国内模数转换ADC芯片的现状、困难和历史机遇

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2022-03-16 309

自然界产生的信号都是模拟信号，例如我们说话的声音、我们看到的风景、温度、湿度、压力、流速、光、电、风，以及个人的呼吸、血压、体温、心跳、体重、血糖、体脂等等。

这些模拟信号最终必须在计算机和手机等数字领域进行处理、存储或传输。那么如何将模拟信号转换为数字信号呢？您只需要一个转换芯片，它就是芯片行业的领军者——模数转换器（ADC）！

ADC芯片是模拟数字转换器（Analog Digital Convert）芯片，用于将模拟信号转换为数字信号。

模拟信号到数字信号的转换过程包括信号处理的四个阶段：采样、保持、量化和编程。根据不同的处理方法，可分为七种结构及其应用场景：

假面（半假面）

折叠式（折叠型）

Sigma-Delta（Σ-δ），

SAR（逐次逼近法）

管道运输，

未知结构。

1. 由于其并行结构，FLASH 和 Half-FLASH ADC 的最大采样率超过 10GSps，但由于非线性，其分辨率限制为 8 位，因此可用于示波器等产品。

2. 折叠式采用高速 ADC 的折叠结构，可以实现比 FLASH 更高的精度和相似的速度，可应用于广播卫星的基带解调。

3. Σ-Δ ADC 主要用于高精度数据采集，尤其是在传感器、数字音频系统、多媒体、地震勘探仪器、声纳等电子测量领域。采集精度可达 24 位。

4. SAR ADC 为逐次逼近型，主要用于中低速、中等精度的数据采集和智能仪器。它拥有最宽的采样率范围，虽然速度并非最快，但其低成本和低功耗使其广受欢迎。SAR ADC 也可实现 16 位精度。

5. PipeLined pipeline ADC is mainly used in high-speed transient signal processing, fast waveform storage and recording, high-speed data acquisition, video signal quantification and high-speed digital communication technology. The current design speed can reach Gsps. They are ideally suited for applications requiring high performance such as wireless transceiver applications and military applications.

如何快速区分和了解各种ADC芯片的性能？

首先列出几个指标：

1. 精度，也称分辨率，单位为位；精度越高，ADC转换后的数字信号就越接近原始模拟信号；另一方面，精度仅代表ADC的性能。

输出位数并不代表这些位数中包含的真实信号分量。

2. 采样率（输入采样率）的单位是 SPS。如果 ADC 的采样频率为 Fs (Hz)，则其可转换的模拟信号带宽至多为 Fs/2 (Hz)。例如，1Msps 表示每秒 1 万个采样点，对应的 ADC 采样频率为 1MHz，可转换的模拟信号带宽至多为 1/2MHz。

3. 功耗功率 Diss 单位 mW；

4. 噪声芯片噪声单位 Vrms 均方根；

5. 温度漂移单位 ppm/℃；

6. 实际精度：ENOB ADC 输出的信号位数。单位为位；

7. 信噪比 SNR 单位为分贝；

ADC芯片正朝着降低功耗的方向发展，以功耗、分辨率、采样率和噪声作为确定品质因数的基础；这一挑战在移动通信领域的应用中尤为突出。

目前，ADC芯片有多种形式。

1. Traditional packaging chips and integrated circuits;

2. ADC IP 存在于各种 SoC 芯片中；

3. ADC integrated analog chip (SIP) exists in various digital sensor chips.

什么是高端ADC芯片？

简而言之，ADC芯片与消费电子市场上的ADC芯片有所不同。它主要应用于军事、航空航天、有线和无线通信、汽车、工业和医疗仪器（核磁共振、超声波）等对工艺、性能和可靠性要求极高的领域。每个电子系统都需要ADC芯片，而ADC芯片设计的技术门槛非常高。

1996年，主要由西方国家组成的33个国家在奥地利维也纳签署了《瓦塞纳尔协定》，该协定规定了高科技产品和技术的出口范围和国家。高端模数转换器（ADC）属于出口管制产品，中国也是受限制的国家之一。禁运范围主要包括精度超过8位、采样率超过1.3Gsps以及采样率超过65MSPS的16位ADC。

1. The ADC chip used in every domestic oscilloscope requires the consent of the US government before it can be imported, and it must also promise not to be diverted for military purposes.

2. 在相控阵雷达中，高速ADC芯片是必需的，但只能通过第三方渠道以更高的价格获得。

3. 在中兴和华为生产的通信基站中，除了电路板上少数自主生产的数字基带芯片外，其他通信链路（如射频、锁相环、模数转换器/数模转换器，甚至外围电源电压测量芯片）均非国内供应商。

4. Some key components with high technical content, such as high-speed and high-precision ADC/DAC, are completely dependent on American suppliers.

