10.22 模擬芯片產業

眾所周知，集成電路可分為數字電路和模擬電路。

模擬芯片與數字芯片的區別

我們的一切感知，例如圖像、聲音、觸感、溫度、溼度等都可以歸結到模擬世界。因此，參與這些信息處理的芯片就是模擬芯片；另外，那些我們無法感知，但客觀存在的模擬信號處理芯片，比如微波，電信號處理芯片等，也屬於模擬範疇。

從應用來看，信號鏈路和電源管理是模擬IC的兩大主要應用，市場佔比高達60％，

其中信號鏈路；主要包括比較器放大器、AD／DA、接口芯片等元器件；

電源管理主要包括；PMIC、AC／DC、DC／DC、PWM、LDO和驅動器IC等元器件。

和模擬芯片相對的就是數字芯片，

包括微元件（CPU、GPU、MCU、DSP等），存儲器（DRAM、NANDFlash、NORFlash）和邏輯IC（手機基帶、以太網芯片等）。

從製造技術層面來看，數字芯片

主要採用CMOS工藝，沿著摩爾定律一直向前演進，強調的是算力提升和成本下降，現在已經7nm產線已經量產，5nm、3nm已經排上日程；

數字電路設計一般是大團隊作戰，追逐摩爾定律，研發週期較短，生命週期較短；

模擬芯片

不受制於摩爾定律和高端製程，部分採用CMOS工藝，還有很多采用BCD、CDMOS工藝，產品強調的是高信噪比、低失真、低耗電、高可靠性和穩定性，製程的縮小反而可能導致模擬電路性能的降低，主要在 4、6、8英寸晶圓產線上生產，目前僅有德州儀器、英飛凌等極少數模擬企業擁有 12 寸晶圓產線。

模擬電路設計一般是小團隊作戰，研發週期較長，生命週期也長，有不少模擬器件生命週期長達10年以上。

在設計應用方面，模擬電路和數字電路差異巨大。

數字電路的設計核心在於邏輯設計，輔助設計工具（EDA）豐富，可通過軟件進行調試；

模擬電路的設計核心在於電路設計，需要根據實際產品參數進行調整與妥協，輔助工具較少。因此，模擬電路設計更依賴於人工設計，對工程師的經驗要求也更高，優秀的模擬設計師需要 10 年甚至更長時間的經驗。

相對數字芯片，模擬芯片產業主流模式仍然是IDM，

且研發更重視經驗積累、研發週期長、產品種類多，因此模擬產品和技術很難被複制與替代，市場競爭格局較為集中，強者愈強、大者恆大的規律較為突出，從而造成TI、ADI、英飛凌、ST、NXP、美信、安森美等公司長期佔據全球Top 10榜單。

IDM模式指從設計、製造、封裝測試到銷售自有品牌IC都一手包辦的半導體垂直整合型公司。

模擬芯片的具體分類與未來的市場空間

2017~2022年，模擬芯片市場在複合年增率（CAGR）將達到6.6%，優於整體IC市場的5.1%。

2017年全球模擬芯片市場的規模為545億美元，約佔集成電路市場規模的15% 左右，預估到2022年時，市場規模將達到748億美元。

中為數據顯示，光是中國模擬電路的芯片市場規模，到2020年將達到2500億人民幣，佔全球市場規模的44.8%。，

信號鏈路和電源管理是模擬IC的兩大主要應用，市場佔比高達60％，

電源 管理芯片

其中，由於基本上電子系統均需供電，因此電源 管理芯片佔模擬IC整體比例較高，2017年約佔53%（標準power IC和模擬ASSP用途 的power IC），市場規模約為281.4億美元。

電源管理用途在家電、工業用途相對較 為成熟，技術更新迭代較慢，技術壁壘相對較低，國內佈局廠商較多，包括聖邦股 份、矽力傑、韋爾股份、富滿電子、中穎電子等。

信號鏈路芯片

信號鏈路芯片可細分為非power IC的模擬ASSP、放大器、比較器、數據轉換芯 片等，2017年佔比47%，

技術壁壘高，跟新迭代快，國內佈局廠商較少，以華為海思、聖邦股份為主。

模擬電路細分發展，製造進化，以及行業趨勢

賽道分散：國產突破機會

模擬IC份額相對分散，細分賽道仍存突破機會。

與其他半導體板塊不同，模擬品類繁多，僅德州儀器一家企業，目前在售產品就達上萬款，下游應用的多元化導致細分賽道極多。相較於存儲器、CPU等數字IC產業，模擬IC市場集中度較低，前三市佔率僅為30%左右，

