模拟芯片产业研究报告

模拟芯片产业研究报告1模拟芯片连接物理世界和数字世界模拟芯片负责解决持续的模拟信号，是电子系统中不可或缺的部分模拟信号含有持续性，数字信号含有离散性。信号是反映消息的物理量，能够从不同角度进行分类。在电子电路中，信号可分为模拟信号和数字信号。模拟信号在时间和数值上均含有持续性，数字信号相反，在时间和数值上均含有离散性。对于模拟信号而言，任何瞬间的任何值都是故意义的；对于数字信号而言，两个整数之间的值是没故意义的，通过设定的阈值将其拟定为N或N+1。大多数现实物理量所转换成的电信号是模拟信号，例如温度、压力、声、光等。集成电路分为模拟芯片和数字芯片，分别解决模拟信号和数字信号。半导体产品可分为集成电路、光电子、分立器件和传感器四大类；其中集成电路占比超出80%，从大类上又可分为模拟芯片和数字芯片，分别解决持续的模拟信号和离散的数字信号，近几年模拟芯片销售额占集成电路销售额的比例在16%左右，为15.4%。即使数字芯片的市场规模远不不大于模拟芯片，但模拟芯片在电子系统中是不可或缺的。自然界的真实信号通过传感器提取后变为模拟信号，模拟信号需要经由模拟芯片解决后才干被数字芯片使用。由于传感器、接受器实际提供的信号很微弱，噪声大且易受干扰，因此普通需要进行信号的预解决，涉及放大、滤波、隔离等。预解决完毕后再进行加工，涉及运算、比较、转换等，加工完的信号普通局限性以驱动负载，因此还需要进行功率放大。如果信号需要进行数字化解决，则将预解决后的模拟信号通过A/D转换器转为数字信号，解决完后再通过D/A转换器转为模拟信号。可见，模拟芯片是电子系统中不可或缺的一部分。模拟芯片市场规模将超700亿美元，电源管理和信号链累计占近七成根据功效划分，模拟芯片可分为电源管理芯片、信号链芯片、射频芯片，其中射频芯片是解决射屡屡段的信号链芯片，为了方便分辨，我们将信号链芯片和射频芯片单列开来。按输入/输出响应关系，模拟芯片可分为线性电路（如运算放大器）和非线性电路（如模拟乘法器）；按应用领域不同又可分为通用型电路和专用型电路，通用型电路如运算放大器、电压调节器、模数转换器、数模转换器等，专用型电路如音响电路、电视接受机电路等。全球模拟芯片市场规模将达成728亿美元，同比增加31%。根据WSTS的数据，全球模拟芯片市场规模由的268亿美元增加到的557亿美元，占半导体整体市场的12.6%，占集成电路市场的15.4%，预计21、将分别增加31%、9%达成728亿美元、792亿美元。我们估算全球模拟芯片市场规模中电源管理芯片（~300亿美元）、信号链芯片（~100亿美元）、射频芯片等（~150亿美元）分别占比55%、18%、27%。电源管理芯片调节电能供应，产品种类繁多电源管理芯片是模拟芯片最大的细分市场，是全部电子产品和设备的电能供应中枢和纽带。电源管理芯片几乎存在于全部的电子产品和设备中，负责所需电能的变换、分派、检测和管理，将电源从某一种形式高效且稳定的转换为另一种形式，例如将交流电转换为直流电，将高压直流电转换为低压直流电等。根据智研咨询的数据，全球电源管理芯片市场规模由的200亿美元增加至的330亿美元，年复合增加率为13.3%。AC/DC的转换方式分为变压器方式和开关方式。变压器方式首先需要通过变压器将交流电压降压到适宜的交流电压（例如从AC100V降至AC10V），这属于AC/AC转换，降压值由变压器的绕组比设定；然后通过二极管桥式整流器对通过变压器降压的交流电压进行全波整流，转换为脉冲电压；最后，经电容器平滑并输出纹波小的直流电压，这是传统的AC/DC转换办法。开关方式是直接用二极管桥式整流器对交流电压进行整流，然后用电容器平滑直流电压，之后通过开关元件的ON/OFF对直流电压进行斩波（切割），并通过高频变压器降压后传送到整流二极管进行半波整流，最后用电容器对其进行平滑并输出直流电压。与变压器方式相比，开关方式由开关元件和控制电路构成，电路构造较复杂，但由于基于高频控制能够使用小型变压器，因此设备能够小型化、轻便化。