國產(chǎn)模數(shù)轉(zhuǎn)換 ADC 芯片的現(xiàn)狀、困境和歷史機遇

發(fā)布時間：2022-03-17作者來源：薩科微瀏覽：4221

自然界產(chǎn)生的信號，都是模擬信號，比如我們說話的聲音，看到的景色，感受到的溫度、濕度、壓力、流速、光、電、風及個人的呼吸、血壓、體溫、心跳、體重、血糖，體脂等等。

這些模擬信號都得最終放在電腦，手機等數(shù)字領(lǐng)域進行處理，存儲或者傳輸，那如何把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號呢？就需要一個轉(zhuǎn)換器芯片，它就是芯片界的翹楚—ADC！

ADC芯片就是Analog Digtal Convert模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換的芯片

從模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換的過程信號處理要經(jīng)過采樣，保持，量化，編程四個階段。根據(jù)不同的處理方式，有七種結(jié)構(gòu)及其應用場景：

Falsh,(Half-Falsh)

Folding(折疊型）,

Sigma-Delta（Σ-δ），

SAR（逐次逼近型）,

Pipelined（流水型）,

未知結(jié)構(gòu)。

1、FLASH & Half- FLASH ADC由于其并行結(jié)構(gòu)具有[敏感詞]采樣速率可達10GSps以上，但是由于非線性使其分辨率限制在8位以內(nèi)，可用于示波器等產(chǎn)品。

2、Folding采用折疊型等結(jié)構(gòu)的高速ADC，可以實現(xiàn)比FLASH稍高的精度和差不多的速度，可應用于廣播衛(wèi)星中的基帶解調(diào)等方面。

3、∑-Δ型 ADC主要應用于高精度數(shù)據(jù)采集，特別是傳感器、數(shù)字音響系統(tǒng)、多媒體、地震勘探儀器、聲納等電子測量領(lǐng)域，采集精度可達24比特。

4、SAR ADC逐次逼近型，主要應用于中速或較低速、中等精度的數(shù)據(jù)采集和智能儀器中。具有最寬的采樣速率，雖然它不是最快的，但由于低成本和低功耗使其很受歡迎。SAR ADC同時也可以達到16比特的精度。

5、PipeLined流水線型ADC主要應用于高速情況下的瞬態(tài)信號處理、快速波形存儲與記錄、高速數(shù)據(jù)采集、視頻信號量化及高速數(shù)字通訊技術(shù)等領(lǐng)域，當前設(shè)計速度可以達到Gsps。它們非常適合例如無線收發(fā)器應用和軍用等高性能要求的應用。

針對各種的ADC芯片，如何快速區(qū)分和了解ADC芯片的性能的好壞呢？

從幾個指標著手：

1、精度、也稱為分辨率（Resolution），單位(Bits)比特；精度越高的ADC轉(zhuǎn)換出來的數(shù)字信號越接近于原來真實的模擬信號；另一方面，該精度只表示ADC

輸出的位數(shù)，不代表這些位數(shù)里真正的信號分量。

2、采樣速率（Input Sampling Rate）單位是SPS,如果ADC的采樣頻率是Fs（Hz），那么它可以轉(zhuǎn)換的模擬信號帶寬至多是Fs/2（Hz）。比如1Msps代表著1M Samples Per Second,對應的ADC的采樣頻率就是1MHz，可以轉(zhuǎn)換的模擬信號帶寬至多是1/2MHz。

3、功耗 Power Diss 單位 mW；

4、噪聲 Chip Noise 單位 Vrms 均方根；

5、溫漂 Temperature Drift 單位 ppm/℃;

6、實際精度 ENOB ADC 輸出的信號位數(shù) 單位比特；

7、信噪比 SNR 單位分貝;

ADC芯片朝著減小功耗的方向前進,以功耗、分辨率、采樣速率、噪音作為確定品質(zhì)因數(shù)的依據(jù)；這一挑戰(zhàn)在移動通信領(lǐng)域應用中尤為突出。

目前ADC芯片的存在形式多種多樣，

1、傳統(tǒng)封裝片、集成電路；

2、ADC IP存在于各種SOC芯片中；

3、ADC集成模擬芯片（SIP），存在于各類數(shù)字傳感器芯片。

什么是高端ADC芯片呢？

簡單來說，它是區(qū)別于消費電子市場的ADC芯片，主要應用在[敏感詞]、航空航天、有線無線通信、汽車、工業(yè)和醫(yī)療儀器（核磁共振、超聲）等對工藝、性能、可靠性要求極高的領(lǐng)域.每個電子系統(tǒng)都需要ADC芯片，而且ADC芯片設(shè)計的技術(shù)門檻很高。

