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什么是数字 IC,什么是模拟 IC?
文章作者:admin 上传时间:2021/8/12 10:23:30

  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。

  3、 信号链:各类信号的采集、传输与转换

  3.1、 信号链:系统中信号从输入到输出的路径

  广义定义上,一条完整的信号链(Signal Chain),指的是信号从输入到输 出的路径。在输入端,自然界中存在的声、光、电磁波等连续的模拟信号,经过 传感器的采集和前端器件的转换形成连续电信号进入电子系统,再通过各类模拟 芯片的处理转换为以 0 和 1 表示的数字信号,进入逻辑和存储 IC 中,通过应用 软件进行各种运算处理;在输出端,数字处理结果经由模拟芯片进行放大,转换 为模拟信号在自然界中传输,或者经由驱动电路和电源器件对外做功。

  在模拟芯片领域,我们往往将讨论范围缩小至电子系统,信号链模拟芯片不 包括声光电传感器(分立器件范畴)和对外输出的驱动电路(电源 IC 范畴),一 般是指拥有对模拟信号进行收发、转换、放大、过滤等处理能力的集成电路。在 信号的测量及保护电路部分,常见的模拟 IC 包括线性放大器 Amp 和多路复用器 Mux(也可以叫开关);在信号采集和处理部分,连续信号经过转换器 ADC 成为 数字信号,进入微处理器 DSP 进行处理;输出的数字信号通过合成、DAC 转换, 进入到驱动电路中对外做功或传输。

  模拟 IC 根据其功能可以分为信号链产品和电源链产品,根据 IC Insight 的数 据,2019 年信号链产品在整个模拟 IC 行业中占比为 47%,主要包括线性产品、 信号转换器、接口芯片等产品。

  根据 IC Insight 的预测,全球信号链市场规模从 2020 年开始复苏,2020-2023 年的年均复合增长率约为 6%,低于整个模拟行业 8%的复合增速。但是由于信号 链产品在模拟 IC 中不可替代的作用,下游应用工业、汽车、通信等行业的需求将继续上升,ADI 和 TI 等头部厂商继续加码研发,该领域在未来依旧是各大厂商重 要发展基点。

  两极格局,ADI 和 TI 领跑信号链产品,二者在各细分领域市场份额之和超 50%。自 2000 年后,ADI 通过一系列并购不断提高其在信号链产品的资源整合能 力,目前 ADI 在线性产品和数据转换芯片已位于行业第一。近年来 TI 在电源管理 芯片领域不断加码,信号链产品在总营收中占比逐渐下降,目前 TI 在接口芯片占 据半壁江山。因此,信号链产品将在相当长时间内呈现两极竞争格局。

  3.2、 线性产品 Linear Products:信号链传输的基础

  线性产品基于运算放大器 OPA 开发,是整个模拟电路的基础,由于运算 放大器的输入输出信号一般呈现线性关系,故采用“线性”一词命名。线性 的应用非常广泛,可用于信号的放大、比较、差分等运算关系,构成了模拟 电路的基础。常见的线性产品包括信号放大器、比较器、差分放大器、运算 放大器及各类音、视频放大器、有源滤波器等等。

  运算放大器 Operation Amplifier:一种可以进行数学运算的放大 电路,由三极管构成,不仅可以放大信号,同时也可以进行加减乘 除以及微积分等数学运算,是典型的信号链通用标准产品,应用领 域广泛,便于集成使用。

  差分放大器 Differencial Amplifier:差分放大器将两个输入端电压 信号以固定增益放大,一般具有共模抑制作用,具有出色的输出增 益和相位匹配功能,一般用于信号传输或者 ADC 驱动等场景。

  比较器 Comparator:对两个或多个信号进行比较,确定大小关系 并排列顺序的电路叫比较器。比较器比较输入信号的电压高低,输 出 0/1 的数字信号,一般应用于特定的通信或消费类便携终端中。

  视频、音频放大器:适用于各类电子设备中对处理视频、音频信号 有较高要求的应用场景。一般为运算放大器和各类无源器件的组合, 是复杂的专用产品,具有滤波、抗干扰的功能,能够快速清晰的提 升信号强度,去除噪声。

  有源滤波器:与无源型不同,有源滤波器利用三极管的截止功能进 行设计,根据响应频段的不同可以分类低通、高通及带通等等,一 般应用于各类通信场景的射频电路中。

  线性产品是信号链模拟集成电路产品的代表性器件,其重要产品放 大器和比较器则是 2019 年信号链芯片中市场规模占比最高的品类, 2020 年销售额在 30.96 亿美元,占信号链模拟芯片市场规模的 39%。放大器及比较器属于通用产品,行业空间稳定,根据 Statista 预测,2027 年市场规模有望达到 43 亿美元,2020-2027 年复合增速为 4.8%。

