电子模拟产业国产替代细分赛道带来黄金发展期（1）

时间：2021-08-19 16:38:04

关键字： AC Appli

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[导读] 1、模拟器件：连接现实与虚拟的关键纽带1.1、什么是数字IC，什么是模拟IC？模拟信号是一切信息的源头。我们生活的物理环境以模拟量为特征，即以连续方式变化而非离散的量，如温度，位置，光强度，声波，颜色，纹理等。这些物理量的测量是不受限（例如“开与关”，“小与大”，“黑色”）的...

1、模拟器件：连接现实与虚拟的关键纽带
1.1、什么是数字 IC，什么是模拟 IC？
模拟信号是一切信息的源头。我们生活的物理环境以模拟量为特征，即以连续方式变化而非离散的量，如温度，位置，光强度，声波，颜色，纹理等。这些物理量的测量是不受限（例如“开与关”，“小与大”，“黑色”）的渐变。当我们使用图表直观地表示这些模拟量的值时，曲线将变得平滑（最具代表性的就是正弦曲线）。这些连续变化的模拟量构成了真实世界，通过模拟信号的形式向外界传递信息，用来处理模拟信号的集成电路就是模拟 IC。
数字信号是电子革命的关键。尽管现实世界是由丰富多彩的模拟信号组成，然而经验证明，在电气系统中，二值信号对信息的存储、传输和处理带来了极大的方便及可延展性。所以在现代电子系统中，工程师采用逻辑高电压与逻辑低电压（接地）来表示信号 1 和 0，从而将二进制的数学结构转换到电子系统当中，这就是数字信号。数字信号被广泛的应用与计算、存储等领域，用于处理数字信号的集成电路就是数字 IC。
集成电路 IC 由晶体管（包括二极管和三极管）及其他被动元件组成，通过微缩化将复杂的功能压缩到一个很小的物理区域中，通过集成的手段沟通微观器件与宏观世界，极大的丰富了电子系统的便携性及延展性。模拟电路和数字电路的区别主要体现在电子设备内部，也就是模拟 IC 与数字 IC 之间的晶体管区别上。

在模拟 IC 中，晶体管用于放大或产生连续变化的信号（偏置）。当我们给晶体管偏置时，我们会创建电路条件，使其能够正确响应电压的微小变化。能够连续、准确的反应、放大模拟信号是模拟 IC 的主要关注点。模拟 IC 中的晶体管可以是 BJT（双极结型二极管），也可以是 MOSFET（金属-氧化物场效应晶体管）。
在数字 IC 中，输入信号需要完全打开和关闭晶体管，只需要对外输出逻辑高低两个值。由于需要频繁的开闭，只有 MOSFET 能够满足这样的性能，所以数字 IC 中一般不适用 BJT。通过复杂的 MOSFET 互联，基于布尔逻辑的门电路可以组成复杂的微处理器甚至通用计算处理器单元。
1.2、模拟 IC：数字系统与现实世界间的桥梁
信号在电子系统中经历了从模拟到数字再到模拟的过程，对应的是信息的输入、处理和存储、输出三个环节。其中自然界的信号经由传感器和各类分立器件转变为电信号（模拟）；而信号从输入到处理再到输出的中介，作为桥梁进行沟通的功能则是由各类模拟器件（包括数模混合电路）完成；最后模拟芯片处理转换后的数字信号，经由数字 IC（处理器和存储器等）完成最终的逻辑计算、存储等功能。
在半导体产业中，下游产品可以分为 OSD（包括传感器、分立器件、光电器件等）以及集成电路 IC。数字 IC 主要处理数字信号，而模拟 IC 和传感器等分立器件则处理模拟信号，并与数字信号进行转换。
数字 IC 是半导体产业的核心，模拟 IC 是半导体产业的基石，也是联系真实世界与电子系统的纽带。由于需要处理的信号种类不同，我们可以看到，模拟 IC 在产品生命周期、生产工艺、设计门槛以及相关辅助工具上，都与数字 IC 之间有较大的区别。
产品生命周期长，迭代慢。数字 IC 强调运算速度与成本比，摩尔定律的核心就是设计者们追求更高性价比的运算速率，故新工艺、新算法层出不穷，生命周期只有 1-2 年；模拟 IC 与之相反，强调的是高信噪比、低失真、低功耗及稳定性，所以产品一经推出，往往具备较长久的生命力，迭代周期较长，而价格也会逐年降低。
生产工艺因需求不同而多样化。CMOS 工艺由于发展完备，制程不断缩小成为数字 IC 采用的主流。但模拟 IC 由于往往需要高电压、低失真、高信噪比的需求，CMOS 工艺驱动能力较差，很难满足模拟电路需求。
模拟 IC 早期使用 Bipolar 工艺，但是 Bipolar 工艺功耗大，因此又出现 BiCMOS 工艺，结合了 Bipolar 工艺和 CMOS 工艺两者的优点。另外还有 CD 工艺，将 CMOS 工艺和 DMOS 工艺结合在一起。而 BCD 工艺则是结合了 Bipolar、CMOS、DMOS 三种工艺的优点。在高频领域还有 SiGe 和 GaAS 工艺。这些特殊工艺需要晶圆代工厂的配合，同时也需要设计者加以熟悉，所以一般模拟 IC 厂大部分仍采用 IDM 模式。

