时钟元件 (晶体谐振器/陶瓷谐振器)
产品技术介绍
开拓数据中心市场的时钟元件（晶体谐振器）新技术―探寻支撑AI社会基础的“心脏”的进化
智能手机、家电产品等支撑日常生活的多类电子设备中，都内置了电子电路。您知道吗，电子电路中装有称为“时钟元件”的元件。它是一种确保电子电路正常工作的元件，可以产生出称为“时钟”的、具有固定间隔的信号。可以说它是电子设备的“心脏”。
在以生成式AI为首的技术飞速发展的当下，人们对更高速、更高精度的通信需求日益增长。村田制作所（以下简称“村田”）开发出了一种时钟元件，具有高频且能够将时钟信号间隔偏差（即“抖动”）控制在非常低水平的性能，并成功确立了相关技术。与当前先端产品相比，性能增强6倍的村田时钟元件将如何为社会做出贡献？我们采访了该项目的负责人野村。
1. 什么是时钟元件？ 驱动电子设备的心脏
――首先，请您介绍一下什么是时钟元件。
野村：通俗地讲，就是“钟表的基础”。时钟总是以“嘀嗒嘀嗒”这种有规律的节拍走着，对吧。时钟元件中的“嘀嗒嘀嗒”声是一种称为“时钟”的信号，时钟元件与振荡电路配合，产生作为电子电路基准的时钟信号，从而确保电子电路得以正常运行。正如演奏时以节拍器打出的节拍为基准一样，几乎悉数的电子设备都是基于时钟元件产生的固定节拍来运行的。
智能手机、电脑、家电产品、汽车等我们身边的许多电子设备，几乎都配备了IC芯片。如果把IC比作“大脑”，时钟比作“血液”，时钟元件比作“心脏”，应该就容易理解了。正如心脏以稳定的节律泵出血液，而正是有了这些血液，大脑才能正常运作一样，时钟元件（心脏）通过提供时钟（血液），使IC芯片（大脑）能够正常工作，从而驱动电子设备运行。
――请您也谈谈村田制作所时钟元件的开发历史。
野村：起初，从市场需求的角度出发，我们采用了自创业之初就具备材料技术优势的陶瓷材料。陶瓷虽小巧，却不易损坏，且具备足够的性能。但是，随着电脑等设备的兴起，市场开始需要能够支持更高频率和更高频率稳定度的晶体谐振器。
因此，从2009年左右开始，我们便与东京电波株式会社（现为株式会社岩手村田制作所）共同正式着手开发采用晶体技术的时钟元件。东京电波在晶体谐振器的开发和制造方面拥有出众的技术，并积累了生产人造晶体的专业技术。我认为，正是因为与该公司建立了合作关系，我们才能顺利开发出采用晶体技术的时钟元件。
2. 性能是以往的6倍 确立的新技术是什么？
――本次确立的新技术有哪些杰出之处？
野村：这可以称为“非常高的频率、低抖动晶体谐振器”，顾名思义，其特点是在通信时不仅提高了频率，还将“抖动”降到了非常低的水平。通过提高频率，可以在相同时间内处理更多任务，从而有助于实现高性能电子设备。
抖动是指本应以固定间隔保持节拍的时钟所产生的“偏差”。在专业术语中称为“波动”，英语中称为“Jitter”（抖动）。如果抖动较大，则难以在正确的时机读取信号，这可能会导致通信质量下降或出现错误，进而引发延迟和卡顿。
请想象一下车站的检票口。如果乘客们排得整整齐齐，通行起来就会很顺畅。如果时间很紧的话，悉数乘客只要全部冲过去就行了，但只要出现一点点偏差，就会造成混乱，导致通行速度变慢——这一点不难想象。
本次开发的技术产生的抖动非常小，因此即使在更高频率下——也就是说，即使悉数人以更快的速度冲刺，也能顺畅地通过检票口。
――性能增强了多少？
野村：与目前市面上流通的先端时钟元件相比，在抖动成分方面可提供6倍的性能。为了便于理解，我将从时钟与频率的关系讲起。
例如，在采用光通信的数据中心中，为了实现数据的高速收发，正逐渐进入需要100GHz级甚至更高速度的信号处理和时钟生成技术的领域。不过，作为整个系统基准的、由时钟元件产生的时钟（称为参考时钟）本身，其频率要比这低得多。这里使用的是名为“PLL”的电路。
PLL会将时钟元件产生的基准节拍提高数倍，从而生成实际通信所需的高速节拍。但是，作为基础的时钟元件的时钟偏差（即抖动）在频率提高的过程中，其偏差也会随之增大。因此，要生成高速通信时钟，除了要降低时钟元件本身的抖动外，尽可能减小PLL的放大倍率也至关重要。
例如，如果要获得100GHz级别的通信时钟，由于先端的时钟元件频率只有625MHz，因此需要通过PLL将其增强约160倍。
另一方面，村田此次确立的技术将时钟元件本身的频率提高到了1.25GHz。因此，为了获得100GHz级别的通信时钟，可以将PLL倍率控制在约80倍。
这里值得注意的是，抖动小会产生怎样的影响。在先端的625MHz时钟元件中，抖动约为15fs*1。如前所述，如果要获得100GHz级别的通信时钟，其频率将提高约160倍，因此抖动成分为15×160，相当于2400fs。
相比之下，村田时钟元件的新技术所产生的抖动只有5fs，非常小。按照同样的思路计算，输出端的抖动成分为5×80，即相当于400fs。