  线性产品市场由亚德诺和德州仪器二分天下。以在信号链模拟芯片 市场规模中占比最高的放大器和比较器为例,根据 Databeans 的最新报 告,2019 年亚德诺和德州仪器在放大器和比较器领域的全球销售收入分 别为 10.94 亿美元、9.08 亿美元,营收超过其他所有厂商之和。由于信 号链技术壁垒相对较高,目前全球市场份额排名前十的厂商均来自欧日 美,中国企业布局相对较少,仅有思瑞浦表现较突出,位居全球销售第 12 名和亚洲区销售第 9 名。

  3.3、 信号转换器 Converter:模拟与数字信号的桥梁

  信号转换器是连接模拟与数字信号的桥梁。转换器芯片以模数转换器 ADC 及数模转换器 DAC 为基础,在之上延伸出各类场景的专用标准芯片,例 如电压频率变换器、音频转换器和触摸屏控制器等等。信号转换器是将模拟 (连续)信号与数字(离散)信号进行转换的关键,是混合信号系统中必备 的器件,广泛使用在工业、通信(射频)、汽车、医疗等领域。在使用中,一般行业内也会根据其数据转换精度和采样速率分类,称之为高/低精度、高 /低速转换器。

  模数转换器 ADC:负责以连续的时间间隔测量信号电压以获取连续 的模拟信号并将其转换成数字信号的器件。通过 ADC 将多数无法被 数字系统识别与处理的模拟信号转换成数字信号,可以提高信号分 析能力,实现更优质的存储方式和更精确的传输。一般适用于数字 传感器芯片、传统封装片、集成电路、SOC 芯片等各类涉及数字处 理的应用场景。

  数模转换器 DAC:负责将数字信号转换成模拟信号的器件,主要特 性指标包括分辨率、转换速度、转换误差等,模数转换器中一般都 要用到数模转换器,广泛应用于各种数字系统中。

  电压频率变换器:是将频率输入信号转换为与其对应的模拟电压幅 值输出信号的器件,适合模数转换、长期积分、线性频率调制和解 调以及频率电压转换应用,一般适用于仪器仪表、工业和自动化等 领域。

  音频转换器:包括将数字音频编码转换为模拟音频声音的音频数模 转换器和与之相反的音频模数转换器,一般应用于汽车音响、家庭 影院、消费类音频设备和个人计算机(PC)等领域。

  触摸屏控制器:指可触控式的屏幕器件,由触摸时的检测部件和触 摸屏里的控制部件组成,分为采用电阻技术、表面声波技术和电容 技术三类触摸屏,广泛应用于消费电子产品、汽车、其他产品的人 机接口应用等领域。

  根据 Statista 统计,2020 年 ADC/DAC 市场规模约为 36.72 亿美元,预 计到 2021 年,全球数据转换器市场规模可达 38.49 亿美元。未来在 5G、人 工智能、物联网、汽车电子等新兴应用的驱动下,相关产品或技术对 ADC/DAC 芯片的需求得到强有力支撑,OPCO 预测数据转换器市场未来将保持约 3% 的年复合增长率,市场前景比较乐观。

  全球数据转换器市场被美企巨头垄断,国产芯片企业市场份额少。全球 ADC /DAC 市场主要被以美国公司 TI、ADI 为首的几家跨国大企业所垄断, 价格高,供货周期长。其中,ADI 是数据转换器龙头,2018 年市占率约为 38%, 长期领先于竞争对手,同年 TI 占比约为 21%,CIRRUS 占 16%,QUALCOMM 占 6%, MAXIM 占 8%,MICROCHIP 占 2%,国内厂商份额占比较低。

  国产 ADC/DAC 芯片发展仍面临多重困境。目前国内做 ADC/DAC 的主要 力量有国家骨干研究所、高校科研团队、海归创业团队等,应用主要面向军 工、航空航天、相阵控雷达设备等领域,虽然在高精度 ADC 自研芯片等领域取得了一定的成就,但国产 ADC/DAC 芯片仍然面临研发周期长、试错成本高、 资金需求大、国内模拟集成电路教育水平较低的重重困境。

  国产替代浪潮渐起,本土数据转换器企业迎来良好历史机遇。早期国内 的设备厂家出于性能、质量等多方面的考虑,只选用以 TI 和 ADI 为主的国 外知名厂家的 ADC/DAC 产品。自华为事件及中美贸易摩擦以后,国内的设 备厂家逐渐开始采购国产芯片,以思瑞浦、矽力杰为首的本土企业在 ADC/DAC 国产替代方面潜力巨大。

  3.4、 接口芯片 Interface:不同电路间的沟通桥梁

  接口芯片是接口电路中的重要组成部分,在信号链中充当“信使”的功 能。接口电路是连接两个硬件设备的电路,是信号链中连接不同电路设备的 重要桥梁,在模拟 IC 中应用比较广泛,因而接口芯片也被大量应用在模拟电 路中。根据应用场景的延伸,我们按功能可把接口芯片分为电路保护、隔离、 电平转换器、多路复用器等等。

