电子发烧友App
集成电路设计行业专业性强、复杂程度高、迭代速度快，具有较高的技术门槛。而模拟芯片的性能指标更为复杂，设计过程具有学习曲线长、辅助工具有限、高度依赖设计人员经验与能力等特点。模拟芯片的设计过程中，温度、噪声、干扰等外部参数变化对性能指标的影响难以通过EDA工具实现精确仿真，同时芯片制造及封装的繁杂工序中，各道工序的误差都可能导致单个晶体管实际物理参数与理论模型之间产生误差，难以精确衡量及控制。
因此，模拟芯片的设计除考虑逻辑层面的设计外，需要重点考虑系统结构和元器件参数之间的匹配及相互影响，熟悉大部分元器件的特性和不同的生产制造封装工艺，并通过持续试错在电路设计和制造工艺之间进行精心匹配，最终保证产品的性能参数符合预先设定的技术标准，进入本行业的技术壁垒较强。
芯片可以分为数字芯片和模拟芯片两个大类，数字芯片主要进行逻辑运算，包括CPU、内存芯片、和各种DSP芯片等;模拟芯片主要处理模拟信号，种类细且繁。包括模数转换芯(ADC)、放大器芯片、电源管理芯片、PLL等等。
模拟芯片是处理外界信号的第一关，所有数据的源头是模拟信号，模拟芯片是集成的模拟电路，用于处理模拟信号。模拟信号是在时间和幅值上都连续的信号，数字信号则是时间和幅值上都不连续的信号。外界信号经传感器转化为电信号后，是模拟信号，在模拟芯片构成的系统里进行进一步的放大、滤波等处理。处理后的模拟信号既可以通过数据转换器输出到数字系统进行处理，也可以直接输出到执行器。
一、模拟芯片的两大主要用途
1、信号链-连接真实世界与数字世界的桥梁。
现实世界的信号链续的线性信号方式出现，比如辐射(光和颜色)、运动(位臵、速度和加速度)、声音、压力等，而在数字世界中信号是瞬时变化的，比如数字芯片仅能识别0伏状态或五伏状态，而不识别介于两者之间的信号，因此需要由传感器收集信号，然后模拟芯片将这类可量化的信号转换为数字信号(0和1)，再交由数字芯片处理。主要包括三大类，即线性产品放大器等)、转换器(ADC等)、接口。
2、电源链-管理和分配电源。
电源链产品可以提供电路保护，并为内部的各种组件提供稳定、适当的电压和电流，其包括四大类，一是以市电AC为电源的AC/DC芯片、二是以电池DC为电源的电池管理芯片、三是通用负载解决方案(DC/DC转换)、四是特殊负载解决方案(LED驱动为代表)。
模拟下游应用市场占比基本稳定，2020年通信(36%)>汽车(24%)>工业(21%)>消费(18%)，市场规模分别为通信201亿美元、汽车135亿美元、工业114亿美元、消费99亿美元。其中汽车近年略有提升，从2014年的20%提升到2020年的24%;消费略有下滑，从2014年的23%下降至18%。
行业格局稳定，TI、ADI为双龙头。TI(强于电源链和ADI(强于信号链)为模拟市场双龙头，2020年分别占模拟市场的19%、9%，2020年CR6=52%。模拟市场具备产品具备“常青树”特性，加之下游应用分散，因此客户粘性极强，行业格局稳定，行业内部的格局变化多来自于兼并收购。
二、模拟芯片特点
1、应用领域繁杂:模拟集成电路按细分功能可进一步分为线性器件(如放大器、模拟开关、比较器等)、信号接口、数据转换、电源管理器件等诸多品类，每一品类根据终端产品性能需求的差异又有不同的系列，在现今电子产品中几乎无处不在。
2、生命周期长:数字集成电路强调运算速度与成本比，必须不断采用新设计或新工艺，而模拟集成电路强调可靠性和稳定性。一经量产往往具备长久生命力。
