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一文看懂时钟芯片

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发布:wwj557 来源:
PostTime:18-5-2024 19:48
—— 玉 漏 莫 相 催。时间的流逝永不停歇,是人世间最残酷的现实,也是人生中最极致的浪漫。古时,人们用日晷、燃香、铜壶玉漏记载悲欢离合。工业革命后,人类智慧和技术的进步让精确计时的梦想成真,陀飞轮到时钟 ...

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 —— 玉 漏 莫 相 催。

时间的流逝永不停歇,是人世间最残酷的现实,也是人生中最极致的浪漫。古时,人们用日晷、燃香、铜壶玉漏记载悲欢离合。工业革命后,人类智慧和技术的进步让精确计时的梦想成真,陀飞轮到时钟芯片的发展历程记载了从蒸汽轰鸣到数字浪潮的巨变。

时钟芯片是所有电子产品的钟表,为电子产品提供精确的计时信息,即时钟信号。时钟信号是电子系统协调、稳定运行的必要节拍,在系统中扮演着“脉搏”的重要作用。



一、时钟芯片功能概述

(一)时钟系统和时钟芯片



时钟系统可为电子系统中多个芯片提供其所需的时钟信号,通常有两种存在方式,对于系统集成度要求较高、但数据处理速率与准确度需求较低的应用场景,时钟系统通常以集成的方式设计在SoC芯片中,如手机、智能手环等;对于数据处理速率与准确度需求较高,且功能较多、信息交互复杂的应用场景,往往需要时钟系统以独立芯片或模块的形式存在,如通讯基站、交换机、数据中心服务器、汽车、工业控制等。其中,时钟芯片属于数模混合集成电路芯片。

(二)时钟芯片类型



按照不同的功能,时钟产品可以分为振荡器(Oscillators)、时钟缓冲器芯片(Buffers)、时钟发生器芯片(Generators)、去抖芯片(Jitter Attenuation)、实时时钟芯片(RTC)、时钟同步芯片等。
在电子系统运行时,可以先由振荡器提供一个固定的、较低频率的时钟信号,由时钟发生器将该信号调整至各芯片所需的不同频率并进行输出;若需要某一相同频率的时钟信号路数较多,则可以用时钟缓冲器(也称为时钟驱动器)增加该频率时钟信号的输出路数。
图:时钟芯片运行原理图


(图片来源:奥拉招股说明书)

在一些通讯场景对抗干扰能力更强的场景,对时钟信号的抖动要求较高或时钟信号由于远程传输干扰抖动较大,则需要使用去抖芯片对抖动的时钟信号进行去抖处理,并达到与上游设备同步的目的,保证设备可以稳定、高速、准确处理数据,且保证整个网络的时钟同步。从芯片功能上看,去抖时钟芯片也属于时钟发生器。

以下主要介绍时钟振荡器、时钟缓冲器、时钟发生器、去抖芯片等几类时钟产品。

1. 时钟振荡器



振荡器一般为石英振荡器,属于器件产品,分为有源振荡器(OSC,Oscillator,即晶振)和无源晶体(XTAL,即晶体谐振器)。有源晶振内部实际由无源晶体和振荡电路IC合封而成,其中,IC的性能对晶振的输出频率的稳定性起到很重要的作用。因此,有源晶振供电后就能输出振荡信号,无源晶体必须额外增加电路才能振荡起来。

图:石英晶体振荡器结构



(图片来源:芯巴克)

在一些对精度要求不高的场景,例如低端消费电子、移动设备等使用无源晶体来产生低频信号,而一些精度要求高的场景,例如高端通信设备、工业网络、电力设备、仪器仪表等领域,则需要使用晶振。晶振的常见的输入电压为1.8V至5V,常用标称频率在1-200MHz之间,比如32768Hz、8MHz、12MHz、24MHz、125MHz等。

根据不同技术原理和频率精度,晶振又分为普通晶体振荡器(SPXO,Simple Packaged Crystal Oscillators)、电压控制式晶体振荡器(VCXO,Voltage Controlled Crystal Oscillator)、温度补偿式晶体振荡器(TCXO,Temperature Compensate Crystal Oscillator)、恒温控制式晶体振荡器(OCXO,Oven Controlled Crystal Oscillator)。

