高い。2020年は前年比で38%増の成長率を達成した。これは競合メーカーを圧倒する数字だ。累計出荷個数は2020年に20億個を超えた。顧客の数は1万社に達しており、アプリケーションの数は200種類にのぼる。

新型コロナの感染拡大の影響はなし

2020年は、世界全体で新型コロナウイルス(COVID-19)の感染が拡大した。SiTime社のビジネスが受けた影響はどの程度だったのか?

Sevalia 当社は、ファブレス企業である。MEMSデバイスの製造は、外部企業に委託している。具体的には、MEMSチップの製造はRobert Boschのドイツの工場に、CMOSチップはTSMCの台湾工場と米国(オレゴン州)工場に委託している。パッケージングについてはASE社の台湾工場、UTAC(United Test and Assembly)のタイ工場、Carsem社のマレーシア工場という3カ所を利用している。いずれの工場も、新型コロナウイルスの感染拡大の影響を受けていない。生産に支障を来すことは一切なかった。

こうした製造体制を構築したのは、事業継続計画(BCP:Business Continuity Planning)対策が目的か?

Sevalia その通りだ。生産拠点を分散させれば、災害などの緊急事態が発生したときに、その影響を最小限に抑えられる。しかも生産拠点だけでなく、デザインセンターも複数カ所に設置している。具体的には、米国やオランダ、ウクライナ、ロシア、台湾、日本などに置いている。

MEMSチップの製造は、Robert Bosch社のドイツ工場だけだが、これでBCP対策は十分なのか?

Sevalia Robert Bosch社は世界最大のMEMSチップ・メーカーであり、生産規模は極めて大きい。一方、当社が必要とするMEMSチップは非常に小さいものであり、1枚のシリコン・ウエハーから大量に生産できる。従って、常時生産する必要はなく、一度生産して在庫として蓄えておくことが可能だ。このためBCP対策としては問題ない。

 こうした十分なBCP対策は、水晶デバイスに対するメリットでもある。日本や台湾の水晶デバイス・メーカーは、自社工場で製造しているところがほとんどで、製造拠点を十分に分散できていない。不幸にも、1カ所もしくは2カ所の工場が災害などでダメージを受けると、生産が完全に止まってしまう危険性がある。

 一方、当社は生産拠点を世界中に分散させている。しかも、シリコン・ウエハーや、MEMSチップ、CMOSチップ、最終製品といった様々な形態で在庫を確保しているうえに、プログラマブルな製品が多いため顧客の要求に柔軟に対応できる。このため、仮に1カ所の工場の生産が災害の影響を受けて停止しても、顧客への製品供給に支障を来すことは考えられない。

クロック・ジェネレータなどを製品化

SiTime社のMEMSデバイスの強みを教えてほしい。

スマートスピーカーやテレビなどを狙う

図2:MEMSタイミング・デバイスを構成する3つの技術
MEMSタイミング・デバイスは、MEMSチップとCMOS(プログラマブル・アナログ)チップ、パッケージ(システム)という3つの技術から構成されている。

Sevalia 当社の強みは、MEMSデバイスを構成する3つの技術、すなわちMEMSチップとCMOSチップ、パッケージングのそれぞれにある(図2)。

 MEMSチップは、Robert Bosch社が製造しているが、当社専用のレシピがある。さらに、高精度のMEMSシミュレーション・ツールを独自開発しており、これらを使うことで高性能なMEMSチップを実現することが可能になっている。

 CMOSチップはMEMSチップを制御する役割を担う。中身は高精度なアナログ回路とデジタル回路であり、いわゆるミックスト・シグナル・チップである。CMOSチップの特徴は、高性能ながらも低消費電力であることだ。さらに高精度な温度センサーも集積できる。当社のアナログ設計チームは、業界トップクラスの実力を誇る。だからこそ、実現できたと言えるだろう。

 このMEMSチップとCMOSチップを組み合わせてパッケージングする工程も重要だ。どのような材料を使い、どのような構造にするのか。それだけでMEMSデバイスの性能は10倍程度違ってくる。当社は熱設計を含めて、様々なノウハウを蓄積している。こうしたノウハウを活用することで、最適なパッケージ設計が可能になった。

現在、こうした技術を使って、どのような製品を用意しているのか?