与电子元器件关系紧密，设计匹配布局复杂。模拟 IC 的低噪声、低失真需求需要在设计布局中考虑结构和元器件参数彼此的匹配模式，同时在整个线性工作范围内需要具备良好的电流放大、频率功率特性。常见的阻容感元件都会产生失真，而在数字 IC 设计过程中，由于二值特性，则不需要考虑相关影响。在高频范围内，某些射频 IC 的性能还与布线密切相关，所以模拟 IC 的设计者需要熟悉大部分的电子元器件特性，设计门槛较高。
辅助工具少，经验知识要求高。由于模拟 IC 设计需要熟悉大部分的元器件特性及不同的生产制造封装工艺，这使得模拟 IC 从业者准入门槛更高，积累经验时间往往在 10 年以上。模拟 IC 在不同场景下的通用性往往不强。牵涉性能指标更多，稳定性及认证周期更厂，这导致可以借助的 EDA 工具数量更少，对设计者的自身经验要求更高。所以在模拟 IC 行业中，丰富的设计经验（或者也叫 Know-how）更加重要。
1.3、模拟芯片产品种类繁多、应用丰富
结合电子系统示意图表，根据功能的不同（传输弱电信号/强电能量），我们一般可以把模拟器件大致分为信号链和电源链两大类。信号链主要是指用于处理信号的电路，而电源链主要用于管理电池与电能的电路。信号链主要包括比较器、运算放大器 OPA、AD\DA、接口芯片等；电源链主要包括 PMIC、ADC、DAC、PWM、 LDO 稳压器和驱动 IC 等。在高频信号部分，射频器件由于技术迭代快、出货量大等，经常被单独分类讨论。
按照下游产品的应用领域进行划分，我们也可以将模拟 IC 产品分为通用标准产品 SLIC 和专用标准产品 ASSP。
其中 SLIC（Standard Linear IC）应用于不同场景中，设计性能参数不会特定适配于某类应用，按产品类型一般包括五大类，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，电源链路中的稳压器都属于此类。产品细分品类最多，生命周期最长，市场十分稳定。
ASSP（Application Specific Standard Product）则根据专用的应用场景进行标准化设计，一般集成了数字以及模拟 IC，复杂度和集成程度更高，有的时候也叫混合信号 IC。典型的 ASSP 产品包括手机中的射频器件，交换机中物理层的接口芯片，电池管理芯片以及工业功率控制芯片等等。ASSP 一般按照下游应用场景划分为五大类，包括汽车电子、消费电子、计算机、通信以及工业市场，通常由于针对特定场景进行开发，附加价值及毛利率较高。