1996年，以西方為主的33個國家在奧地利維也納簽署了《瓦森納協(xié)定》，規(guī)定了高科技產(chǎn)品和技術(shù)的出口范圍和國家，其中高端ADC屬于出口管制的產(chǎn)品，中國也屬于受限制的國家之一，禁運范圍主要是精度超過8位1.3Gsps以及16位以上速度超過65MSPS的ADC。

1、每一臺國產(chǎn)示波器，使用的ADC芯片都需要美國政府的同意才能進口，同時要承諾不被轉(zhuǎn)用[敏感詞]用途。

2、在相控陣雷達里面，高速度ADC芯片都是必需品，只能通過第N方渠道轉(zhuǎn)道加價獲得。

3、在中興、華為出產(chǎn)的通訊基站，電路板上除了幾顆數(shù)字基帶芯片是自產(chǎn)的，其他通信鏈路上RF、PLL、ADC/DAC乃至外圍測量電源電壓的芯片都見不到國產(chǎn)供應商的身影。

4、一些技術(shù)含量很高的關(guān)鍵器件高速高精度ADC/DAC等領(lǐng)域，還完全依賴美國供應商。

5、GS/s高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是5G通訊建設(shè)中高性能基站的核心器件，也是反導相控陣雷達中所需的關(guān)鍵模塊，更是“瓦森納協(xié)議”所禁運管控的核心器件，長期以來被國外公司所壟斷，突破GS/s高精度ADC的技術(shù)壁壘迫在眉睫。

目前國際上ADC/DAC市場份額分別被ADI、TI、MAXIM、MICROCHIP等國外企業(yè)獨占，其中，ADI市占率約為58%，TI占比約為25%，MAXIM占7%，MICROCHIP占3%，難覓國內(nèi)企業(yè)身影。

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2017年ADC芯片銷售額為545億美元，預計到2022年，全球ADC芯片市場規(guī)模可達748億美元，市場前景非常可觀。

未來幾年支撐ADC芯片增長的主要驅(qū)動力是5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子等新興應用，這些相關(guān)的產(chǎn)品或技術(shù)對信號處理的需求大漲。中國模擬芯片市場占全球模擬芯片市場比例超過50%，且市場增速高于全球平均水平，按具體功能分，ADC/DAC市場規(guī)模占模擬電路市場份額比例達15%，所以大概推斷出國內(nèi)2022年ADC/DAC市場規(guī)模為56.1億美元（約393億人民幣）。

ADC芯片龍頭企業(yè)—ADI；我們主要從ADI關(guān)鍵財務(wù)數(shù)據(jù)剖析。數(shù)據(jù)來源：ADI官網(wǎng)公布的2019年年度報告（單位：千美元）。

1、收入、毛利率和進利率總覽

產(chǎn)品平均毛利率超過60%；

2、收入-按區(qū)域

源自于中國地區(qū)收入占ADI總收入的35%；

3、收入-按應用領(lǐng)域

ADI在全球市場的業(yè)務(wù)布局廣泛，主要以模擬信息的感知、測量、連接、電源、解譯、安全；

這六大核心處理技術(shù)，全方位地布局工業(yè)自動化、通訊、汽車和消費電子與醫(yī)療等產(chǎn)業(yè)。根據(jù)ADI剛公布的2019財報，工業(yè)應用領(lǐng)域占據(jù)半壁江山。

05 既然ADC芯片這么重要，又這么賺錢，需求需求量又這么大，我們?yōu)槭裁床蛔约涸O(shè)計和生產(chǎn)呢？

其實國產(chǎn)ADC芯片發(fā)展面臨的重重困難：

1、國內(nèi)大學模擬集成電路的教育水平比較低。

2、在美國，由于瓦森納協(xié)定的限制，華人難以進入ADI/TI等公司最核心的ADC產(chǎn)品研發(fā)部門；在中國研發(fā)中心，國內(nèi)工程師可以通過網(wǎng)絡(luò)看到絕大部分母公司的設(shè)計，但[敏感詞]看不到高端的ADC產(chǎn)品設(shè)計。

3、芯片設(shè)計，不算架構(gòu)設(shè)計，從電路設(shè)計開始，到投片，最少要半年時間。投片送到晶圓工廠流片生產(chǎn)，一般要2個月到3個月。最重要的是一次投片的費用最少也要數(shù)十萬元，先進工藝高達一千萬到幾千萬。如此高的試錯和時間成本對一次成功率的要求極高，不得不把流程拖長，反復驗證，需要多個工種密切配合，團隊中一個人出錯，3個月后回來的芯片可能就是一塊兒石頭。修改一輪，又三個月過去了。

