近日，海思發佈了高精度ADC晶片AC9160引發行業關注。官方資料顯示，該晶片採用SAR ADC架構實現了2Msps採樣率的同時，保持了24bit的超高採樣精度。憑藉創新的低噪聲設計，該晶片在2Msps下可達到103.5dBFS的SNR，在1Ksps更是高達138dBFS，即便在強干擾環境下依然能夠分辨目標訊號與噪聲訊號。通過先進的封裝設計技術，AC9610支援-40°C~125°C寬溫工作，同時保證低溫漂，確保工業複雜環境下仍能正常運行。那麼這顆晶片的發佈到底意味著什麼呢？其有何過人之處？01ADC晶片有多重要？在很多裝置上，感測器接收到的資訊是模擬訊號，比如電壓值、電流值等等。模擬訊號是連續的訊號，典型代表包括CT、MRI之類的醫療裝置。但是在數字世界中，CPU、MCU等各類電子裝置大腦處理的是數字資訊，模擬訊號不方便進行處理，因此需要一類晶片將模擬訊號轉換為數字訊號一般而言，在連續的模擬訊號中採取樣本，然後再用樣本估算整體，採樣得到的資料，就變成了離散的數字訊號。將模擬訊號轉化為數字訊號的晶片就是ADC晶片，也叫模數轉換器（Analog-to-Digital Converter）。ADC晶片用於將真實世界產生的模擬訊號（如溫度、壓力、聲音、指紋或者圖像等）轉換成更容易處理的數字形式；DAC（Digital to analog converter）的作用恰恰相反，它將數字訊號調製成模擬訊號。ADC和DAC是真實世界與數字世界的橋樑，屬於模擬晶片中難度最高的一部分，因此被稱為模擬電路皇冠上的明珠。在轉換器晶片中，ADC應用最為廣泛，在兩者的總需求中佔比接近80%。ADC既然要採樣，那就離不開兩大關鍵資料，即採樣精度和採樣速度。採樣精度用“位”來表示，現在常用的ADC，採樣精度有8位、16位、24位、32位，採樣速率用“Sps”來表示，意思是“每秒可以採集多少個樣本”。一般而言，採樣精度高，採樣速率就快不起來，採樣速率太快了，那採樣精度就高不起來。比如，從技術參數來看，部分國產超高速ADC晶片已經達到了國際領先水平。成都華微去年發佈的超高速AD轉換器HWD08B64GA1型，其採樣率最高可達64GSPS，但其採樣精度只有8位。該產品是國內首家基於自主28nm工藝設計的8位64G超高速AD轉換器，具備抗輻照能力，全流程自主可控。該晶片輸入頻寬達20GHz，誤位元率低至1e-15，功耗低至4W。已在多家使用者單位形成小批次供貨，應用領域涉及航天、航空、探測、感知、無線通訊等。在技術水平方面，成都華微稱“該晶片是國內首家50GSPS以上採樣速率的超高速ADC，性能可比肩國際最高水平”。02國外企業統治市場第一個ADC晶片是由IBM的M. Klein於1974年發明，到2019年，已經整整45年的歷史，它的基本架構、設計方法、原理已經非常成熟。目前ADC市場，特別是高端ADC市場由亞德諾（ADI）、德州儀器（TI）這兩家大廠壟斷，其有著極其豐富的產品矩陣，從採樣精度能做到32位的極高精度型，到採樣速度能做到20G的極高速度型，各種價位段，各種參數，應有盡有。國內ADC晶片市場，ADI和TI兩家的產品吃掉約95%的份額，其中ADI一家就搶走56%的市場份額。高速、高精度ADC晶片是模擬晶片的皇冠，在軍工、科研、通訊等市場中有不可替代的作用，其出貨量雖然遠小於普通ADC晶片，但由於單價較高，其市場規模可達到ADC晶片的一半，具有壁壘高、市場規模大的特點。然而，在上世紀90年代，西方發達國家便通過《瓦森納協定》對高性能的ADC晶片進行管控，高端ADC晶片甚至完全禁運到中國。根據《瓦森納協議》，如下不同規格的AD轉換器被限制對華出口：“8bit至10bit精度的ADC，如果採樣率超過1.3GSPS（十億次每秒）則被限製出口。10bit至12bit精度的ADC，如果採樣率超過600MSPS則被限製出口。12bit至14bit精度的ADC，如果採樣率超過400MSPS則被限製出口。14bit至16bit精度的ADC，如果採樣率超過250MSPS則被限製出口。16bit及以上精度的ADC，如果採樣率超過65MSPS則被限製出口。”國際知名廠商如德州儀器、亞德諾半導體等，憑藉先進的技術和豐富的產品線，在高精度、低功耗、高速轉換等方面具有顯著優勢。而國內企業雖然在部分高端晶片上實現了突破，但在產品線的豐富度、技術的成熟度以及市場份額等方面還有待進一步提升。