5. GS/s高精度模数转换器（ADC）是5G通信建设中高性能基站的核心组件，也是反导相控阵雷达的关键模块，同时也是受《瓦塞纳尔协议》禁运和管制的核心组件，长期以来一直被外国公司垄断。因此，突破GS/s高精度ADC的技术壁垒迫在眉睫。

目前，国际ADC/DAC市场份额几乎被ADI、TI、MAXIM和MICROCHIP等外国公司垄断。其中，ADI的市场份额约为58%，TI约为25%，MAXIM约为7%，MICROCHIP约为3%。国内公司寥寥无几。

相关数据显示，2017年ADC芯片销售额为54.5亿美元。预计到2022年，全球ADC芯片市场规模将达到74.8亿美元，市场前景非常广阔。

未来几年，推动ADC芯片增长的主要动力将是5G、人工智能、物联网和汽车电子等新兴应用。这些相关产品或技术对信号处理的需求激增。中国模拟芯片市场占全球模拟芯片市场的50%以上，且市场增速高于全球平均水平。按具体功能划分，ADC/DAC市场规模占模拟电路市场份额的15%。因此，可以粗略推断，2022年国内ADC/DAC市场规模将达到5.61亿美元（约合人民币39.3亿元）。

ADI是领先的ADC芯片公司；我们主要分析ADI的关键财务数据。数据来源：ADI官网发布的2019年年度报告（单位：千美元）。

1. 收入、毛利率和利润率概览

The average gross profit margin of products exceeds 60%;

2. 各地区收入

来自中国的收入占ADI总收入的35%；

3. 收入 - 按应用领域划分

ADI 在全球市场拥有广泛的业务，主要专注于模拟信息的感知、测量、连接、供电、解释和安全；

这六项核心处理技术已全面应用于工业自动化、通信、汽车、消费电子、医疗等行业。根据ADI最新发布的2019年财务报告，工业应用领域占全国市场份额的一半。

05 既然ADC芯片如此重要、利润如此丰厚，而且需求如此巨大，为什么我们不自己设计和生产它们呢？

事实上，国产ADC芯片的研发面临诸多困难：

1. 国内高校模拟集成电路教育水平相对较低。

2. 在美国，由于《瓦塞纳尔协议》的限制，中国人很难进入ADI/TI等公司的核心ADC产品研发部门；在中国的研发中心，国内工程师可以通过互联网看到母公司的大部分设计，但他们永远看不到高端ADC产品的设计。

3. 芯片设计，不包括架构设计，从电路设计到量产至少需要半年时间。通常需要2到3个月才能将晶圆送到晶圆厂进行流片生产。最重要的是，一次制片成本至少几十万元，而先进技术的成本甚至高达千万到数千万元。如此高的试错率和时间成本对一次成功率提出了极高的要求。整个过程需要反复验证，需要多个部门的紧密合作。如果团队中有人犯错，三个月后拿回来的芯片可能只是一块废铁。再经过一轮修改，又过了三个月。

4. 对于开发ADC芯片的初创公司而言，模拟芯片研发工程师的起薪在500,000万至600,000万元人民币之间；如果没有雄厚的资金支持，进入ADC芯片领域就如同进入一个充满挑战的“大坑”。此外，ADC芯片行业瞬息万变，如果产品无法在规定时间内跟上市场步伐，就难以生存。

对于中国企业而言，如果他们想要开发高性能、低功耗的ADC芯片，没有数十年的积累和持续投资，他们基本上只是触及了皮毛！

5. 集成电路也可以进行逆向设计，也就是复制。虽然芯片尺寸小，电路密度极高，但仍然可以通过显微镜、摄影等方式获取其全部布局信息，然后复制并送至工厂生产。表面上看，似乎可以得到完全相同的产品。但实际上并非如此。布局信息相当于软件编译后的机器代码，可读性极差，根本无法理解其原理和架构。布局提取本身就存在物理误差和人为误差，尤其对于对工艺非常敏感的高性能模拟混合信号ADC芯片而言，哪怕是微小的偏差都可能导致芯片性能和良率的巨大差异。此时，设计人员无法理解其原理，定位误差就像大海捞针。这种方法常用于军工科研院所。每一次逆向设计都像是一场赌博。有时或许能做到最好，但一旦出现问题，基本上就束手无策了。