线性稳压器工作时输入与输出的关系呈线性，只能够降压，合用于小功率电源。根据输出电压的正负，线性稳压器可分为正线性稳压器和负线性稳压器；根据输出电压与否可变，可分为固定型线性稳压器和可变型线性稳压器；根据输入输出之间的电压差大小，可分为原则型线性稳压器和LDO（低压差线性稳压器）。原则型线性稳压器压差普通在2V以上，LDO可做到1V下列。信号链芯片负责信号解决，连接物理世界和数字世界信号链芯片是连接物理世界和数字世界的桥梁，负责对模拟信号进行收发、转换、放大、过滤等，产品重要涉及线性产品、转换器产品、接口产品三大类。全球信号链模拟芯片的市场规模将从的84亿美元增加至的118亿美元，年均复合增速约5%。线性产品是信号链产品中占比最高的品类，约占39%。运算放大器是一种对微弱信号进行放大的电路，输出信号能够是输入信号加、减或微分、积分等数学运算的成果，已经历四代产品。自仙童半导体公司于1960年研制出第一种硅集成单芯片运算放大器后，运算放大器至今已经历了四代产品。仙童半导体公司1968年推出的μA741和ADI公司1975年推出的OP07是运算放大器典型产品，至今仍被广泛使用。根据性能指标的不同，运算放大器可分为通用型和专用型两类。通用型运放用于无特殊规定的电路之中，性能指标的数值普通处在固定区间。专用型运放为了适应多个特殊规定，在某首先的性能会特别突出，如高速型运放带宽和转换速率普通较高，重要用于通信设备、视频系统和测试仪器等，典型产品如ADI的AD8003，带宽1.65GHz，SR高达4300V/μs；低功耗型运放含有工作电压低、静态电流小的特点，重要用于便携式、可穿戴电子产品。专用型运放普通是针对特定功效和应用而生产的，在便携式设备、测试与测量仪器、医疗系统级特殊信号解决等场合含有广泛应用，如视频放大器、可变增益放大器、差分驱动放大器、线性隔离放大器、电流检测放大器等，其发展趋势是更高的带宽、更高的带宽、更低的失真度、更低的功耗。随着应用需求的发展，将会产生新的专用型放大器类别。ADC模数转换涉及采样、保持、量化、编码四个过程。采样是将一种时间上持续变化的模拟信号经由一系列等间隔的采样脉冲转化为时间上离散的采样信号，这个时间间隔称为采样周期。保持是指要把一种采样输出信号数字化，需要将采样输出所得的瞬时模拟信号保持一段时间，在此期间采样值保持不变。量化是对通过采样后在时间上离散的信号进行解决，使其在幅值上离散，量化过程中会引入量化误差，即输出信号的等效模拟值与实际输入信号模拟值之间的差值。编码是将量化后的信号以特定的数字码型输出。转换速率、分辨率、精度是ADC产品的核心性能参数。转换速率是指完毕一次从模拟到数字的转换所需的时间的倒数，代表每秒采样次数，惯用单位是KSPS（每秒采样千次）和MSPS（每秒采样百万次）。为了确保转换的对的完毕，采样速率必须不大于或等于转换速率。分辨率是转换器能分辨的最小输出电压变化量与最大输出电压即满量程输出电压之比，是衡量ADC精度的一种非常重要的指标，N位ADC的分辨率约为1/（2^N），N的数值越高代表分辨率越高，即最小分辨率越小。精度是实际输出电压与理论输出电压的偏离程度，除了受分辨率影响外，还受系统其它多个误差的影响。DAC转换器从基本原理可分为电流求和型和分压器型两大类。在电流求和型中，需要产生一组支路电流，让它们数量之间的比例与二进制数中每一位的权重成正比，当数字量输入时，将与其中取值为“1”位对应的支路电流相加，就得到与输入数字量成正比的输出电流信号，电流通过电阻便能够转换为电压输出信号。权电阻型、权电流型、倒T形电阻网络DAC均属于电流求和型DAC。在分压器型中，用输入数字量每一位去控制分压器中的一种或一组开关，使接至输出端的电压与输入的数字量成正比，分压器可用电阻分压器（如开关树形DAC）或电容分压器（如权电容网络DAC）。