KDS: Präziseres Timing für High-Speed-Kommunikation
Taktstabilität
Die Datenkommunikation erlebt ein starkes Wachstum, das durch den Einsatz von KI zusätzlich beschleunigt wird. Optische Netzwerkstandards entwickeln sich von 400G zu 800G, während 1,6T zunehmend realistisch wird. Parallel dazu steigen auch die internen Server-Schnittstellen auf PCIe Gen 6.0. Für die Taktversorgung dieser Hochgeschwindigkeitssysteme sind Differential-Quarzoszillatoren (DCXOs) unverzichtbar. Sie bieten hohe Frequenz, ultrahohe Präzision, extrem niedrigen Jitter und hohe Störfestigkeit. KDS bietet hierfür passende Produkte, die diesen Anforderungen gerecht werden.
Anforderungen an Differenzoszillatoren
Prognosen zufolge wird der weltweite Datenverkehr bis 2030 um das 30-Fache zunehmen und bis 2050 sogar um das 4.000-Fache steigen. Dieser Trend treibt die Weiterentwicklung optischer Transceiver und PCIe-Schnittstellen in Servern entscheidend voran. Diese Kommunikationsstandards nutzen das odulationsschema PAM4. Während PAM4 in optischen Transceivern bereits etabliert ist, wird mit PCIe ab Version 6.0 diese Modulation auch in der Hochgeschwindigkeits-Serverkommunikation alltäglich. Mit steigenden Datenraten wachsen die Anforderungen an präzise Zeitmessgeräte. Aufgrund dieses Modulationsschemas sind Kristalloszillatoren mit differentieller Ausgangsart erforderlich, wobei die folgenden Eigenschaften besonders wichtig werden:
- Hohe Störfestigkeit: Zur Aufrechterhaltung der Signalqualität bei der PAM4-Modulation
- Extrem geringer Jitter: Für eine stabile und zuverlässige Datenübertragung
- Hohe Frequenz: Zur Unterdrückung von Störungen durch Frequenzvervielfachung und zur Optimierung der Übertragungseffizienz
- Geringe Abweichung: Zur verlustfreien Übertragung großer Datenmengen und zur Gewährleistung einer perfekten Synchronisation zwischen Transceivern
Störfestigkeit durch differentielle Signalübertragung
Differenzausgangsoszillatoren kommen insbesondere zur Erhöhung der Störfestigkeit zum Einsatz. Sie liefern gleichzeitig zwei Signale mit 180-Grad-Phasenumkehr (phasengleich und phasenverschoben) aus. Herkömmliche einfache Oszillatoren erzeugen nur ein Ausgangssignal. Treten externe Störungen auf, überlagern sich diese direkt auf das Signal, was zu Rauschen, Synchronisationsfehlern und einer Beeinträchtigung der Kommunikationsqualität führen kann – ein kritischer Nachteil bei Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungen. Differenzielle Ausgangsoszillatoren arbeiten anders (siehe Abbildung 1): Sie nutzen die Differenz zwischen den beiden entgegengesetzt phasigen Signalen, wodurch phasengleiches externes Rauschen effektiv ausgeblendet wird. So kann der IC das vom Oszillator ausgegebene Signal stabil und unverfälscht empfangen, selbst unter störanfälligen Bedingungen.
Die Auswirkungen von Jitter
Rauschen entsteht nicht nur durch externe Quellen. Das von einem Quarzoszillator ausgegebene Taktsignal wird im empfangenden IC immer multipliziert. Je häufiger diese Multiplikation innerhalb der PLL erfolgt, desto stärker verschlechtert sich jedoch das zeitliche Rauschen des Signals – also seine Jitter-Eigenschaften. Eine Verringerung des Multiplikationsfaktors hingegen verbessert die Jitter-Performance deutlich.
Auf dem Weg zu höheren Frequenzen
Lange Zeit stellte die hohe Frequenz von Quarz-oszillatoren den Engpass dar. In den letzten Jahren konnte jedoch die Entwicklung von Frequenzen über 100MHz durch den Einsatz von Reverse-MESA-Quarzrohlingen (siehe Abbildung 2) vorangetrieben werden. Um die durch die Multiplikation innerhalb des IC verursachte Rauschverstärkung zu minimieren, beschleunigt sich nun die Verlagerung vom herkömmlichen 100MHz- bis 156MHz-Band hin zu höheren Frequenzen.
Quarz- vs. MEMS-Oszillatoren
Unter den wesentlichen Eigenschaften, die für diese Hochgeschwindigkeits-Kommunikations-Zeitsteuerungsgeräte erforderlich sind, ist die wichtigste wahrscheinlich die Jitter-Charakteristik, die vom Zeitsteuerungsgerät ausgegeben wird. Jitter führt direkt zu Kommunikationsfehlern.