3、人才培养时间长:模拟集成电路的设计需要额外考虑噪声、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。加上模拟集成电路的辅助设计工具少、测试周期长等原因，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。
4、低价但稳定:模拟集成电路的设计更依赖于设计师的经验5与数字集成电路相比，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，单款模拟集成电路的平均价格往往低于同世代的数字集成电路，但由于功能细分多，模拟集成电路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。
三、一年数字，十年模拟
与数字芯片依赖工具、军团作战不同，模拟芯片设计极度依赖工程师个人经验。
从晶体管规模看，数字芯片远大于模拟芯片，但这并不意味着模拟芯片设计难度更低。恰恰相反，数字芯片能够通过“军团式”作战较快的堆叠出芯片，而模拟芯片则更依赖于工程师个人，通常一名工程师3-5年才能找到感觉，10年以上才能在某一领域拥有足够的经验，因此模拟工程师常被戏称为“老中医”。
四、模拟芯片极度吃经验的主要原因
1、与数字追求运算速度与成本的平衡不同，模拟芯片需要平衡的因素很多，比如信号链需要考虑信噪比/失真/滤波能力/漂移/能耗/可靠性/稳定性，电源链需要考虑效率/精度和漂移/纹波/电磁干扰/动态响应/安全性/可靠性/稳定性。
2、数字芯片的设计过程高度流程化，能够使用到很多规范化的EDA设计工具、IP等。而模拟芯片实现同一功能能够有多种路径实现，没有统一标准。
3、模拟芯片寄生效应较多+同一功能的实现路径较多A因此仿真无法覆盖所有场景，只有通过流片后看到真是表现再做调整。
因此模拟芯片的设计过程，是一个反复设计、验证、迭代的过程，工程师在经验积累过程中形成的“感性直觉”往往是不能用公式、甚至语言描述的。而这些经验，需要实打实做过多个项目，经历流片、封测和量产，从众多坑中爬出来才能积累。
模拟与数模混合芯片概况
数字芯片和模拟芯片的区别
数字芯片与模拟芯片对比
数字芯片是由多个相同的单元电路组成，模拟芯片是由各个不同的单元组成。
数字芯片基本上是CMOS结构，模拟芯片由一个或多个PN结构组成。
数字芯片只能处理数字信号，而模拟芯片只能处理模拟信号，两者不能互换。
数字芯片利用的是晶体的开关作用，模拟芯片利用的是晶体管的放大作用。
集成电路产品根据处理信号类型的不同，分为模拟芯片和数字芯片。模拟芯片主要用于处理信息参数在给定时间范围内表现为连续的信号，即模拟信号，其特点为信号幅度随时间连续变化，能真实、逼真地反映物理世界，模拟信号易衰减且不易存储。
数字芯片主要用于处理模拟信号经采样量化后得到的离散信号，即数字信号，以二进制（0/1）表示，其特点为信息参数在时间和幅度上均为离散，数字信号易存储、不衰减，适合被高速处理。数模混合芯片中既有模拟电路又有数字电路，其中模拟电路通常是核心部分，数字电路用于控制模拟电路实现特定算法。因此，数模混合芯片通常被认为属于模拟芯片范畴。
根据功能的不同，模拟芯片大致分为电源链和信号链两大类。电源链主要用于管理电池与电能，信号链主要用于处理信号。电源链主要包括DC-DC、线性稳压器、PMIC、LED驱动芯片等；信号链主要包括比较器、运算放大器、ADC、DAC、接口芯片等。
根据下游产品的应用领域的不同，模拟芯片可以分为通用芯片和专用芯片（ASIC芯片）。通用芯片的设计性能参数不会特定适配于某类应用，可以适用于各种各样的电子系统，一般包括信号链路的放大器Amp、信号转换器ADC/DAC、通用接口芯片、比较器和电源链路中的稳压器等。