且不同領域企業優勢差異較大，如龍頭德州儀器在放大器市場份額第一，但在轉換器市場不如模擬器件公司，而在功率相關芯片市場，歐洲企業英飛凌優勢較大。整體來看，不存在單一企業在所有模擬IC細分市場佔優的情況，細分賽道仍存在大量國產突破機會。

模擬IC按技術類型可以分為只處理模擬信號的線性IC和同時處理模擬與數字信號的混合IC；從產品上來看一般分為通用模擬IC和專業模擬IC，通用模擬IC包括數據轉換器、比較器、放大器、穩壓器和接口，

專業模擬IC用於執行特定功能，可以由多種通用IC集成，也可以單獨設計，例如射頻（RF）收發器、顯示驅動器、觸摸傳感器、汽車傳動控制器等等。

常用模擬IC包括：電源管理IC（PMIC）、運算放大器（OPA）、比較器（Comparator）、數據轉換器（ADC、DAC）、功率放大器（PA）、模擬濾波器（Filter）、模擬開關（Switch）等，我們將對幾種主要品類進行介紹。

電源管理IC：

電源管理IC是在電子設備系統中擔負起對電能的變換、分配、檢測及其他電能管理的職責的芯片。電源管理IC將傳統的若干電源管理分立器件集成在單個封裝之中，可以實現更高的電源轉換效率、更低的功耗以及更小的空間。電源管理IC的範疇很廣，既包括單獨電能變換的芯片（DC/DC），也包括單獨電能分配的檢測的芯片，還包括電能轉換和電能分配結合的芯片。常見的電源管理IC通常包括 DC/DC、LDO（低壓差線形穩壓器）、電池充放電管理、PWM控制器、PFC（功率因數校正）等。電源管理IC是應用最廣泛的模擬IC，傳統的消費電子、工業控制、通信設備以及新興的電動汽車、物聯網設備都離不開電源管理IC。

數據轉換器

數據轉換器包括模數轉換器（ADC）和數模準換器（DAC），模數轉換器（ADC）可以將模擬信號轉換成數字信號，而數模轉換器（DAC）用於將數字信號轉換成模擬信號。

2）模數轉換器（ADC）

ADC已經發展30年以上，廣泛應用於工業、通信、醫療等領域。ADC主要有5種類型：FLASH ADC（並行ADC）、SAR ADC（逐次迭代ADC)、PIPELINE ADC（流水線型ADC）、SIGMA DELTA ADC（∑ADC）、DUAL SLOPE ADC(積分型ADC)。ADC技術壁壘極高，全球來看ADI技術實力最強，國內還沒有廠商能夠提供性能和產能達標的產品，∑ADC相對更容易突破。

2）數模轉換器（DAC）

DAC是一種將二進制數字量形式的離散信號轉換成以標準量（或參考量）為基準的模擬量的轉換器。有的ADC需要DAC作為內部的反饋電路，因此ADC一般會用到DAC。DAC按輸出形式可分為電壓型和電流型。按結構可分為帶有數據鎖存器和無數據鎖存器兩類。DAC主要性能參數包括：分辨率、轉換精度、轉換速度、失調和增益誤差、積分線性誤差、微分線性誤差、抖動能量等。

功率放大器（PA）

功率放大器用於放大電壓、電流、功率等信號，作為一種通用模擬IC，其廣泛應用於音頻設備、通信基站、衛星通信、移動設備等領域。功率放大器可以分為線性功率放大器和開關型功率放大器，線性放大器有較高的增益和線性度，但是效率不高。而開關型功率放大器具有很高的效率和功率但是線性度很差。根據電流的導通角的不同，線性功率放大器還可以細分為A類、AB類、B類、C類，開關型功率放大器可以分為D類、E類、F類。A類功放適合小信號高功率放大，B類和C類適合大功率放大，其中射頻功率放大器多用C類功放。

其他模擬IC

驅動IC、模擬開關、模擬濾波器等也是常用的模擬IC。驅動IC廣泛用於各種電子產品或電控設備的驅動， 而濾波器、模擬開關等有也是各種電路的重要組成，是實現複雜功能必不可少的集成電路單元。