其中,SPXO通常用作微处理器的时钟器件;VCXO的精度较高,通常用于锁相环路;TCXO采用温度敏感器件进行温度频率补偿,频率精度更高,通常用于通信设备,如GPS定位等;OCXO将晶体和振荡电路置于恒温空间内,以消除外围环境温度变化对频率的影响,频率精度最高,通常被应用在对精度有极高要求的特殊领域,如航空航天等。

表:时钟源分类


除了石英晶体谐振器,还有MEMS谐振器用于产生频率,即利用微米级尺寸的机械结构和电学驱动电路实现振荡功能,从而替代晶体,不仅缩小面积,还能与IC振荡电路集成。

与石英晶体相比,MEMS在成本、产量和交货时间方面具有多项优势。但是,由MEMS制作的振荡器电路结构更复杂,除了微机械硅谐振器外,其数字电路还包括一个锁相环 (PLL) 来确定和控制频率;此外,虽然MEMS可以在稳定性方面做得非常精确,但它们在静态相位噪声、抖动和其他一些短期稳定性参数方面目前仍不如石英晶体。因此,在对相位噪声并不敏感的应用中,含MEMS振荡器将有机会以大批量、低成本的优势占据主导地位。

2. 时钟缓冲器



时钟缓冲器芯片的主要作用是将一路时钟频率信号通过频率复制生成多路一样的时钟频率信号。通常来说,时钟缓冲器是指基于非锁相环(PLL)技术的扇出型缓冲器,精度更高的时钟缓冲器叫做零延迟时钟缓冲器。零延时缓冲器可以使多路输出的频率信号之间的延时为零、且偏斜很低,所以成本更高些。对于FPGA、CPU、逻辑和同步存储器等需要同步时钟的应用一般采用零延迟缓冲器。

时钟缓冲器本身是无法产生频率源,其参考时钟可以由谐振器(石英晶体或MEMS谐振器)、晶振或时钟发生器等时钟芯片来提供。对于需要多个相同时钟输入的电路,使用时钟缓冲器可以省去原本需要的多个石英晶体或晶振,降低了成本、节省了电路板空间,并能解决时间同步的问题。此外,时钟振荡器通常不能支持所有负载,而且驱动能力有限,且不同的芯片由于工艺制程、封装形式以及工作电压等不同,对时钟信号的格式、电平以及驱动能力有不同的要求,所以,除了时钟信号复制,时钟缓冲器的主要功能还包括时钟信号格式转换、时钟信号电平转换。

时钟缓冲器的主要参数包括输入输出、输出频率、附加抖动等,其中,附加抖动是器件本身为输入信号增加的抖动值。在实际应用中,输入的时钟信号在经过时钟缓冲后,输出的时钟信号的抖动一定会增加,增加的数量由附加抖来衡量。时钟缓冲的附加抖动越低,由于时钟缓冲本身而引起的时钟信号的恶化程度就越低,输出的时钟信号质量就越高。因此,高性能的时钟缓冲的核心指标之一就是附加抖动。

3. 时钟发生器



由于时钟振荡器产生的原始时钟信号频率较低,且时钟振荡器在出厂后产生的频率固定,难以满足电子设备中各类芯片的工作频率要求,因此需要利用时钟发生器芯片或集成在芯片上的锁相环PLL电路进行频率合成,从而形成满足芯片工作所需的高频时钟信号。

时钟发生器一般来说需要外加晶体或振荡器做为参考,其主要功能是实现频率变换,可以对参考源晶体或振荡器频率进行倍频或降频,从而产生1路或多路输出。其中,锁相环(Phase Locked Loop,PLL)是时钟发生器的核心技术。锁相环利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位,实现输出信号频率对于输入信号频率的自动跟踪。当参考时钟的频率或相位发生改变时,锁相环会检测到这种变化,并且通过内部反馈系统来调节输出频率,直到二者的相位重新同步,又称为“锁相”。

PLL的工作原理如下:PLL通常由鉴相器(FPD,Frequency Phase Detector)、低通滤波器(LPF,Low-pass Filter)和压控振荡器(VCO,Voltage Controlled Oscillator)三部分组成前向通路,由VCO、分频器组成频率相位的反馈通路。其中,FPD包含电荷泵电路(CP,charge pump),将输入信号、反馈电路信号的相位误差由电压信号转换成电流信号,信号流经低通滤波器后,转化成电压储存下来,并继续传入压控振荡器,由此提供一个调整过后的反馈信号,循环往复,直至输出信号与参考信号同频同相。