通用芯片产品细分品类多，生命周期长，市场稳定。ASIC芯片是指应特定用户要求或特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路，通常应用于专门领域的电子产品，如通信、汽车、消费电子、工业等。ASIC芯片作为集成电路技术与特定用户的整机或系统技术紧密结合的产物，与通用集成电路相比具有体积更小、重量更轻、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增强、成本降低等优点。
由于专用性导致不同厂商的产品难以直接互相替代，ASIC芯片产品拥有更强的客户黏度。
1什么是模拟芯片
模拟电路的构成包括电阻、电容、晶体管等，而模拟集成电路是集成模拟电路来来处理连续函数形式模拟信号(如声音、光线、温度等)。任何数据的源头都是模拟信号，通过模拟信号向外界传递信息，用来处理模拟信号的集成电路就是模拟芯片，模拟芯片是处理外界数据的第一关。
2模拟芯片的种类
模拟芯片种类众多，应用范围极广，除常见的信号链与电源管理类模拟芯片之外，通信领域的射频器件、服务器领域的内存接口芯片等专用产品也属于模拟芯片
(1)按照传输弱电信号和强电能量的角度分，分为信号链模拟芯片与电源管理模拟芯片。
信号链类可以划分为线性产品、数据转换器、接口、其它模拟芯片等
电源管理根据实现的功能可分为交直流转换器、LED驱动器、电机驱动器、开关稳压器、LDO线性稳压器等，将众多功能集成在一起电源管理模块则为PMIC。
(2)按功能角度，模拟芯片可分为通用模拟和专用模拟
通用模拟芯片又被称为标准型模拟芯片，它实现的功能具有可迁移性，而非面向特定的功能需求，所以适用于各种各样的电子信息系统中。其通用性也意味着不同厂商的同一种产品具有相互替代性，包括线性产品、电源管理、数据转换、接口芯片等产品。
专用模拟芯片是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路，专门应用于特定领域的芯片，如通信应用、汽车应用、消费电子、工业应用。
(3)模拟芯片产品分为通用标准产品SLIC和专用标准产品ASSP。
3模拟芯片全球前十大厂商
(1)TI德州仪器：(美国)成立于1930年，是世界第一大数字信号处理器和模拟半导体组件制造商。主营运算放大器，电源管理芯片等
(2)ADI亚德诺：亚德诺(美国)拥有业界领先的模数转换器ADC以及数模转换器DAC产品组合，能够覆盖所有主要应用领域和行业，是全球数据转换器龙头。主营数据转换器、放大器和线性产品、射频(RF)IC、电源管理产品等
(3)Infineon英飞凌：英飞凌(德国)是全球十大半导体制造商之一，是电源管理行业的领先供应商，提供各种半导体解决方案。主营汽车系统芯片、静电放电(ESD)与浪涌保护等
(4)ST意法半导体：意法半导体集团于1987年由意大利的SGS微电子公司和法国Thomson半导体公司合并而成，大部分模拟IC销售目标是运动控制、自动化和能源管理应用。主营电机驱动芯片、高压驱动芯片、智能电源开关、电力线通信IC等
(5)Skyworks思佳讯：思佳讯解决方案(美国)是一家无线半导体公司，是手机射频领域领军企业，设计并生产应用于移动通信领域的射频及完整半导体系统解决方案。主营射频及无线半导体解决方案、放大器、衰减器等
(6)NXP恩智浦：恩智浦(荷兰)创立于2006年，其前身为飞利浦公司于1953年成立的半导体事业部。公司是全球功率放大器的主要供应商之一。主营音频放大器、能源管理、射频等
(7)Maxim美信：美信(美国)致力于为客户设计、开发、生产和销售一系列的线性和混合信号集成电路，面向四大终端市场：工业，通信，消费者和处理器。主营电源管理、模拟信号、接口等
