模拟及数模混合芯片行业特点及发展的新趋势面临的机遇挑战

时间: 2024-06-15 09:58:59 |   作者: 党群工作

  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。模拟芯片大多数都用在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。数字芯片大多数都用在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。电源链大多数都用在管理电池与电能,信号链大多数都用在处理信号。电源链最重要的包含DC-DC、线性稳压器、PMIC、LED驱动芯片等;信号链最重要的包含比较器、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,模拟芯片可大致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,一般来说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想要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科技类产品,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。

  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,计算机显示终端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,根据功能能划分为信号链和电源链两大类,根据下游用途又可大致分为通用模拟芯片与专用模拟芯片,不一样的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很好的满足下游客户不相同需求场景,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。

  模拟芯片产品品种类型繁多,功能齐全,大范围的应用于通信、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、医疗设施和工业自动化,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,不同计算机显示终端对于芯片的精度、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,聚焦细致划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有突出贡献的公司;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,大部分上市企业成立于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公司发展的典型方式。

  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,由于模拟芯片生产的基本工艺的多样化,设计人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能借助的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通常要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,因此拥有少数优秀模拟设计工程师的企业将构建强大的技术壁垒。

  由于模拟芯片产品相比来说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、拓展客户的重要方法。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占有率。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、模拟芯片行业的发展趋势

  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。

  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。

  在政策支持、高额投资、工程师红利、国内需求迅速增加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来优化,符合模拟芯片场景专用化的发展的新趋势。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。

  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的提高,对应用终端的外形、体积、航时、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。

  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,因此就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。

  但IDM模式对前期资本投入要求比较高,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。

  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科技类产品;电视、机顶盒、智能扫地机器人、智能锁、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、数字控制机床、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。

  作为现代信息产业的基础和核心,集成电路产业近年来受到了国家的格外的重视,各级政府部门先后出台了一系列鼓励政策以促进行业发展。

  2014年6月,工业与信息化部发布《国家集成电路产业高质量发展推进纲要》,提出“到2020年,集成电路产业与国际领先水平的差距逐步缩小,全行业出售的收益年均增速超过20%,企业可持续发展能力大幅增强”的发展目标。2015年5月,我国发布《中国制造2025》,将集成电路产业列为实现突破发展的重点领域,明白准确地提出要着力提升集成电路设计水平。我国中指出,将推动集成电路产业高质量发展列在实体经济发展的首位。2020年8月,我国发布《新时期促进集成电路产业和软件产业高水平发展的若干政策》,明确集成电路产业在信息产业中的核心地位,并从财税、投融资、研究开发、进出口、知识产权、市场应用等八个方面大力支持集成电路产业高质量发展,逐步优化集成电路产业高质量发展环境。

  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年起已连续七年位列所有进口商品中的第一位,2021年集成电路产品的进出口逆差达到2,788亿美元,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慢慢地提高,国内集成电路产业链逐渐完备。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领先水平。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。

  集成电路设计行业为典型的知识密集型行业,要求设计人员拥有丰富、扎实的专业相关知识。而模拟及数模混合芯片在设计过程中可借助的EDA工具远少于数字芯片,对于设计者的技术能力和设计经验的依赖程度更高。近年来,在高薪资水平、个人发展空间、良好创业环境等因素的吸引下,全球半导体人才逐步向大陆转移;同时国内高校和研究机构持续加大培养力度,国内集成电路从业人员数量持续不断的增加,并积累了一批中高层次的人才。但由于国内集成电路产业市场规模庞大且快速地增长,专业人才的需求缺口仍然较大,尤其在模拟及数模混合芯片领域,设计经验要求高、人才教育培训周期长,高端设计人才更为稀缺,短期内对行业发展构成了较大的挑战。

  模拟及数模混合芯片具有较高的设计门槛,对设计人员的经验要求极高,且具有下游应用领域广泛、客户分散的特点,因此行业内企业要进行长期的研发技术创新,形成丰富的产品系列,并与下游客户建立良好的合作伙伴关系。目前全球模拟及数模混合芯片市场的主要份额被德州仪器、亚德诺等海外龙头厂商占据,国内厂商在公司规模、产品品种类型、工艺等方面任旧存在差距。

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