產業機遇：模擬需求結構匹配硅含量提升核心應用

超越摩爾：後摩爾時代模擬IC的發展路徑

摩爾定律遇阻，集成電路發展分化。現在集成電路的發展主要有兩個反向：More Moore （深度摩爾）和More than Moore （超越摩爾）。摩爾定律是指集成電路大概18個月的時間裡，在同樣的面積上，晶體管數量會增加一倍，但是價格下降一半。但是在28nm時遇到了阻礙，其晶體管數量雖然增加一倍，但是價格沒有下降一半。More Moore （深度摩爾）是指繼續提升製程節點技術，進入後摩爾時期。與此同時，More than Moore （超越摩爾）被人們提出，此方案以實現更多應用為導向，專注於在單片IC上加入越來越多的功能。

模擬IC更適合在More than Moore （超越摩爾）道路。先進製程與高集成度可以使數字IC具有更好的性能和更低的成本，但是這不適用於模擬IC。射頻電路等模擬電路往往需要使用大尺寸電感，先進製程的集成度影響並不大，同時還會使得成本升高；先進製程往往用於低功耗環境，但是射頻、電源等模擬IC會用於高頻、高功耗領域，先進製程對性能甚至有負面影響；低電源和電壓下模擬電路的線性度也難以保證。PA最好的技術是GaAs，而開關最好的技術是SOI，More than Moore （超越摩爾）可以實現使用不同技術和工藝的組合，為模擬IC的進一步發展提供了道路。

第三代半導體適應更多應用場景。硅基半導體具有耐高溫、抗輻射性能好、製作方便、穩定性好。可靠度高等特點，使得99%以上集成電路都是以硅為材料製作的。但是硅基半導體不適合在高頻、高功率領域使用。2G、3G 和 4G等時代PA最好的材料是 GaAs，但是進入5G時代以後，最好的材料是GaN。5G的頻率較高，其跳躍式的反射特性使其傳輸距離較短。由於毫米波對於功率的要求非常高，而GaN具有體積小功率大的特性，是目前最適合5G時代的PA材料。SiC和GaN等第三代半導體將更能適應未來的應用需求。

模擬IC關注電壓電流控制、失真率、功耗、可靠性和穩定性，設計者需要考慮各種元器件對模擬電路性能的影響，設計難度較高。數字電路追求運算速度與成本，多采用CMOS工藝，多年來一直沿著摩爾定律發展，不斷採用地更高效率的算法來處理數字信號，或者利用新工藝提高集成度降低成本。而過高的工藝節點技術往往不利於實現模擬IC實現低失真和高信噪比或者輸出高電壓或者大電流來驅動其他元件的要求，因此模擬IC對節點演進需求相對較低遠大於數字IC。模擬芯片的生命週期也較長，一般長達10年及以上，如仙童公司在1968年推出的運放μA741賣了近五十年還有客戶在用。

目前數字IC多采用CMOS工藝，而模擬IC採用的工藝種類較多，不受摩爾定律束縛。模擬IC的製造工藝有Bipolar工藝、CMOS工藝和BiCMOS工藝。在高頻領域，SiGe工藝、GaAs工藝和SOI工藝還可以與Bipolar和BiCMOS工藝結合，實現更優異的性能。而在功率領域，SOI工藝和BCD（BiCMOS基礎上集成DMOS等功率器件）工藝也有更好的表現。模擬IC應用廣泛，使用環節也各不相同，因此製造工藝也會相應變化。

模擬IC將進入高速成長期

半導體市場規模增速放緩，與出貨量增速同步。全球四家主要半導體調研機構數據顯示，全行業經歷2017年超20%的高增長後，2018年增速將回落至7.5%~9.5%區間內，基本與出貨量增速平齊，行業從由價格驅動的景氣週期，迴歸至滲透率提升帶來的穩定增長。整體來看，預計2018年，全球半導體市場規模將達到約4500億美元，出貨量將達超過1萬億顆。

模擬IC結構與下一輪硅含量提升核心應用契合，預計未來五年細分增速最高。英飛凌數據顯示全球半導體市場下游應用中，未來五年複合增長率最高的是汽車與工業，另外，通信市場由於現存技術過大，預期複合增速較低，而實際絕對增量不小。模擬IC市場結構中，汽車、工業、通信佔比最高，與汽車電氣化、工業自動化、5G等應用高度契合，IC Insights預計，未來五年集成電路細分行業中，模擬電路複合增速最高，5年CAGR可達6.6%。

