從粒子探測到集成電路，工業傳感器芯片的國產化之路

提及半導體行業，國產替代是繞不開的話題。

1965年，戈登摩爾提出了摩爾定律，對半導體行業做出精準預測，國際芯片巨頭公司也展就此展開“製程競賽”，從材料、架構等方面突破，從7nm發展到5nm。與此同時，國內最先進晶圓廠才到達14nm，面臨技術困境，國產替代似乎遙遙無期。

但事實真的如此嗎？如果將先進工藝製程的國產替代之困因歸咎於技術難題，那麼對於已達到國際一流水平的核心元器件，為何也未完成國產替代？或許，我們能在光電子探測行業初創公司宇稱電子的成長中找到答案。

仍大量依賴進口的工業芯片

來自市場研究機構Gartner的數據顯示，全球工業芯片市場2019年銷售規模達485.6億美元，預計2022年達到705億美元，2019-2022年複合增長率在13%左右。其中美國工業芯片2019年年產值達到221億美元，佔據全球工業芯片總產值的45.5%。日本緊跟其後，佔據全球15.8%，而中國大陸2019年工業芯片銷售收入為22.61億美元，僅佔比7%。

作為工業大國，我們的工業芯片生產情況無法與之匹配，現階段仍需大量進口國外芯片才能滿足需求。

中國工程院院士吳漢明也在2020新一代信息通信產業院士論壇上的演講時表示，事實上芯片行業5nm、12nm等先進工藝製程只佔據全球市場的12%，20nm以上節點佔據全球82%的市場份額，目前國內大量工控芯片只需要40nm、55nm等早已發展成熟的工藝製程，但卻還是需要大量依賴進口。“7nm、5nm標杆性之重要無可厚非，但有着更多市場的55nm、40nm也需要更多的關注。”

吳漢明教授所指的工業芯片，其應用層面涵蓋醫療影像設備、科研儀器、激光雷達等方面，伴隨着物聯網的興起，近年來需求尤為強勁。

致力於設計光電子探測芯片的宇稱電子就是這一行業的成員之一。雷鋒網瞭解到，宇稱電子設計的超高精度ToF PET（測量飛行時間）信號處理數模混合（ASIC）芯片和部件，在國產替代方面主要計劃替代進口的ASIC。

ToF技術全稱為Time of Flight，譯為測量飛行時間，其原理是採用紅外光源發射高頻光脈衝到物體上，然後接收從物體反射回去的光脈衝，通過探測光脈衝的飛行往返時間計算被測物體與相機之間的距離。

ToF技術最早應用在3D深感攝像頭中，用於測量鏡頭到物體之間的距離，在手機人臉識別和汽車激光雷達已得到較為廣泛的應用，且擁有廣闊的市場。ToF技術又可分為直接測量飛行時間的dToF和通過測量相位偏移來測量飛行時間的iToF，其中後者的集成難度低，其精度會隨着距離的增加而持續降低，因此在對測量距離和精度要求較高的場合下，往往會使用dToF技術。

宇稱電子正是看準dToF的市場前景，專注支撐dToF的關鍵技術SPAD（單光子雪崩光電二極管）的設計,並已處於領先地位。

國產芯片也能達到國際一流水平

那麼，就dToF傳感器芯片而言，我國設計水平如何呢？

宇稱電子創始人沈煒告訴雷鋒網，“SPAD在國內起步較晚，國外在上世紀90年代就開始研究SPAD了，而SPAD技術大概到了4-5年前才開始真正實現規模化商業落地，與此同時,國內SPAD的研究則始於4-5年前。”目前SPAD大規模應用的難點主要在於傳感像素的微型化，並且需要針對不同的應用對各項參數進行優化，但宇稱電子這家成立於2017年的初創公司，已有自己獨立設計的像素，在精度和光探測效率（PDE）上都已有良好的表現。

今年6月，宇稱電子完成了業界第一款5微米像素精度SPAD的設計並通過測試。沈煒表示，這裏的5微米就是指像素的間距，也可以理解為像素的尺寸大小，精度越高，圖像就會越清晰。一般而言，用dToF測量距離時的精度需要達到10微米，例如目前iPad pro上的器件精度就在10微米左右。這也就意味着，宇稱電子5微米SPAD的設計位於業界領先水平。

在其他方面，宇稱電子的SiPM信號處理芯片ASIC也已完成流片，性能達到了國際一流標準。這意味着，使用國產化的芯片也可以使產品表現出較好性能。

成熟工業ASIC的推進難題

既然工業芯片領域製程在國內早已發展成熟，為什麼還存在如此大的國產替代空間呢？

以工業芯片中的光電子探測方向為例，作為光電子探測芯片設計領域的成員，宇稱電子創始人沈煒接受雷鋒網採訪時表示，其實包括SPAD在內的傳感器行業本身還沒有發展到需要特別依賴摩爾定律前沿的工藝需求，所以在設計SPAD的過程中也不會遇到缺少EUV光刻機關鍵設備的難題。

目前的問題在於工業芯片設計困難，整體出貨量又無法與消費類芯片相比，所以在芯片國產化的熱潮中，往往被忽視。

在創建宇稱電子的過程中，沈煒認為最大的困難在於單光子探測技術仍舊處在應用的初期，想要被業界廣泛接受還需要一段時間。也正因如此，在同上下游的客户以對接過程中，需要耗費大量時間和精力建立關係，進行相關技術與知識的普及，同時也需要和工藝廠商探討具體的工藝細節。

 “實際上在我們的設計過程中，同樣節點的工藝，確實會遇到利用國產設備做出來的匹配度、精度或採樣速率不足的問題。但對於一個系統設計師而言，提升精度的方法有很多，並不是硬着頭皮盯緊一項指標，很多由於設備加工導致的精度不足問題，可以通過使用獨特的芯片構架進行規避。只有儘量貼近整個產業鏈的提升才能夠談得上整個半導體行業得到了發展。”

沈煒認為，無論是設備還是設計本身，都是一個雙向提升的過程，只有充分信任彼此，才能有更多試錯的機會，從而帶動整個產業鏈的進步。也希望產業界和投資界對於工業芯片能有更多的關注。

雷鋒網小結

半導體產業的國產替代並不單純在於是否能擁有先進工藝製程和頂尖的設備，國際領先的國產核心元器件的國產替代之困可能更多在產業鏈的整合推進難題。承認工業傳感器芯片的出貨量無法達到消費類芯片的量級，同時也認清時局，工業芯片國產替代空間巨大且前景尚好。

也需要有更多像宇稱電子這類的公司在光電子探測領域，尤其是醫療影像PET-CT設備芯片做到國際一流的國內公司，關注工業ASIC的國產替代問題。

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