2、模拟市场：稳定规模下的暗潮汹涌

2.1、全球模拟 IC 市场：规模稳定，21 年开启高增长
复盘过去 15 年的半导体行业各个细分领域市场规模及增速，我们发现模拟 IC 市场规模稳定，不受下游某些市场短期波动的影响，市场波动幅度较小。模拟芯片也是全球半导体产业的晴雨表，与宏观经济变化密切相关，周期性变动相对较弱。

历经从 50 年代开始的不断发展，模拟芯片已成为全球规模近 600 亿美元的产业。根据 WSTS 及 Statista 数据统计及预测，2020 年全球模拟 IC 市场规模达到 557 亿美元，同比 2019 年增长 3.3%，全年半导体产业规模为 4404 亿美元，模拟 IC 市场占比为 12.6%。
随着全球疫情逐渐得到控制，半导体产业也迎来复苏，其中 5G 通信、汽车电子等应用场景将加速推动模拟 IC 市场发展，预计 2021 年模拟芯片市场规模可以达到 640 亿美元，同比增长 15.1%，高于半导体行业整体增速。考虑模拟芯片赛道发展稳定，受下游景气度影响较小的特点，未来将成为半导体行业的细分黄金赛道。

根据 IC Insights 预测，未来五年（20-25 年）整个集成电路行业增速受到下游汽车电子、5G 通信的应用场景的带动作用，销售额复合增速将达到 8.0%，高于半导体行业整体增速；其中模拟、逻辑和存储 IC 市场增速将分别达到 8.2%、 9.1%和 9.9%，是集成电路细分市场中复合增速最快的三个赛道。

模拟 IC 的下游应用场景包括通信、工业控制、汽车电子、消费类和政府军事等用途，其中最大的下游应用是通信类市场，典型产品如基站信号链、射频 IC 等等，2020 年占比份额达到 36.5%。汽车电子近五年（16-20 年）受益于新能源车的下游需求发展，增长最为迅猛，已经成为下游第二大应用场景，市场份额占比达到 24.0%。
中国已成世界最大模拟 IC 市场，自给率仍然偏低，替代空间巨大。根据 IDC 数据统计，2020 年亚洲模拟 IC 市场销售额占比已经接近全球的 70%，其中中国大陆市场占比达到 36%。按照 557 亿美元全球规模测算，中国模拟 IC 市场规模已经达到 200 亿美金。尽管近些年大量人才回流，本土模拟 IC 厂商陆续崛起，部分高端产品领域甚至超过世界先进水平，但是目前国产模拟厂商销售规模只有 25 亿美金左右，自给率仅为 12%，未来尚存较大国产替代空间。