图:PLL原理图



PLL按照实现技术可以分为模拟锁相环(APLL,Analog PLL)和数字锁相环(DPLL,Digital PLL),DPLL中的鉴相器采用数字电路实现,其他部分例如VCO、电荷泵等电路仍由模拟电路实现;随着数字系统的广泛应用,出现全数字锁相环(ADPLL,All Digital PLL),即不再采用电荷泵将鉴相器鉴出的相位差转换为电压信号,而采用时间-数字转换器将相位差转换为数字信号,并采用数字滤波器。

时钟发生器的主要参数包括输出时钟可以支持的频率范围、输出时钟可以支持的时钟域、输出时钟可以支持的路数、抖动/相位噪声等。此外,还可根据需求考虑其他一些参数,比如输出电平可以支持的类型、是否支持SSC扩频时钟、是否支持相位调节、是否需要零延时功能、是否支持默认加载配置等。

4.去抖芯片



时钟信号的抖动会影响数据在传递过程中的准确性,导致处理器获得的原始 数据存在错误编码。在时钟信号抖动一定的情况下,信息处理的速率越高,信息 中包含的错误编码也就越多,从而使整个系统运行效率受到影响,甚至可能崩溃。因此,低抖动的时钟信号对于高速数据处理系统至关重要。

去抖芯片就是滤除抖动,芯片内部必然有低通滤波器。去抖芯片可以视为增加了去抖功能的时钟发生器芯片。



二、时钟芯片市场分析

(一)时钟振荡器及振荡器IC市场



1. 市场规模情况



根据CS&A 数据,2019年全球石英晶振销量约为180.68亿只,行业市场规模约为30.41亿美元。根据QYR(恒州博智)的统计及预测,2022年全球石英振荡器市场销售额达到了39.88亿美元,预计2029年将达到67.09亿美元,年复合增长率(CAGR)为12.07%(2023-2029)。根据该增长率,推测2023年全球石英振荡器市场约45亿美元(即约320亿元)。

目前石英振荡器产品销售格局中,无源晶体的销售总额占比约58%,有源振荡器(晶振)的销售占比约42%,即晶振的全球市场规模约135亿元;其中,压控振荡器(VCXO )、普通振荡器(SPXO)、温度补偿振荡器(TCXO)和恒温振荡器(OCXO)的占比分别为7%、14%、14%和7%。

图:全球石英晶振产品市场结构



(图片来源:独角兽智库)

根据行业访谈了解,晶振中IC芯片的价值占比约50%左右,则根据上述信息,测算2023年晶振IC的全球市场规模约67亿元,其中由于国外的晶体振荡器公司大部分都具备晶振IC的设计能力,因此,其中仅有部分市场是面向第三方设计公司。

在MEMS振荡器方面,SiTime是全球MEMS振荡器的领导者,产品包括MEMS谐振器、MEMS振荡器、时钟芯片等产品,应用于基站、汽车、工业自动化、物联网等领域,根据行业访谈和公开网络信息,SiTime的市占比达到90%,2022年SiTime收入为2.84亿美元(约20亿元)。

2. 市场竞争格局



根据CS&A 数据,2019年全球前十大晶振企业掌握约64%的市场份额,单每家的市场占比很分散,其中前三大企业为日本爱普生(Epson,收购SEIKO)、日本电波(NDK)以及台湾晶技(TXC),分别占11.7%、11%、9.2%的市场份额。此外,日本厂商合计占据全球50%的市场份额,其中,爱普生、NDK、京瓷(KCD)、大真空(KDS)分别占比12%、11%、8%、6%;中国台湾厂商约占据全球25%的市场份额,其中,台晶技(TXC)占比9%,市占率位列全球第三;前十中还有微芯(Microchip)、SiTime两家美国企业。

图:2019年全球晶振市场日系、台系厂商占据主要市场份额



(数据来源:CS&A)

国外的晶体振荡器公司大部分都具备晶振IC的设计能力,并且有自己的晶体厂,能够实现全链条生产布局,国内仅有少数公司具备晶振IC的设计能力。国内晶体厂上市公司有东晶电子(002199.SZ)、惠伦晶体(300460.SZ)、泰晶科技(603738.SH)等。