4、對于研發(fā)ADC芯片的初創(chuàng)公司，動則50-60萬薪起的模擬芯片研發(fā)工程師薪水；如果沒有強有力的資金支持，進軍ADC芯片就如同進入一個不斷挑戰(zhàn)的“巨坑”。再加上ADC芯片業(yè)更新?lián)Q代很快，如果不能在特定時間內(nèi)拿下產(chǎn)品，就趕不上市場的節(jié)奏，讓企業(yè)難以支撐。

而對于中國公司來說，想研發(fā)出高性能，低功耗的ADC芯片，沒有數(shù)十年的積累和持續(xù)投入，基本都是在劃水！

5、集成電路也可反向設(shè)計，就是抄，雖然芯片很小，電路密度極大，但仍然可以通過顯微、照相等方式獲得他的全部版圖信息，然后復制一份，送到工廠生產(chǎn)，似乎看起來就可以得到一模一樣的產(chǎn)品了。其實不然，版圖相當于軟件編譯后的機器代碼，可讀性很差，無法了解其原理和架構(gòu)。而版圖提取本身存在物理誤差和人為錯誤，尤其對于高性能的模擬混合信號ADC芯片，對工藝又非常敏感，稍有不一致都可能導致芯片性能和良率的巨大差異。而此時設(shè)計人員無法了解原理，定位錯誤猶如一個盲人在大海里撈針。[敏感詞]研究所普遍采用這種方法，每次反向猶如一場賭博，有時候能做出來[敏感詞]，一旦出現(xiàn)問題，基本束手無策。

所以多年下來，除了電路比較簡單的射頻和功放芯片，就算上述高性能ADC等關(guān)鍵器件反向設(shè)計成功，但能量產(chǎn)的例子寥寥無幾。

6、在自然界，動植物要生存，必須融入生物鏈。做企業(yè)也一樣。只不過，在企業(yè)這個生態(tài)鏈中，先行者有成本優(yōu)勢，再加上穩(wěn)定可靠的供應鏈，使得他們能夠持續(xù)盈利，進而支撐著技術(shù)的不斷進步。同時在供應鏈渠道通暢的時候，各種關(guān)系相互利益，做國產(chǎn)替換的工作非常艱難。對后來者而言，如同一道不可逾越的壁壘。好多科研院所的ADC芯片軍用很出彩，民用卻賣不出去？問題就在生態(tài)鏈上。軍用市場是一個封閉的小圈子產(chǎn)品追求性能、穩(wěn)定性和抗干擾，對功耗、噪聲等及價格并不敏感，國家隊ADC公司在這里能找到自己的位置。而在民用市場，性價比為王，對噪聲，功耗要求極高，技術(shù)升級快和供應鏈響應快，國家隊很難融入這樣的生態(tài)鏈。

這些年，中國半導體產(chǎn)業(yè)面臨的一大難題，就是如何融入這個生態(tài)鏈。

國內(nèi)做ADC的企業(yè)其實也不少，歸納起來有三類群體

[敏感詞]類是國家骨干研究所（企業(yè)）

如：云*微、迅*微，北京**民芯，華*貝嶺、2*所（吉*微），南京5*所，航天61*所，安徽21*所，華*微等。從上世紀80年代末開始，國內(nèi)已有ADC的團隊出現(xiàn)，這個階段主要以項目研發(fā)為主。

應用主要面向[敏感詞]、航空航天、相陣控雷達設(shè)備等。經(jīng)過幾代人的努力今天也取得了不錯的成績，在一些應用上已經(jīng)可以看到有國產(chǎn)ADC的芯片出現(xiàn)。中電集團某研究所于：2011年研制出了2Gsps、8bit的ADC，2018年研制出了5Gsps、10bit；航天某所于：2013年研制出了3Gsps、8bit，2016年推出了1Gsps、12bit的ADC。問題在于功耗大，噪音大，良率低，量產(chǎn)及產(chǎn)業(yè)鏈能力差，可用于[敏感詞]，[敏感詞]科工等領(lǐng)域，但不能適用于工業(yè)通訊領(lǐng)域。

