國內類比數位轉換ADC晶片的現況、困難與歷史機遇

2022-03-16 308

自然界產生的訊號都是類比訊號，例如我們說話的聲音、我們看到的風景、溫度、濕度、壓力、流速、光、電、風，以及個人的呼吸、血壓、體溫、心跳、體重、血糖、體脂等等。

These analog signals must eventually be processed, stored or transmitted in digital fields such as computers and mobile phones. So how to convert analog signals into digital signals? All you need is a converter chip, which is the leader in the chip industry—ADC!

ADC晶片是類比數位轉換器（Analog Digital Convert）晶片，用於將類比訊號轉換為數位訊號。

類比訊號到數位訊號的轉換過程包括訊號處理的四個階段：取樣、保持、量化和編程。根據不同的處理方法，可分為七種結構及其應用情境：

Falsh，（半Falsh）

Folding(folding type),

西格瑪-德爾塔（Σ-δ），

SAR（逐次逼近法）

管道運輸，

未知結構。

1. 由於其平行結構，FLASH 和 Half-FLASH ADC 的最大取樣率超過 10GSps，但由於非線性，其解析度限制為 8 位，因此可用於示波器等產品。

2. 折疊式採用高速 ADC 的折疊結構，可實現比 FLASH 更高的精度和相似的速度，可應用於廣播衛星的基頻解調。

3. Σ-Δ ADC 主要用於高精度資料擷取，尤其是在感測器、數位音訊系統、多媒體、地震勘探儀器、聲納等電子測量領域。採集精度可達 24 位元。

4. SAR ADC 為逐次逼近型，主要用於中低速、中等精度的資料擷取及智慧型儀器。它擁有最寬的取樣率範圍，雖然速度並非最快，但其低成本和低功耗使其廣受歡迎。 SAR ADC 也可實現 16 位元精度。

5. 流水線式類比數位轉換器（ADC）主要用於高速瞬態訊號處理、快速波形儲存與記錄、高速資料擷取、視訊訊號量化和高速數位通訊技術。目前設計速度可達Gsps級。它們非常適合無線收發器和軍事應用等對性能要求極高的應用。

如何快速區分和了解各種ADC晶片的性能？

首先列出幾個指標：

1. 精度，也稱分辨率，單位為位元；精度越高，ADC轉換後的數位訊號就越接近原始類比訊號；另一方面，精度僅代表ADC的效能。

輸出位數並不代表這些位元數中所包含的真實訊號分量。

2. 取樣率（輸入取樣率）的單位是 SPS。如果 ADC 的取樣頻率為 Fs (Hz)，則其可轉換的類比訊號頻寬至多為 Fs/2 (Hz)。例如，1Msps 表示每秒 1 萬個取樣點，對應的 ADC 取樣頻率為 1MHz，可轉換的類比訊號頻寬至多為 1/2MHz。

3. 耗電量功率 Diss 單位 mW；

4. 雜訊晶片雜訊單位 Vrms 均方根；

5. Temperature Drift Unit ppm/℃;

6. Actual accuracy: The number of signal digits output by ENOB ADC. The unit is bits;

7. 訊號雜訊比 SNR 單位為分貝；

ADC晶片正朝著降低功耗的方向發展，以功耗、解析度、取樣率和雜訊作為確定品質因數的基礎；這項挑戰在行動通訊領域的應用中尤為突出。

目前，ADC晶片有多種形式。

1. Traditional packaging chips and integrated circuits;

2. ADC IP 存在於各種 SoC 晶片中；

3. ADC 整合式類比晶片 (SIP) 存在於各種數位感測器晶片中。

什麼是高階ADC晶片？

簡而言之，ADC晶片與消費性電子市場上的ADC晶片有所不同。它主要應用於軍事、航空航太、有線和無線通訊、汽車、工業和醫療儀器（核磁共振、超音波）等對製程、性能和可靠性要求極高的領域。每個電子系統都需要ADC晶片，而ADC晶片設計的技術門檻非常高。

In 1996, 33 countries, mainly Western countries, signed the Wassenaar Agreement in Vienna, Austria, which stipulated the export scope and countries of high-tech products and technologies. High-end ADCs are export-controlled products, and China is also one of the restricted countries. The scope of the embargo is mainly ADCs with an accuracy of more than 8 bits and 1.3Gsps and a speed of more than 16 bits exceeding 65MSPS.

