从粒子探测到集成电路：工业传感器芯片的国产化之路

提及半导体行业，国产替代是绕不开的话题。

1965年，戈登摩尔提出了摩尔定律，对半导体行业做出精准预测，国际芯片巨头公司也展就此展开“制程竞赛”，从材料、架构等方面突破，从7nm发展到5nm。与此同时，国内最先进晶圆厂才到达14nm，面临技术困境，国产替代似乎遥遥无期。

但事实真的如此吗？如果将先进工艺制程的国产替代之困因归咎于技术难题，那么对于已达到国际一流水平的核心元器件，为何也未完成国产替代？或许，我们能在光电子探测行业初创公司宇称电子的成长中找到答案。

仍大量依赖进口的工业芯片

来自市场研究机构Gartner的数据显示，全球工业芯片市场2019年销售规模达485.6亿美元，预计2022年达到705亿美元，2019-2022年复合增长率在13%左右。其中美国工业芯片2019年年产值达到221亿美元，占据全球工业芯片总产值的45.5%。日本紧跟其后，占据全球15.8%，而中国大陆2019年工业芯片销售收入为22.61亿美元，仅占比7%。

作为工业大国，我们的工业芯片生产情况无法与之匹配，现阶段仍需大量进口国外芯片才能满足需求。

中国工程院院士吴汉明也在2020新一代信息通信产业院士论坛上的演讲时表示，事实上芯片行业5nm、12nm等先进工艺制程只占据全球市场的12%，20nm以上节点占据全球82%的市场份额，目前国内大量工控芯片只需要40nm、55nm等早已发展成熟的工艺制程，但却还是需要大量依赖进口。“7nm、5nm标杆性之重要无可厚非，但有着更多市场的55nm、40nm也需要更多的关注。”

吴汉明教授所指的工业芯片，其应用层面涵盖医疗影像设备、科研仪器、激光雷达等方面，伴随着物联网的兴起，近年来需求尤为强劲。

致力于设计光电子探测芯片的宇称电子就是这一行业的成员之一。雷锋网了解到，宇称电子设计的超高精度ToF PET（测量飞行时间）信号处理数模混合（ASIC）芯片和部件，在国产替代方面主要计划替代进口的ASIC。

ToF技术全称为Time of Flight，译为测量飞行时间，其原理是采用红外光源发射高频光脉冲到物体上，然后接收从物体反射回去的光脉冲，通过探测光脉冲的飞行往返时间计算被测物体与相机之间的距离。

ToF技术最早应用在3D深感摄像头中，用于测量镜头到物体之间的距离，在手机人脸识别和汽车激光雷达已得到较为广泛的应用，且拥有广阔的市场。ToF技术又可分为直接测量飞行时间的dToF和通过测量相位偏移来测量飞行时间的iToF，其中后者的集成难度低，其精度会随着距离的增加而持续降低，因此在对测量距离和精度要求较高的场合下，往往会使用dToF技术。

宇称电子正是看准dToF的市场前景，专注支撑dToF的关键技术SPAD（单光子雪崩光电二极管）的设计,并已处于领先地位。

国产芯片也能达到国际一流水平

那么，就dToF传感器芯片而言，我国设计水平如何呢？

宇称电子创始人沈炜告诉雷锋网，“SPAD在国内起步较晚，国外在上世纪90年代就开始研究SPAD了，而SPAD技术大概到了4-5年前才开始真正实现规模化商业落地，与此同时,国内SPAD的研究则始于4-5年前。”目前SPAD大规模应用的难点主要在于传感像素的微型化，并且需要针对不同的应用对各项参数进行优化，但宇称电子这家成立于2017年的初创公司，已有自己独立设计的像素，在精度和光探测效率（PDE）上都已有良好的表现。

今年6月，宇称电子完成了业界第一款5微米像素精度SPAD的设计并通过测试。沈炜表示，这里的5微米就是指像素的间距，也可以理解为像素的尺寸大小，精度越高，图像就会越清晰。一般而言，用dToF测量距离时的精度需要达到10微米，例如目前iPad pro上的器件精度就在10微米左右。这也就意味着，宇称电子5微米SPAD的设计位于业界领先水平。

在其他方面，宇称电子的SiPM信号处理芯片ASIC也已完成流片，性能达到了国际一流标准。这意味着，使用国产化的芯片也可以使产品表现出较好性能。

成熟工业ASIC的推进难题

既然工业芯片领域制程在国内早已发展成熟，为什么还存在如此大的国产替代空间呢？

以工业芯片中的光电子探测方向为例，作为光电子探测芯片设计领域的成员，宇称电子创始人沈炜接受雷锋网采访时表示，其实包括SPAD在内的传感器行业本身还没有发展到需要特别依赖摩尔定律前沿的工艺需求，所以在设计SPAD的过程中也不会遇到缺少EUV光刻机关键设备的难题。

目前的问题在于工业芯片设计困难，整体出货量又无法与消费类芯片相比，所以在芯片国产化的热潮中，往往被忽视。

在创建宇称电子的过程中，沈炜认为最大的困难在于单光子探测技术仍旧处在应用的初期，想要被业界广泛接受还需要一段时间。也正因如此，在同上下游的客户以对接过程中，需要耗费大量时间和精力建立关系，进行相关技术与知识的普及，同时也需要和工艺厂商探讨具体的工艺细节。

 “实际上在我们的设计过程中，同样节点的工艺，确实会遇到利用国产设备做出来的匹配度、精度或采样速率不足的问题。但对于一个系统设计师而言，提升精度的方法有很多，并不是硬着头皮盯紧一项指标，很多由于设备加工导致的精度不足问题，可以通过使用独特的芯片构架进行规避。只有尽量贴近整个产业链的提升才能够谈得上整个半导体行业得到了发展。”

沈炜认为，无论是设备还是设计本身，都是一个双向提升的过程，只有充分信任彼此，才能有更多试错的机会，从而带动整个产业链的进步。也希望产业界和投资界对于工业芯片能有更多的关注。

雷锋网(公众号：雷锋网)小结

半导体产业的国产替代并不单纯在于是否能拥有先进工艺制程和顶尖的设备，国际领先的国产核心元器件的国产替代之困可能更多在产业链的整合推进难题。承认工业传感器芯片的出货量无法达到消费类芯片的量级，同时也认清时局，工业芯片国产替代空间巨大且前景尚好。

也需要有更多像宇称电子这类的公司在光电子探测领域，尤其是医疗影像PET-CT设备芯片做到国际一流的国内公司，关注工业ASIC的国产替代问题。