被贊譽(yù)為芯片皇冠上的明珠，ADC（Analog-to-Digital Converter，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）的重要性在幾十年內(nèi)從未被動(dòng)搖。進(jìn)入AIoT和5G的時(shí)代，因?yàn)榕c物理世界交互需求的增加，ADC作為信號(hào)鏈核心的地位還在穩(wěn)步提升。

對(duì)于中國(guó)的芯片界來(lái)說(shuō)，ADC以及整個(gè)信號(hào)鏈芯片的國(guó)產(chǎn)化都是繞不開(kāi)的話題。特別是華為禁令事件的爆發(fā)，更是將ADC的國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)程送上快車(chē)道。

進(jìn)步神速

ADC是一大類(lèi)芯片的統(tǒng)稱(chēng)，經(jīng)過(guò)幾十年的演進(jìn)，已經(jīng)產(chǎn)生出針對(duì)不同應(yīng)用的多種架構(gòu)，最為常見(jiàn)的是SAR（逐次逼近）型、∑-Δ型、Pipeline（流水線）型，閃速（Flash）型。按照分辨率和采樣速率，可以最直觀地分辨這些架構(gòu)。

以采樣速率從低到高的順序排序，最低的是∑-Δ型，最高的是Flash型（目前已經(jīng)很少用到）；以分辨率從低到高的順序排序，則正好反之。

精度和速度是一對(duì)矛盾的指標(biāo)，一方追求極致，則另一方就做出犧牲。但數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和數(shù)字電路工作速度的提高，以及對(duì)于系統(tǒng)靈敏度等要求的不斷提高，對(duì)于高速、高精度的 ADC需求越來(lái)越大。

在美國(guó)的出口管控中，對(duì)各分辨率范圍的ADC都設(shè)置了一條采樣速率“紅線”，只要越雷池一步，就要遭受禁運(yùn)。舉例來(lái)說(shuō)，12位～14位ADC，采樣速率不能超過(guò)400MSPS；14位～16位，采樣速率不能超過(guò)250MSPS。

這一紅線是國(guó)產(chǎn)ADC與進(jìn)口ADC的指標(biāo)分水嶺，但是進(jìn)步神速的國(guó)內(nèi)企業(yè)，已經(jīng)開(kāi)始沖擊這道封鎖線。比如，商用的國(guó)產(chǎn)14位ADC的采樣速率已經(jīng)達(dá)到500MSPS，還有初創(chuàng)公司開(kāi)發(fā)的14位、1GSPS的ADC也進(jìn)入樣片測(cè)試階段。

在禁令標(biāo)準(zhǔn)之下的較低分辨率或采樣速率的ADC，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品更是遍地開(kāi)花。“舉例來(lái)說(shuō)，采用CMOS工藝的低速∑-Δ ADC風(fēng)起云涌，已經(jīng)呈紅海狀了。”業(yè)內(nèi)人士這樣表示。

∑-Δ ADC的優(yōu)勢(shì)在于分辨率，目前最高可達(dá)到32位，主要應(yīng)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、聲納等領(lǐng)域。國(guó)產(chǎn)廠商的高精度∑-Δ ADC完全實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，且性能不輸國(guó)際同行。

如果是應(yīng)用更為廣泛的SAR ADC，其因?yàn)殡娐芬?guī)模中等、功耗低，且能兼顧分辨率和采樣速率而很受市場(chǎng)歡迎，國(guó)產(chǎn)ADC芯片也是風(fēng)起云涌。據(jù)原子半導(dǎo)體聯(lián)合創(chuàng)始人袁文章介紹，12位1～3Msps SAR ADC已經(jīng)成為國(guó)產(chǎn)MCU的標(biāo)配，基本以IP或者die的形式存在，更高精度的單片14位甚至是16位SAR ADC也有廠商開(kāi)始供貨。

原子半導(dǎo)體就是其中之一。該公司是基于港科大袁杰教授在長(zhǎng)期的芯片項(xiàng)目研發(fā)儲(chǔ)備和技術(shù)積累，從港科大分離出來(lái)的一家混合信號(hào)/模擬芯片設(shè)計(jì)初創(chuàng)企業(yè)。2020年9月，原子半導(dǎo)體正式流片16bit SAR ADC系列，最高采樣率可達(dá)10MSPS。

如此多的國(guó)產(chǎn)ADC芯片井噴式涌現(xiàn)，讓樂(lè)觀者感覺(jué)國(guó)產(chǎn)ADC全面替代為時(shí)不遠(yuǎn)。但袁文章不這樣認(rèn)為，“今年國(guó)產(chǎn)ADC芯片還不算完全起勢(shì)，因?yàn)閲?guó)產(chǎn)替代始終是個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，需一步一個(gè)腳印，從技術(shù)和制造工藝上逐步突破?！?/p>

盤(pán)根錯(cuò)節(jié)的市場(chǎng)

左右ADC替代周期長(zhǎng)短的重要因素就是復(fù)雜的市場(chǎng)狀況。ADC的下游應(yīng)用非常分散，消費(fèi)、工業(yè)、通信、醫(yī)療、交通等無(wú)所不包，“要建成羅馬”絕非一日之功。