1. 每台國產示波器所使用的ADC晶片都需要獲得美國政府的批准才能進口，也必須承諾不會被用於軍事用途。

2. 在相控陣雷達中，高速ADC晶片是必要的，但只能透過第三方管道以更高的價格取得。

3. 在中興和華為生產的通訊基地台中，除了電路板上少數自主生產的數位基頻晶片外，其他通訊鏈路（如射頻、鎖相環、類比數位轉換器/數位類比轉換器，甚至外圍電源電壓測量晶片）均非國內供應商。

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高精度類比數位轉換器（ADC）是5G通訊建置中高效能基地台的核心組件，也是反導相控陣雷達的關鍵模組，同時也是受《瓦塞納爾協定》禁運和管制的核心組件，長期以來一直被外國公司壟斷。因此，突破GS/s高精度ADC的技術障礙迫在眉睫。

目前，國際ADC/DAC市佔率幾乎被ADI、TI、MAXIM和MICROCHIP等外國公司壟斷。其中，ADI的市佔率約為58%，TI約25%，MAXIM約7%，MICROCHIP約為3%。國內公司寥寥無幾。

相關數據顯示，2017年ADC晶片銷售額為54.5億美元。預計到2022年，全球ADC晶片市場規模將達到74.8億美元，市場前景非常廣闊。

未來幾年，推動ADC晶片成長的主要動力將是5G、人工智慧、物聯網和汽車電子等新興應用。這些相關產品或技術對訊號處理的需求激增。中國類比晶片市場佔全球類比晶片市場的50%以上，且市場成長率高於全球平均。依具體功能劃分，ADC/DAC市場規模佔類比電路市場份額的15%。因此，可以粗略推斷，2022年國內ADC/DAC市場規模將達到5.61億美元（約39.3億元人民幣）。

ADI是領先的ADC晶片公司；我們主要分析ADI的關鍵財務數據。資料來源：ADI官網發布的2019年年度報告（單位：千美元）。

1. 收入、毛利率和利潤率概覽

產品平均毛利率超過 60%；

2. 各地區收入

Revenue from China accounts for 35% of ADI’s total revenue;

3. 收入 - 按應用領域劃分

ADI 在全球市場擁有廣泛的業務，主要專注於模擬資訊的感知、測量、連接、供電、解釋和安全；

這六項核心處理技術已全面應用於工業自動化、通訊、汽車、消費性電子、醫療等產業。根據ADI最新發布的2019年財務報告，工業應用領域佔全國市場份額的一半。

05 既然ADC晶片如此重要、利潤如此豐厚，而且需求如此巨大，為什麼我們不自己設計和生產它們呢？

事實上，國產ADC晶片的研發面臨許多困難：

1. The education level of analog integrated circuits in domestic universities is relatively low.

2. 在美國，由於《瓦塞納爾協議》的限制，中國人很難進入ADI/TI等公司的核心ADC產品研發部門；在中國的研發中心，國內工程師可以透過網路看到母公司的大部分設計，但他們永遠看不到高階ADC產品的設計。

3. 晶片設計，不包括架構設計，從電路設計到量產至少需要半年時間。通常需要2到3個月才能將晶圓送到晶圓廠進行流片生產。最重要的是，一次製片成本至少數十萬元，而先進技術的成本甚至高達千萬到數千萬元。如此高的試錯率和時間成本對一次成功率提出了極高的要求。整個過程需要反覆驗證，需要多個部門的緊密合作。如果團隊中有人犯錯，三個月後拿回來的晶片可能只是一塊廢鐵。再經過一輪修改，又過了三個月。

4. 對於開發ADC晶片的新創公司而言，類比晶片研發工程師的起薪在500,000萬至600,000萬元人民幣之間；如果沒有雄厚的資金支持，進入ADC晶片領域就如同進入一個充滿挑戰的「大坑」。此外，ADC晶片產業瞬息萬變，如果產品無法在規定時間內跟上市場步伐，就難以生存。

對於中國企業而言，如果他們想要開發高效能、低功耗的ADC晶片，沒有數十年的累積和持續投資，他們基本上只是觸及了皮毛！

5. 積體電路也可以進行逆向設計，也就是複製。雖然晶片尺寸小，電路密度極高，但仍可透過顯微鏡、攝影等方式取得其全部佈局信息，然後複製並送至工廠生產。表面上看，似乎可以得到完全相同的產品。但實際上並非如此。佈局資訊相當於軟體編譯後的機器碼，可讀性極差，根本無法理解其原理與架構。佈局提取本身就存在物理誤差和人為誤差，尤其對於對製程非常敏感的高性能類比混合訊號ADC晶片而言，即使是微小的偏差都可能導致晶片性能和良率的巨大差異。此時，設計人員無法理解其原理，定位誤差就像大海撈針。這種方法常用於軍工科研院所。每一次逆向設計都像是一場賭博。有時或許能做到最好，但一旦出現問題，基本上就束手無策了。

