国产模数转换ADC芯片的现状、困境和历史机遇

21ic电子网 2020-10-26

自然界产生的信号,都是模拟信号,比如我们说话的声音,看到的景色,感受到的温度、湿度、压力、流速、光、电、风及个人的呼吸、血压、体温、心跳、体重、血糖,体脂等等。

这些模拟信号都得最终放在电脑,手机等数字领域进行处理,存储或者传输,那如何把模拟信号转换成数字信号呢?就需要一个转换器芯片,它就是芯片界的翘楚—ADC!

一、ADC芯片就是Analog Digtal Convert 模拟数字转换的芯片。

从模拟信号转化为数字信号,转换的过程信号处理要经过采样,保持,量化,编程四个阶段。根据不同的处理方式,有七种结构及其应用场景:

Falsh,(Half-Falsh)

Folding(折叠型),

Sigma-Delta(Σ-δ),

SAR(逐次逼近型),

Pipelined(流水型),

未知结构。


1FLASH & Half-FLASH ADC由于其并行结构具有最高采样速率可达10GSps以上,但是由于非线性使其分辨率限制在8位以内,可用于示波器等产品。

2、Folding采用折叠型等结构的高速ADC,可以实现比FLASH稍高的精度和差不多的速度,可应用于广播卫星中的基带解调等方面。

3、∑-Δ型ADC主要应用于高精度数据采集,特别是传感器、数字音响系统、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比特。

4、SAR ADC逐次逼近型,主要应用于中速或较低速、中等精度的数据采集和智能仪器中。具有最宽的采样速率,虽然它不是最快的,但由于低成本和低功耗使其很受欢迎。SAR ADC同时也可以达到16比特的精度。

5、PipeLined流水线型ADC主要应用于高速情况下的瞬态信号处理、快速波形存储与记录、高速数据采集、视频信号量化及高速数字通讯技术等领域,当前设计速度可以达到Gsps。它们非常适合例如无线收发器应用和军用等高性能要求的应用。 


二、针对各种的ADC芯片,如何快速区分和了解ADC芯片的性能的好坏呢?从几个指标着手;

1、精度、也称为分辨率(Resolution),单位(Bits)比特;精度越高的ADC转换出来的数字信号越接近于原来真实的模拟信号;另一方面,该精度只表示ADC输出的位数,不代表这些位数里真正的信号分量。


2、采样速率(InputSampling Rate )单位是SPS, 如果ADC的采样频率是Fs(Hz),那么它可以转换的模拟信号带宽至多是Fs/2(Hz)。比如1Msps代表着1M Samples Per Second,对应的ADC的采样频率就是1MHz,可以转换的模拟信号带宽至多是1/2 MHz。

3、功耗 Power Diss      单位mW;                       

4、噪声 Chip Noise      单位Vrms 均方根;           

5、温漂 Temperature Drift   单位ppm/℃;

6、实际精度 ENOB      ADC输出的信号位数 单位比特;

7、信噪比SNR      单位分贝;

 ADC芯片朝着减小功耗的方向前进,  以功耗、分辨率、采样速率、噪音作为确定品质因数的依据; 这一挑战在移动通信领域应用中尤为突出。

目前ADC 芯片的存在形式多种多样,

传统封装片、集成电路;

2、ADC IP 存在于各种SOC 芯片中;

ADC集成模拟芯片(SIP),存在于各类数字传感器芯片。

 

三、什么是高端ADC芯片呢?

简单来说,它是区别于消费电子市场的ADC芯片,主要应用在军工、航空航天、有线无线通信、汽车、工业和医疗仪器(核磁共振、超声)等对工艺、性能、可靠性要求极高的领域.每个电子系统都需要ADC芯片,而且ADC芯片设计的技术门槛很高。

1996年,以西方为主的33个国家在奥地利维也纳签署了《瓦森纳协定》,规定了高科技产品和技术的出口范围和国家,其中高端ADC属于出口管制的产品,中国也属于受限制的国家之一,禁运范围主要是精度超过8位1.3Gsps以及16位以上速度超过65MSPS的ADC。

1、每一台国产示波器,使用的ADC芯片都需要美国政府的同意才能进口,同时要承诺不被转用军事用途。

2、在相控阵雷达里面,高速度ADC芯片都是必需品,只能通过第N方渠道转道加价获得。

3、在中兴、华为出产的通讯基站,电路板上除了几颗数字基带芯片是自产的,其他通信链路上RF、PLL、ADC/DAC乃至外围测量电源电压的芯片都见不到国产供应商的身影。

