大有可为的模拟芯片
来源:ittbank发布时间:2023-08-031462浏览
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模拟芯片：集成电路的重要部分
模拟芯片下游应用领域繁杂
模拟芯片负责处理连续的模拟信号。半导体市场主要包括集成电路（即芯片）、分立器件、光电子器件、传感器等四大类产品，其中集成电路市场占比最大。集成电路按其功能通常可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类。模拟集成电路主要是指在现实世界与物理世界之间，由电容、电阻、晶体管等组成的模拟电路集成在一起，用来产生、放大和处理连续函数形式的模拟信号（如声音、光线、温度等）；数字集成电路是对离散的数字信号（如用0和1两个逻辑电平来表示的二进制码）进行算术和逻辑运算的集成电路。
模拟芯片是电子系统中不可或缺的部分。与数字集成电路相比，模拟集成电路应用领域繁杂、生命周期长、人才培养时间长、价低但稳定。模拟芯片可广泛应用于消费类电子、通讯设备、工业控制、医疗仪器、汽车电子等领域，以及物联网、新能源、智能穿戴、人工智能、智能家居、智能制造、5G通讯等各类新兴电子产品领域。
模拟芯片人才培养周期长，经验依赖提升技术壁垒。模拟集成电路设计主要是通过有经验的设计人员进行晶体管级的电路设计和相应的版图设计与仿真，需要额外考虑噪声、匹配、干扰等诸多因素，要求其设计者既要熟悉集成电路设计和晶圆制造的工艺流程，又需要熟悉大部分元器件的电特性和物理特性。而数字集成电路设计大部分是通过使用硬件描述语言以基本逻辑门电路为单位在EDA软件的协助下自动综合产生，布图布线也是借助EDA软件自动生成。与数字集成电路相比，模拟芯片设计自动化程度低，加上辅助设计工具少、测试周期长等原因，模拟电路设计更依赖于人工设计，对工程师的经验要求也更高，培养一名优秀的模拟集成电路设计师往往需要10年甚至更长的时间。
按定制化程度，模拟芯片可分为通用模拟芯片和专用模拟芯片。通用型模拟芯片，也叫标准型模拟芯片，属于标准化产品，适用于多类电子系统，其设计性能参数不会特定适配于某类应用，可用于不同产品中。专用型模拟芯片根据专用的应用场景进行设计，一般集成了数字和模拟IC，复杂度和集成程度更高，有的时候也叫混合信号IC。根据ICInsights，2022年全球通用模拟芯片和专用模拟芯片占比分别为40%和60%。
模拟芯片分为电源管理和信号链芯片
电源管理和信号链芯片是模拟芯片的重要组成部分。广义模拟芯片市场包含信号链、电源管理和射频三大类。其中，电源管理芯片主要是指管理电池与电能的电路，包括充电管理芯片、转换器产品、充电保护芯片、无线充电芯片、驱动芯片等；信号链芯片主要是指用于处理信号的电路，包括线性产品、转换器产品、接口产品等。
电源管理芯片：模拟 IC 的关键器件，市场空间广阔
下游市场发展迅速，全球及国产电源管理芯片市场空间广阔。电源管理芯片产业下游应用场景丰富，覆盖通信、消费电子、汽车及物联网等各个电子相关领域。随着新能源汽车、5G 通信、物联网等下游市场的发展，电子设备数量及种类持续增长，设备电能应用效能管理愈发重要，带动电源管理芯片需求增长。根据 Frost&Sullivan 统计，2021 年全球电源管理芯片市场规模约 368 亿美元，2016-2021 年复合增长率为 13%。2021 年中国电源管理芯片市场规模突破 132 亿美元，占据全球约36%的市场份额。随着国产电源管理芯片在家用电器、3C新兴产品等领域的应用拓展，未来几年国产电源管理芯片市场规模仍将快速增长。预计至2025年中国电源管理芯片市场规模将达到 235 亿美元，20-25 年复合增长率为 15%。