因此，多年來，除了電路相對簡單的射頻和功率放大器晶片外，即使上述高性能ADC和其他關鍵元件已被成功逆向工程，也很少有能量生產的例子。

6. 在自然界，動植物若想生存，就必須融入生物鏈。經營企業亦是如此。然而，在企業生態鏈中，先行者擁有成本優勢，加上穩定可靠的供應鏈，使其能夠持續獲利，進而支撐技術的不斷進步。同時，當供應鏈通路暢通時，各方關係互惠互利，國內產品很難被取代。對後入者而言，這就像是一道難以跨越的障礙。許多科研院所生產的ADC晶片性能優異，但為何無法銷往民用市場？問題就出在生態鏈。軍工市場是一個封閉的小圈子，追求的是性能、穩定性、抗干擾性，對功耗、噪音等因素和價格並不敏感。國產ADC企業在這裡可以找到立足之地。而民用市場則以性價比為王，對噪音、功耗、技術升級速度和供應鏈響應速度的要求極高。國產ADC企業很難融入這樣的生態鏈。

近年來，中國半導體產業面臨的一個主要問題是如何融入這個生態鏈。

實際上，中國有很多公司從事ADC（抗體藥物偶聯器）業務，它們可以歸納為以下三類：

第一類是國家重點研究院所（企業）

例如：雲微、快速、北京民信、華北嶺、二微、南京五微、航太六一、安徽二十一、華微等。自1980年代末期以來，中國出現了許多航空航天研發團隊。現階段，他們主要專注於專案研發。

這些應用主要集中在軍工、航空航太、相控陣雷達設備等領域。經過幾個世代的努力，如今已取得顯著成果，國產ADC晶片已在一些應用中亮相。例如，中國電力集團某研究所分別於2011年及2018年研發出2Gsps、8位ADC及5Gsps、10位ADC；航太研究所於2013年研製出3Gsps、8位ADC，並於2016年推出1Gsps、12位ADC。但目前仍存在功耗高、噪音大、良率低、量產能力和產業鏈能力較弱等問題。這些晶片可應用於軍工、國防科技等領域，但尚無法應用於工業通訊領域。

The second category is domestic university professors and master’s and doctoral students

以國內企業技術實力為基礎的創業團隊，例如：北京科銳微電子、蘇州奈米微電子、北京科銳互聯網、齊世科技、北京崑微電子、科銳半導體、杭州聯盟等，在ADC研發領域也持續取得成果。例如，中國科學院微電子研究所於2009年研發出4Gsps、4bit的ADC產品，2012年研發出8Gsps、4bit的ADC產品，2018年又研發出10Gsps、8bit的ADC產品，該產品採用eBiCMOS製程平台。復旦大學正與第三方企業合作，推動4Gsps、12bit ADC的國家研發計畫。從指標來看，這距離世界先進水準還有兩代差距。杭州聯盟公司以浙江大學為背景，主要專注於基礎SD-ADC和SAR-ADC的研發。第三類是外資企業的歸國團隊。

Shenzhen Ling*Micro, Suzhou Si*Pu, Shanghai Tao* Semiconductor, Shanghai*Jingwei, Nanjing*Siwei, Shanghai*Bi Semiconductor, etc. The overseas returnee teams that have appeared in recent years have been favored by well-known investment institutions and have received tens of millions of dollars in investment. Their goal is to achieve independent research and development of high-speed (above 1G) and high-precision ADC chips. There are also several ADC-oriented entrepreneurial teams in the Yangtze River Delta. Their development path is to develop marketable ADC products for the civilian market such as measuring instruments with low market barriers. The indicator parameters are all in the range of 65-250Msps, 12-16bit. There are also reports that a company in Suzhou has developed a 10Gsps, 8bit ADC product.

大學是最大的人才產出單位。目前，國內能夠培養微電子人才的院校基本結構為：10+17+2」。

10:10 代表了中國目前擁有頂尖微電子學院的十所大學：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、中國科學技術大學、西安電子科技大學和電子科技大學。這十所大學代表了中國大陸微電子領域最強大的大學。

17:17 代表目前正在籌建微電子示範學院的大學。其中大部分是 985 大專院校，包括華中科技大學、同濟大學、中山大學等。 211 大學中也有幾所大學，例如合肥工業大學和北京工業大學，在微電子領域展現出較強實力。今年，深圳南方科技大學這所新興大學也成功加入了該聯盟。

2:2 represents two universities in Hong Kong and Macau, the Hong Kong University of Science and Technology and the University of Macau. As a top engineering school, the Hong Kong University of Science and Technology has world-recognized hard power in integrated circuit design, and its teaching staff is also extremely strong. Basically, they all graduated from top universities in the United States in their early years, ranking first in Greater China.