(8)ONSemi安森美：安森美半导体(美国)是一家宽频和电力管理集成电路和标准半导体的供应商，是全球高性能电源解决方案供应商。主营高能效电源管理、模拟、传感器等
(9)Microchip微芯科技：微芯科技(美国)是全球领先的单片机和模拟半导体供应商，为全球数以千计的消费类产品提供低风险的产品开发、更低的系统总成本和更快的产品上市时间。主营单片机、存储器、电源管理芯片等
(10)Renesas瑞萨：瑞萨(日本)是全球领先的微控制器供应商、模拟功率器件和SoC产品的领导者，为汽车、工业、基础设施及物联网等各种应用提供综合解决方案。主营微控制器、功率金属氧化物半导体场效应晶体管、混合信号集成电路(IC)等
模拟芯片产业概况
模拟芯片行业是半导体产业的重要分支。根据WSTS的统计，全球模拟芯片市场规模从2003年的268亿美元增长到2021年的741.05亿美元，2021年全球模拟芯片市场规模占全球半导体整体市场的13.33%，占全球集成电路市场的16.01%。
根据Frost&Sullivan的统计数据，2021年中国模拟集成电路市场规模达到3,056.3亿元。近年来，虽然本土模拟芯片厂商陆续崛起，部分高端产品领域甚至超过世界先进水平，但目前中国模拟芯片自给率仅为12%，未来仍存在较大国产替代空间。
模拟芯片行业的特点
（1）产品生命周期长，丰富的产品线是重要竞争要素之一
与数字芯片追求运算效率与成本不同，模拟芯片评价标准重点在于电路速度、分辨率、功耗、信噪比、稳定性等指标，终端客户对产品认证的过程更复杂、周期更长，最终达标产品的生命周期也更长。数字芯片通常在1-2年后即会被更高工艺产品替代，而模拟芯片一般生命周期在5年以上，部分模拟芯片的生命周期可以超过10年。
同时，模拟芯片种类繁杂，根据功能可以划分为信号链和电源链两大类，根据下游用途又可以分为通用模拟芯片与专用模拟芯片，不同产品有不同的性能指标，适用于不同的应用需求。因此，对于模拟芯片厂商来说，丰富的产品线种类能够满足下游客户不同需求场景，为关键的竞争要素。以全球模拟芯片龙头德州仪器为例，其目前拥有超过8万种产品。
国内模拟芯片厂商的产品目录近年来增速相对可观，但总量与全球龙头相比仍处于劣势。
（2）下游应用领域广泛且分散，聚焦细分领域是普遍策略
模拟芯片产品种类繁多，功能齐全，广泛应用于通信、工业、汽车电子、消费电子以及政企系统等领域中，在不同的领域中又有许多细分的下游赛道。
例如，通信领域中的无线基础设施及有线网络，汽车领域中的驾驶辅助和动力系统，工业领域中的航空航天、医疗设备和工业自动化，消费领域中的计算机、手机和平板电脑，政企系统中的各类服务器等。另外，不同终端客户对于芯片的精度、速度、功率、线性度和信号幅度能力方面的需求千差万别，许多产品往往仅针对特定客户和应用进行高度定制，因此下游客户非常分散。
由于下游应用领域广泛且分散，单一厂商难以覆盖所有细分市场，模拟芯片行业竞争格局较为分散。因此，聚焦细分领域是模拟芯片企业普遍采用的商业策略，即便是全球龙头厂商也呈现出显著的专业特色：德州仪器是电源管理和运算放大器领域的龙头企业；亚德诺在数据转换器领域领先多年；英飞凌、恩智浦是著名的汽车电子厂商；思佳讯则专注于射频领域。中国模拟芯片行业起步较晚，大部分上市公司成立于2000年-2010年。与全球头部厂商相比，国内厂商尚处于发展初期，产品布局更加聚焦于细分赛道。在细分赛道取得优势后通过内生或外延方式逐步扩充产品线是我国模拟芯片企业发展的典型方式。发行人在成立初期聚焦于以电子雾化终端为代表的个人消费电子领域，并逐渐扩展至以电视、机顶盒、智能扫地机器人等为代表的智能家居领域，以路由器为代表的网络通信领域，以安防监控摄像头为代表的工业控制领域等。