因此，多年来，除了电路相对简单的射频和功率放大器芯片外，即使上述高性能ADC和其他关键元件已被成功逆向工程，也很少有能量生产的例子。

6. 在自然界，动植物若想生存，就必须融入生物链。经营企业亦是如此。然而，在企业生态链中，先行者拥有成本优势，加上稳定可靠的供应链，使其能够持续盈利，从而支撑技术的不断进步。同时，当供应链渠道畅通时，各方关系互惠互利，国内产品很难被取代。对于后入者而言，这就像一道难以逾越的障碍。许多科研院所生产的ADC芯片性能优异，但为何无法销往民用市场？问题就出在生态链上。军工市场是一个封闭的小圈子，追求的是性能、稳定性、抗干扰性，对功耗、噪声等因素和价格并不敏感。国产ADC企业在这里可以找到立足之地。而民用市场则以性价比为王，对噪声、功耗、技术升级速度和供应链响应速度的要求极高。国产ADC企业很难融入这样的生态链。

近年来，中国半导体产业面临的一个主要问题是如何融入这一生态链。

实际上，中国有很多公司从事ADC（抗体药物偶联器）业务，它们可以归纳为以下三类：

第一类是国家重点科研院所（企业）

例如：云微、迅微、北京民信、华北岭、二微、南京五微、航天六一、安徽二十一、华微等。自20世纪80年代末以来，中国出现了许多航空航天研发团队。现阶段，他们主要专注于项目研发。

这些应用主要集中在军工、航空航天、相控阵雷达设备等领域。经过几代人的努力，如今已取得显著成果，国产ADC芯片已在一些应用中亮相。例如，中国电力集团某研究所分别于2011年和2018年研制出2Gsps、8位ADC和5Gsps、10位ADC；航空航天研究所于2013年研制出3Gsps、8位ADC，并于2016年推出1Gsps、12位ADC。但目前仍存在功耗高、噪声大、良率低、量产能力和产业链能力较弱等问题。这些芯片可应用于军工、国防科技等领域，但尚无法应用于工业通信领域。

第二类是国内高校教授、硕士和博士研究生。

基于国内企业技术实力的创业团队，例如：北京科锐微电子、苏州纳米微电子、北京科锐互联网、齐世科技、北京昆微电子、科锐半导体、杭州联盟等，在ADC研发领域也不断取得成果。例如，中国科学院微电子研究所于2009年研发出4Gsps、4bit的ADC产品，2012年研发出8Gsps、4bit的ADC产品，2018年又研发出10Gsps、8bit的ADC产品，该产品采用eBiCMOS工艺平台。复旦大学正与第三方企业合作，推进4Gsps、12bit ADC的国家研发计划。从指标上看，这距离世界先进水平还有两代差距。杭州联盟公司以浙江大学为背景，主要专注于基础SD-ADC和SAR-ADC的研发。第三类是外资企业的归国团队。

深圳凌微、苏州思普、上海涛半导体、上海精微、南京思微、上海碧半导体等近年来涌现的海外归国团队，受到知名投资机构的青睐，获得数千万美元的投资。他们的目标是自主研发高速（1G以上）、高精度ADC芯片。长三角地区也有几支以ADC为导向的创业团队，他们的发展路径是开发面向民用市场（如测量仪器等）的、市场门槛较低的ADC产品，指标参数均在65-250Msps、12-16bit范围内。另有报道称，苏州一家公司已研发出10Gsps、8bit的ADC产品。

Colleges and universities are the largest exporter of talents. At present, the basic structure of domestic schools capable of cultivating microelectronics talents is: 10+17+2"

10:10 代表了中国目前拥有顶尖微电子学院的十所大学：清华大学、北京大学、上海交通大学、复旦大学、浙江大学、东南大学、中国科学院大学、中国科学技术大学、西安电子科技大学和电子科技大学。这十所大学代表了中国大陆微电子领域最强大的大学。

17:17 代表目前正在筹建微电子示范学院的高校。其中大部分是 985 高校，包括华中科技大学、同济大学、中山大学等。211 高校中也有几所高校，例如合肥工业大学和北京工业大学，在微电子领域展现出较强实力。今年，深圳南方科技大学这所新兴高校也成功加入了该联盟。

2:2代表香港和澳门的两所大学：香港科技大学和澳门大学。作为顶尖的工程学院，香港科技大学在集成电路设计领域拥有世界公认的雄厚实力，其师资力量也极其强大。基本上，他们早年都毕业于美国顶尖大学，在大中华区名列前茅。

大约在2000年，中国出台人才政策，吸引大量海外海关专业学生回国创业。这些海归博士最初可能想生产工业级产品，例如关键的CPU，但他们很快发现当时的工业环境并不合适。

