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一文看懂ADC芯片,国产如何突围?

2019-09-01
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芯片世界中的ADC,全称是Analog-to-Digital Converter, 模拟数字转换器!它是连接模拟世界数字世界的桥梁,说的文艺一点,是ADC为这两个世界带来了爱情。

从宏观上看,自然界产生的信号,都是模拟信号,比如我们说话的声音,我们看到的图像,我们感受到的温度等等。但是这些模拟信号都得最终放在数字领域进行处理,存储或者传输,那如何把模拟信号转换成数字信号呢?对的,机智如你,我们需要一个转换器,它就是芯片界的老牌贵族—ADC!



说它老牌,因为第一个ADC芯片是由IBM的M. Klein于1974年发明,到2019年,已经整整45年的历史,它的基本架构、设计方法、原理已经非常之成熟!之所以称它为贵族,是因为这玩意很高冷,技术含量很高,卡脖子中的战斗鸡。在ADC的技术和市场上,美帝企业如亚德诺(ADI),德州仪器(TI)等一骑绝尘!在全球市场份额上,其中ADI占有率最高,约为58%,TI的占有率约为25%。不幸的是,在不平等条约—《瓦森纳协议》下,高性能的ADC芯片在美帝的出口管控之中,高端ADC芯片甚至完全禁运到中国。


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。


ADC的基本指标


ADC芯片主要看两个基本指标,一个是速度—Speed,一个是精度—Resolution。顾名思义,速度代表着ADC可以转换多大带宽—Bandwidth的模拟信号,带宽对应的就是模拟信号频谱中的最大频率。精度就是衡量转换出来的数字信号与原来的模拟信号之前的差距。


ADC第一步操作是对模拟信号进行采样,说到采样,小麒要先引入一个20世纪信息论中伟大的香农-奈奎斯特采样定理:为了不失真地恢复模拟信号,采样频率应该大于等于模拟信号带宽的2倍。换句话说,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)。对应采样频率为Fs(Hz)的ADC,它在时域里1秒中可以采集(1/Fs)点的信息。对于ADC的速度指标,我们通常用单位SPS(Sample Per Second)来表示,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0.5MHz。


ADC第二步操作就是把采样的模拟信号量化成数字信号。数字信号代表的数值与模拟信号的真实数值之间的差距越小,代表着ADC的精度越高,我们通常用N-bit来表示精度,比如10-bit代表着数值之间的最大差距是1/(2^10)。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。


ADC的应用场景及性能要求


记住,ADC芯片的速度和精度指标是相互折中,此消彼长的。对应于不同的应用场景,比如测量仪器、医疗电子、汽车电子、工业电子、有线/无线通信等,对ADC芯片的速度和精度都有着不尽相同的要求。在这里,小麒针对不同的应用场景做一下小小的总结。


1. 超低的信号带宽: 
转换频率很低,时间上变化很慢的信号,如应用于高精度的体重计,温度计等测量仪器,ADC精度需求通常在20bit以上。


2. 低信号带宽:
转换频率低,带宽100Hz或者更小的信号,如应用于生物信号的测量,精度在8bit-18bit左右。


3. 音频带宽:
转换人耳可以听到的20Hz-20KHz的声音信号,如应用于耳机,Hi-Fi上面,精度在8bit-18bit左右。


4. 视频和图像带宽:
在此,小伙伴们回想一下这些年电视画面的变化,从小时候看的有雪花点的模拟电视到现代的高清数字电视里面,图像是越来越清晰了,ADC的性能需求也是越来越高了。模拟电视里面的ADC大概需要20MSPS,8bit的ADC,而现代的高清数字电视则需要80MSPS,12bit-14bit左右ADC。ADC在成像中应用除了电视,相机等消费类电子,也包括医疗电子、如X射线、超声波、核磁共振等。


5. 通信带宽:
高大上的无线通信领域可以划分为两个部分,一个是手机终端,一个是基站。从3G到4G,再到目前火热的5G通信,模拟信号带宽要求越来越大,但转换精度要求基本保持不变,显然易见,这两个部分对于ADC芯片的设计要求越来越高。5G通信下,手机终端需要160+MSPS,12bit的ADC芯片,基站里面需要250MSPS-1GSPS,14-16bit的ADC芯片。