物聯網：終端數量快速增長

IoT推動第三次信息革命,個人設備數快速增長。第一次現代信息處理革命在50年代末，人類開始進入大型計算機時代。1948年，IBM開發製造了基於電子管的計算機SSEC，隨後IBM陸續推出多款大型計算機。在大型計算機時代，普通個人並沒有可用的計算機電子設備；80年代開始進入第二次信息技術革命，PC設備開始帶動電子設備增長，同時筆記本電腦，智能手機，平板電腦等設備開始逐步豐富人們的生活；隨著技術的進步和消費者需求的增長，IoT和5G技術帶來了第三次信息設備革命，每個人都將擁有數款聯網設備，包括電腦、智能手機、可穿戴設備、無人機，甚至汽車等等。個人設備的倍數增長將推動模擬市場持續增長。

物聯網本質是互聯。根據國際電信聯盟( ITU)的定義，物聯網是指通過二維碼識讀設備、射頻識別(RFID) 裝置、紅外感應器、全球定位系統和激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。物聯網其本質仍然是互聯網，不過終端不僅僅是互聯網時代的PC、服務器、手機等等，還包括各種嵌入式計算機系統和配套的傳感器，最終人與人、人與設備、設備與設備之間的信息交換，實現萬物互聯。

下游想象空間巨大，智慧城市先行。物聯網技術可以用於工業、汽車、城市建築、傢俱等多個方面，既可以改變人們的生活方式，也能改變生產方式。智能電錶可以使電錶數據採集更方便準確，共享單車改變了人們短距離的出行習慣，智能停車系統使得城市泊車更簡便快捷。物聯網技術的發展，可以賦予各種設備自動傳輸數據和處理數據的能力，未來的自動化將更為徹底，未來想象空間巨大。現在大多數物聯網項目都集中在智慧城市、工業互聯和建築互聯上，其中智慧城市項目佔比為23%，超過其餘子領域。

多樣化應用場景驅動多種連接技術共存。實現互聯的關鍵是連接技術，但是由於下游應用場景繁多，無法僅利用一個技術或者一個網絡來提供所有的服務。例如，身份識別設備只需要每秒幾Kbps的數據使用需求，並且對低功耗要求較高。而視頻監控設備對數據的需求量卻達到每秒Mbps，對功耗敏感度比較低。考慮到不同應用場景對功耗、傳輸距離、傳輸速度等方面的需求不同，物聯網時代需要不同的物聯網連接技術。常用的物聯網連接芯片有藍牙、Wi-Fi、NB-IoT、LoRa、ZigBee、NFC/RCC、PLC、GNSS、SigFox等十餘種，隨著下游應用的不斷開發，需要的芯片種類會越來越多，而數量也會相當巨大。

IoT裝機數超百億，推動IoT半導體市場快速增長。物聯網現在還處於導入階段，未來還會有高速增長。根據Gartner數據，2015年全球物聯網裝機量為45.8億個，預計2020年可達197.8億個，增長三倍以上。大量的IoT設備也成為物聯網半導體市場增長的驅動因素，根據IC Insight數據，2020年物聯網半導體市場規模可達到311億美元，2015-2020年複合增速達14.9%。

工業：自動化需求下，機器人滲透率快速提高

工廠自動化是最大驅動力，工業機器人高速增長。工業應用一般包括包括工業自動化、電機驅動、照明設備、大樓自動化、測試和測量、電力和能源、工業運輸和醫療電子等方面。根據WSTS數據，2017年工業模擬IC市場規模為135億美元左右，2012~2017年複合增速高達11%。根據WSTS數據，2017年全球工業自動化應用的工業模擬IC實現收入36億美元，佔工業模擬IC總市場的26.7%，也是最大的細分領域。工業4.0持續深入，工業機器人出貨量不斷上升，根據IFR數據，2017年全球工業機器人出貨量達38.7萬臺，同比增長32%。IFR早期預測2017~2022年複合增長率高達15%，由此預計2022年工業機器人年出貨量高達77.8萬臺，市場增量提高了一倍。