当时，中国完整的手机性能远不及如今的华为、小米、OPPO、vivo等品牌。市场容量小，技术可靠性要求高，设计周期长。这批海归博士创立的公司都依靠消费市场积累的原始资源以及2006年后的山寨手机浪潮，进入了良性循环。然而，那些未能跟上这一趋势的公司至今仍在苦苦挣扎。

在5G时代，高速高精度ADC是5G基站不可或缺的芯片。目前，进口ADC芯片的单价超过千元，单个5G基站的ADC芯片用量高达两位数。由此可见，国产ADC芯片未来拥有巨大的发展空间。

国内ADC芯片行业的历史机遇

政策：在美国政府和特朗普政府对华为等中国高科技企业实施严厉制裁的前提下，芯片领域的竞争与发展成为重中之重。8月24日，习近平总书记强调，长三角三省一市要汇聚科技力量，聚焦集成电路、生物医药、人工智能等重点领域和关键环节，争取早日取得突破。2020年7月30日，国务院学位委员会会议投票决定设立集成电路一级学科，上海复旦大学率先开课，有望填补30万集成电路人才缺口。

中国科学技术大学与合肥市的成功模式，使各级政府、高校和高科技企业能够为城市的未来带来新时代的机遇。

资金方面：国家已设立一期和二期国家集成电路基金，全力支持芯片发展。投资芯片生态产业已成为当前社会热点话题。各级政府都在设立地方集成电路基金，并投资芯片相关上游产业。

生态：国产替代已成为热门词汇。由于《瓦塞纳尔协议》和美国特朗普政府实施的深度制裁，许多国内知名大型客户在ADC芯片缺货时无法使用国产替代芯片。如今，随着台积电突破7nm制程、中芯国际突破14nm制程，国产高端ADC晶圆流片已不再是难以逾越的障碍。与此同时，《瓦塞纳尔协议》和美国特朗普政府实施的深度制裁也导致许多国内知名大型客户在ADC芯片缺货时无法使用国产替代芯片。

近年来，中国半导体产业面临的一个主要问题是如何融入这一生态链。

---国内替代为我们提供了一个重塑生态链的好机会。

---新冠肺炎疫情导致国内ADC芯片供应短缺。

美国目前占据全球半导体市场一半的份额，并拥有明显的领先优势。那么，美国一再限制对华芯片出口究竟有多大效果？美国还能确保其市场优势吗？

毕竟，中国是全球最大的芯片消费市场。近日，美国智库波士顿咨询集团发布研究报告指出，限制对华芯片出口可能会终结美国在半导体行业的统治地位。

Atomic semiconductors came into being! ! !

原子半导体团队及产品介绍

原子半导体是一家从香港科技大学独立出来的混合信号/模拟芯片设计高科技企业，依托袁杰教授在香港科技大学长期积累的芯片项目研发储备和技术积累。公司成立于2020年1月，目前在香港和深圳设有两支团队，总部位于香港科技园。公司团队成员主要由知名大学的博士毕业生组成。

2. 原子半导体公司的芯片产品专注于高性能传感器和通信信号链，可广泛应用于手机、可穿戴设备、智能家电、消费电子、医疗电子、汽车电子、工业自动化、仪器仪表和通信设备等领域。目前，该公司拥有众多合作伙伴和客户。

3. Founder-Yuan Jie: Director of the Mixed-Signal Sensing Integrated Circuit Laboratory of HKUST & the International Leading Sensor Chip Research Center; Associate Professor of the Department of Electronics of HKUST, Bachelor of Microelectronics of Tsinghua University, Ph.D. of the Department of Microelectronics of Pennsylvania, an expert in the field of international chip design, and has published more than 70 papers Articles, including all top chip/sensor design journals and conferences, such as JSSC, TCAS1, ISSCC, VLSI, CICC, ISCAS, etc. Have more than 10 years of project cooperation experience with TI, Intel, TSMC, Huawei, ZTE and other companies.
4. R&D team

？1 香港华人博士，前 Marvell 高级模拟设计工程师

? 7 HKUST PhDs, top college students from prestigious universities around the world

该团队已发表 30 多篇期刊会议论文，包括所有顶级芯片设计期刊和会议，如 JSSC、TCAS1、ISCAS 等。

5.产品优势：

与国内企业相比

芯片设计技术体现在：高性能、高集成度、快速度、低噪声、低功耗和低温度漂移；

产品线覆盖范围更广，增长潜力更大；

能够吸引来自香港/台湾/海外的高质量毕业生，

The level of IC design training is higher than in China.

与国际公司相比

我们的产品线更符合中国市场需求，而竞争对手的产品线则较为陈旧；

我们更贴近中国市场，能更快地响应客户需求；