消費(fèi)電子市場(chǎng)的國(guó)產(chǎn)替代最為領(lǐng)先，其規(guī)模和活力也是其他市場(chǎng)暫不能企及的。ADI、TI、Maxim等國(guó)際巨頭當(dāng)前更為關(guān)注工業(yè)、通信、醫(yī)療等領(lǐng)域，那里利潤(rùn)更加豐厚，客戶更為分散，是它們的營(yíng)收重要來(lái)源，

ADC在消費(fèi)電子領(lǐng)域很少以分立芯片的形式出現(xiàn)，都與MCU內(nèi)核集成在一起。有實(shí)力的國(guó)內(nèi)MCU廠商選擇自研ADC，不具備研發(fā)能力的則通過(guò)專(zhuān)業(yè)的ADC公司或其他渠道購(gòu)買(mǎi)相關(guān)IP或者die。晶圓廠和EDA公司也能提供性能不錯(cuò)的ADC IP，使這個(gè)賽道競(jìng)爭(zhēng)激烈。

即使利潤(rùn)較低，國(guó)內(nèi)廠商們也依舊看重這個(gè)市場(chǎng)。“原因是消費(fèi)市場(chǎng)的掙錢(qián)很快，影響力也很大?！币晃粯I(yè)內(nèi)人士道出了其中關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)的ADC廠商大部分經(jīng)過(guò)消費(fèi)電子市場(chǎng)洗禮，在與國(guó)際巨頭的短兵相接中，逐步壯大了技術(shù)實(shí)力并贏得了市場(chǎng)份額。消費(fèi)市場(chǎng)如今已難覓進(jìn)口ADC的身影。

滯留在消費(fèi)電子市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)廠商還有一個(gè)苦衷，要進(jìn)入工業(yè)、通信等市場(chǎng)，以往“難如登天”，連獲得測(cè)試的機(jī)會(huì)都很稀缺。好在中美貿(mào)易戰(zhàn)開(kāi)始以后，情況終于有了改觀，行業(yè)客戶向國(guó)產(chǎn)廠商終于打開(kāi)了大門(mén)。

不可否認(rèn)，這些市場(chǎng)本身對(duì)ADC的性能要求也非常嚴(yán)格。核芯互聯(lián)（北京）科技有限公司董事、總經(jīng)理胡康橋告訴記者，為了滿足客戶的要求，他們?cè)谝粋€(gè)月內(nèi)對(duì)一款芯片連續(xù)改版四次?！坝幸恍┲笜?biāo)都是平常不會(huì)注意的，比如各通道的隔離程度，閉門(mén)做設(shè)計(jì)的時(shí)候根本想不到?！?/p>

這款產(chǎn)品最終打入了國(guó)家電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)國(guó)際大廠同類(lèi)產(chǎn)品的替代。但是這個(gè)過(guò)程也讓胡康橋和團(tuán)隊(duì)認(rèn)識(shí)了工業(yè)市場(chǎng)的殘酷一面。“芯片先送去客戶那里做一兩個(gè)月的壓力測(cè)試，然后送去國(guó)網(wǎng)測(cè)試中心去測(cè)試，再進(jìn)行掛網(wǎng)測(cè)試，最快都要半年時(shí)間，這么長(zhǎng)的周期，小公司真是很難扛?！彼锌?。

回報(bào)與付出也是成正比的。產(chǎn)品一旦被工業(yè)或通信客戶所接納，就有很長(zhǎng)的生命周期，利潤(rùn)也相當(dāng)可觀。再者，因?yàn)檫@些行業(yè)的戰(zhàn)略重要性，國(guó)產(chǎn)替代的熱情很高漲，國(guó)內(nèi)廠商已經(jīng)看到了巨大的商機(jī)。

縱然如此，不少?gòu)S商還是會(huì)望而卻步。胡康橋給記者算了筆賬：“即使是華為的5G基站，一年以幾十萬(wàn)個(gè)來(lái)計(jì)，里面的ADC等模擬器件最多就幾百萬(wàn)的用量，根本無(wú)法與動(dòng)輒出貨上千萬(wàn)或過(guò)億的消費(fèi)市場(chǎng)相比?！币嬲M(jìn)入這些市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)廠商就要在長(zhǎng)期投入和短期收益之間做個(gè)取舍。

除此之外，還有很多的特定應(yīng)用市場(chǎng)對(duì)國(guó)產(chǎn)ADC來(lái)說(shuō)依然是“門(mén)難進(jìn)”，如醫(yī)療電子、測(cè)試測(cè)量儀器儀表等對(duì)芯片性能和質(zhì)量的要求高于對(duì)芯片成本的行業(yè)，由于沒(méi)有給予足夠的“試錯(cuò)”機(jī)會(huì)，加之國(guó)際巨頭也全力提高技術(shù)護(hù)城河（像ADI、TI都推出了針對(duì)醫(yī)療領(lǐng)域的256通道ADC模塊），使得國(guó)內(nèi)企業(yè)短期內(nèi)很難形成替代之勢(shì)。