中國機器人仍會有大幅增長機會，市場值得期待。中國2013年便成為全球工業機器人最大市場，截至2016年累計工業機器人安裝量34.9萬臺。但是中國製造業機器人密度不高，2015年中國的機器人密度僅有49臺/萬人，而全球平均值為69臺/萬人，而發達國家普遍已經超過200臺/萬人。對比日本的工業機器人滲透率變化情況，中國在未來20年期機器人滲透率很可能會提升一倍以上，對於已經是全球第一大市場的中國來講，這將是對整個行業的一個巨大的市場貢獻。

智慧工廠不斷演進，IO-link需求增強。工業機器人對傳感器和需求越來越大。2017年工業控制器出貨量為1400萬，工業傳感器出貨量為9100萬，工業機器人為35萬，其5年複合增長率均不低於15%。在工業4.0的發展下，IO-link變得越來越具有優勢，IO-link通信標準可以使得控制器與傳感器之間的傳輸更加透明，可以大大提高工廠的銷量，降低機器的成本。大量的工業電子設備的應用帶動了對帶IO-Link接口主站的需求，2010年需要IO-Link接口主站僅20萬臺，而這一數字在2017年變為810萬，7年時間增長了40倍以上。

在完整的工業控制系統中，往往有多種傳感器和電控單元和電源設備，系因此也會用到大量的模擬IC。在一般的工業控制系統中，通常會包括實時記錄功能（RTC）、數碼控制分壓計（DCPs）以及混合信號模擬序列串解器（SERDES）來實現控制功能，同時還需要數據轉換器、放大器、數據選擇器（MUX）、電源管理IC等多種模擬IC，工廠自動化對模擬IC的驅動是多方面的。

汽車：電氣化、智能化驅動單車硅價值量提升

汽車IC快速增長，成半導體增長亮點。根據IC Insights數據，預計2018年汽車IC增速可達18.5%，規模可達323億美元。到 2021 年，汽車 IC 市場將會增長到 436 億美元，2017 年到 2021 年之間的複合增長率為 12.5%，為複合增長率最高的細分市場模塊，也是未來的主要驅動力之一。

汽車模擬IC增長強勁，實現對智能手機的超越。智能手機的爆發性增長曾經是帶動半導體市場增長的主要驅動力，如今汽車成為下一位選手。根據HIS數據，從體量上看，2015年汽車模擬IC市場將已經超過的智能手機市場，預計2018年汽車模擬IC市場規模可達102億美元。與此同時，由於汽車市場增速高於其他子行業，其模擬IC銷售佔比也逐年增加。

環保節能需求推動汽車電氣化，新能源汽車快速增長。由於各國政府對能源和環境問題高度重視，紛紛提出禁售燃油車計劃，汽車電氣化幾乎是必然趨勢。Katusa Research數據顯示，中國，美國和德國將成為電動汽車的主要推廣者，致使2040年電動汽車年均銷售量可達6千萬量。新能源汽車能夠有效降低燃油消耗量，而新能源汽車需要用到大量的電源類IC（比如升降電壓用的DC/DC），模擬IC行業可從中受益。

汽車電氣化程度逐步加深，硅價值量持續增長。各車企紛紛推出新能源車，以實現汽車電動化的軟替代，常見的新能源汽車包括混合動力汽車、插電式混合動力汽車、增程式電動汽車、純電動汽車。隨著電氣化程度的提升，汽車半導體價值量也水漲船高。2018年中度混合動力汽車、插電式混合動力汽車和純電動汽車單車半導體價值量分別達475、740和750美元，根據Strategy Analytics預測，2025年度混合動力汽車、插電式混合動力汽車和純電動汽車銷量分別可達到0.17億、0.13億、0.08億，合計半導體市場規模可達237億美元。

汽車處於安全性考慮，需要包含各個子系統的穩壓、靜電保護、信號隔絕等需求，同時還需要眾多與電力系統配套的模擬IC產品，包括充電器、電池管理、逆變器、次逆變器、DC/DC以及各種接口等。因此汽車電動化給模擬IC帶來了更廣闊的市場空間。

智能化與網聯化加持，汽車半導體產品倍增。汽車智能化是汽車發展的另一個主要方向。無論是來勢洶洶的新造車集團還是傳統汽車集團，都在不遺餘力的發展自動駕駛技術。根據Strategy Analytic和HIS數據，汽車上雷達等各種傳感器和數字與模擬處理芯片成倍增加，預計2030年單車自動駕駛相關半導體價值高達970美元以上，而2025年自動駕駛提供的半導體市場規模高達67億美元。

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