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AD/DA芯片——模拟芯片领域的珠穆朗玛峰

发布时间:2022-03-17作者来源:萨科微浏览:357

【导言】和数字芯片相比,模拟芯片受到的关注度较为有限,但模拟芯片是集成电路中非常重要的一个赛道。AD/DA芯片是模拟芯片中重要的分支,具有技术门槛高、价值量大等特点,核心技术长期被国外垄断。本文首先对模拟芯片大赛道进行分析,再对AD/DA芯片进行深入探究,包括AD/DA的定义、类别、市场、应用等,最后探究我国AD/DA的国产化进程。我们认为,作为几大高端通用的芯片之一,AD/DA的发展空间广阔,战略地位显著,值得产业界和投资界的布局。




#1

模拟芯片是长坡厚雪的赛道


说起半导体,人们首先联想到的是CPU、存储器等核心部件,这些芯片都属于数字芯片的范畴。除了数字芯片,半导体领域还有一块重要的版图——模拟芯片,对科技的发展演进产生了重要的影响,本章节我们先对模拟芯片行业进行分析。

(1)什么是模拟芯片?


我们日常生活中的大多数信号都是模拟信号,比如声音、光线、温度等,数字芯片无法直接处理这些信号,需要首先由模拟芯片对其进行处理。因此,模拟集成电路主要是指由电阻、电容、晶体管等组成的模拟电路集成在一起用来处理连续函数形式模拟信号(如声音、光线、温度等)的集成电路。

(2)模拟芯片市场规模


从市场规模来看,2021年全球模拟芯片市场规模约为612亿美元,2021年中国模拟芯片市场规模约为2,234亿元,预计2024年市场规模将达到2,618亿元,中国模拟芯片市场规模全球占比超过50%。

Figure1 模拟芯片市场规模

(3)模拟芯片和数字芯片对比


核心观点一:模拟芯片能够跨越更长的科技周期
数字芯片: 数字芯片具有典型的路径依赖特征,当处理器从PC时代的x86,到移动终端和IoT时代的ARM,再到如今的AI芯片,处理器芯片的护城河都仅属于各自短暂的科技周期。数字芯片强调的是运算速度与成本比,而芯片制程的摩尔定律限制着数字芯片设计厂商的产品迭代。

模拟芯片: 模拟芯片不直接服务于算法的落地,在电压、电流、功率、功耗、精度等较为固定的电路参数上实现技术路径的稳定衍进,不受科技周期的限制。模拟芯片不受制于摩尔定律,除了尺寸、功耗等目标,还追求高信噪比、低失真、高可靠性之间的平衡性。

核心观点二:模拟芯片需要更为资深的技术团队
数字芯片: 数字芯片的设计和生产更类似于流水线作业,可以通过丰富的设计模块、高效的EDA软件仿真、标准化的工艺平台,在短时间内完成一款高算力芯片的设计;EDA工具的发展为底层IP核带来整个设计架构的创新。

模拟芯片: EDA工具对模拟芯片的设计和仿真所能起到的作用都极为有限,模拟芯片需要设计师具有丰富的经验积累,以及设计工程师和工艺工程师的紧密沟通配合。模拟芯片公司需要的技术人员不多,更需要的是单兵作战的能力,因此创始人水平很重要。国内卓胜微、思瑞浦当初都是只有十几个人的团队做起来,做到大几百亿市值。

核心观点三:模拟芯片公司的盈利能力更强、业绩更稳定、估值更高
过去20年中,全球范围内崛起了包括德州仪器(TI)、亚德诺(ADI)等在内的模拟芯片巨头厂商,以及英特尔(Intel)、超威(AMD)等数字芯片巨头。对比这几家公司历史盈利能力情况,可以看出模拟芯片厂商同样具备很高的毛利率与净利率水平,且相比数字芯片更加抗周期。

Figure2 模拟/数字芯片公司毛利率和净利率对比

模拟芯片是一个长坡厚雪的赛道,拥有极高的技术和人才壁垒,因此国内外给予模拟芯片公司的估值水平普遍高于数字芯片公司。

Figure3 模拟/数字芯片公司估值水平对比



#2

AD/DA芯片是连接真实世界与数字世界的桥梁


(1)什么是AD/DA芯片?


AD/DA芯片主要是实现温度、压力、流量、速度、光强等模拟信号和数字信号(电压、电流等)之间的相互转换。其中AD芯片(ADC)用于将模拟信号转换为数字信号,DA 芯片(DAC)用于将数字信号转换为模拟信号。

在一个完整的信号链中,传感器采集到真实世界的自然信号,如电磁波、声音、图像、温度、光信号等,并将这些自然信号转化成模拟的电信号。然后放大器把模拟信号放大,ADC把模拟信号转化为数字信号;数字信号经过MCU或CPU或DSP等处理后,再经由DAC还原为模拟信号,通过扬声器、马达、LED等输出设备输出到真实世界。