2.2、竞争格局：稳定市场规模下的暗潮汹涌
产品种类繁多，细分市场复杂。按照产品类别进行分类，模拟 IC 市场可以分为信号链及电源链两大类，并且可以进一步划分为通用产品以及专用标准品两大类。依据 Oppenheimer 的统计，2020 年全部模拟 IC 市场中，信号链产品占比约为 47%，电源链产品占比达到 53%。
信号链：专用产品居多，射频 IC 占比最大。在信号链产品中，ASSP 专用品主要由射频 IC 和音视频驱动 IC 构成，针对通信、消费等场景定制化设计开发模组及分立器件，占比达到 30.9%。而在通用产品上，信号链主要则包括通用放大器 OPA、转换芯片 ADC 及 DAC 以及各类接口芯片等。
电源链：通用专用占比近似，整体规模增速快于信号链。在电源链产品中，通用电源管理产品包括各类 LDO 稳压器、DCDC 转换器等，适用于各类电源管理场景的电压转换，占比达到 29%；而专用电源管理芯片则包括电池管理芯片、计算机监控电路和功率、LED 驱动 IC 等等，针对具体场景的高压电路进行特质化设计，规模占比达到 24%。
市场格局分散，TI 领衔“一超多强“格局。德州仪器 TI 作为发明集成电路概念的厂商，2020 年模拟业务收入达到 109 亿美元，在整体市场跌幅较大前提下销售额稳定增长，市占率达到 19%，是当之无愧的模拟芯片龙头厂商。过去 30 年间，TI 维持信号链产品竞争力，大力布局电源管理类产品，各类模拟芯片类别超过 14 万钟，毛利率稳定在 60%以上。不断整合并购带来的广泛产品线，自建 IDM 迅速匹配下游特定场景进行快速设计应用的能力，是德州仪器持续引领模拟行业发展，形成“一超多强”格局的关键。
模拟 IC 市场发展超过 50 年，产品迭代较慢、生命周期长，路径依赖特征不强，需要长期积累经验，且下游应用场景纷繁复杂，难以形成垄断，全球模拟芯片 Top 10 厂商合计市占率一直维持在 55%-60%左右，除部分外围厂商占据特定市场之外，头部厂商格局稳定，在各自擅长的信号链及电源领域和细分市场中，拥有自己擅长的模拟产品。2015 年至今，模拟市场以 TI 为首，ADI 凭借领先的信号链能力紧随其后，英飞凌、ST、Sky、NXP 等公司各自在功率器件、射频产品市场中拥有一席之地，形成稳定的“一超多强”格局。稳定市场格局，并购暗潮汹涌，集中化趋势凸显。
90 年代之前，整个模拟芯片行业以信号链芯片为主，下游应用多为通信及工业类场景，日本的东芝、松下、日立，美国的 TI、国家半导体、摩托罗拉，欧洲的飞利浦、西门子等公司基于各自的技术特点及主要客户需求占领细分市场，行业格局及其分散，头部前十名厂商市场份额基本相同，排名第一的国家半导体仅占据市场 7%的份额。
1996-2000 年，TI 乘电源管理发展东风，转型大力发展模拟芯片业务，陆续收购 Silicon Systems、Unitrode、Power Trends 以及 Burr-Brown，2005 年市场份额跃居第一；到了 2011 年，TI 为了进一步扩大其在模拟领域中的地位，又斥资 65 亿美元收购 1995 年排名第三美国国家半导体（National），此番收购后， TI 在通用模拟器件的市场份额达到 17%，大大超越后面的竞争对手，奠定了如今他们在模拟芯片市场中不可撼动的地位。
2005-2015 十年间，市场格局相对比较稳定，头部前十厂商由 TI 独领风骚，但并购传言四起，格局暗流涌动。2015 年，ADI 收购排名第七的 Linear 公司，一举超越英飞凌成为仅次于 TI 的第二大模拟厂商，市占率达到 6%，并凭借累计的信号链技术能力对 TI 的统治发起冲击；2020 年，ADI 再次斥资 210 亿美元收购排名第七的美信，弥补电源链芯片方面技术能力的不足，市占率突破 10%。
除此外，2015-2021 年期间，其他头部厂商同样通过并购继续扩张在模拟各个下游领域的影响力。英飞凌以 90 亿美元收购赛普拉斯，拓展汽车芯片产品类别；瑞萨电子陆续收购了 intersill、IDT 以及 Dialog，不断拓展混合信号、功率半导体以及传感器处理 IC 等产品市场，打入通信、汽车、工业等新领域。
即使前十大厂商之间的并购比较罕见，TI 及 ADI 的领先地位稳固，然而模拟市场天生重经验，轻路径依赖，人才至上的特点决定了其并购发展的重要性，头部厂商借助规模及利润优势，凭借收购不断拓展产品和技术边界，抢占新兴下游专用市场。2019 年，前十大厂商份额合计首次突破 60%，达到 67%，而随着疫情的进一步影响，模拟市场非头部公司处境较差，20 年下半年开始的晶圆产能缺货问题又将进一步压缩没有 IDM 厂房的模拟厂商份额，预计未来整体模拟市场格局将进一步集中化，头部厂商不断收购整合其他厂商剥离的模拟类业务，快速发展壮大。（未完待续）

END
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