也就是说，村田的新技术通过“提高基础频率”和“减小基础抖动”这两方面，将输出端的抖动控制在普通时钟元件的六分之一。换句话说，在本次的比较条件下，其性能是先端时钟元件的6倍。
*1 fs（飞秒）＝10−15秒，即1000兆分之一秒
3. 成功实现“非常高的频率、低抖动”晶体谐振器的背景
――听说村田在提高时钟元件自身频率的同时还降低了抖动，请问是如何实现的？
野村：要充分发挥晶体谐振器的性能，首先需要使用高纯度的人造晶体。我们利用共同推进研发的东京电波所掌握的人造晶体培育专业技术，培育出杂质很少的人造晶体。
同时，晶体的加工技术也至关重要。晶体切得越薄，就能以越高的频率振动。村田在其他产品领域积累了这项加工技术，并成功将该技术应用于晶体切片上。由于村田涉足多种产品领域，因此能够将其他领域积累的技术应用到晶体加工工艺中。我认为，正因为公司内部拥有多类技术人员，才得以实现这一点。
此外，在对晶体谐振器进行封装时，我们也采用了特有的技术。当微小的灰尘或异物（即颗粒）进入封装内部后，如果晶体谐振器开始振荡，可能会导致工作异常，从而加剧抖动，甚至根本无法振荡。如果是智能手机，还可能出现无法开机的情况。村田凭借在制造阶段检测封装内部颗粒的技术，能够提供质量有保障的时钟元件。可以说，这种封装的“美观性”也是村田所具备的优势之一。
在利用这些材料技术和加工技术将制成的晶体作为实际谐振器进行生产时，村田还自主生产了相关生产设备。我认为，垂直整合型一体化制造体系为开发出出众的时钟元件提供了有力支持。
――要研发出这样的技术，想必付出了相当大的努力。村田确立“非常高的频率、低抖动”晶体谐振器技术的动机是什么？
野村：因为可以看出人们对这项技术寄予了很高的期望。大约在2021年至2022年期间，所谓6G的热潮日益高涨，对“高速通信”的需求也在不断扩大。在与一位海外客户进行电话商谈时，当我展示了采用本次技术获得的测量数据后，对方惊讶地说道：“咦！居然有这么厉害的技术！？”收到这样的回复后，我个人觉得，那一刻正是人们认识到非常高的频率、低抖动晶体谐振器价值的瞬间。
但是，技术的确立本身并不是最终目标，我们的目的是将其产品化，让世界变得更美好，从这个意义上说，我们现在仍处于艰苦奋斗的阶段。我感觉自己终于站到了起跑线上。
在开发过程中，我再次深刻体会到，让一起工作的同事们理解“这项技术为何如此出众”，并获得他们的认同，是多么重要。技术的确立不仅是为了增强性能，还需要从多角度考虑如何实现产品化、如何在确保质量的同时进行有效生产等问题，并在实践中不断探索、逐步推进。在这种情况下，我认为不仅是我自己，让与我并肩工作的同事们也能感受到“我们的工作对客户有帮助，能够改变世界”，这一点至关重要。
4. 时钟元件的未来 数据中心的光通信化、6G基站，乃至更远的未来
――在将这项技术产品化后，您预计它将应用于哪些领域？
野村：我还是希望首先能将其应用于采用光通信的数据中心以及6G基站通信中。根据总务省发布的“2025年版信息通信白皮书”*2，全球数据中心市场规模今后将继续增长。预计到2029年，该数字将达到6241亿美元，是2019年的2.1倍。
在数据中心中，通过使用被称为“光模块”的部件，在服务器和网络设备之间高速传输大量数据。在面向先端的数据中心的光模块领域，针对单模块1.6Tbps（太比特/秒）级的产品化及引进工作正在稳步推进。此外，预计传输速率达到其两倍的3.2Tbps级的光模块，也将在2028年前后开始推进实用化和商业化进程。如果能结合这个时机采用就太好了。
此外，我们还计划支持未来传输速率高至6.4Tbps的下下代光模块。以目前的技术水平来看，我认为这在可实现的范围之内。
随着AI的应用范围进一步扩大，数据中心处理的数据量和运算量也在不断增加。因此，在提高数据中心内部通信的速度和容量的同时，还需确保服务器内部的IC之间以及电路板之间能够以更高速、更稳定的方式进行数据传输。在这样的AI社会中，掌握关键的无疑是时钟元件。作为村田，我们下定决心，需要提供足以占据整个市场份额的价值。
――关于时钟元件的应用，您有什么展望吗？
野村：虽然尚不清楚是10年后还是20年后，但我们的目标是打造一个这样的世界：无论是智能手机、电脑，还是多类通信设备，都建立在本次确立的技术基础之上。
今后，借助此类通信设备，我想人与人之间的联系会进一步扩大。正因如此，我认为时钟元件有助于进一步扩大和加深这种联系。作为一名开发者，我希望为实现这样一个世界贡献力量：在这个世界里，每个人都能不受时间、空间和语言的束缚，与世界各地的众多人相遇，不断拓展人际圈。
文章监制
株式会社村田制作所 功能元件事业部
村田制作所的功能元件事业部致力于开发和提供传感器、热敏电阻和时钟元件等多类产品，以支持多类电子设备的高性能化和稳定运行。本文内容由该部门负责监制。
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