在MEMS振荡器方面,SiTime是市场领先者,截至到2020年底,SiTime MEMS产品累计出货量达20亿片。2023年底,SiTime宣布将以5年对价2.7亿美元引入奥拉半导体的时钟芯片IP授权,以丰富其生产线。国内有麦斯塔微电子专注于全硅MEMS时钟产品的研发。

(二)其他时钟芯片市场



1. 市场规模情况



据IC insights,2021年全球模拟芯片市场规模达到741.31亿美元,预计2023年全球模拟IC总销售额将达到832亿美元。根据Gartner预测,时钟芯片约占模拟芯片市场的2%,则推测2023年全球的时钟芯片(包括部分晶振IC*、时钟缓冲器、时钟发生器、去抖芯片等产品)的市场规模约16.64亿美元。

中国是最大的模拟芯片市场,占到全球市场规模的36%。假设国内时钟芯片的市场占比与模拟芯片整体一致,若以Gartner保守数据为测算基础,则2023年国内时钟芯片的整体市场规模(含部分晶振IC)约6亿美元(约42亿元),若以Market Data Forecast的数据为基础,则2023年国内仅时钟发生器、时钟驱动器和去抖芯片三类芯片的市场规模约8亿美元(约56亿元)。

*部分晶振公司会单独购买晶振IC芯片。

2. 市场竞争格局



由于时钟芯片属于模拟芯片的一个细分品类,约占模拟芯片市场的2%,现市面上较少专门针对时钟芯片的报告。根据IC insights数据统计,2020年全球模拟芯片供应商CR5(业务规模前五名的公司所占的市场份额)为德州仪器(TI)、亚德诺(ADI)、思佳讯(Skyworks)、英飞凌、意法半导体(ST),合计占据全球市场约48%的市场份额。其中,TI、ADI、Skyworks均为时钟芯片产品主要供应商。

此外,Microchip(微芯)、Pericom、SiTime等公司也均为主要的时钟芯片供应商,其中,Microchip、SiTime还是全球前十的晶振供应商。

目前,时钟芯片仍是大公司的关注方向之一,通过收并购时钟相关的公司或产品线强化公司自身业务。近期关于时钟芯片的收购包括:2020年Microchip收购Tekron,其中,Tekron致力于为高级变电站自动化应用提供精确的时间戳、确保网络时间协议(NTP)在计算机网络上的可靠性和安全性、维持输配电系统运营商的连续时间同步运行、实施IEEE 1588V2精确时间协议(PTP)标准等;2021年Skyworks 收购了Silicon labs(芯科科技)的时钟芯片业务。

(三)市场驱动因素分析



时钟芯片及器件产品广泛应用于航空航天、卫星导航、网络通信、数据中心、电力网络、工业控制、物联网、汽车电子、消费电子、仪器仪表等领域。

图:2022年全球时钟产品下游应用占比



其中,时钟发生器、时钟缓冲器等时钟芯片的应用场景主要在网络通信、服务器、汽车电子、仪器仪表、航空航天等方面。

1. 网络通信市场



在无线通信中,时钟信号调制处理后作为载波,用于无线传输数据。连接网络的终端都有信号接收和发送装置,需要用到时钟产品,为数据处理设备产生时钟信号、为特定系统提供基准信号。从不同代数的通信网络角度来看,随着通信技术的进步,通信的信号频率和数据速率大幅提升,同时需要延时大幅下降,对可靠性的要求明显提升。

5G采用超高频信号,是4G信号频率的数倍。6G网络将能够使用比5G网络更高的频率,并提供更高的容量和更低的延迟,6G网络的目标之一是支持1微秒甚至亚微秒的延迟通信。

从市场需求来看,一方面,5G通信基站建设将是一个长期持续的过程,未来5G宏基站和小基站均具有持续性的建设需求,预计至少到2030年5G仍为主要的移动通信技术,这将为时钟产品带来持续稳定的市场需求;另一方面,最初的6G部署可能会开始出现在2030年至2035年的时间范围内,将对时钟产品的尺寸、功耗、成本等多个因素提出了更高的要求。