大約在2000年，中國推出人才政策，吸引大量海外海關專業學生回國創業。這些海歸博士最初可能想生產工業級產品，例如關鍵的CPU，但他們很快就發現當時的工業環境並不合適。

當時，中國完整的手機性能遠不及如今的華為、小米、OPPO、vivo等品牌。市場容量小，技術可靠性要求高，設計週期長。這批海歸博士創立的公司都依賴消費市場累積的原始資源以及2006年後的山寨手機浪潮，進入了良性循環。然而，那些未能跟上這一趨勢的公司至今仍在苦苦掙扎。

在5G時代，高速高精度ADC是5G基地台不可或缺的晶片。目前，進口ADC晶片的單價超過千元，單一5G基地台的ADC晶片用量高達兩位數。由此可見，國產ADC晶片未來擁有龐大的發展空間。

國內ADC晶片產業的歷史機遇

政策：在美國政府與川普政府對華為等中國高科技企業實施嚴厲制裁的前提下，晶片領域的競爭與發展成為重中之重。 8月24日，習近平總書記強調，長三角三省一市要匯聚科技力量，聚焦積體電路、生醫、人工智慧等重點領域及關鍵環節，爭取早日取得突破。 2020年7月30日，國務院學位委員會會議投票決定設立積體電路一級學科，上海復旦大學率先開課，預計將填補30萬集成電路人才缺口。

中國科學技術大學與合肥市的成功模式，使各級政府、大學和高科技企業能夠為城市的未來帶來新時代的機會。

資金方面：國家已設立第一期和第二期國家積體電路基金，全力支持晶片發展。投資晶片生態產業已成為當前社會熱門話題。各級政府都在設立地方積體電路基金，並投資晶片相關上游產業。

生態：國產替代成為熱門詞彙。由於《瓦塞納爾協議》和美國川普政府實施的深度製裁，許多國內知名大型客戶在ADC晶片缺貨時無法使用國產替代晶片。現今，隨著台積電突破7nm製程、中芯國際突破14nm製程，國產高階ADC晶圓流片已不再是難以克服的障礙。同時，《瓦塞納爾協議》和美國川普政府實施的深度製裁也導致許多國內知名大型客戶在ADC晶片缺貨時無法使用國產替代晶片。

近年來，中國半導體產業面臨的一個主要問題是如何融入這個生態鏈。

---國內替代為我們提供了一個重塑生態鏈的好機會。

---新冠肺炎疫情導致國內ADC晶片供應短缺。

美國目前佔據全球半導體市場一半的份額，並擁有明顯的領先優勢。那麼，美國一再限制對華晶片出口究竟有多大效果？美國還能確保其市場優勢嗎？

畢竟，中國是全球最大的晶片消費市場。近日，美國智庫波士頓顧問集團發布研究報告指出，限制對華晶片出口可能終結美國在半導體產業的統治地位。

原子半導體誕生了！！！

原子半導體團隊及產品介紹

原子半導體是一家從香港科技大學獨立出來的混合訊號/類比晶片設計高科技企業，依托袁傑教授在香港科技大學長期累積的晶片項目研發儲備和技術累積。公司成立於2020年1月，目前在香港和深圳設有兩支團隊，總部位於香港科技園區。公司團隊成員主要由知名大學的博士畢業生組成。

2. Atomic Semiconductor’s chip products focus on high-performance sensors and communication signal chains. It can be widely used in mobile phones, wearable devices, smart appliances, consumer electronics, medical electronics, automotive electronics, industrial automation, instruments, and communication equipment. The current company's products have many partners and customers.

3. 創辦人袁傑：香港科技大學混合訊號感測積體電路實驗室主任兼國際領先的感測器晶片研究中心主任；香港科技大學電子學系副教授，清華大學微電子學士，賓州大學微電子學博士，國際晶片設計領域專家，發表論文70餘篇，涵蓋JSSC、TCAS1、ISSCC、VLSI、CICC、ISCAS等頂級晶片/感測器設計期刊。擁有與德州儀器、英特爾、台積電、華為、中興等公司超過10年的專案合作經驗。
4. 研發團隊

？ 1 香港華人博士，前 Marvell 資深模擬設計工程師

？ 7位香港科技大學博士，以及來自世界各地著名大學的頂尖大學生

該團隊已發表 30 多篇期刊會議論文，包括所有頂級晶片設計期刊和會議，如 JSSC、TCAS1、ISCAS 等。

5. 產品優勢：

與國內企業相比

晶片設計技術體現在：高效能、高整合度、快速度、低雜訊、低功耗和低溫度漂移；

產品線覆蓋範圍更廣，成長潛力更大；

能夠吸引來自香港/台灣/海外的高品質畢業生，

該國的積體電路設計訓練水準高於中國。

與國際公司相比

我們的產品線較符合中國市場需求，而競爭對手的產品線則較為陳舊；

我們更貼近中國市場，能更快回應客戶需求；