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提及半導體行業(yè)，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(yè)做出精準預測，國際芯片巨頭公司也展就此展開“制程競賽”，從材料、架構等方面突破，從7nm發(fā)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？如果將先進工藝制程的國產替代之困因歸咎于技術難題，那么對于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(yè)初創(chuàng)公司宇稱電子的成長中找到答案。
仍大量依賴進口的工業(yè)芯片
來自市場研究機構Gartner的數(shù)據(jù)顯示，全球工業(yè)芯片市場2019年銷售規(guī)模達485.6億美元，預計2022年達到705億美元，2019-2022年復合增長率在13%左右。其中美國工業(yè)芯片2019年年產值達到221億美元，占據(jù)全球工業(yè)芯片總產值的45.5%。日本緊跟其后，占據(jù)全球15.8%，而中國大陸2019年工業(yè)芯片銷售收入為22.61億美元，僅占比7%。
作為工業(yè)大國，我們的工業(yè)芯片生產情況無法與之匹配，現(xiàn)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(yè)院士論壇上的演講時表示，事實上芯片行業(yè)5nm、12nm等先進工藝制程只占據(jù)全球市場的12%，20nm以上節(jié)點占據(jù)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(fā)展成熟的工藝制程，但卻還是需要大量依賴進口。“7nm、5nm標桿性之重要無可厚非，但有著更多市場的55nm、40nm也需要更多的關注?！?/strong>
吳漢明教授所指的工業(yè)芯片，其應用層面涵蓋醫(yī)療影像設備、科研儀器、激光雷達等方面，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，近年來需求尤為強勁。
致力于設計光電子探測芯片的宇稱電子就是這一行業(yè)的成員之一。雷鋒網(wǎng)了解到，宇稱電子設計的超高精度ToF PET（測量飛行時間）信號處理數(shù)?；旌希ˋSIC）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，其原理是采用紅外光源發(fā)射高頻光脈沖到物體上，然后接收從物體反射回去的光脈沖，通過探測光脈沖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，用于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，其中后者的集成難度低，其精度會隨著距離的增加而持續(xù)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,并已處于領先地位。
國產芯片也能達到國際一流水平
那么，就dToF傳感器芯片而言，我國設計水平如何呢？
宇稱電子創(chuàng)始人沈煒告訴雷鋒網(wǎng)，“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(xiàn)規(guī)?；虡I(yè)落地，與此同時,國內SPAD的研究則始于4-5年前?！?/strong>目前SPAD大規(guī)模應用的難點主要在于傳感像素的微型化，并且需要針對不同的應用對各項參數(shù)進行優(yōu)化，但宇稱電子這家成立于2017年的初創(chuàng)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(xiàn)。
今年6月，宇稱電子完成了業(yè)界第一款5微米像素精度SPAD的設計并通過測試。沈煒表示，這里的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。這也就意味著，宇稱電子5微米SPAD的設計位于業(yè)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。這意味著，使用國產化的芯片也可以使產品表現(xiàn)出較好性能。
成熟工業(yè)ASIC的推進難題
既然工業(yè)芯片領域制程在國內早已發(fā)展成熟，為什么還存在如此大的國產替代空間呢？
以工業(yè)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(chuàng)始人沈煒接受雷鋒網(wǎng)采訪時表示，其實包括SPAD在內的傳感器行業(yè)本身還沒有發(fā)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。
目前的問題在于工業(yè)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(chuàng)建宇稱電子的過程中，沈煒認為最大的困難在于單光子探測技術仍舊處在應用的初期，想要被業(yè)界廣泛接受還需要一段時間。也正因如此，在同上下游的客戶以對接過程中，需要耗費大量時間和精力建立關系，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(jié)。
“實際上在我們的設計過程中，同樣節(jié)點的工藝，確實會遇到利用國產設備做出來的匹配度、精度或采樣速率不足的問題。但對于一個系統(tǒng)設計師而言，提升精度的方法有很多，并不是硬著頭皮盯緊一項指標，很多由于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(guī)避。只有盡量貼近整個產業(yè)鏈的提升才能夠談得上整個半導體行業(yè)得到了發(fā)展?！?/p>
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(yè)鏈的進步。也希望產業(yè)界和投資界對于工業(yè)芯片能有更多的關注。
雷鋒網(wǎng)小結
半導體產業(yè)的國產替代并不單純在于是否能擁有先進工藝制程和頂尖的設備，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(yè)鏈的整合推進難題。承認工業(yè)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(yè)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(yī)療影像PET-CT設備芯片做到國際一流的國內公司，關注工業(yè)ASIC的國產替代問題。
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