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【芯调查】游走在禁令与现实之间 国产模数转换ADC能否自强

字号+ 作者:admin 来源:未知 2020-11-22 04:39

【芯调查】游走在禁令与现实之间 国产模数转换ADC能否自强三级视频 被赞誉为芯片皇冠上的明珠,ADC的重要性在几十年内从未被动摇。进入AIoT和5G的时代,因为与物理世界交互需求的

被赞誉为芯片皇冠上的明珠,ADC的重要性在几十年内从未被动摇。进入AIoT和5G的时代,因为与物理世界交互需求的增加,ADC作为信号链核心的地位还在稳步提升。

对于中国的芯片界来说,ADC以及整个信号链芯片的国产化都是绕不开的话题。特别是华为禁令事件的爆发,更是将ADC的国产替代进程送上快车道。

进步神速

ADC是一大类芯片的统称,经过几十年的演进,已经产生出针对不同应用的多种架构,最为常见的是SAR型、∑-Δ型、Pipeline型,闪速型。按照分辨率和采样速率,可以最直观地分辨这些架构。

以采样速率从低到高的顺序排序,最低的是∑-Δ型,最高的是Flash型;以分辨率从低到高的顺序排序,则正好反之。

精度和速度是一对矛盾的指标,一方追求极致,则另一方就做出牺牲。但数字信号处理技术和数字电路工作速度的提高,以及对于系统灵敏度等要求的不断提高,对于高速、高精度的 ADC需求越来越大。

在美国的出口管控中,对各分辨率范围的ADC都设置了一条采样速率“红线”,只要越雷池一步,就要遭受禁运。举例来说,12位~14位ADC,采样速率不能超过400MSPS;14位~16位,采样速率不能超过250MSPS。

这一红线是国产ADC与进口ADC的指标分水岭,但是进步神速的国内企业,已经开始冲击这道封锁线。比如,商用的国产14位ADC的采样速率已经达到500MSPS,还有初创公司开发的14位、1GSPS的ADC也进入样片测试阶段。

在禁令标准之下的较低分辨率或采样速率的ADC,国内产品更是遍地开花。“举例来说,采用CMOS工艺的低速∑-Δ ADC风起云涌,已经呈红海状了。”业内人士这样表示。

∑-Δ ADC的优势在于分辨率,目前最高可达到32位,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、声纳等领域。国产厂商的高精度∑-Δ ADC完全实现了国产化,且性能不输国际同行。

如果是应用更为广泛的SAR ADC,其因为电路规模中等、功耗低,且能兼顾分辨率和采样速率而很受市场欢迎,国产ADC芯片也是风起云涌。据原子半导体联合创始人袁文章介绍,12位1~3Msps SAR ADC已经成为国产MCU的标配,基本以IP或者die的形式存在,更高精度的单片14位甚至是16位SAR ADC也有厂商开始供货。

原子半导体就是其中之一。该公司是基于港科大袁杰教授在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/模拟芯片设计初创企业。2020年9月,原子半导体正式流片16bit SAR ADC系列,最高采样率可达10MSPS。

如此多的国产ADC芯片井喷式涌现,让乐观者感觉国产ADC全面替代为时不远。但袁文章不这样认为,“今年国产ADC芯片还不算完全起势,因为国产替代始终是个循序渐进的过程,需一步一个脚印,从技术和制造工艺上逐步突破。”

盘根错节的市场

左右ADC替代周期长短的重要因素就是复杂的市场状况。ADC的下游应用非常分散,消费、工业、通信、医疗、交通等无所不包,“要建成罗马”绝非一日之功。

消费电子市场的国产替代最为领先,其规模和活力也是其他市场暂不能企及的。ADI、TI、Maxim等国际巨头当前更为关注工业、通信、医疗等领域,那里利润更加丰厚,客户更为分散,是它们的营收重要来源,

ADC在消费电子领域很少以分立芯片的形式出现,都与MCU内核集成在一起。有实力的国内MCU厂商选择自研ADC,不具备研发能力的则通过专业的ADC公司或其他渠道购买相关IP或者die。晶圆厂和EDA公司也能提供性能不错的ADC IP,使这个赛道竞争激烈。

即使利润较低,国内厂商们也依旧看重这个市场。“原因是消费市场的挣钱很快,影响力也很大。”一位业内人士道出了其中关键。国内的ADC厂商大部分经过消费电子市场洗礼,在与国际巨头的短兵相接中,逐步壮大了技术实力并赢得了市场份额。消费市场如今已难觅进口ADC的身影。

滞留在消费电子市场,国内厂商还有一个苦衷,要进入工业、通信等市场,以往“难如登天”,连获得测试的机会都很稀缺。好在中美贸易战开始以后,情况终于有了改观,行业客户向国产厂商终于打开了大门。

不可否认,这些市场本身对ADC的性能要求也非常严格。核芯互联科技有限公司董事、总经理胡康桥告诉记者,为了满足客户的要求,他们在一个月内对一款芯片连续改版四次。“有一些指标都是平常不会注意的,比如各通道的隔离程度,闭门做设计的时候根本想不到。”

这款产品最终打入了国家电网,实现了对国际大厂同类产品的替代。但是这个过程也让胡康桥和团队认识了工业市场的残酷一面。“芯片先送去客户那里做一两个月的压力测试,然后送去国网测试中心去测试,再进行挂网测试,最快都要半年时间,这么长的周期,小公司真是很难扛。”他感慨道。