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図3:5つのカテゴリの製品を用意
SiTime社は2020年8月に、クロック・ジェネレータ、ジッタ・クリーナ、クロック・シンクロナイザを市場に投入した。この結果、従来から製品化していた振動子(レゾネータ)と発振器(オシレータ)を合わせて5つのカテゴリの製品が揃った。

Sevalia 現在、5つのカテゴリーの製品を用意している。具体的には、MEMS振動子(レゾネータ)、MEMS発振器(オシレータ)、クロックジェネレータ、ジッタ・クリーナ、クロック・シンクロナイザの5つだ(図3)。2020年前半まではMEMS振動子とMEMS発振器だけだったが、2020年8月にクロック・ジェネレータ、ジッタ・クリーナ、クロック・シンクロナイザを製品化した。この3つの新製品は、当社のMEMS振動子を内蔵するため、高い性能が得られる。

 ここで注目してほしいCMOSは、5つのカテゴリのすべてを1社で供給している点だ。水晶デバイス・メーカーは基本的に水晶発振子(水晶振動子)しか製造していない。水晶発振器も製品化しているが、水晶発振チップは一部のケースを除き外部企業から調達している。もちろん、クロック・ジェネレータ、ジッタ・クリーナ、クロック・シンクロナイザは手掛けていない。一方、クロックICメーカーはクロック・ジェネレータ、とジッタ・クリーナ、クロック・シンクロナイザ、水晶発振器を製品化しているが、これらに内蔵する水晶発振子(振動子)は製造しておらず、外部から調達しなければならない。

 つまり、5つのカテゴリーの製品すべてを1社で供給できるのは当社だけということになる。

クロック・ジェネレータ、ジッタ・クリーナ、クロック・シンクロナイザは、MEMS振動子やクロック発振回路などを1チップ化しているのか?

Sevalia MEMSチップとCMOSチップの2チップ構成である。ただし、技術的には1チップ化は可能であり、過去に取り組んだ経験がある。しかし、MEMS振動子とクロック発振回路の製造プロセスは大きく異なり、コストを押し上げる要因になる。一方でSiP(System in a Package)技術は、コストが低下している。つまりコスト効率を考慮して、現在はSiPを採用している。

周波数安定度と信頼性の高さが強み

MEMS振動子は今まで通り、MHz帯向けとkHz帯向けの2種類を利用しているのか?

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図4:量産する振動子
現在、主に2つの振動子(レゾネータ)を量産している、MHz帯(48MHz)向けとkHz帯(524kHz)向けの2つである。

Sevalia 現在、大量量産しているのは、MHz帯向けとkHz帯向けの2種類である(図4)。ただし、このほかにも3種類のMEMS振動子を製造している。このうち2種類は前世代のMEMS振動子だが、残る1種類は最新のものだ。それは「DualMEMS™」と呼ぶもので、MHz帯向け振動子を2つ集積した。周波数安定度がppbオーダーの超安定品を実現できる。集積した2つの振動子のうち、1つは温度センサーの役割を果たす。つまり、DualMEMS™を使えば、TCXOを実現できる。

 1つのMEMSチップ上に、クロック信号用振動子と温度センサー用振動子を作り込む意義は大きい。TCXOは、水晶振動子と温度センサーを別チップに作り込んでいるため、それぞれの間には温度差ができてしまう。これが周波数安定度の限界を決めていた。現在、水晶デバイス・メーカーは、水晶発振子(振動子)に温度センサーを搭載することを検討しているが、技術的な難易度が高く実現には至っていないようだ。

MEMSチップの製造に関する技術的な強みを具体的に教えてほしい。

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図5:「EpiSeal™」技術
EpiSeal™は、MEMSタイミング・デバイスの表面をシリコンのエピタキシャル膜でフタをする技術である。これによってエージング(経年変化)を最小限に抑えられるという。