4、一些技术含量很高的关键器件高速高精度ADC/DAC等领域,还完全依赖美国供应商。

5、GS/s高精度的模数转换器(ADC)是5G通讯建设中高性能基站的核心器件,也是反导相控阵雷达中所需的关键模块,更是“瓦森纳协议”所禁运管控的核心器件,长期以来被国外公司所垄断,突破GS/s高精度ADC的技术壁垒迫在眉睫。 

四、目前国际上ADC/DAC市场份额分别被ADI、TI、MAXIM、MICROCHIP等国外企业独占,其中,ADI市占率约为58%,TI占比约为25%,MAXIM占7%,MICROCHIP占3%,难觅国内企业身影。

据相关数据显示,2017年ADC芯片销售额为545亿美元,预计到2022年,全球ADC芯片市场规模可达748亿美元,市场前景非常可观。

未来几年支撑ADC芯片增长的主要驱动力是5G、人工智能、物联网、汽车电子等新兴应用,这些相关的产品或技术对信号处理的需求大涨。中国模拟芯片市场占全球模拟芯片市场比例超过50%,且市场增速高于全球平均水平,按具体功能分,ADC/DAC市场规模占模拟电路市场份额比例达15%,所以大概推断出国内2022年ADC/DAC市场规模为56.1亿美元(约393亿人民币)。

ADC芯片龙头企业—ADI;我们主要从ADI关键财务数据剖析。数据来源:ADI官网公布的2019年年度报告(单位:千美元)。

1、收入、毛利率和进利率总览

产品平均毛利率超过60%;

3、收入-按区域

源自于中国地区收入占ADI总收入的35%;

2、收入-按应用领域

ADI在全球市场的业务布局广泛,主要以模拟信息的感知、测量、连接、电源、解译、安全;

这六大核心处理技术,全方位地布局工业自动化、通讯、汽车和消费电子与医疗等产业。根据ADI刚公布的2019财报,工业应用领域占据半壁江山。

五、既然ADC芯片这么重要,又这么赚钱,需求需求量又这么大,我们为什么不自己设计和生产呢?其实国产ADC芯片发展面临的重重困难:

首先,国内大学模拟集成电路的教育水平比较低。其次,在美国,由于瓦森纳协定的限制,华人难以进入ADI/TI等公司最核心的ADC 产品研发部门;在中国研发中心,国内工程师可以通过网络看到绝大部分母公司的设计,但绝对看不到高端的ADC 产品设计。

3、芯片设计,不算架构设计,从电路设计开始,到投片,最少要半年时间。投片送到晶圆工厂流片生产,一般要2个月到3个月。最重要的是一次投片的费用最少也要数十万元,先进工艺高达一千万到几千万。如此高的试错和时间成本对一次成功率的要求极高,不得不把流程拖长,反复验证,需要多个工种密切配合,团队中一个人出错,3个月后回来的芯片可能就是一块儿石头。修改一轮,又三个月过去了。

4、对于研发ADC芯片的初创公司,动则50-60万薪起的模拟芯片研发工程师薪水;如果没有强有力的资金支持,进军ADC芯片就如同进入一个不断挑战的“巨坑”。再加上ADC芯片业更新换代很快,如果不能在特定时间内拿下产品,就赶不上市场的节奏,让企业难以支撑。而对于中国公司来说,想研发出高性能,低功耗的ADC芯片,没有数十年的积累和持续投入,基本都是在划水!

5、集成电路也可反向设计,就是抄,虽然芯片很小,电路密度极大,但仍然可以通过显微、照相等方式获得他的全部版图信息,然后复制一份,送到工厂生产,似乎看起来就可以得到一模一样的产品了。其实不然,版图相当于软件编译后的机器代码,可读性很差,无法了解其原理和架构。而版图提取本身存在物理误差和人为错误,尤其对于高性能的模拟混合信号ADC芯片,对工艺又非常敏感,稍有不一致都可能导致芯片性能和良率的巨大差异。而此时设计人员无法了解原理,定位错误犹如一个盲人在大海里捞针。军工研究所普遍采用这种方法,每次反向犹如一场赌博,有时候能做出来最好,一旦出现问题,基本束手无策。所以多年下来,除了电路比较简单的射频和功放芯片,就算上述高性能ADC等关键器件反向设计成功,但能量产的例子寥寥无几。

6、在自然界,动植物要生存,必须融入生物链。做企业也一样。只不过,在企业这个生态链中,先行者有成本优势,再加上稳定可靠的供应链,使得他们能够持续盈利,进而支撑着技术的不断进步。同时在供应链渠道通畅的时候,各种关系相互利益,做国产替换的工作非常艰难。对后来者而言,如同一道不可逾越的壁垒。好多科研院所的ADC芯片军用很出彩,民用却卖不出去?问题就在生态链上。军用市场是一个封闭的小圈子产品追求性能、稳定性和抗干扰,对功耗、噪声等及价格并不敏感,国家队ADC公司在这里能找到自己的位置。而在民用市场,性价比为王,对噪声,功耗要求极高,技术升级快和供应链响应快,国家队很难融入这样的生态链。