Figure4 信号链系统的工作原理

(2)AD/DA芯片的性能指标

AD/DA芯片主要性能指标包括采样速度和精度,其余指标还包括功耗、转换速率、信噪比、误差等。

采样速度: 用Sample Per Second(SPS)衡量,代表ADC可以转换多大带宽的模拟信号,高速AD/DA能够解析更高频率的信号。

精度: 用bit单位衡量,用来表征转换出来的数字信号与原来的模拟信号之前的差距,bit数越高的AD/DA芯片的精度也越高。

(3)ADC芯片的类别


根据不同的采样速度和精度,ADC芯片可以分为以下四种:
Flash ADC: 闪烁型(Flash)ADC通常精度不超过8位,但速度高最快,可达56GHz以上。

Pipeline ADC: 管道型ADC研发难度最高,速度通常不超过10GHz,精度可达14-16位。

SAR ADC: 逐次逼近型(SAR)ADC速度约在100MHz左右,但精度可超过18位。

Sigma-Delta ADC: Sigma-Delta ADC具有最高的精度,可达24位,但通常速度仅在1K~10M。

Figure5 ADC芯片类别

ADC芯片的下游应用包括军工、工业、消费级等,不同应用场景对于采样速度与精度均有不同的性能追求。

Figure6 不同类型的ADC具有不同的应用场景

(4)AD/DA芯片市场情况


市场规模: AD/DA芯片可分为ADC芯片和DAC芯片,其中ADC芯片占比较大。根据智研咨询数据,2019年ADC、DAC芯片全球市场规模为31.55亿美元。根据Statistica,2021年全球ADC芯片的市场规模约为27.5亿美元,2027年全球ADC芯片的市场规模约为40.9亿美元。

Figure7 全球ADC芯片市场规模(亿美元)

竞争格局: 从全球竞争格局来看,ADI在AD/DA领域拥有最高的市场份额,美国在该领域拥有绝对的垄断力,前5大公司均为美国公司。

Figure8 全球AD/DA芯片市场份额


#3

应用场景:AD/DA芯片广泛覆盖消费、
工业、通讯和军工等应用场景


从全球AD/DA芯片的下游应用占比来看,通讯和工业/医疗是最大的应用市场,占比达到35%和31%,消费和汽车市场紧随其后,均占据12%的份额。

Figure9 AD/DA芯片下游应用占比

接下来,我们将分别介绍AD/DA在这些场景中的应用,以让大家对AD/DA的作用有更直观的感受。

(1)消费类:主要应用于手环手表、TWS耳机和手机/平板

在消费类应用场景中,主要会用到ADC芯片,对采样速度的要求较低,但对精度的要求较高。据测算,我国消费类场景的AD/DA芯片(主要是ADC)市场规模超过50亿元人民币,且随着手环手表、TWS耳机等消费电子的兴起,该块市场需求强劲,是现金流较为稳定的市场。

手环手表: ADC芯片主要用于测心率、心电和血氧,精度要求较高,通常是16-24Bit,而由于心率采集不需要很快的频率,因此对采样速度要求低。

TWS耳机: ADC芯片主要用于入耳检测功能,高端耳机的降噪功能也会用到ADC。入耳检测有SAR和光感两种方案,精度在12-16Bit左右。

手机/平板: ADC芯片主要用于屏幕亮度调节和辐射调节。销售到欧美的手机需要标配SAR芯片(辐射调节),手机也是消费级最主要的应用场景。

Figure10 消费类应用场景

(2)工业类:电力线监控、机器人手臂控制等场景都会用到AD/DA

工业类的AD/DA在不同的具体应用中,对采样速度和精度的要求差异较大,但总体而言,工业类AD/DA追求在一定采样速度下的高精度。比如电力线监控,属于低速高精度的ADC应用;机器人手臂控制属于SAR ADC,能够及时采样,速率在1K-10M之间。

还有一类属于Sigma-Delta型ADC,这类ADC精度在16-24比特,但速度通常只有几赫兹到几K,最快ADI的产品也只到2.5M,进入门槛相对较低。在工业中可以用于厂房的过程控制、高端电子秤等,在医疗中可以用于X光射线采样、心电检测等。

Figure11 工业类应用场景


(3)汽车类:主要应用于音频系统和新能源汽车的电池管理

在汽车领域,ADC主要应用于汽车的音频系统和新能源汽车的电池管理。新能源车内部的BMS系统(电池管理系统)会用到SAR的ADC产品,随着新能源汽车销量的井喷,汽车用ADC的需求量会持续增加。

(4)军工类:主要应用于雷达等军工设备

军工武器装需要用到高速度ADC,对ADC的速度要求通常在250M以上,对精度的要求也较高。

雷达是军工领域AD/DA应用的主要场景,其对ADC的技术要求极高,需要2.5G/12Bit的性能。目前该领域AD/DA被国外厂商垄断,且属于禁运范围;雷达中1个通道需要1个AD/DA,而大型雷达有数万个通道,小型雷达也有几千个,对应平均几千美金的单价,有较大的市场机会。

(5)通讯类:主要应用于基站和光通信

5G基站需要集成高速的AD/DA,如今5G基站每隔几百米一个,每个基站都有AD/DA产品的需求。目前主流的供应商就是ADI和TI,国内在该领域比较领先的是华为海思,但目前受到制裁困扰;中兴也在尝试做。


#4

AD/DA芯片国产化进程如何?