Sevalia 周波数安定度が5ppm以下のMEMSデバイスを実現しようとすると、エージング(経年変化)を抑える振動子が必要不可欠になる。当社は、このエージングを制御する技術を確立している。具体的には、MEMSデバイスに最後にフタをする技術である。「EpiSeal™」と呼ぶ(図5)。具体的には、シリコン・ウエハーに作り込んだMEMS振動子の上に、真空かつ1100℃の高温環境下でシリコン・エピタキシャル膜を形成する技術である。

 通常、MEMS振動子の製造工程でドライ・エッチングを行うと、デバイス表面にしわが残り、これがエージングの原因になる。しかし、EpiSeal™を実行すると、このしわが溶けて再結晶化して表面がツルツルになる。さらに不純物があってもEpiSeal™によって除去できる。このため、エージングを極めて少ないレベルまで抑え込める。

周波数安定度が高いほかにも製品の強みはあるのか?

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図6:MEMSタイミング・デバイスのMTBF時間
MEMESタイミング・デバイスの平均故障間隔(MTBF)時間は19億6000万時間と長い。水晶タイミング・デバイスの約5倍である。

Sevalia もう1つの強みは信頼性が高いことだ(図6)。水晶デバイスの平均故障間隔(MTBF:Mean Time Between Failure)はメーカーよって異なるが、3800万時間や2800万時間である。ところが当社のMEMSデバイスは19億6000万時間と長い。圧倒的な差がある。これを実際に電子機器に適用したケースに換算すると、1年間に1万個を使った場合、当社のMEMSデバイスの故障数はわずか0.04個だけ。一方で水晶デバイスは2.3個、もしくは3.1個になる。なぜ、こうした差が生じるのか。MEMSデバイスの信頼性は、一般的な半導体チップと同じだが、水晶デバイスはメカニカルな部品を採用しているため信頼性が若干低くなるからだ。

5G通信機器が市場拡大を牽引する

今後、MEMSデバイス市場を牽引するアプリケーションは何か?

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図7:5G通信システムを構成する様々な装置で使われる
MEMESタイミング・デバイスは、ルーターや、バックホール機器、ミッドホール機器、エッジ機器など、5G通信システムを構成する様々な装置に使われている。

Sevalia 5G通信機器がMEMSデバイス市場拡大の牽引役となるはずだ。なぜならば、5G通信機器では、4G通信機器よりも高い時刻同期精度が求められるからだ。具体的には130nsである。130ns以内に収めないと、通信システムがうまく機能しない。そこで5G通信システムを構成する様々な機器や装置にTCXOやOCXOを適用することになる(図7)。

 ここで重要になるのが、温度変化に対する周波数安定度である。当社が開発したDualMEMS™技術は、MEMS振動子と同じチップに温度センサーを作り込んでいるため、周囲温度が変化しても発振周波数の変動幅を最小限に抑え込める。この変動幅は、水晶デバイスに比べると圧倒的に狭い。

 さらに、意外と知られていないのだが、一般的なTCXOやOCXOは、振動を与えると発振周波数が変動するという欠点がある。例えば、5G通信機器はポール(塔)の上部に取り付けられるケースが少なくない。このポールを道路に近くに設置すると、トラックなどの重い車両が通過すると大きく振動し、無線リンクが切れる現象が発生する。当社のMEMSデバイスは一般的な水晶デバイスに比べると、振動に対する耐性が十〜数十倍と高い。このため通信リンクが切れる現象を未然に防げる。この点が評価されて、すでに5G通信機器での採用が始まっている。

水晶デバイスでは、5G通信機器が求める振動耐性はクリアできないのか?