國內主要分為三派，首先是科研院所，主要用在軍工等敏感領域，因此不惜成本；其次是上市公司，主要是在消費、通訊等中低端領域有一些量；最後是高校和國際大廠出來的海歸，試圖在中高端領域以及一些特定的細分領域來做挑戰，具體來說：科研院所派：航天772所（時代民芯）、中電24所、中電55所、中科院微電子所、吉芯科技（中國電科聲光電公司/重慶24所）、中科芯積體電路股份有限公司(中電58 所)；上市公司派：臻鐳科技、蘇州思瑞浦、蘇州納芯微、上海貝嶺、芯海科技、聖邦股份、晶華微、智明達（銘科思微）、振芯科技、振華集團（雲芯微）；高校和海歸創業公司派：北京昆騰微電子、深圳靈矽微、上海韜潤半導體、上海治精微電子、上海類比半導體、北京核芯互聯、蘇州領慧立芯、廣州微龕、深圳山海半導體、上海芯熾科技、蘇州雲芯微、蘇州迅芯微電子、北京士模微（思瑞浦投資）、天津智毅聚芯、深圳原子半導體、蘇州徵格、奇歷士、恆芯微、無錫晟朗、共模半導體、英彼森半導體、無錫晟朗、杭州瑞盟、蘇州潤石等。其中軍工領域國家研究院所和迅芯微、芯佰微等有不同規模的出貨，消費電子芯海出貨量最大，音訊昆騰微出貨最多，上市公司裡思瑞浦ADC最強，電池化成領域類比有優勢，工業電力核芯互聯和上海貝嶺有出貨。03海思發佈的ADC晶片強在那裡？官方資訊顯示，海思這次推出的SAR ADC型號為AC9610，採樣率達到2MSPS，可確保精準捕獲μs級瞬態訊號；採樣精度更是達到24bit，可精準識別0.5uV弱小訊號的差異；INL誤差僅為±0.9ppm。同時憑藉創新的低噪聲設計，該晶片在2MSPS採樣率下可達到103.5dBFS的SNR，在1Ksps採樣率時更是高達138dBFS，即便在強干擾環境下依然能夠分辨目標訊號與噪聲訊號。通過先進的封裝設計技術，AC9610支援-40°C~125°C寬溫工作，同時保證低溫漂，確保工業複雜環境下仍能正常運行。海思推出的AC9610晶片，其最大的優勢就在於保證精度的同時，兼顧速度，它的採樣精度是24位，採樣速度達到了2M，幾乎達到了國際先進水平。除此之外，ADC還有一些其他資料指標，比如使用溫度範圍、訊號雜訊比等等，在這些方面，AC9610和其他同級產品也都屬於同一範圍。而在海思這款ADC晶片問世之前，國內SAR ADC以12bit/16bit為主，24bit的產品雖然也有多家廠商推出，但採樣速率均遠低於2MSPS。AC9610的核心應用場景包括醫療裝置（如CT機）、工業自動化、5G通訊基站及半導體製造裝置，這些領域對訊號轉換精度和穩定性要求極高，此前長期依賴ADI、TI等海外廠商。不過目前，海思還只有這一款ADC產品，尚未形成產品矩陣。04華為進軍醫療領域的依仗ADC晶片在應用中，有些場合重視採樣速度，所以選採樣速度高的，比如雷達、一些工業裝置，它們的採樣速度可以達到20G甚至更高。有些場合重視採樣精度，所以選取採樣精度高的晶片，比如醫療裝置，如果採樣精度不夠，可能出現漏診等情況。按照解析度，ADC晶片可分為：低解析度ADC（< 8位）、中解析度ADC（8位至16位）和高解析度ADC（> 16位）。其中，高解析度ADC晶片主要用於對精度要求極高的專業領域，如科學研究、高端醫療裝置、精密儀器儀表等。24位甚至更高解析度的ADC晶片能夠提供極其精確的測量結果，對於微弱訊號的檢測和高精度資料採集具有重要意義。例如，在醫學影像裝置如磁共振成像（MRI）系統中，高解析度ADC可以精確地採集人體組織的微弱訊號，經過複雜的圖像重建演算法處理後，生成高畫質晰度的醫學影像，為疾病的診斷和治療提供精準的依據。不難看出，海思這款AC9610，很適合用在醫療裝置之類的高精度領域。所以這款晶片，會極大提升中國醫療等裝備的國產化水平。而就在3月初，華為正式宣佈組建第二十一軍團，也就是醫療衛生軍團。從企業公開的資訊看，華為在醫療界的合作夥伴，已經覆蓋了醫療裝置廠商，如聯影醫療、華大智造、邁瑞醫療，藥企、IVD企業，如廣藥、迪安診斷等，涉及範圍早就拓展到了中醫藥、新藥研發、醫療資訊化、數字醫生、基因組學研究等嚴肅醫療領域。AC9610或許才是華為進軍醫療領域的依仗。高性能高精度ADC在工業自動化、醫療裝置、高端測量儀器中是關鍵部件，ADC直接影響到裝置的工作性能。作為模擬晶片中的重要一環，要做好ADC並不容易。除了本身在工藝、設計上需要有多年的技術迭代積累，如何在市場上與早已成熟的海外大廠產品進行競爭，這需要國內模擬晶片廠商緊貼市場需求，堅持正向研發。AC9610的成果，也昭示了一點：咬牙堅持投入研發，長期看終將取得回報。 (半導體產業縱橫)