  电路保护:在功率密度增大、器件小型化、保护要求及时准确精细、 防范等级提高等一系列综合要求下,此类产品被广泛应用于集成电 路中,充当电路中电压、电流等指标的“安全阀“,是针对 ESD、 浪涌、过压、过流和 EMI 的电路保护。

  隔离器 ISO:电路中的隔离器是利用电隔离将低压域系统和高压域 系统两端在物理层隔开,虽然电流无法直接通过,但信号和能量仍 可由其它方式传递,目前比较常用的隔离技术为数字隔离。根据目 的,我们可以把隔离分为安全隔离(保障人员及设备安全)和功能 隔离(提高电路的抗干扰能力)。

  电平转换器:是一个电压转换装置,主要作用是将输入信号从一个 电压域切换到另一个电压域,用于解决不同电源域提供的不同器件 之间的不兼容问题,产品类型包括通用、自动双向和单向电平转换 器。

  多路复用器 MUX:是一种能接收多个输入信号,并按每个输入信号 可恢复方式合成单个输出信号的信号链产品,它能以各种方式显著 影响信号链的性能。例如,导通电容可能导致通道之间的串扰、导 通电阻的信号和温度的相关变化可能导致信号失真、多路复用器的 电容和电阻一起可限制信号带宽。因此,多路复用器在信号链整体 性能的改善上有着重要作用。

  接口芯片是连接集成电路中不同器件的关键设备,是模拟芯片市场 中份额占比较小的产品,通用类接口芯片市场份额占比约为 3.8%。根据 IC Insights 的预测,预计 2020 年其市场规模为 23.82 亿美元。随着未 来电子元器件模组化能力的提高,接口芯片的使用率将进一步下降。接 口芯片的市场规模增速相比其它模拟产品更为缓慢,在未来的市场占比 将继续下降。

  TI 领跑混合信号赛道,接口芯片优势强大。TI 是老牌模拟巨头,常 年在该行业处于领先位置,产品丰富度和研发能力均为行业第一,根据 Gartner 的数据,2018 年德州仪器占有约 46%的市场份额。ADI 近年来 通过并购 Maxim 和凌特使得其在接口芯片领域的实力跃居第二,产品种 类丰富度不断提高。除了 TI 和 ADI,安美森、恩智浦等半导体厂商也在 该领域有产品布局。

  4、 电源链:效率需求催生的庞大产业链

  4.1、 电源链:能量分配与控制中枢,模拟芯片兵家必争之地

  随着集成电路工艺的发展,摩尔定律下晶体管尺寸逐渐缩减,同样面积的芯 片上承载的晶体管数量快速增长,这在使得芯片性能增加的同时,所需的巨大功 耗也逐渐成为了电子设备所不得不考虑的问题。由于电池能量密度的提升需要材 料学与化学的重大突破,而芯片低功耗的研究也逐渐趋于饱和,能耗比发展接近 瓶颈。纵观整个电子系统,当电池和负载都很难再有突破时,电源链芯片的重要 性日益凸显。

  电源链芯片是管理电子设备能量供应的心脏,功能电子设备电源的管理、监 控以及分配使用等。只要涉及到电子设备能量使用场景,就存在电源链芯片的应 用空间。不同于信号链产品是信息进行传递的途径,电源链产品应用在电压、电 流较高的高功率电路中,用来进行能量的传递和对外做功,其性能优劣和可靠性 对电子设备的性能和可靠性有着直接影响,一旦失效将直接导致电子设备停止工 作甚至损毁,是电子设备中的关键器件。电源链产品需要满足高稳定性、低功耗 的要求,同时依据下游场景需求定制化开发,产品种类繁多。

  所有电子设备都有电源,但是对电源的要求往往各异,为了发挥电子系统的 性能,匹配的电源管理方案就变得愈发重要。按照产品功能进行分类,我们可以 将电源链产品分为电源管理芯片 PMIC 以及驱动芯片 Driver 两大类;其中电源管 理芯片包括稳压器(低压非隔离)Regulator、控制器&转换器 Controller(高压 隔离电源)、调制芯片(PWM、PFC 等)以及各类电池管理 IC、电路监控器等;驱动芯片用于分配使用电能,使其驱动各类设备对外做功,包括 LED 驱动芯片、 栅极驱动芯片、电机驱动器、功率开关及 GaN 驱动芯片等。由于电源管理 IC 的 大量发展,功率半导体有时也会叫做电源管理半导体,而随着更多集成电路进入 电源领域,电源链产品才逐渐单独成为模拟芯片的一个重要品类。