第二類是國內(nèi)高校大學教授及碩博士學生

國內(nèi)企業(yè)技術(shù)力量為主的創(chuàng)業(yè)團隊，如：北京芯*微、蘇州納*微、北京核*互聯(lián)、奇*士技術(shù)、北京昆*微、芯*半導體、杭州*盟等。在ADC研發(fā)方面也不斷有成就報道出來，比如中科院微電子所在2009年就研發(fā)出4Gsps、4bit的ADC產(chǎn)品，2012年研制出了8Gsps、4bit，2018年這個指標上升到了10Gsps、8bit，該產(chǎn)品在eBiCMOS工藝平臺實現(xiàn)。復旦大學正在聯(lián)合第三方企業(yè)完成一項4Gsps、12bit的國家研發(fā)計劃。從指標上看，這個離世界先進水平相差2代。以浙江大學為背景的杭州*盟公司，主要是以基礎(chǔ)的SD-ADC和SAR-ADC為主。第三類是外企海歸團隊

深圳靈*微、蘇州思*浦、上海韜*半導體、上海*精微、南京*思微、上海*比半導體等。近年來出現(xiàn)的以海歸團隊，都能知名投資機構(gòu)的青睞，得到幾千萬元的投資，其目標是實現(xiàn)高速（1G以上）高精度ADC芯片的自主化研發(fā)。在長三角也有幾家以ADC為方向的創(chuàng)業(yè)團隊，其發(fā)展路徑是針對市場壁壘不高的測量儀器等民品市場研發(fā)適銷對路的ADC產(chǎn)品。指標參數(shù)都在65-250Msps、12-16bit范圍，也有報道稱蘇州某公司研制出了10Gsps、8bit的ADC產(chǎn)品。

高校是人才[敏感詞]的輸出口，目前國內(nèi)有培養(yǎng)微電子人才能力的學校基本結(jié)構(gòu)是：10+17+2"

10：10代表著國內(nèi)目前有示范性微電子學院的高校：清華大學，北京大學，上海交通大學，復旦大學，浙江大學，東南大學，中國科學院大學，中國科技大學，西安電子科技大學，電子科技大學。這10所大學代表了目前內(nèi)地在微電子方面最為強悍的高校。

17：17代表著目前正在籌備建設(shè)示范性微電子學院的高校，大部分都是985高校，包括，華中科技大學，同濟大學，中山大學等，211的幾所大學如合肥工業(yè)大學，北京工大在微電子方面也展現(xiàn)著不俗的實力，今年深圳新貴南方科技大學也成功加入聯(lián)盟。

2：2代表著港澳的2所高校，香港科技大學和澳門大學。香港科技大學作為[敏感詞]工科名校，在集成電路設(shè)計方面有著世界公認的硬實力，師資力量也是無比強大，基本上都是早年畢業(yè)于美國的[敏感詞]名校，堪稱大中華[敏感詞]。

2000年前后，國家利用人才政策吸引了很多海關(guān)留學人員歸國創(chuàng)業(yè)，這些海歸博士一開始也許想做工業(yè)級產(chǎn)品，關(guān)鍵的CPU等，但很快發(fā)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)環(huán)境不合適。

那時候中國的的整機還沒有強大到今天華為，小米，OPPO,VIVO等地位，市場容量小，技術(shù)可靠性要求高，設(shè)計周期長；這批海歸博士的企業(yè)都是靠消費類市場和06年之后一波山寨手機熱潮完成的原始積累，進入良性循環(huán)。然而沒有跟上這一波潮流的企業(yè)都還在艱難的生存。

在5G時代，高速高精度的ADC是5G基站不可或缺的芯片。目前進口的國外ADC芯片單價都在千元以上，單個5G基站的ADC芯片使用就高達兩位數(shù)。可見未來國產(chǎn)ADC的使用空間巨大。

國產(chǎn)ADC芯片產(chǎn)業(yè)的歷史機遇

政策面：在美國政府和特朗普政權(quán)強力制裁以華為為首的中國高科技企業(yè)的大前提下，芯片的爭奪和發(fā)展成了重中之重。8月24日習近平總書記強調(diào)長三角三省一市要集合科技力量，聚焦集成電路、生物醫(yī)藥、人工智能等重點領(lǐng)域和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，盡早取得突破。2020年7月30日，在國務(wù)院學位委員會會議上，投票通過了設(shè)立集成電路一級學科，上海復旦大學已經(jīng)開了[敏感詞]槍。有望彌補30萬集成電路人才缺口。

而中科大與在合肥市的成功模式，讓各級政府、高校及高新科技給城市未來帶來的新時代機遇。

資金：國家成立了國家集成電路大基金一期，二期等，全力支持芯片的發(fā)展。社會上有關(guān)芯片生態(tài)產(chǎn)業(yè)的投資成了當下[敏感詞]的熱門。各級政府都在當?shù)亟ㄔO(shè)集成電路基金和芯片相關(guān)的上游產(chǎn)業(yè)投資。