美帝管控下的ADC芯片


好了,介绍完ADC的基本指标和不同的应用需求,现在小麒就带着各位看官大大看看哪些指标的ADC芯片在美帝出口的管控之中。点击进入美国商务部旗下安全工业署的网站:


https://www.bis.doc.gov/index.php/regulations/export-administration-regulations-ear


我们可以看到9大类的商品管控名单,妥妥地都是硬核高科技领域,好吧,乐观向上的我,不得不承认,这是给中国的科研事业指引道路。


在对应的电子类的名单中,我们就可以找到ADC芯片的相关描述,指标总结如下,



从美帝管控的ADC芯片指标中,我们可以看出高速ADC目前有着相当高的技术壁垒。这些高速ADC芯片虽然每年出货量不到10%,但却创造了接近50% 的行业销售额。随着5G、汽车电子、人工智能、物联网等的持续发展,预计到2022年,全球ADC芯片市场规模接近750亿美金。


而对于中国公司来说,想独立研发出上述性能指标的ADC芯片,没有数十年的长期积累和持续投入,基本都是在划水!

中国ADC哪家强?

目前中国有哪些公司以及科研院所有研发上述规格的ADC芯片的能力呢?小麒好好地搜集了一番,但实在受制于有限的网络信息,小小总结如下,给各位看官大大做个参考:


1. 华为海思:作为国内芯片龙头企业,首先还是要聊一下华为海思。菊厂在今年发布了海思研发的5G终端的巴龙5000和5G基站的天罡系列, 这些用于5G的基带SOC芯片毋庸置疑都需要高速ADC转换接收到的射频信号。虽然海思关于ADC的研发相当神秘,网上并没有什么信息,但从海思发布的5G基带芯片以及ADC人才招聘上面,小麒我大胆推测海思已具有很强的高速ADC研发能力,并且极有可能已经做到自给自足,假以时日,或许还会对外销售呢。


2. 苏州云芯微电子:在ADI工作数十年的海归博士,于2010年创立的公司,2016年被中国振华电子集团收购。该公司靠着高性能ADC研发起步,应用于通信,雷达市场。ADC产品速度在65MSPS-250MSPS,精度在12bit-16bit之间。其中65-125MSPS,16bit 和250MSPS,14bit的产品规格达到美帝出口管控的规格。


3. 苏州迅芯微电子:成立于2013年,背景略显神秘,该公司主攻超高速ADC,ADC产品速度在2GSPS,10GSPS,30GSPS,精度在6bit-8bit之间。其中2GSPS,8bit和10GSPS, 10bit 都属于美帝出口管控的规格之中。


4. 北京时代民芯:于2005年,为航天微电子资源而成立的公司,现为航天电子技术股份有限公司的全资子公司。该公司出售的高速ADC芯片有两款,一款是精度8bit,速度800MSPS,另外一款是精度8bit,速度1.3GSPS。小麒仔细地看了这两款产品,二者结构基本一致,因为前者具有抗辐射的功能,所以速度相比于后者有所牺牲。非常有趣的是,后者的规格又刚好卡在美帝管控的ADC芯片性能上面。


5. 中电集团24所:坐落于美丽的江城重庆,是我国唯一的模拟集成电路专业研究所,是我国高性能模拟集成电路设计开发和生产的重要基地。主要产品有:ADC/DAC转换器、高性能放大器、射频集成电路、驱动器、电源以及汽车电子等,并广泛应用于航空航天、卫星定位、雷达导航、自动控制、汽车和通讯等领域。小麒我很早就听说24所的ADC玩的蛮好的,跑去看一下它的产品中心,ADC这条线的产品相比于上面几个公司确实丰富不少,明面上一共展示了16款产品,精度覆盖8bit-16bit。非常有趣的是,可能鉴于科研所的背景,网上几乎没有展示任何一款产品对应的速度,只是简单描述了下产品的应用领域。但从应用领域上,小麒已经深深地感受到24所低调强大的ADC实力。