以5G宏基站/小基站为例,每个基站需要3块RRU板卡,每个板卡一般一颗晶振、2~4颗时钟发生器和缓冲器,2023年全球宏基站、小基站合计约360万台,则保守估计5G通信仅在无线基站方面对时钟产品的需求约15亿元,假设国内设备厂的全球市占比为50%,则国内5G基站部署对时钟产品的需求约7.5亿元。

2. 服务器市场



服务器一般需要独立的时钟芯片产品,服务器主板至少需要1颗振荡器、1颗时钟生成器/时钟缓冲器。根据IDG数据,2021年全球服务器市场出货量1353.9万台,同比增长6.9%。中国服务器出货量达到391.1万台。按照年复合增长率9.5%测算,则预计2023年全球服务器出货量1623.4万台,中国服务器出货量达到445万台。因此,保守估计2023年全球服务器时钟芯片市场规模约16亿元,国内约4.5亿元。

TrendForce集邦咨询预测,全球AI服务器市场将在2024年迎来显著增长,预计总量将超过160万台,年增长率达到40%,随着市场的扩大,云服务提供商将会更为积极地投入AI服务器领域,这一趋势反映了AI技术将持续发展和普及,因此,时钟产品在服务器市场也将随之增长。

3. 汽车电子市场



在汽车电子领域,时钟产品主要运用在娱乐与远程通信系统、导航系统、安全电子系统、胎压监测系统、安全电子系统、车身系统、高级驾驶员辅助系统、电池管理系统中。随着汽车的电动化、智能化、网联化趋势越来越明显,新能源汽车渗透率的不断提升,汽车内部电子元件的种类和应用数量也不断提高,直接推动时钟产品市场需求。

4. 仪器仪表市场



随着仪器仪表的国产化和技术升级,时钟产品对设备的性能影响也越发凸显,中高端仪器仪表的关键芯片国产化也成为未来趋势。其中,示波器、频率类分析仪表(包括频谱分析仪、网络分析仪、信号发生器、矢量网络分析仪等)等设备对时钟芯片需求较大。

以频谱类分析仪表为例,根据Technavio的分析数据,2019年国内频谱和网络分析仪的市场规模达到21.2亿美元,预计将以5.54%的复合年均增长率增长,则预计在2024年达到27.76亿美元。其中,每台仪表将使用约4颗时钟芯片,约占设备成本的3%,即2024年国内频率类仪表对于时钟芯片的需求约6亿元。



三、国产时钟芯片进展

国内目前有多家公司的主营业务以时钟芯片产品为主,包括已申报IPO的宁波奥拉半导体股份有限公司(简称奥拉)、广东大普通信技术股份有限公司(简称大普),以及获得知名机构投资的新港海岸(北京)科技有限公司(简称新港海岸)、无锡有容微电子有限公司(简称有容微)、上海锐星微电子科技有限公司(简称锐星微)等,例如新港海岸曾获得华为哈勃的投资;此外,也有一些知名公司推出了时钟芯片产品,例如成都电科星拓科技有限公司(简称电科星拓)、核芯互联(北京)科技有限公司(简称核芯互联)等。

根据各公司的官方网站、公开渠道信息和访谈交流信息,国产时钟芯片产品主要面向5G基站、信创服务器等市场,产品以pin-2-pin国产化替代为主。其中,去抖芯片主要应用于通信市场,集成了时钟发生、去抖等功能,技术壁垒较高,奥拉、有容微等公司均推出了去抖芯片,根据奥拉招股说明书,奥拉的去抖芯片已批量在5G基站供货,国内去抖芯片主要参考Skyworks的型号,时钟缓冲器芯片产品对标Pericom、TI型号较多。此外,龙营半导体主要面向车规市场,其第二大股东是全球前三的晶振供应商台湾晶技。

但是,目前国产时钟芯片公司的收入规模仍然较小,除奥拉以外,大部分公司关于时钟芯片的收入仍在千万元级别,国内企业仍有较大的国产化替代空间。

国内可查询到有推出时钟芯片的公司及其概况:

表:国内时钟产品情况汇总

注:以上基于公开网络信息整理






四、时钟芯片的技术壁垒

作为电子系统的“脉搏”,时钟信号质量会直接影响电子设备的运行效率。然而,钟信号从产生到传递再到读取,每一个环节都不可避免的存在各种干扰,导致时钟信号质量下降,主要表现为频率精度的下降(频率漂移)和时钟周期抖动的增加(相位漂移)。