这些年,中国半导体产业面临的一大难题,就是如何融入这个生态链。

六、国内做ADC的企业其实也不少,归纳起来有三类群体:

第一类是国家骨干研究所(企业)。如:云*微、迅*微,北京**民芯,华*贝岭、2*所(吉*微),南京5*所,航天61*所, 安徽21*所,华*微等。从上世纪80年代末开始,国内已有ADC的团队出现,这个阶段主要以项目研发为主。应用主要面向军工、航空航天、相阵控雷达设备等。经过几代人的努力今天也取得了不错的成绩,在一些应用上已经可以看到有国产ADC的芯片出现。中电集团某研究所于: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。问题在于功耗大,噪音大,良率低,量产及产业链能力差,可用于军工,国防科工等领域,但不能适用于工业通讯领域。

第二类是国内高校大学教授及硕博士学生、国内企业技术力量为主的创业团队,如:北京芯*微、苏州纳*微、北京核*互联、奇*士技术、北京昆*微、芯*半导体、杭州*盟等。在ADC研发方面也不断有成就报道出来,比如中科院微电子所在2009年就研发出4Gsps、4bit的ADC产品,2012年研制出了8Gsps、4bit,2018年这个指标上升到了10Gsps、8bit,该产品在eBiCMOS工艺平台实现。复旦大学正在联合第三方企业完成一项4Gsps、12bit的国家研发计划。从指标上看,这个离世界先进水平相差2代。以浙江大学为背景的杭州*盟公司,主要是以基础的SD-ADC 和SAR-ADC为主。

第三类是外企海归团队。深圳灵*微、苏州思*浦、上海韬*半导体、上海*精微、南京*思微、上海*比半导体等。近年来出现的以海归团队,都能知名投资机构的青睐,得到几千万元的投资,其目标是实现高速(1G以上)高精度ADC芯片的自主化研发。在长三角也有几家以ADC为方向的创业团队,其发展路径是针对市场壁垒不高的测量仪器等民品市场研发适销对路的ADC产品。指标参数都在65-250Msps、12-16bit范围,也有报道称苏州某公司研制出了10Gsps、8bit的ADC产品

高校是人才最大的输出口,目前国内有培养微电子人才能力的学校基本结构是:10+17+2"
   10:10代表着国内目前有示范性微电子学院的高校: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,中国科技大学,西安电子科技大学,电子科技大学。这10所大学代表了目前内地在微电子方面最为强悍的高校。

17: 17代表着目前正在筹备建设示范性微电子学院的高校,大部分都是985高校,包括,华中科技大学,同济大学,中山大学等,211的几所大学如合肥工业大学,北京工大在微电子方面也展现着不俗的实力,今年深圳新贵南方科技大学也成功加入联盟。

2:2代表着港澳的2所高校,香港科技大学和澳门大学。香港科技大学作为顶级工科名校,在集成电路设计方面有着世界公认的硬实力,师资力量也是无比强大,基本上都是早年毕业于美国的顶尖名校,堪称大中华第一。

 

七、2000年前后,国家利用人才政策吸引了很多海关留学人员归国创业,这些海归博士一开始也许想做工业级产品,关键的CPU等,但很快发现产业环境不合适。那时候中国的的整机还没有强大到今天华为,小米,OPPO,VIVO 等地位,市场容量小,技术可靠性要求高,设计周期长;这批海归博士的企业都是靠消费类市场和06年之后一波山寨手机热潮完成的原始积累,进入良性循环。然而没有跟上这一波潮流的企业都还在艰难的生存。

在5G时代,高速高精度的ADC是5G基站不可或缺的芯片。目前进口的国外ADC芯片单价都在千元以上,单个5G基站的ADC芯片使用就高达两位数。可见未来国产ADC的使用空间巨大。

 

八、国产ADC芯片产业的历史机遇

政策面:在美国政府和特朗普政权强力制裁以华为为首的中国高科技企业的大前提下,芯片的争夺和发展成了重中之重。8月24日习近平总书记强调长三角三省一市要集合科技力量,聚焦集成电路、生物医药、人工智能等重点领域和关键环节,尽早取得突破。2020年7月30日,在国务院学位委员会会议上,投票通过了设立集成电路一级学科,上海复旦大学已经开了第一枪。有望弥补30万集成电路人才缺口。

而中科大与在合肥市的成功模式,让各级政府、高校及高新科技给城市未来带来的新时代机遇。

资金:国家成立了国家集成电路大基金一期,二期等,全力支持芯片的发展。社会上有关芯片生态产业的投资成了当下最大的热门。各级政府都在当地建设集成电路基金和芯片相关的上游产业投资。

