【芯调查】游走在禁令与现实之间 国产模数转换ADC能否自强

被誉为芯片皇冠上的明珠，ADC的重要性几十年来从未被撼动。进入AIoT和5G时代，由于与物理世界的交互需求不断增加，ADC作为信号链核心的地位仍在稳步提升。

对于中国芯片行业来说，ADC和整个信号链芯片的国产化是一个无法回避的话题。尤其是华为禁令的爆发，更是将ADC的国产换代进程送上了快车道。

进步很快

ADC是一大类芯片的统称。经过几十年的发展，它已经为不同的应用产生了多种架构，最常见的是SAR、∑-δ、流水线和flash。根据分辨率和采样率，可以最直观地区分这些架构。

按照采样率从低到高的顺序，最低的是∑-δ型，最高的是闪光型；如果分辨率从低到高排序，则相反。

精度和速度是一对矛盾的指标。一方追求极致，另一方就要做出牺牲。然而，随着数字信号处理技术和数字电路工作速度的提高，以及系统灵敏度的不断提高，对高速高精度ADC的需求越来越大。

在美国的出口管制中，对各种分辨率范围的ADC都设置了采样率的“红线”，只要越过这条线就会被禁运。比如12位到14位ADC的采样率不能超过400MSPS；14位至16位，采样速率不应超过250MSPS。

这条红线是国产ADC和进口ADC的分水岭，但正在突飞猛进的国产企业已经开始冲击这条封锁线。比如商用的国产14位ADC的采样率已经达到了500MSPS，初创公司开发的14位、1GSPS ADC也已经进入了样片测试阶段。

ban标准下分辨率或采样率更低的ADC，国内产品比比皆是。“比如采用CMOS工艺的低速σ-δADC，风起云涌，已经是红海的形状了。”业内人士如此表示。

σ-δADC的优势在于分辨率，目前最高可达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。国内厂商的高精度σ-δADC完全国产化，性能不逊于国际同行。

如果是应用比较广泛的SAR ADC，由于电路规模中等，功耗低，能够兼顾分辨率和采样率，在市场上很受欢迎。国产ADC芯片也风起云涌。据原子半导体联合创始人文渊介绍，12位1 ~ 3 MSPS SAR ADC已经成为国产MCU的标配，基本以IP或die的形式存在，精度更高的单芯片14位甚至16位SAR ADC的厂商也已经开始供货。

原子就是其中之一。公司是基于HKUST袁杰教授长期的研发储备和技术积累，从HKUST分离出来的混合信号/模拟芯片设计初创企业。2020年9月，原子半导体正式推出16位SAR ADC系列，最高采样率10MSPS。

这么多国产ADC芯片冒出来，乐观者觉得国产ADC被完全取代已经不太远了。然而，袁并不这么认为。“今年国产ADC芯片还没有完全更新换代，因为国产替代永远是一个循序渐进的过程，需要技术和制造工艺的逐步突破。”

混乱的市场

复杂的市场形势是影响ADC更换周期的重要因素。ADC的下游应用非常分散，包括消费、工业、通信、医疗、交通等。“建罗马”绝非一日之功。

消费市场的国内替代是最先进的，其规模和活力是其他市场无法企及的。目前，阿迪、TI、美心等国际巨头更加关注工业、通信、医疗等领域，这些领域利润更加丰厚，客户更加分散，是其收入的重要来源。

ADC在消费电子领域很少以分立芯片的形式出现，它与MCU内核集成在一起。国内有实力的MCU厂商选择自主研发ADC，没有RD能力的则通过专业ADC公司或其他渠道购买相关IP或死亡。晶圆厂和EDA公司也能提供性能良好的ADC IP，使得这个赛道的竞争异常激烈。

即使利润低，国内厂商依然看重这个市场。“原因是消费市场赚钱快，影响力大。”一位业内人士透露了其中的关键。国内ADC厂商大多经过消费电子市场的洗礼，在与国际巨头的近距离交锋中，逐渐加强了技术实力，赢得了市场份额。如今，在消费市场上很难找到进口ADC。

留在消费电子市场，国内厂商的日子还是不好过。在过去，进入工业、电信等市场“很难”，甚至连获得测试的机会都很稀缺。好在中美贸易战开始后，情况终于有所改变，行业客户终于向国内厂商敞开了大门。

不可否认，这些市场本身对ADC性能的要求非常严格。芯互联网科技有限公司董事、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进行了4次改版。“有一些指标是平时不会注意到的，比如各个通道的隔离程度，这是闭门设计时想不到的。”

该产品最终进入国家电网，实现了对国际厂商同类产品的替代。但这个过程也让胡康桥和他的团队知道了工业市场残酷的一面。“芯片先送到客户那里做一两个月的压力测试，然后送到国家电网测试中心测试，再上网测试。最快也要半年。这么长的周期，对一个小公司来说真的很难。”他感慨道。

也和奖励成正比。一个产品一旦被工业或通讯客户接受，它的生命周期就会很长，利润也很可观。再者，由于这些行业的战略重要性，国内替代的积极性非常高，国内厂商看到了巨大的商机。