生態(tài)：國產(chǎn)替代已經(jīng)成為了熱門詞匯。在瓦森納協(xié)定和美國特朗普政府的深度制裁造成國內(nèi)很多的知名大客戶在無芯可用的情況下，在ADC芯片的使用上面不得采用國產(chǎn)替代。在臺積電突破7nm,中芯國際突破14nm的今天，國產(chǎn)高端ADC晶圓流片不再是一堵高墻。同時在瓦森納協(xié)定和美國特朗普政府的深度制裁造成國內(nèi)很多的知名大客戶在無芯可用的情況下，在ADC芯片的使用上面不得采用國產(chǎn)替代。

這些年，中國半導體產(chǎn)業(yè)面臨的一大難題，就是如何融入這個生態(tài)鏈。

---國產(chǎn)替代，讓我們有了重塑生態(tài)鏈的好機會。

---新冠疫情，讓國產(chǎn)ADC芯片供不應求。

目前美國占據(jù)了全球半導體市場的半壁江山，擁有明顯的領(lǐng)先優(yōu)勢。那么一再對華實施芯片出口限制，到底有多大作用？美方還能確保自己的市場優(yōu)勢嗎？

畢竟中國是全球[敏感詞]的芯片消費市場。最近，美國智庫波士頓咨詢公司就發(fā)表了自己的研究報告，指出限制對華出口芯片，可能會終結(jié)美國在半導體產(chǎn)業(yè)的統(tǒng)治地位。

原子半導體應運而生！??！

原子半導體團隊和產(chǎn)品介紹

1、原子半導體是基于袁杰教授在港科大長期的芯片項目研發(fā)儲備和技術(shù)積累，從港科大分離出來的一家混合信號/模擬芯片設(shè)計高科技企業(yè)。公司成立于2020年9月，當前擁有香港和深圳兩支團隊。公司總部座落于香港科技園。公司團隊主要由名校畢業(yè)的博士組成。

2、原子半導體的芯片產(chǎn)品專注于高性能傳感器和通信的信號鏈。可以廣泛應用與手機，穿戴式設(shè)備，智能電器，消費電子，醫(yī)療電子，汽車電子，工業(yè)自動化，儀表，和通信設(shè)備。當前公司產(chǎn)品擁有眾多的合作伙伴和客戶。

3、創(chuàng)始人-袁杰：港科大混合信號傳感集成電路實驗室&國際領(lǐng)先的傳感芯片研究中心主任；港科大電子系副教授，清華本科微電子系，賓夕法尼亞微電子系博士，國際芯片設(shè)計領(lǐng)域?qū)＜遥l(fā)表70多篇論文，包括所有芯片/傳感器設(shè)計[敏感詞]期刊和會議，如JSSC,TCAS1,ISSCC,VLSI,CICC,ISCAS等.和TI,Intel，臺積電，華為，中興等企業(yè)，有10多年項目合作經(jīng)歷。
4、研發(fā)團隊

? 1名港中文博士，前Marvell高級模擬設(shè)計工程師

? 7名港科大博士，來自全球名牌高校的[敏感詞]大學生

? 團隊發(fā)表30多篇期刊會議論文，包括所有芯片設(shè)計[敏感詞]期刊和會議，如JSSC,TCAS1,ISCAS等

5、產(chǎn)品優(yōu)勢：

相比國內(nèi)企業(yè)

? 芯片設(shè)計技術(shù)體現(xiàn)在：高性能、高集成、快速度、低噪聲，低功耗，低溫漂；

? 產(chǎn)品線覆蓋范圍更廣，增長潛力更大；

? 可以吸引香港/臺灣/海外高質(zhì)量的畢業(yè)生，

IC設(shè)計訓練水平比中國國內(nèi)更高。

相比國際企業(yè)

? 我們產(chǎn)品線和中國市場更加契合，對手產(chǎn)品線老化；

? 我們更貼近中國市場，對客戶的響應速度更快；

? 相比國際企業(yè)技術(shù)在同一層次，我們產(chǎn)品集成度更高；

? 產(chǎn)品價格有優(yōu)勢；

? 國產(chǎn)替代的浪潮。

6、當前原子半導體芯片產(chǎn)品主要針對兩個市場：模擬傳感器市場和數(shù)字傳感器市場。針對傳統(tǒng)模擬傳感器市場，我們推出高精度ADC芯片產(chǎn)品，能夠滿足10MSPS以下所有高精度的應用需求。針對新興的數(shù)字傳感器市場，我們推出自主開發(fā)的集成數(shù)字傳感器芯片產(chǎn)品。芯片產(chǎn)品性能達到國際領(lǐng)先水平。