2产品、客户、人才是模拟芯片公司的竞争优势来源模拟芯片产品类型和客户数量众多，人才培养周期长与数字芯片相比，模拟芯片含有应用领域繁杂、生命周期长、人才培养时间长、价低但稳定、与制程配合更加紧密等特点。基于这些特点，产品、客户、人才需要模拟芯片公司长久积累，也是其长久竞争优势的重要来源。应用领域繁杂（产品型号数量越多越好）：模拟芯片按细分功效可进一步分为线性器件、信号接口、数据转换、电源管理器件等众多品类，每一品类根据终端产品性能需求的差别又有不同的系列，在现今电子产品中几乎无处不在。生命周期长（产品积累很重要，存在先发优势）：数字芯片强调运算速度与成本比，必须不停采用新设计或新工艺，而模拟芯片强调可靠性和稳定性，一经量产往往含有较长生命周期。以亚德诺公司为例，其约二分之一收入来自于甚至更长年纪的产品，5-9年和10-年纪产品的收入占比最高。公司产品数量超出4.5万款，每款产品对收入的奉献极小，FY公司约80%的收入来自于单款收入占比不超出0.1%的产品，由于单款产品需求有限，产品型号的积累对公司扩大收入体量尤为重要。人才培养时间长（吸引并留住资深人才很重要）：模拟芯片的设计需要额外考虑噪声、匹配、干扰等多个因素，规定设计者既熟悉集成电路设计和晶圆制造的工艺流程，又熟悉大部分元器件的电特性和物理特性。加上模拟芯片的辅助设计工具少、测试周期长等因素，培养一名优秀的模拟芯片设计师往往需要甚至更长的时间。价低但稳定（下游领域越分散，抗风险能力越强）：由于模拟芯片的设计更依赖于设计师的经验，与数字芯片相比在新工艺的开发或新设备的购置上资金投入更少，加之拥有更长的生命周期，单款模拟芯片的平均价格往往低于同世代的数字芯片，但由于功效细分多，模拟芯片市场不易受单一产业景气变动影响，因此价格波动幅度相对较小。与制程配合更加紧密（工艺积累是竞争力的来源之一）：数字芯片多采用应用于5V下列低电压环境的CMOS工艺，而模拟芯片规定的低失真和高信噪比在高电压下比较容易做到，且普通要输出高电压或者大电流来驱动其它元件。因此，模拟芯片早期使用Bipolar（双极型）工艺，但是Bipolar工艺功耗大，之后又陆续出现了BiCMOS工艺（结合Bipolar、CMOS工艺）、CD工艺（结合CMOS、DMOS工艺）和BCD工艺（结合Bipolar、CMOS、DMOS工艺）等。这些特殊工艺需要晶圆代工厂的配合，也需要设计者加以熟悉，对工艺的理解和积累能够协助将产品性能做得更加极致。竞争格局相对稳定，兼并收购是常态市场集中度相对较低，第一大厂商市占率不到20%。相比于数字芯片，模拟芯片产品生命周期长且类型多样，下游应用领域广泛，客户数量多且分散。这些行业特性意味着模拟芯片厂商很难一家独大，产品和客户需要时间积累。基于此，模拟芯片市场集中度较低，第一大厂商德州仪器的市占率不超出20%，其它厂商市占率均不超出10%，前十大厂商累计市占率63%。竞争格局相对稳定，排名和市占率的变化重要来自兼并收购。1990年模拟行业竞争格局分散，当时排名第一的国民半导体市占率仅7%。通过多次收购，德州仪器从开始稳居全球第一，收购国民半导体后拉大与第二名的份额差距，市占率19%。亚德诺通过收购凌特公司（Linear）成功跃至全球第二，市占率9%，同时亚德诺在完毕了对全球第七大模拟公司Maxim的收购，两者累计市占率13%，与德州仪器份额差距缩小。根据ICInsights的统计，到全球前十大模拟厂商变动不大。3模拟芯片行业发展趋势“电子+”带动模拟芯片需求“电子+”推动硅含量提高，模拟芯片是其中不可或缺的部分。我们所提出的“电子+”即指通过电子、通信技术的广泛应用，实现非电子产品电子化、简朴电子产品智能化的过程，物联网是体现形式之一。根据GSMA的预测，全球物联网连接数将由的120亿增加到2025年的246亿，平均每年新增连接数为21亿，其中消费级增加44亿，公司级增加82亿，公司级新增数量靠近消费级的两倍。中国物联网连接数将由的36亿增加到2025年的80亿，约占全球连接数的32.5%。