即便如此，很多厂商还是会望而却步。胡康桥给记者算了一笔账:“就算是华为的5G基站，一年也就几十万，里面的ADC等模拟器件最多也就用几百万，跟几千万、几亿的消费市场没法比。”国内厂商要真正进入这些市场，就要在长期投入和短期收益之间做出权衡。

此外，还有很多具体的应用市场对于国产ADC来说仍然“难以进入”，比如医疗电子、测试测量仪器仪表等对芯片性能和质量要求高于芯片成本的行业。由于没有足够的“试错”机会，而且国际巨头也在全力完善技术护城河，国内企业短期内很难形成替代趋势。

我们不能骑马去平川，但我们必须一个市场一个市场地竞争。国内企业未来的路还很长。

天花板

中国企业和很多芯片一样，完成了从0到1的过程，然后真正的考验来了。

因为华为的禁令，很多人知道了超高速ADC。5G基站用的超高速ADC在国内是一片空白。后来虽然海思换成了自主研发的ADC，但还是掩盖不了行业的尴尬局面。

5G通信需要100MHz甚至400MHz的射频通道带宽，这是超高速ADC的主要驱动因素。因此，数据转换器的理想采样速率为1～3g SPs。业界普遍采用流水线ADC，分辨率为14位，目前国内厂商还没有做到。

业内人士表示，国内一些研究所可以研发射频微波器件，包括高速、高精度的ADC，但没有成熟的量产工艺。装运取决于筛选，这仅限于不太昂贵的小批量应用。

多重因素造成了今天的局面。北京半导体行业协会副秘书长朱静认为，禁运是首要原因，再加上技术门槛高，国内技术积累不足。最后，系统厂商之前没有给出大量的国产替代机会，导致国内迟迟没有突破高速高精度ADC的壁垒。

曾经在多家国外模拟芯片公司工作过的技术专家蓝凯指出，技术是决定性因素。“别说中国，整个亚洲地区都没有适合高速模拟的流程。”

该ADC将采用CMOS、GaAs HBT和SiGe BiCMOS工艺制造。其中，CMOS具有易于与数字电路集成、截止频率高、功耗低等优点。GaAs HBT击穿电压高，但功耗高。BiCMOS截止频率高，抗辐射，但缺点是功耗高。高速ADC大多采用BiCMOS工艺制造，只有采用IDM模式的ADI和TI掌握了这种工艺的独门绝技。

“ADC的精度和分辨率主要取决于器件内部的电阻网络。在ADI公司，如果您想使用高性能薄膜电阻，您需要特别批准。”凯用这个例子来说明大厂对工艺细节的控制。

另外，工艺的不断调整可以使ADC等模拟器件充分发挥最佳性能。蓝凯说:“单从晶圆制造的角度来说，MPW之后，我们要换好几个版本，才能摸到晶圆上的门道。”相比之下，国内ADC厂商都是无厂模式，没有反复调整的条件，很难实现设计和工艺的紧密耦合。

从设计层面，国际大厂也形成了严密的专利布局，对后来者设防。比如国内厂商要想突破高速ADC的关键校准，很难绕过大厂的专利壁垒。

最后就是老套的人才问题。与设计流程同步研发是仿真的难点，设计者必须对流程有深刻的理解才能拿到模拟芯片。但目前别说能掌握全局的设计师，就连普通的模拟芯片工程师都非常缺乏。“一年数字，十年模拟”，培养和留住模拟人才成为当务之急。

技术、专利、人才，要征服高速ADC，我们要翻越三座大山。

迟做比不做好

华为的禁令唤醒了中国的半导体行业，让人们注意到模拟芯片的重要性。

资本市场上，盛邦威、思瑞普、新海科技已经成功登陆，昆腾威即将IPO。国内信号链厂商终于迎来了曙光。

在创业的路上，很多怀揣实业报国理想的人也选择了信号链这个轨道，希望改变行业的格局。其中不乏海归、高校精英、传统信号链公司骨干成员。

很多团队打着突破高速ADC禁令的口号，得到了资本的加持，但真正做出来的产品还是寥寥无几。业内人士将此归因于实验室理想与行业现实的巨大差距。资深半导体投资者王乐妍认为:“通常有很多团队。虽然他们高举高打，号称筹了多少钱，专攻高端芯片，但最终还是要做一些低端的民用产品来养活自己。这是一个相当可怜的现实。”

朱静指出，这个问题应该归咎于ADC本身。还是需要一定的技术积累和不断的迭代磨练。真正从积极的方向出发，并不容易。

做过ADC的都承认ADC不好做。一个小小的芯片，内含一个复杂的系统，是精心呵护的产物。国际厂商为了规划好一款ADC，往往要进行多次调研，认清市场的真实需求，然后定义产品。这样的产品才能真正被市场认可，生命周期长。

清华大学教授曾说过，中国要发展模拟芯片，必须在股票市场取得更好的性能和更低的价格，才能赢得市场。这一切的基础是坚定的信心和极致的工匠精神。

千里之行，积跬步。ADC如此，模拟芯片也是如此。

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