信号链芯片：受益于新技术和下游应用，规模稳步增长
信号链是连接真实世界和数字世界的桥梁。完整信号链的工作过程为：从传感器探测到真实世界实际信号，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，通过放大器进行放大，然后通过 ADC 把模拟信号转化为数字信号，经过 MCU 或 CPU 或 DSP 等处理后，再经由 DAC 还原为模拟信号。信号链是电子设备实现感知和控制的基础，是电子产品智能化、智慧化的基础。
受益于较长的生命周期和较分散的应用场景，信号链模拟芯片市场发展态势良好，行业规模稳步增长。信号链模拟芯片随下游发展一同演进，朝小型化、低功耗和高性能方向发展。IC Insights的报告显示，全球信号链模拟芯片的市场规模将从 2016 年的 84 亿美金增长至 2023 年的 118 亿美金，16-23 年复合增长率约 5%。其中，放大器和比较器、转换器产品是市场规模占比最高的两类，合计约占信号链模拟芯片市场规模的 75%。
多因素驱动模拟芯片市场成长
全球集成电路市场规模持续扩大，中国市场发展快速。根据 Frost&Sullivan 统计，2020 年全球集成电路市场规模为 3,546 亿美元，伴随着以新能源汽车、 5G、AIoT 和云计算为代表的新技术的推广，集成电路产业将会迎来进一步发展，预计 2025 年将达到 4,750 亿美元，复合增长率约为6%。2020 年中国集成电路行业市场规模为 8,928 亿元，同比增长 18%。随着消费电子、汽车电子、工业控制、医疗电子等市场需求的不断提升，中国集成电路行业发展快速，未来五年将以 16%的年复合增长率增长，至 2025 年市场规模将达到 18,932 亿元。
模拟芯片全球市场规模稳步扩张，中国为其最主要的消费市场。因其使用周期长的特性，模拟芯片市场增速表现与数字芯片略有不同。根据 Frost&Sullivan 统计，2021 年全球模拟芯片行业市场规模约586亿美元，中国市场规模约2731亿元，占比七成左右，中国为全球最主要的消费市场，且增速高于全球模拟芯片市场整体增速。预计 2025 年中国模拟芯片市场规模将增长至 3340 亿元，20-25 年复合增长率为 6%。
模拟芯片下游各细分市场快速扩大，通信市场规模最大，通信、汽车占比进一步提升。根据 ICInsights 统计，专用模拟芯片的下游市场主要包含通信、汽车、工业、计算机、消费电子等领域。通信是专用模拟芯片最重要的下游市场，包含手机、网络及通讯设备等，2022 年全球市场规模为262 亿美元，占整个模拟芯片市场的 32%。汽车是专用模拟芯片增速最快的下游市场，22 年增速为 17%， 2022 年市场规模为 137 亿美元，位居第二。
新能源汽车快速渗透，模拟芯片价值量提升
汽车电动化、网联化和智能化提速，车用 IC 需求快速增加。随着汽车电动化进程加快、汽车互联性增加、自动驾驶逐步落地，汽车半导体从 MCU、功率半导体器件（IGBT、MOSFET）、各种传感器等，拓展到包括 ADAS 先进驾驶辅助系统、COMS 图像传感器、激光雷达、MEMS 等更多方面。汽车对芯片可靠性、安全性、一致性要求高，需要通过 AEC－Q100、 ISO26262 和IATF16949 等认证。
汽车电动化、网联化和智能化催生模拟芯片新需求。模拟芯片应用于几乎所有汽车电子部件，除了涉及传统汽车电子如车载娱乐、仪表盘、车身电子及 LED 电源管理等领域，还广泛应用于新能源汽车的动力系统、智能汽车的智能座舱系统和自动驾驶系统。动力总成部分主要包括了电机控制器、OBC、DC/DC、BMS 等。