Quarzoszillatoren sind hier MEMS-Oszillatoren überlegen, die zwar in den letzten Jahren eine bemerkenswerte Entwicklung erfahren haben, aber Frequenzen intern durch Oszillations-ICs vervielfachen und dadurch ein höheres Jitter-
Neue KDS-Oszillatoren mit Differenzausgang
Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat KDS die Differenzausgangsserien DS und DE angekündigt, die sich beide durch eine verbesserte Jitter-Leistung auszeichnen. Künftig wird die DS-Serie Standard-Anwendungen abdecken, während die DE-Serie das Hochleistungssegment besetzen wird. Die DS-Serie ist speziell auf die aktuell weit verbreitete Frequenz von 156,25MHz ausgelegt. Die Frequenzstabilität von ±50ppm im Temperaturbereich von -40 bis +105°C entspricht dem Industriestandard. Deutlich verbessert wurde jedoch die Jitter-Performance: Während der etablierte DSO223SK mit LV-PECL-Ausgang im 2520-Gehäuse einen typischen Jitter-Wert von 90fs erreicht, erzielt der DS2520AK einen typischen Wert von nur 32fs – und setzt damit neue Maßstäbe in seiner Klasse.
DE-Serie für mehr Leistung
Die DE-Serie geht noch einen Schritt weiter und erweitert die Leistungsfähigkeit der DS-Serie in zwei entscheidenden Punkten: Zum einen bietet sie mit ±20ppm (-40 bis +105°C) eine nochmals deutlich reduzierte Frequenzabweichung. Zum anderen hält sie diese hohe Stabilität selbst bei der doppelten Frequenz von 312,5MHz aufrecht. Die Jitter-Genauigkeit liegt im direkten Vergleich zur DS-Serie – bezogen auf das jeweilige Frequenzverhältnis – geringfügig darunter, bewegt sich jedoch weiterhin auf einem nahezu gleichwertig hohen Leistungsniveau. Im Vergleich zum zuvor erwähnten DS2520AK bei 156,25MHz hat der DE2520AK bei 156,25MHz beispielsweise einen typischen Wert von 35fs.
Die Entwicklung der DE-Serie hin zur Unterstützung von 312,5MHz-Signalen zeigt, dass sich der Trend bei Quarzoszillatoren zu noch höheren Frequenzen verschiebt. Tatsächlich strebt KDS an, bis etwa 2027 oder 2028 Oszillatoren zu entwickeln, die 625MHz – das Doppelte von 312,5MHz – und sogar 1,3GHz – das Dreifache davon – erreichen können. Quarzoszillatoren, die vor einer Generation noch Mühe hatten, 125MHz zu erreichen, scheinen nun dank der Einführung von invertierten MESA-Rohlingen bereit zu sein, dieses Frequenzband zu erreichen.
Die wichtigsten Merkmale der DS-Serie
- Verfügbare Frequenzen: 100MHz, 125MHz und 156,25MHz
- Frequenzabweichung: ±50ppm (-40 bis +105°C)
- LV-PECL Output Oszillatoren: DS2016AK (2,0×1,6mm) und DS2520AK (2,5×2,0mm)
- LVDS Output Oszillatoren: DS2016AJ (2,0×1,6mm) und DS2520AJ (2,5×2,0mm)
- HCSL Output Oszillatoren: DS2016AD (2,0×1,6mm) und DS2520AD (2,5×2,0mm)
- Versorgungsspannung: LVDS +1,8V, +2,5V, +3,3V
- Muster sind bereits verfügbar.
- Die Massenproduktion startet im Juni 2026.
Die wichtigsten Merkmale der DE-Serie
- Verfügbare Frequenzen: 100MHz, 125MHz, 156,25MHz und 312,5MHz
- Frequenzabweichung: ±20ppm (-40 bis +105°C)
- LV-PECL Output Oszillatoren: DE2016AK (2,0×1,6mm) und DE2520AK (2,5×2,0mm)
- LVDS Output Oszillatoren: DE2016AJ (2,0×1,6mm) und DE2520AJ (2,5×2,0mm)
- HCSL Output Oszillatoren:
- Muster sind bereits verfügbar.
- Die Massenproduktion startet im August 2026.