生态:国产替代已经成为了热门词汇。在瓦森纳协定和美国特朗普政府的深度制裁造成国内很多的知名大客户在无芯可用的情况下,在ADC芯片的使用上面不得采用国产替代。在台积电突破7nm,中芯国际突破14nm的今天,国产高端ADC晶圆流片不再是一堵高墙。同时在瓦森纳协定和美国特朗普政府的深度制裁造成国内很多的知名大客户在无芯可用的情况下,在ADC芯片的使用上面不得采用国产替代。

这些年,中国半导体产业面临的一大难题,就是如何融入这个生态链。

---国产替代,让我们有了重塑生态链的好机会。

---新冠疫情,让国产ADC芯片供不应求。

目前美国占据了全球半导体市场的半壁江山,拥有明显的领先优势。那么一再对华实施芯片出口限制,到底有多大作用?美方还能确保自己的市场优势吗?

毕竟中国是全球最大的芯片消费市场。最近,美国智库波士顿咨询公司就发表了自己的研究报告,指出限制对华出口芯片,可能会终结美国在半导体产业的统治地位。 

原子半导体应运而生!!! 

原子半导体团队和产品介绍: 

1、原子半导体是基于袁杰教授在港科大长期的芯片项目研发储备和技术积累,从港科大分离出来的一家混合信号/模拟芯片设计高科技企业。公司成立于2020年9月,当前拥有香港和深圳两支团队。公司总部座落于香港科技园。公司团队主要由名校毕业的博士组成。

2、原子半导体的芯片产品专注于高性能传感器和通信的信号链。可以广泛应用与手机,穿戴式设备,智能电器,消费电子,医疗电子,汽车电子,工业自动化,仪表,和通信设备。当前公司产品拥有众多的合作伙伴和客户。

3、创始人-袁杰:港科大混合信号传感集成电路实验室&国际领先的传感芯片研究中心主任;港科大电子系副教授,清华本科微电子系,宾夕法尼亚微电子系博士,国际芯片设计领域专家,发表70多篇论文,包括所有芯片/传感器设计顶级期刊和会议,如JSSC, TCAS1, ISSCC, VLSI, CICC, ISCAS 等.  和TI,Intel,台积电,华为,中兴等企业,有10多年项目合作经历。

4、研发团队

• 1名港中文博士,前Marvell高级模拟设计工程师

• 7名港科大博士,来自全球名牌高校的顶尖大学生

•团队发表30多篇期刊会议论文,包括所有芯片设计顶级期刊和会议,如JSSC, TCAS1, ISCAS 等

5、产品优势:

相比国内企业

•芯片设计技术体现在:高性能、高集成、快速度、低噪声,低功耗,低温漂;

•产品线覆盖范围更广,增长潜力更大;

•可以吸引香港/台湾/海外高质量的毕业生,IC设计训练水平比中国国内更高。

相比国际企业

•我们产品线和中国市场更加契合,对手产品线老化;

•我们更贴近中国市场,对客户的响应速度更快;

•相比国际企业技术在同一层次,我们产品集成度更高;

•产品价格有优势;

•国产替代的浪潮。

6、当前原子半导体芯片产品主要针对两个市场:模拟传感器市场和数字传感器市场。针对传统模拟传感器市场,我们推出高精度ADC芯片产品,能够满足10MSPS以下所有高精度的应用需求。针对新兴的数字传感器市场,我们推出自主开发的集成数字传感器芯片产品。芯片产品性能达到国际领先水平。

7、产品介绍:

高精度24bit Σ∆ ADC产品线

• AS1001:24bit, 高速(32KSPS),Σ∆ ADC for sensors

• AS1002:24bit, 低速(1KSPS),Σ∆ ADC for sensors



高精度16bit SAR ADC产品线

• AS2001:16bit, 10MSPS, SAR ADC, for data acquisition

• AS2002IP:12bit, 1MSPS, SAR ADC IP,for MCU

• AS2003IP:12bit, 3MSPS, SAR ADC IP,for MC                              

 高速ADC产品线

• AS3001: 14bit, 2.5GSPS, ADC,for 5G base station 

数字温度传感器

• ATA10001:红外数字温度传感器,额温枪,手机

• ATA10002:接触式数字温度传感器,智能手环

接近环境光传感器

• ATA20001:环境光/接近传感器,手机

TOF传感器

• ATA30001:TOF图像传感器,手机

集成医学传感器

•ATA40001:ECG/EEG数字传感器,智能医学patch

智能咪表集成传感器

• ATA50001:智能咪表集成传感器,智能咪表 


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