根据 iHS 和 Melexis，在 A 到 E 的各个级别汽车中，电动化都大幅增加单车模拟芯片需求量，比如：A 级燃油车模拟芯片用量约 100 颗，而 A 级纯电动车需求量高达 350 颗以上；在 B 级车中，模拟芯片单车用量从燃油车的 160 颗提升至纯电动车的近 400 颗，而纯电动 E 级车用量超过 650颗。
新能源汽车高增长助推车用模拟芯片高价值产品。全球新能源汽车市场渗透率从 2018 年 2%上升至 2021 年 8%，销量从 199 万辆上升至 644 万辆，年复合增长率 48%。根据 IC Insights 统计，2022 年全球汽车专用模拟芯片市场规模将增长 17%至 138 亿美元，是增速最快的模拟芯片下游市场。
汽车“三化”赋能模拟 IC 电源管理市场。得益于汽车电动化、智能化、网联化，越来越多的传感器、功率半导体、电机等电子零部件装载在汽车内部，需要更多的电源管理 IC 进行电流电压的转换，从而推动电源管理芯片增长。
特别地，随着新能源汽车的高增长，车用 BMIC 需求迎来高增长。根据 Frost&Sullivan 统计，全球新能源汽车 BMS 市场规模从 2016 年的 5 亿美元增长到 2020 年的 14 亿美元，复合年均增长率为 33%。根据半导体产业纵横预测，全球锂电池 BMIC 市场规模将从 2021 年的 43 亿美元增加至 2026 年的 80 亿美元，CAGR 为 14%，其中汽车类 CAGR 超过 40%。汽车电池由数百、甚至多达数千节电芯串联和并联构成，电芯、模块间会出现电量不平衡，大量的电芯串联要求电芯之间的电量一致，因此需要采用电池监测芯片对每个电芯进行电压、电流检测。同时，电动汽车的充放电过程也需要保护芯片来防止部分电芯的过充或过放。
车规级 BMIC 完整解决方案的供应商主要有 ADI（AFE 主要来自于收购的 Maxim 和 Linear 产品线）、TI、英飞凌、NXP、瑞萨（AFE 主要来自于收购的 Intersil 产品线）、ST 和安森美等。其中汽车 BMS 的 AFE 芯片的技术难度在于采样通道数、内部 ADC 数量等。此外，由于 AFE 芯片的需求与电芯数量成正比，电芯数量与电压成正比，800V 电压平台对 AFE 的需求相比 400V 平台翻倍增长。400V 系统电动汽车大约需要 8 个 AFE 芯片和 1 个隔离通讯芯片，而 800V 系统约需要 16 个 AFE 芯片和 1 个隔离通讯芯片。
车用信号链芯片为车联万物、信息交互提供支持。车用信号链芯片发挥多种用途。一类是射频 IC，为汽车提供无线通信。汽车四大无线通讯方案：蜂窝网络系统、WLAN、全球导航卫星系统GNSS 和 V2X 车联网，都需要多个射频 IC 和射频模块实现，大多数此类元件都包含在 TCU 中。另一类是为传感器和处理器之架起桥梁的特定模拟 ASSP/ASIC。外界真实信号被传感器感知，得到的模拟信号经过放大器、模数转换器最终传递给 MCU 处理。
汽车的电动化、智能化拉动了视频传输等接口技术的升级、芯片数量和芯片价值量的提升。随着汽车新车型配置，智能座舱、高级辅助驾驶的需求越来越强烈，单车对高清屏以及高清摄像头的使用越来越多。根据电子工程专辑显示，高清视频传输芯片的市场规模将以 35%-40%以上的年增长率快速扩容。车载摄像头预计 2025 年在全球的市场需求量会超过 3 亿台以上，视频传输芯片的市场规模也将达到人民币 90 亿元，这将进一步扩大车载模拟接口芯片的使用量。此外，视频数据传输 HDMI 接口不断迭代升级，分辨率不断提高，最新的 2.1 接口可以支持到 8K-60 帧分辨率，这进一步拉动了相关模拟接口芯片的价值量。
5G通讯和手机功能升级，驱动模拟芯片行业成长