其中公司级连接数从开始超出消费级，且之后每年新增数量也更多。“电子+”的实现过程必然会推动模拟芯片需求增加。模拟芯片集成化是趋势，但分立产品也将长久存在电源管理芯片技术趋势：面积更小、效率更高、使用更简朴容易、集成度更高、开发周期更短。随着全球3C产品的功效不停增加，汽车自动驾驶和工业自动化需求增加，终端应用逐步走向低耗电、轻薄短小与多功效整合以及对产品寿命与可靠度规定更高的趋势，为此，电源管理芯片需要缩小尺寸、提高效率、减少功耗等。CPU的发展也提高了对电源稳定性和电压精确度的规定。另外，提高集成度不仅能减少零件数量，减少系统耗电和提高系统可靠度及品质，也能够提高生产良率，从而减少生产周期和成本。逐步向12英寸产线转移，IDM和Fabless各有优势德州仪器引领模拟产品转向12英寸产线。根据德州仪器的测算，12英寸晶圆厂生产的模拟芯片将比8英寸晶圆厂节省40%的成本，公司加大12英寸产线布局，除启用的RFAB1厂（全球首座12英寸模拟芯片厂）和转为12英寸模拟产线的DMOS6厂外，公司正在建设的RFAB2厂预计下六个月开始投产，今年收购的位于Lehi的LFAB预计于初投产，并且计划在谢尔曼再建造四座12英寸晶圆厂，前两个工厂将于开工，其中第一座预计最早在2025年开始投产。，德州仪器47%的模拟产品收入来自12英寸产线。在德州仪器引领下，各大代工厂逐步跟进。台积电于在12英寸产线上量产0.13umBCD工艺，重要用于生产电源管理芯片，现在已开发出90nm、55nm等制程，其中90nmBCD技术覆盖了从5V到35V的广泛应用，并将在继续扩展。华虹于成功在华虹无锡厂规模量产12英寸90nmBCD工艺。中芯国际今年宣布在深圳建设的12英寸晶圆厂，产品定位也是28nm及以上线宽的显示驱动芯片及电源管理芯片等。国际模拟大厂采用IDM模式，晶圆代工崛起推动Fabless模式。由于成立时间早及模拟芯片与制造工艺连接紧密的特点，德州仪器、亚德诺两大国际模拟大厂均采用IDM模式，建有自己的晶圆产线，但是两者对于与否继续大规模扩建自有产线态度并不一致。德州仪器为模拟产品主动扩建12英寸产线，亚德诺则停止了新建产线，更多的依赖台积电等晶圆代工厂，第三方代工比例由FY的41%提高到FY的50%。我们认为，随着晶圆代工厂在模拟工艺上的大力推动以及12英寸产线投资金额过高，采用代工模式有助于中小模拟芯片设计公司在采用先进模拟工艺的同时减少成本。工业、汽车是国际大厂布局的重点领域汽车、工业在模拟芯片应用中的占比提高。根据ICInsights的数据，汽车、工业占模拟芯片（含射频芯片）的比例为21.0%、20.2%；预计分别提高到24.3%、20.5%，通信、消费电子、计算机累计占比由57.4%下降到53.9%。分产品来看，射频芯片和电源管理芯片中集成度较高的PMIC重要应用于手机等消费电子中，信号链芯片重要应用于工业、通信和汽车领域。国际模拟芯片大厂收入构造向工业和汽车电子倾斜。德州仪器来自工业和汽车电子的收入占比分别由的24%、13%提高到的37%、20%，消费电子和通信收入的占比分别由的37%、16%下降到的27%、8%。类似的，亚德诺来自工业和汽车电子的收入占比分别由FY的43%、10%提高到FY的53%、16%，消费电子和通信收入的占比分别由FY的25%、22%下降到FY的11%、21%。德州仪器、亚德诺都将工业和汽车作为将来布局的重点领域。4中国是模拟芯片最大的市场，国产替代加速中国是全球模拟芯片最大的市场，也是国际大厂收入重要来源地我国是全球模拟芯片最大的市场，占全球市场的36%。我国是全球半导体销售规模最大的市场，根据SIA的数据，全球半导体市场规模为4360亿美元，中国半导体市场规模为1512亿美元，占比35%。同样，我国也是全球最大的模拟芯片市场，根据IDC的数据，我国占全球模拟芯片市场的36%。我国也是国际模拟芯片大厂收入的重要来源地，且近年收入占比在提高。作为全球最大的模拟芯片市场，中国是各大模