（3）产品设计门槛高，人才是重要竞争要素
模拟芯片性能指标复杂，设计环节具有辅助工具少、经验要求高、操作非标准、多学科复合、测试周期长等特点。模拟芯片在设计过程中需要重点考虑系统结构和元器件参数之间的匹配及相互影响，以保证实现低噪声、低失真和良好的电流放大及频率功率特性等；同时，由于模拟芯片生产工艺的多样化，设计人员需要熟悉大部分元器件的特性和不同的生产制造封装工艺，且在设计过程中需要实时关注功耗、增益及电阻等参数变化，通过持续试错在电路设计和制造工艺之间进行精心匹配。此外，模拟芯片的设计过程中可以借助的EDA工具远少于数字芯片设计，因此对设计人员自身的设计经验要求较高。
优秀的模拟设计工程师一般需要10年以上的设计经验。目前全球的模拟设计工程师相对短缺，因此拥有一定数量优秀模拟设计工程师的企业将构建强大的技术壁垒。
（4）外延并购是模拟芯片厂商发展的重要途径
由于模拟芯片产品相对较高的设计难度及相对较长的研发与验证周期，外延并购为模拟芯片厂商快速积累核心技术、拓展客户的重要途径。
全球龙头厂商德州仪器、亚德诺等均通过持续的并购与整合快速提升竞争力并扩大市场份额。以2020年亚德诺209亿美元收购美信为例，亚德诺原先的下游客户主要分布在通信、工业和数字医疗领域，而美信的客户主要分布在汽车和企业数据中心领域，亚德诺通过本次并购，迅速获得了美信在相关领域的核心技术与市场。近年来模拟芯片行业并购事件频发，模拟芯片企业纷纷通过并购实现规模扩张或产品线扩充。
模拟芯片行业的发展趋势
（1）行业整体规模持续增长
模拟芯片产品品类繁多，生命周期较长，下游应用领域极其广泛。因此，与数字芯片相比模拟芯片行业周期性较弱。近年来受益于PC、通信、可穿戴产品、AIoT设备等电子设备的品类和市场容量的扩张，模拟芯片的市场规模总体呈扩张趋势。根据WSTS统计，全球模拟芯片市场规模从2003年的268亿美元增长到2021年的741.05亿美元。根据WSTS预测，2022年全球模拟芯片市场规模预计将达845.39亿美元，同比增长14.08%。
未来随着物联网、人工智能、新能源汽车、云计算、大数据、无人驾驶、车联网、5G通讯、智能安防等新兴应用领域需求的爆发，全球集成电路产业有望在中长期持续维持高景气度。特别是汽车电动化、智能化的趋势，以及工业能源类节能降耗需求将引发模拟芯片的升级迭代。根据ICInsights预测，2021年至2026年模拟芯片市场规模将保持11.8%的复合增长率。
（2）自给率将持续提升
作为全球模拟芯片第一大市场，我国模拟芯片自给率虽在近年有所提升但仍然偏低。根据中国半导体行业协会统计，2020年中国模拟芯片自给率仅为12%，相比2017年提高6个百分点。从竞争格局来看，国内模拟芯片市场第一梯队仍然是以德州仪器、亚德诺等为代表的欧美企业，部分国内企业近年来通过竞争力提升进入第二梯队，但整体竞争力相比第一梯队仍有差距。
在政策支持、高额投资、工程师红利、国内需求快速增长等一系列有利因素的促进下，中国半导体产业有望保持快速发展势头，自给率持续提升。需求方面，由于2018年以来中美贸易摩擦加剧，终端厂商考虑供应链安全问题，纷纷寻求国产替代芯片产品。中国模拟芯片企业背靠最大的电子设备生产及需求市场，有望持续受益于产业链国产替代趋势。
供给方面，国内模拟芯片厂商研发与创新更多侧重于针对应用场景进行优化，符合模拟芯片场景专用化的发展趋势。随着近年来具有综合能力的海外优秀工程师不断回流，国内模拟工程师整体技术能力迅速提升，具备了集成化、定制化设计的先决条件，国内厂商逐渐从国外系统产品的简单模仿转为自主研发创新的阶段，未来出货量有望持续放大。