5G 广泛应用推动通信领域模拟芯片迭代升级。无论是智能手机还是基站等基础设施，一套完整的 5G 通信系统包含了从信号链到电源链的多种模拟芯片的迭代升级。模拟芯片在通讯领域应用于宽带固定线路接入、数据通讯模块、有线网络和无线基础设施等，其中无线通信估计占 2022年通信模拟芯片领域销售额的 91%。无线通信模块通常包括天线、射频前端、射频收发、基带。其中，射频前端模块是移动终端通信的核心组件。
智能手机由模拟 IC、数字 IC、OSD 器件、非半导体器件组成。其中模拟 IC 主要可分为射频器件和电源管理装置。射频器件是处理无线电信号的核心装置，包括射频前端、射频收发、射频开关、射频 PA 等。电源管理装置包括快充芯片、无线充电芯片等。
手机功能升级主要从多个层面驱动手机模拟 IC 市场需求。智能手机中按照功能划分,模拟芯片主要用于 DC/DC 电源、输入电源保护、音频/震动、I/O 连接等功能区域。首先，5G 等通信技术升级直接导致移动终端需要增加可覆盖智能手机新增频段的射频器件；第二，智能手机功能复杂度不断提升，导致手机各功能模块对移动终端电源管理芯片的性能（噪音水平和功耗等）和数量提出了要求；第三，手机光学升级、快充创新等进一步带动驱动、快充等芯片的价值量；第四，智能手机行业需求的复苏以及 5G 手机渗透率的提升有望拉动模拟 IC 整体需求量的抬升。
5G 技术直接促进手机模拟 IC 和射频器件价值量提升。5G 技术升级，为了覆盖 5G 新增频段，移动智能终端需要配套的射频前端器件。5G 通过拓宽带宽、增加通路数量提高数据传输速度，与4G 的低频电路不同，高频电路需要从材料到器件，从基带芯片到整个射频电路进行重新设计，复杂度提升的同时，也需要增加射频开关、滤波器、放大器的数量以满足对不同频段信号接收、滤除、放大、发射的需求。
5G 核心技术为基站射频芯片带来机会，电源管理 IC 用量随之增加。5G 基站的三个功能实体分别为 CU、DU、AAU。DU 和 AU 是原基带单元 BBU 按处理实时和非实时任务进行拆分。AAU(有源天线单元)是射频单元及无源天线的合并。5G 基站采用大规模天线阵列、载波聚合和新频谱，对 PA 性能、独立射频通道数量、天线开关数、滤波器数量和 PA 开关数量等需求增加。例如，4G 基站对应的射频 PA 需求量为 12 个，而 5G 基站对应的 PA 需求量高达 192 个。由于 5G 基站有更多的天线、射频组件和更高频率的毫米波，基站功率约为 4G 基站的 3-4 倍，电源管理 IC 的用量随之增加，宏基站需要约 120 颗电源管理 IC、小基站需要约 20 颗。
万物互联AloT终端数量快速发展
万物互联趋势下，消费级和工业级物联网终端的广泛应用推升模拟芯片需求。大规模物联网业务mMTC 是 5G 三大应用场景之一，以低功耗和海量接入为特点，对应无线供电芯片、低功耗供电芯片和 5G 通讯芯片等，同时物联网终端还涉及到车联网各类传感器和智能家居微控制器、传感器等模拟芯片应用。根据 GSMA 数据，2021 年全球物联网设备联网数量为 148 亿个，同比增长16%，其中工业级设备占比为 47%，预计 2025 年全球物联网设备联网数量上升至 252 亿个，工业级设备占比 55%。
众多物联网终端应用推升模拟芯片用量。由于物联网主要是物理世界的终端设备互联，压力、亮度、距离等物理参数是信息互联的重要手段，智能家居、智慧城市、无人机等物联网下游的快速 、发展，成为了模拟芯片的重要推动力。如：扫地机器人的模拟芯片包括运算放大器、数据转换器（ADC）、线性稳压器（LDO）、模拟开关等，以实现扫地机器人的红外障碍感应、TOF 探测、LDS 激光测距、超声传感等功能。
欧美厂商垄断，国产替代潜力巨大