以上几家公司就是目前中国ADC实力的强力代表,数量上着实不多,当然,鉴于小麒有限的能力以及ADC的高度敏感性,一些低调或者有着军工背景的公司就没法在网上发掘了,期待各位看官大大的后续补充。


虽然信息有限,但是还是看的出来中国公司的ADC产品线很不完整,尤其是民营创业公司只专注于做几款ADC。原因也很明显,ADC技术壁垒太高,持续研发耗时耗力耗钱,市场竞争激烈,创业公司可以靠初始团队熟悉的ADC起步,但ADC一条路走到底并不现实,靠着ADC拿到第一桶金,转而做一些技术难度低的产品,不失为是一种明智之举!


为祖国做ADC的情怀,放在资本主义市场并不好用,没有面包,哪有情怀?毕竟,创业公司怎样活着才是王道。


相反,不差钱的中电集团24所更适合为情怀而奋斗,持续地研发投入也带给了24所领先于全国的ADC实力。


对比美帝两大巨头ADI和TI的网站,从高精度ADC到高速度ADC应有尽有,查找非常方便,技术文档描述非常详尽,购物(芯片)体验完全不逊于国内某宝。


这就是目前的巨大差距!如何打破美帝的垄断,怎么玩好ADC?中兴华为事件一次次地激发国人的民族情绪。但在如今浮躁的社会,靠情怀来支撑造芯梦,然并卵!



如何玩好ADC?

如何玩好ADC?想弯道超车美帝公司,不存在的,为什么呢?因为别人都在直行啊!变道超车才有可能!


1. 国家队引领,资金支持:


玩芯片烧钱,这是业内公认的事实。



2014年前,中国芯片市场完全效仿欧美国家,自由竞争,结果显而易见,芯片发展严重滞后。因为芯片研发高投入,高风险,社会资本大部分都在隔岸观芯,精力都放在分分钟就可以出只独角兽的互联网上面,500万投个APP创业已然有模有样,但要拿去投芯片公司,可能芯片影子都看不到。


2014年,中国芯片发展迎来历史性转折点—国家成立集成电路产业大基金,国家队开始主导投资,政府和市场双管齐下,推动芯片发展。


对于有心玩好ADC的初创公司,投资人要耐心孵化,当地政府要给予强劲的资金和补贴支持,让团队能够耐心克服技术难关,玩好ADC。


2. 科创板,并购重组,互通有无


罗马城不是一天建成的。



一骑绝尘的ADI和TI也是通过不停地收购其它的公司,来丰富自己的产品线,进一步地巩固自己的霸主地位。


目光回到国内,除了海思这种大厂,国内有研发ADC能力的公司基本上都是专注在自己熟悉的小领域,做几款类型的ADC,没有持续研发的想法。直接原因当然是,没有足够的钱,市场竞争残酷!但对于任何一家科技企业来说,研发投入都是相当重要的一环,研发投入的多少某种程度上会决定一个科技企业的高度。


今年科创板的问世给科技公司带来了希望,相比于传统的A股,科技公司上市难度大大降低,有了资本的注入,科技公司将更加有动力和实力去做持续地研发。


另一方面,各自为战,相互消耗,并不有利于芯片公司的扩大发展,如果在上市前后,投资人可以撮合两家ADC公司并购重组,强强联合,互通有无,1加1是大于2的,才能更好地玩转ADC。


3. 国内整机系统开放,尝试国产化替代


世界工厂中国有着全球最大的半导体消费市场,通信供应商华为中兴打败了欧洲之流,手机品牌华为,OPPO,VIVO,小米,魅族,一加等在国内和国外市场也都各领风骚。


但随着美帝对中兴华为的制裁,看似光鲜亮丽的整机产业,衣服被扒的一干二净!大部分整机系统在高端芯片上,几乎没有自主产权,完全依靠进口。



痛定思痛,国产芯片代替进口芯片,已成必然趋势。幸运的是,国内的整机系统已经尝试着开放,慢慢地孕育还在襁褓中的国产芯片,虽然起步艰难,困难重重,但这至少给国内芯片公司打了一针强心剂。