（3）技术将向高集成、低功耗、高可靠、行业定制等方向发展
个人消费电子和智能家居等领域产品功能的不断丰富、工业控制及汽车领域对节能环保需求的不断提升，对应用终端的外形、体积、续航时间、功能性、复杂程度、能耗等方面提出了更高的要求，从而要求模拟及数模混合芯片具有更高的集成度、更小的面积、更高的可靠性、更高的效率。
同时，随着通用型芯片竞争的加剧，面向特定的行业应用进行定制研发，提升芯片与电子系统的适配度成为模拟及数模混合芯片企业实现差异化竞争的重要途径。本土具备较强实力的公司在面向行业应用进行定制化研发的道路上已取得一定的成果。
（4）设计环节与工艺环节的耦合度将持续提升
模拟及数模混合芯片下游应用广泛且多样化，代工的标准化程度较数字芯片低，因此需要设计环节与工艺环节的深度结合。一方面，工艺平台中工艺器件的多样化与特色化将影响芯片产品的功耗、成本和良率等重要指标；另一方面，模拟芯片的设计受工艺制约，高标准的设计需要工艺匹配实现。
为强化设计环节与工艺环节的配合，全球模拟及数模混合芯片龙头厂商多采用IDM模式，如德州仪器、亚德诺等。IDM模式有利于从设计到制造到封测的全流程技术改进，实现设计与工艺协同优化；同时可快速响应设计需求、验证特色工艺，提高产品的研发效率。
但IDM模式对前期资本投入要求较高，目前大部分模拟芯片厂商采用Fabless模式，将晶圆制造、封装测试等工艺环节委托给第三方晶圆厂和封测厂。为提升设计环节与工艺环节的耦合，部分优秀Fabless厂商在工艺技术、封测技术等方面具有较强积累，通过与晶圆厂及封测厂合作定制开发特定工艺平台、合作投资建设产线等方式，积极打造虚拟IDM模式，代表厂商为MPS和矽力杰。
行业机遇与挑战
行业发展机遇下游市场需求旺盛
模拟及数模混合芯片面向的下游应用领域广泛，包括智能手机、平板电脑、TWS耳机、智能音箱、数码相机等个人消费电子产品；电视、机顶盒、智能扫地机器人、智能门锁、智能家电等智能家居产品；路由器、交换机、基站等网络通信类产品；汽车、轨道交通、智能电网、数控机床、无人机、摄像头、仪器仪表、电动工具、储能等工业控制产品，涵盖国民经济的各主要领域，市场空间巨大，且受单一产业波动的影响较小。
随着消费领域产品的持续普及与技术迭代、工业领域自动化与智能化程度的不断提升、以及5G通讯、云计算、大数据、物联网、人工智能等新兴技术的不断成熟，下游应用领域将长期维持高景气度，从而保持对模拟及数模混合芯片的强劲需求，模拟及数模混合芯片厂商面临广阔的市场空间与长期向好的市场前景。
国产替代趋势明显
中国为全球最大的半导体消费国家，但自给率仍然处于较低水平，依赖进口的现象较为严重。根据海关总署的数据，集成电路产品的进口额从2015年起已连续八年位列所有进口商品中的第一位，2022年集成电路产品的进出口逆差达到2,616.6亿美元，进口替代空间巨大且需求急迫。
同时，在全球集成电路行业第三次产业转移中，中国大陆在全球产业格局中所占比重逐步提高，国内集成电路产业链不断完善。制造端，中国已建和在建的6至12英寸晶圆产线投资上百亿美元，全球巨头台积电、联电、海力士等纷纷在中国大陆投资建厂，中芯国际、华虹NEC、华润上华等本土晶圆制造厂商也在积极扩大产能；封测端，国内的长电科技、通富微电、华天科技等厂商技术已达到国际先进水平。产业链的逐步成熟为中国集成电路行业的发展创新打造了坚实的基础。
巨大的国产替代空间和良性的产业环境下，国产替代趋势明显加速，拥有自主创新技术和核心竞争力的本土集成电路厂商将面临良好的发展前景。
审核编辑：刘清
工商网监
评论