回报与付出也是成正比的。产品一旦被工业或通信客户所接纳,就有很长的生命周期,利润也相当可观。再者,因为这些行业的战略重要性,国产替代的热情很高涨,国内厂商已经看到了巨大的商机。

纵然如此,不少厂商还是会望而却步。胡康桥给记者算了笔账:“即使是华为的5G基站,一年以几十万个来计,里面的ADC等模拟器件最多就几百万的用量,根本无法与动辄出货上千万或过亿的消费市场相比。”要真正进入这些市场,国内厂商就要在长期投入和短期收益之间做个取舍。

除此之外,还有很多的特定应用市场对国产ADC来说依然是“门难进”,如医疗电子、测试测量仪器仪表等对芯片性能和质量的要求高于对芯片成本的行业,由于没有给予足够的“试错”机会,加之国际巨头也全力提高技术护城河,使得国内企业短期内很难形成替代之势。

不能马踏平川,要一个一个市场的去争夺,国内企业的前路依然漫长。

天花板

同很多芯片一样,中国企业完成了从0到1的过程,接下来才是真正的考验。

因为华为禁令,很多人知道了超高速ADC。5G基站使用的超高速ADC,对国内来说就是一片空白。后来,海思虽然用自研的ADC做了替换,依然不能掩盖行业的尴尬处境。

5G通信要支持需要100MHz甚至400MHz的RF信道带宽,这是需要超高速ADC的主要驱动因素。因此,最理想的数据转换器采样速率是1~3GSPS的量级,业界一般采用Pipeline型ADC来实现,分辨率为14位,目前尚无国内厂家可以达成。

据业内人士透漏,国内某些研究所可以开发RF微波器件,也包括高速、高精度ADC,只是没有批量成熟的量产工艺,出货还要依靠分筛,仅限于满足小批量不太计成本的应用。

多重因素造成了今日的局面。北京半导体行业协会副秘书长朱晶认为,禁运是首要原因,再加上技术门槛确实很高,国内的技术积累也不够,最后是系统厂商以前也没有给大量的国产替代机会,使得国内迟迟不能突破高速、高精度ADC的壁垒。

曾任职国外多家模拟芯片公司的技术专家蓝凯指出,工艺是一个决定性的因素。“不要说中国,整个亚洲地区都没有适配高速模拟的工艺制程。”

制造ADC会采用到CMOS、GaAs HBT和SiGe BiCMOS工艺。其中,CMOS的优点是便于与数字电路集成,且截止频率高、功耗低;GaAs HBT的击穿电压高、但功耗较大;SiGe BiCMOS的截止频率高,且具有抗辐射性,缺点也是功耗较高。高速ADC多为BiCMOS工艺制造, 只有ADI、TI这些采用IDM模式的公司才掌握着该工艺的“绝活”。

“ADC精度和分辨率的高低主要取决于器件内部的电阻网络,在ADI公司内部,如果要使用高性能的薄膜电阻,都需要特批。”蓝凯以这个例子来说明大厂对工艺细节的把控。

此外,工艺上的不断调校,才能让ADC这类模拟器件发挥出最好的性能。蓝凯说:“单从晶圆制造上讲,MPW过后都要改上几版后才能摸到晶圆上的门道。”相比之下,国内的ADC厂商都是Fabless模式,不具备这种反复调校的条件,很难实现设计和工艺的紧耦合。

从设计层面来讲,国际大厂也已形成了严密的专利布局,对后来者层层设防。比如,对高速ADC非常关键的校准,国内厂商想要突破,就很难绕过大厂的专利壁垒。

最后,就是老生常谈的人才问题。设计和工艺的同步研发是模拟的难点,设计师必须有深刻的工艺理解能力才能搞定模拟芯片。但当前的情况,不要说能掌握全局的设计师,即使普通的模拟芯片工程师也非常匮乏。“1年数字、10年模拟”,培养和留住模拟人才已成当务之急。

工艺、专利、人才,要征服高速ADC,还要翻过三座大山。

亡羊补牢

华为禁令敲醒了中国半导体行业,也让人们注意到模拟芯片的重要性。

在资本市场上,先后有圣邦微、思瑞浦、芯海科技登陆成功,还有昆腾微即将IPO。国内的信号链厂家终于赢来了曙光。

创业的路上,不少怀揣着产业报国理想的人也选择了信号链这个赛道,期望改变行业格局。这其中,不乏海归金领,高校精英,以及传统信号链公司的骨干成员。

很多团队以突破高速ADC禁令为口号,也获得了资本的加持,但是真正做出的产品还是少之又少。业内人士将此归结于实验室理想与行业现实之间的巨大差距。资深半导体投资人王磊就认为:“往往有很多团队,虽然高举高打,号称融资多少,专攻高端芯片,但最后还是要做一些中低端的民用产品来养活自己,这就是比较可怜的现实。”

朱晶则指出,这个问题要归结于这个ADC本身,它还是需要一定的技术积累和不断迭代和磨练的,真正从正向做起,并非易事。

凡是做过ADC的人,都坦言ADC并不好做。一枚小小的芯片,蕴含一个复杂的系统,是精雕细琢的产物。国际大厂为了规划好一颗ADC,往往要进行多次调研,认清市场的真正需求后才进行产品定义。这样做出的产品才能真正得到市场的认可,拥有长久的生命周期。

清华大学王志华教授曾经称,中国模拟芯片想要发展,就必须要在存量市场做到性能更好,价格更低,这样才能赢得市场。而这一切的基础,就是坚定的信心和极致的工匠精神。

千里之行 积于跬步。做ADC如此,做模拟芯片莫不如此。

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