通信基站的信号链、国产的大型医疗器械、国产的示波器等测试仪器都需要高性能的ADC芯片,华为海思,毋庸置疑,一直在做ADC自主研发,慢慢地去美国化。国产医疗器械公司等整机公司可能没有芯片自主研发的能力,但一步一步地尝试使用国产ADC,陪着它们一起试错,中国ADC产业才有机会发展。


4. 人才培养



中国集成电路产业人才白皮书(2017-2018)指出,到2020年前后,我国集成电路行业人才需求规模72万人左右,而我国现有人才存量仅有40万人,人才缺口将达32万人。


中国芯片领域人才不足,人员短缺,已是老生常谈的话题。中国优秀的大学生首选都是金融和互联网业行业,原因很简单,赚的多。清北复交顶级名校毕业的学生,哪怕本科专业是芯片领域,很多也会积极转行金融或者从事互联网。


曾经年少无知的我,心中一直困惑,既然芯片对于中国这么重要,那为啥从业人员的工资却没有想象中的那么高。玩芯片苦逼,同样都是996,干不过高大上的金融我们认了,毕竟人家是直接玩钱,但是和同样走技术路线的互联网同胞相比,也存在一定差距,不服啊。


Too YOUNG, Too SIMPLE。


现在是明白了,这一切都取决于市场。



听过清华大学王志华教授的讲座,才了解到整个中国的市场模型,其实是一个倒三角,半导体产业虽然贵为高科技经济的基石,但产值是有限的。相反,BAT等软件公司带来的无限增值服务却占据着倒三角的顶端,公司产值高,相关从业人员的工资自然会变高。


另外,半导体产业技术壁垒高,欧美日韩公司有着绝对霸主地位,占据着全球半导体产业绝大部分产值。在半导体行业,有这样一个说法,老大吃肉,老二喝汤,老三基本没有存在感。


欧美公司大口吃肉大口喝汤,而目前绝大部分中国公司只能小口喝喝涮锅水,公司营收体量小,相关从业人员的工资自然不会太高,毕竟我们没有核心技术。


现实很残酷,但是所幸,情况已经越来越好。


经历了中兴,华为事件的冲击,国家是越来越重视芯片,芯片领域的工资迎来了一波涨幅,地方政府也给予芯片从业人员不少的福利和优惠,科创板的问世更是带给了芯片从业人员更多的资本激励。


相信,明天会更好!


最后,我们再来谈一下人才储备,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,北京工业大学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绝对的硬实力,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。


澳门大学这些年微电子发展非常迅猛,早期师资依靠本土培养,中期吸引了不少外校的青年才俊加盟,从2011年获批国家重点实验室之后,就一路开挂到现在,在有着芯片奥林匹克美誉的顶级峰会ISSCC上,每年都刷新论文记录,在国内外大放异彩,已然成为大中华区最闪耀的明星。今年,依托于国家重点实验室和这些年的辉煌成果,澳门大学微电子研究院成立,扩大招生,进一步加强微电子人才培养。


相信在10个微电子老牌明星,17个蓄势待发的微电子新星以及2个港澳同胞的共同努力下,中国微电子人才,ADC方向的人才会越来越多,越来越好!


为各大高校插播一段免费广告,高考考研有心报考微电子专业的热血青年,请认准 "10+17+2"。


尾巴

写到这,其实不难发现,中国ADC芯片与国外的巨大差距只是中国高端芯片远远落后于国外的一个缩影,如何玩好ADC?如何玩好芯片?


国家政策,市场,资本,人才缺一不可。


中兴华为事件让我们清醒的认识了自身,虽然打击巨大,但塞翁失马,焉知非福。二十年过后回过头来看,这必然是中国芯片行业浴火重生的转折点。


毛主席说过,帝国主义亡我之心不死。但东方雄狮从来不怕纸老虎!



读到这的,都是真爱,感谢各位看官大大,小麒只是一枚即将毕业的ADC领域的博士,在这里一本正经地胡说了一下,经历有限,认知也有限,说的不太对的地方,望各位看官大大理解,期待交流和指正!

*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点,不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系半导体行业观察。


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