受限于较高的市场壁垒(例如需要适配已有的解决方案)以及对应用经验的积累,国产时钟芯片的现阶段发展仍以pin-2-pin的产品策略为主。时钟芯片的关键参数包括频率、抖动、杂散、面积、功耗等,其中:芯片能否达到设计的最高频率、输出的频率范围取决于芯片架构的设计和工艺的选择(例如用CMOS工艺替代SiGe工艺可以降低成本,但在同等制程下输出频率可能会降低);此外,各参数之间存在制约,在产品定义、架构设计、布局布线、工艺选择等方面需要根据需求来平衡,例如,在面积功耗实现性能最优的情况下,可能会牺牲一部分抖动和杂散。

由于国外的时钟芯片公司(例如ADI、TI 等)大多拥有自己的生产产线,在同样的工艺制程下,其产品的综合性能已达到最优,因此,要求新进入者对工艺和架构都有很深的理解,在采用与国外同型号产品同样的制程下,芯片仍能在面积、功耗、抖动、杂散等方面具有可比性。



五、国产时钟芯片的未来发展方向

2023年中国的成熟工艺产能已经占据了全球成熟工艺产能的29%,这对于模拟芯片、数模混合芯片产品来说是很好的技术发展机会。中国发展成熟工艺,不仅可以满足国内的产能需求,减少对外部的依赖,还可以促进工艺与设计的结合,通过工艺的提升来实现产品性能的最优。

国外时钟芯片基本采用成熟工艺,通过设计与工艺的适配与迭代来保障产品性能。随着国内成熟制程的工艺能力提升,国内时钟芯片设计公司可以通过国内Fab厂紧密合作来提升产品的竞争力,这将是国产时钟芯片实现与国际品牌在中高端市场竞争的重要发展方向之一。

此外,无论是网络通信、数据中心还是汽车电子,随着接口带宽的增加、调制技术的发展、应用环境复杂度的提升,未来时钟产品的主要革新升级方向包括:更高稳定度、更小尺寸、更低功耗、更宽温度、更低相位噪声、更低成本结构、更可靠的结构设计、更高集成度等。随着网络设备、服务器、汽车、仪器仪表等整机设备国产化、高端化的进程,国产时钟芯片也将从pin-2-pin的阶段进入自定义产品的阶段,从而更好的配合整机方案的研发。



参考信息:

1.《不同类型时钟产品的特性及选择时的注意事项》,文/程文智,电子发烧友网;

2.《宁波奥拉半导体股份有限公司首次公开发行股票并在科创板上市招股说明书》(申报稿);

3.《广东大普通信技术股份有限公司首次公开发行股票并在科创板上市招股说明书》(申报稿);

4.《常见石英晶体振荡器分类》,晶诺威科技;

5.《晶体、晶振、时钟电路原理以及应用》,芯巴克;

6.《MEMS or 石英晶体?一切尽在应用中》,EETOP编译自Electronicdesign;

7.《SiTime在MEMS时序市场继续保持领先地位,出货量达20亿片》,晶圆电子;

8.《认识时钟发生器和缓冲器》,电科星拓;

9.《解析时钟Buffer芯片及关键参数》,电科星拓;

10.《时钟芯片系列漫谈(1)》、《时钟芯片系列漫谈(2)》,有容微;

11.《时钟电路设计的这些要点,你都知道吗?》,贸泽工程师社区;

12.《全球与中国石英晶振市场现状及未来发展趋势(简版)》,恒州博智QYR;

13.《胜金微电子授权世强硬创,代理高端时钟芯片全系列产品》,搜狐;

14.《QYR调研,2022年全球石英晶振市场销售额达到了39.88亿美元》,QYResearch ;

15.《振荡器将成为节后发酵方向》,独角兽智库;

16.《集微咨询:浅析晶振产业发展现状,行业洗牌正在加速》,集微网;

17.《华强创投研究(1):ADC模数转换芯片行业》,华强创投;

18.《Timing Devices Market》,Market Data Forecast;

19.《引领半导体产能扩张趋势,2023年中国成熟工艺芯片产能位居全球第一》,是说芯语。

来源:内容来自鲸芯投资


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