Sevalia 振動に対する耐性は、5G通信の標準規格では規定されておらず、各通信事業者が独自に設定している。つまり、振動耐性の仕様は通信事業者で違う。実際のところ、水晶デバイスを使っても、各通信事業者の仕様はクリアできるようだ。しかし、水晶デバイスを採用した場合は、通信機器メーカーが各通信事業者の定めた仕様をクリアする開発で苦労するという。一方で、当社のMEMSデバイスを採用すれば簡単にクリアできる。ある国内通信機器メーカーは、「SiTime社のMEMSデバイスを使えば、日本の通信事業者が実施する地震耐性テストを通しやすくなる」とコメントしている。

現在の製品ポートフォリオを教えてほしい。

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図8:製品ポートフォリオ
モバイル/IoTや、産業/民生、自動車用、テレコム/エンタープライズ、航空宇宙/軍用という応用分野に向けて製品を用意した。

Sevalia 図8が現時点(20201年2月)での製品ポートフォリオである。モバイル/IoTや、産業/民生、自動車用、テレコム/エンタープライズ、航空宇宙/軍用という5つの応用分野に向けて製品を用意している。

 図中でピンを刺したイラストを描いている製品は、水晶デバイスとのコンパチブル品である。回路設計や配線レイアウト設計を変更することなく、水晶デバイスを置き換えられる。緑色で示した製品は、低消費電力化に特化した「ナノドライブ™」品だ。32kHz出力品は、出力回路の消費電力が占める割合が大きくなる。そこでナノドライブ™品では、出力信号の振幅を調整する機能を搭載することで低消費電力化を可能にした。赤色で示したのは差動出力品。青色で示したのはLVCMOS出力品である。紫色で示したのは、クロック・ジェネレータなど、2020年に製品化したクロックICである。

 こうした製品の中で特筆すべきは、DCTCXOだろう。この製品は水晶デバイスでは用意していない。SPIインターフェース経由で入力したデジタル信号で、出力クロック信号の周波数を制御できる。

現在、特に営業販売に力を入れている製品は何か。

Sevalia 現在、特に力を入れている製品は4つある。1つ目は、プログラマブルのMEMS発振器「SiT8008」である。非常に汎用的な発振器であり、産業機器などの幅広い用途で使える。しかも、水晶発振器とのピン互換性を確保しているため、回路設計や配線レイアウト設計を変更することなく簡単に置き換えられる。

 2つ目は、車載機器に向けたMEMS発振器(SPXO)「SiT8924」である。車載用半導体ICの品質規格「AEC-Q100」に準拠しており、動作温度範囲は−55〜+125℃と広いことが特徴である。しかも実装面積は2.0mm×1.6mmと小さい。

 3つ目は、DualMEMS™技術を適用した温度補償回路付きMEMS発振器(TCXO)「SiT5156」である。当社の「Elite™シリーズ」に含まれる製品で、通信インフラ装置向けである。DualMEMS™技術を使っているため、周波数安定度が極めて高い。±0.5ppm品と±1ppm品、±2.5ppm品を用意している。しかも消費電力が少ないという特徴もある。

 4つ目は、通信ネットワーク装置などに向けたMEMS発振器(SPXO)「SiT9366」である。Elite™シリーズに含まれる製品だが、温度補償回路は内蔵していない。ただし周波数安定度は高い。最も優れた製品は±10ppmの安定度を実現している。さらに差動クロック信号出力のため、位相ジッターが0.23psと小さいという特徴がある。

国内展開も本格化へ

日本でのSiTime製品の販売/サポートを手掛ける SiTime JAPAN MARKETING 主査 の露口剛司氏は、「一連の新製品投入後、タイミング市場は変革(パラダイムシフト)が起きている。多くのMEMS発振器の利点が認められてきている結果だと考えている。今後も、さらにMEMS発振器の認知、理解を広げて、販売数量を増やしていく」と語る。なお、2021年2月16日(火) チップワンストップ社サイトにて無料ウェビナーを開催など、日本でのSiTimeビジネスを本格化させている。

※無料ウェビナーの申し込みは終了しております。
オンデマンドで閲覧可能です。

URL:https://www.youtube.com/watch?v=DGDq3Q9HoXg

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