《瓦森纳协议》下,军工、航空航天等场景中使用的部分高性能的AD/DA芯片被禁运到中国。以相控阵雷达为例,国内相控阵雷达中用的AD/DA芯片严重依赖国外技术,芯片被国外禁运后,军工实力势必会受到影响。

Figure12 美国对中国禁运的高速AD芯片技术范围

国外在AD/DA领域对中国的制裁,一方面凸显了AD/DA兵家必争之地的地位,另一方面也体现出其制造壁垒之高。那么,为什么国产AD/DA芯片那么难造?我们认为主要有来自技术和人才的两方面壁垒:

技术壁垒: 军工类、通讯类AD/DA芯片对于采样速度的要求很高,高速度AD/DA的难度更高,技术基本被美国把控。常用的工业类AD.DA芯片对于速度没有军工与通讯的高要求,但追求在较高速度下的精度;ADI业界最先进的工业类芯片在65MHz的速度下可以实现20bit精度,典型的Pipeline ADC可以实现14位/2.4GHz。

人才壁垒: AD/DA领域属于模拟芯片中最难的部分,对于核心设计人员的研发经验要求极高,国内具有高速高精度AD/DA研发能力的科学家屈指可数,据不完全统计可能不超过10个人真正具备高速高精度AD/DA的经验。

国产高性能AD/DA芯片发展阻力较大,体现在高性能AD/DA芯片项目国内落地很难,应用门槛非常高。国内高速高精度AD/DA在起步阶段,这导致相关产业链配套很少,下游市场培育很困难。目前国产高性能AD/DA芯片的研发主要在科研院所内部。华为海思曾经具备工业级、通讯级高性能AD/DA的研发能力,拥有国内研发实力最强的团队,但被美国制裁后,华为海思团队发展艰难。部分初创公司早期定位做高速高精度的AD/DA芯片,但由于资金投入太大、周期太长,很难养活团队,所以大部分切入到低速的消费级领域,通过稳定的现金流养活团队,再逐步切入高速AD/DA领域。

近年来,随着国产替代浪潮的持续推进,国内也涌现出一些高水平创业团队。这也得益于中美关系变化后,ADI、TI有部分华人团队离开公司回国创业,国内的模拟芯片领域的创业团队开始出现,而作为模拟芯片领域珠穆朗玛峰的AD/DA,该领域的相关公司也迎来了新的机会。

目前,国内也有一些上市公司主要做AD/DA芯片,比如圣邦微、思瑞浦和芯海科技等,这些公司收到了资本市场的追捧,市场均给出了较高的估值水平。

圣邦微: 公司是国内领先的模拟芯片公司,其中电源管理产品和信号链产品占比约为7:3。公司具备高精度ADC能力,工业级AD/DA芯片已有量产。公司2020年收入12亿元。目前市值460.9亿元,P/E(TTM)为137.50x,P/S(TTM)为32.27x。

思瑞浦: 公司主要业务为信号链模拟芯片,营收占比达97.92%。转换器产品(AD/DA芯片包含在其中)营收占比为35.72%,公司的工业级AD/DA芯片目前在国内领先。公司2020年收入5.7亿元。目前市值450.4亿元,P/E(TTM)为156.34x,P/S(TTM)为50.95x。

芯海科技: 公司主要业务为健康测量AIoT芯片、模拟信号链芯片和MCU芯片,占比分别为36.00%、34.26%和28.60%。在AD/DA领域,公司专注于高精度ADC、高可靠性MCU的设计研发。公司2020年收入3.6亿元。目前市值88.6亿元,P/E(TTM)为54.05x,P/S(TTM)为13.28x。

  总结  

AD/DA国产替代加速推进,值得布局


模拟芯片行业是一个长坡厚雪的赛道,需要多年时间的技术积累进行“滚雪球”。AD/DA作为模拟芯片的重要分支,是连接现实世界和数字世界的桥梁,技术门槛极高,价值含量极大。消费领域的AD/DA芯片关乎我们日常生活,军事/通讯领域的AD/DA芯片直接关乎到我国军力,重要性不言而喻。


作为模拟芯片领域的珠穆朗玛峰,AD/DA芯片的国产替代注定不易,目前AD/DA核心技术被美国的ADI、TI等模拟芯片巨头所掌握,且对我国这一领域的发展进行了技术和人才的双重封锁,目前国内的高端AD/DA人才屈指可数。


对于AD/DA的国产替代,我们需要耐心,模拟领域本身就需要长年的技术积累,赶超国外的步伐不是一蹴而就的。不过得益于这一轮国产化替代的热潮以及中国庞大的市场规模,我们已经看到一些初创AD/DA公司在消费级领域取得突破,在细分市场可以达到与TI等国际巨头同台竞技,这已经是非常难能可贵的成果。未来在军事/通讯领域的AD/DA芯片我们还有一段路要走,但是有种子在,我们就可以期待开花结果的那一天。




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