国内模拟 IC 厂商正处于快速成长阶段，模拟 IC 国产化率进一步提升的内部和外部条件均趋于成熟。首先，国内代工厂制程和工艺满足要求，技术日臻成熟，可以与模拟 IC 厂商进行协同；第二，国际模拟大厂向工业和车载领域倾斜，减少对消费等领域的资源支持，给国产厂商差异化竞争创造了机遇；第三，国内模拟 IC 厂商逐步突破产品种类和质量，并持续发力产品导入和客户验证。国内模拟 IC 厂商迎来了内部和外部的双重历史机遇，在产品、技术、客户、市场份额等方面有望加速突破，推动模拟芯片国产化进程。
欧美厂商占据绝对主导
中国是全球最大的半导体和模拟芯片市场。IDC 数据显示，2020 年中国大陆占全球模拟芯片市场的比例达到 36%，超过欧美及其他地区。国际模拟芯片大厂如德州仪器、亚德诺等收入来源市场中，中国收入占比有明显提升的趋势。以亚德诺为例，2015 年至 2021 年，中国地区的收入占比从 15%提升至 22 %，于 2020 年达峰值 24%。
我国的模拟芯片自给率较低，未来发展潜力大。前瞻产业研究院数据显示，2021 年中国模拟芯片的自给率仅为12%左右，较2017年上升了6个百分点，总体呈上升趋势。就模拟芯片业务而言，2021 年德州仪器营业总额为 1247 亿元（美元兑人民币汇率取 6.8），国内模拟芯片前十企业营收与之相差较大。然而，目前国际 IC 厂商较为分散的经营格局为本土模拟集成电路的发展带来了机遇，随着芯片国产替代的加速，未来我国模拟芯片将有较大的成长空间，自给率进一步提升。
欧美厂商占据绝大多数市场份额，行业集中度较低。根据 Frost& Sullivan 的统计数据，2019 年全球前十模拟 IC供应商基本被欧美国家主导，共占据 67%左右的市场份额。德州仪器在模拟芯片中表现强劲，2018-2019 年间占据 19%的市场份额，第二梯队亚德诺、英飞凌、意法半导体、思佳讯也纷纷超过了 5%。模拟芯片整体呈现出较为分散的发展布局，剩余 IC 厂商对应市场占有率不超过 1%，行业集中度较低。以电源管理芯片为例，IC Insights 数据显示，2020 年全球供应商前五名依次为德州仪器、高通、亚德诺、美信、英飞凌，共占据 71%的市场份额。
模拟芯片竞争格局稳定，CR5、CR10 市场份额有所提升。据 IC Insights 统计，2017 到 2020 年全球前十大模拟厂商变动不大，仅 Qorvo 在 2021 年跻身前十。模拟芯片在德州仪器、亚德诺、思佳讯为代表的欧美厂商的带领下，逐渐形成了较为稳定的市场竞争格局。五年间，CR5 和CR10 市场份额各提升了近 10%，市场集中度有所提升。
模拟芯片头部厂商的产品线与下游应用丰富。优秀的模拟芯片设计企业需要长期经验和技术的累积，全球主要模拟芯片设计企业依靠丰富的技术及经验、大量的核心 IP 和产品类别形成了竞争壁垒，规模不断壮大。全球领先的模拟IC厂商主要包括TI（德州仪器）、ADI（亚德诺）、Infineon（英飞凌）等，经过长时间的发展，均形成了丰富的下游应用领域和多元化的产品种类。
近年来国际模拟芯片巨头的产品布局向汽车、工业等下游领域倾斜。德州仪器 TI 2021 全年营业收入为 183 亿美元，其中汽车和工业销售占其收入的 62% 以上，相比 2013 年的 42%占比有大幅攀升。亚诺德 ADI 的汽车和工业下游收入占比由 2013 年的 61.6%上升至 2021 年的 71.3%。在国际大厂将战略重心转移至工业和汽车领域之际，国内厂商有望以中低端消费电子产品为切入口，占领中低端市场并向高端市场延伸，逐步实现差异化替代。
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