不能馬踏平川，要一個(gè)一個(gè)市場(chǎng)的去爭(zhēng)奪，國(guó)內(nèi)企業(yè)的前路依然漫長(zhǎng)。

天花板

同很多芯片一樣，中國(guó)企業(yè)完成了從0到1的過(guò)程，接下來(lái)才是真正的考驗(yàn)。

因?yàn)槿A為禁令，很多人知道了超高速ADC。5G基站使用的超高速ADC，對(duì)國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)就是一片空白。后來(lái)，海思雖然用自研的ADC做了替換（指標(biāo)不明晰），依然不能掩蓋行業(yè)的尷尬處境。

5G通信要支持需要100MHz甚至400MHz的RF信道帶寬，這是需要超高速ADC的主要驅(qū)動(dòng)因素。因此，最理想的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采樣速率是1～3GSPS的量級(jí)，業(yè)界一般采用Pipeline型ADC來(lái)實(shí)現(xiàn)，分辨率為14位，目前尚無(wú)國(guó)內(nèi)廠家可以達(dá)成。

據(jù)業(yè)內(nèi)人士透漏，國(guó)內(nèi)某些研究所可以開(kāi)發(fā)RF微波器件，也包括高速、高精度ADC，只是沒(méi)有批量成熟的量產(chǎn)工藝，出貨還要依靠分篩，僅限于滿足小批量不太計(jì)成本的應(yīng)用。

多重因素造成了今日的局面。北京半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)副秘書(shū)長(zhǎng)朱晶認(rèn)為，禁運(yùn)是首要原因，再加上技術(shù)門(mén)檻確實(shí)很高，國(guó)內(nèi)的技術(shù)積累也不夠，最后是系統(tǒng)廠商以前也沒(méi)有給大量的國(guó)產(chǎn)替代機(jī)會(huì)，使得國(guó)內(nèi)遲遲不能突破高速、高精度ADC的壁壘。

曾任職國(guó)外多家模擬芯片公司的技術(shù)專(zhuān)家藍(lán)凱（化名）指出，工藝是一個(gè)決定性的因素?！安灰f(shuō)中國(guó)，整個(gè)亞洲地區(qū)都沒(méi)有適配高速模擬的工藝制程?！?/p>

制造ADC會(huì)采用到CMOS、GaAs HBT和SiGe BiCMOS工藝。其中，CMOS的優(yōu)點(diǎn)是便于與數(shù)字電路集成，且截止頻率高、功耗低；GaAs HBT的擊穿電壓高、但功耗較大；SiGe BiCMOS的截止頻率高，且具有抗輻射性，缺點(diǎn)也是功耗較高。高速ADC多為BiCMOS工藝制造， 只有ADI、TI這些采用IDM模式的公司才掌握著該工藝的“絕活”。

“ADC精度和分辨率的高低主要取決于器件內(nèi)部的電阻網(wǎng)絡(luò)，在ADI公司內(nèi)部，如果要使用高性能的薄膜電阻，都需要特批。”藍(lán)凱以這個(gè)例子來(lái)說(shuō)明大廠對(duì)工藝細(xì)節(jié)的把控。

此外，工藝上的不斷調(diào)校，才能讓ADC這類(lèi)模擬器件發(fā)揮出最好的性能。藍(lán)凱說(shuō)：“單從晶圓制造上講，MPW（多項(xiàng)目晶圓）過(guò)后都要改上幾版后才能摸到晶圓上的門(mén)道?！毕啾戎?，國(guó)內(nèi)的ADC廠商都是Fabless模式，不具備這種反復(fù)調(diào)校的條件，很難實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和工藝的緊耦合。

從設(shè)計(jì)層面來(lái)講，國(guó)際大廠也已形成了嚴(yán)密的專(zhuān)利布局，對(duì)后來(lái)者層層設(shè)防。比如，對(duì)高速ADC非常關(guān)鍵的校準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)廠商想要突破，就很難繞過(guò)大廠的專(zhuān)利壁壘。

最后，就是老生常談的人才問(wèn)題。設(shè)計(jì)和工藝的同步研發(fā)是模擬的難點(diǎn)，設(shè)計(jì)師必須有深刻的工藝?yán)斫饽芰Σ拍芨愣M芯片。但當(dāng)前的情況，不要說(shuō)能掌握全局的設(shè)計(jì)師，即使普通的模擬芯片工程師也非常匱乏。“1年數(shù)字、10年模擬”，培養(yǎng)和留住模擬人才已成當(dāng)務(wù)之急。

工藝、專(zhuān)利、人才，要征服高速ADC，還要翻過(guò)三座大山。

亡羊補(bǔ)牢

華為禁令敲醒了中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)，也讓人們注意到模擬芯片的重要性。

在資本市場(chǎng)上，先后有圣邦微、思瑞浦、芯?？萍?/u>登陸成功，還有昆騰微即將IPO。國(guó)內(nèi)的信號(hào)鏈廠家終于贏來(lái)了曙光。