Zukünftige Frequenzen: 625MHz/1,3GHz
Alleinstellungsmerkmale der DE- und DS-Serie: Arkh.3G und Arkh.2G
Die DS- und DE-Serien basieren auf der von KDS entwickelten Oszillatorarchitektur »Arkh. 2G«. Diese hat zwar die gleiche Struktur wie ein herkömmlicher Quarzoszillator, enthält jedoch anstelle eines Quarzrohlings einen fertigen Quarzresonator, der aus drei Quarzwafern besteht und als »Arkh.3G« bezeichnet wird. Dies bietet drei wesentliche Vorteile (siehe Abbildung 3):
- Erhöhte Stoßfestigkeit durch die robuste Mehrscheiben-Konstruktion
- Deutlich reduzierte Ausfallraten im Feld
- Einfachere Skalierung der Produktionskapazitäten aufgrund des geringeren Platzbedarfs für Oszillatorherstellungsprozesse und -anlagen
Verbesserte Zuverlässigkeit
Der Einsatz eines fertigen Kristalloszillators als Oszillationsquelle kann die Stoßfestigkeit deutlich erhöhen und die Fehlerquote auf dem Markt drastisch reduzieren. Der Kristallrohling ist dabei doppelt umschlossen, wodurch er widerstandsfähiger gegenüber äußeren Stößen ist als herkömmliche Kristalloszillatoren. Selbst mit der Einführung von Reverse-MESA-Rohlingen, die höhere Frequenzen ermöglichen, bleibt das Schwingungselement ein dünner Kristallrohling – eine Struktur, die bei höheren Frequenzen besonders vorteilhaft ist. Darüber hinaus sorgt der Einsatz eines bereits geprüften, fertig montierten Oszillators für eine deutlich geringere Ausfallrate nach der Geräteinstallation im Vergleich zu Lösungen, die nur rohe Kristallrohlinge verwenden. Ein großer Teil der Kristallausfälle ist auf Fremdkörper zurückzuführen, die am Schwingungskristallrohling haften bleiben. Selbst wenn sich während des Oszillator-Montageprozesses zufällig Fremdkörper einschleichen sollten, wäre eine Oszillatorquelle, die bereits als Fertigprodukt geprüft wurde, davon völlig unbeeinträchtigt.
Effizienz in der Fertigung
Auch die Platzersparnis im Oszillator-Herstellungsprozess ist heutzutage ein entscheidender Faktor. Im typischen Herstellungsprozess für Quarzoszillatoren nimmt die Produktionsstufe der Quarzrohlinge den größten Teil des Platzes ein. Der Grund dafür ist, dass bei der Herstellung von Kristallrohlingen die Oberfläche gereinigt, gewaschen, mit Elektroden versehen und anschließend frequenzabgestimmt werden muss – jeder dieser Schritte erfordert große Spezialgeräte. Hinzu kommen noch die Montage des Oszillator-ICs und die Endmontage des Produkts sowie die anschließende Prüfung und Verpackung. Um die derzeitigen Massenproduktionsmengen deutlich zu steigern, müsste man im Extremfall eine weitere Fabrik bauen, was mit enormen Kosten verbunden wäre.
Skalierbare Produktionskapazität
Bei Wafer-Quarzoszillatoren wie Arkh.3G kann jedoch der gesamte Herstellungsprozess für die Oszillatorquelle in einer einzigen Produktionsanlage durchgeführt werden. Dadurch kann der freie Platz für zusätzliche Montage- und Verpackungsprozesse genutzt werden (siehe Abbildung 4). Die großen Quarzhersteller arbeiten alle mit voller Kapazität. Umgekehrt steigt die Nachfrage nach Quarzoszillatoren weiter an. In den letzten zehn Jahren waren Quarzoszillatoren immer als erste betroffen, wenn Anpassungen der Produktionskapazitäten für Quarzkomponenten erforderlich waren. Das bedeutet, dass die Arkh.2G-Struktur die optimale Strategie darstellt, um den erwarteten erheblichen Anstieg der Nachfrage nach Oszillatoren mit Differenzausgang zu befriedigen. Durch die Verwendung der Arkh.3G-Struktur für die DS- und DE-Serien wird übrigens in Zukunft eine Ultra-Miniaturisierung auf Abmessungen wie 1,0×0,8mm möglich. Wafer-Typ-Quarzresonatoren mit Arkh.3G-Struktur werden zu Quarz-oszillatoren, wenn ein IC montiert wird.
Das Potenzial von Oszillatoren mit Differentialausgang
Die Verbreitung von KI ist beeindruckend. Aktuell werden viele KI-Systeme, wie etwa Large Language Models (LLMs), häufig von einzelnen, leistungsstarken KI-Server-Hubs betrieben. Mit dem Aufkommen von Edge-KI werden diese Funktionen jedoch zunehmend auf zahlreiche kleinere, lokale Hubs verteilt. Dieser Wandel bietet Vorteile wie höhere Verarbeitungskapazitäten, bessere Skalierbarkeit, niedrigeren Energieverbrauch durch Dezentralisierung und verbesserte Datenschutzmöglichkeiten.
Ausblick
In the future, a variety of electronic devices supporting Edge AI are likely to enter the market. To achieve fast communication for the massive amounts of data generated by these devices, precise timing devices are required. Consequently, the demand for differential-output oscillators is expected to increase in Europe as well. KDS is ready to actively support this development, both technically and strategically.
Ihr Ansprechparnter
Wenn Sie ultrakompakte Oszillatoren benötigen, wenden Sie sich bitte an Yasunobu Ikuno.