  电源链产品占据模拟芯片半壁江山,下游需求引领市场高速增长。根据 Semiconductor 统计,2018 年整体电源链市场规模在 250 亿美元左右。随着新 能源汽车、5G 通信、物联网等市场持续成长,全球电源管理芯片市场将持续受益。据 Transparency Market Research 预测,新兴应用需求将持续引领市场高增长, 预计 2026 年全球电源管理芯片市场规模将达到 565 亿美元,销售额复合增速达 到 10.69%(2018-2026 年)。

  国内市场稳定增长,进口产品仍占主导地位。据赛迪顾问统计,2012-2018 年,国内电源管理芯片行业市场规模从 430.68 亿元增长至 681.53 亿元,年复 合增速达 7.95%,预估到 2020 年中国电源管理芯片市场规模将增长至 860 亿元。目前国内市场长期以来被外企和进口产品主导,电源链产品主要份额仍由 TI、瑞 萨、NXP 等厂商占据,随着国内市场新领域拓展及国产替代趋势,国产电源链规 模将快速增长。

  种类繁多,规模庞大,细分品类 IC 出货量第一。电源链芯片一直是所有集成 电路芯片中产品最复杂、出货量最大的细分品类。根据 IC Insight 统计,2020 年, 全球 IC 出货量为 3154 亿颗,在细分的 33 个子行业中,电源类模拟芯片出货量为 651 亿颗,占比达到 20.6%;此外出货量份额排名第 2、3 位的分别是通信及工业 的模拟 ASSP(专用芯片),20 年出货量分别为 229 亿颗、216 亿颗。

  欧美厂商占据大部分电源链,竞争格局较为分散。目前,全球电源链芯片市 场主要被欧美厂商占据。根据 Gartner 统计,2018 年,头部 5 家电源链厂商以 TI(21%)为首,合计占据全球市场份额的 59%。由于电源管理方案在各类细分 应用场景中差异很大,国内厂商与欧美大厂之间产品类别、高端技术及规模上存 在较大差距。

  五大难题制约电子系统发展,解决方案成为电源链发展趋势。电源链产品自 90 年代开始迅速发展,源动力在于解决电子系统中电源的各类限制,如功率密度、 低静态电流、低噪声高精度、低 EMI 一级高低压隔离等。电源链市场未来发展将 在现有基础上,实现更小面积、更高能耗、更长电池寿命以及更加安全的电源、 信号链电路的工作环境。

  4.2、 电源管理 PMIC:电子设备效率与热管理的保证

  电源管理(Power Management )负责电子设备所需电能的变换、分配、 检测等管控功能,其性能优劣和可靠性对整机的性能和可靠性有着直接影响,电 源管理芯片一旦失效将直接导致电子设备停止工作甚至损毁,是电子设备中的关 键器件。从市场应用方面看,电源管理芯片是目前半导体芯片中应用范围最为广 泛的门类,应用于家用电器、手机及平板、充电及适配器、智能电表、照明、马 达、通讯设备、工控设备等众多领域。

  随着通信、汽车、工业等市场的不断发展,不同下游电子设备对于效率以及 能量管理的需求日趋强烈和多样化。电源管理芯片从最初单一类型的 DC 转换器及 稳压器开始发展,越来越多地与设计中的其他硬件组件结合在一起,保持效率并 简化整个系统层面的控制,成为多功能、数模电路集成化的复杂芯片 PMIC。

  1. 低压场景-非隔离器件:稳压器 Regulator(包括 DC-DC、LDO 等)

  在一些由电池供电的应用中,各类芯片和电子元器件无法直接使用电池 电力,需要一个更低或者更高的电压才能正常运行,而在充放电过程中,电 池的电压也会发生变化。电源管理器件可用来监控这种未调节的电池输入电 压并使其保持稳定,一般可根据外部电源电压的高低分为隔离型与非隔离型 器件。

  非隔离式的电源转换方案中,有一条连接输入接地和输出接地的 DC 通 路,并共享输入和输出接地,这些转换器被称为稳压器 Regulator,因为它 们可以根据需要提高、降低或者调节电压,然后把调整后的电压提供给系统 子组件使用。根据所用的电压转换方式原理不同,稳压器可以区分为线性稳 压器和开关式稳压器,设计工程师将基于输入电压、输出电压以及所需的电 流负荷,为其系统设计选择适当的稳压器,稳压器属于电源管理的通用性芯 片产品。

  开关式稳压器利用开关场效应晶体管(FET)将直流(接近恒定)输入 电压转换为交流波形(在两个值之间切换,“开关”),使用电容和电感重 新转换成输出电压不同的直流电。开关式稳压器通常效率更高、更加灵活、 体积更小,支持比线性稳压器更高的输出电流。但输出被调节后仍有波纹或开关噪声,即使经滤波后仍然存在。依据输出电压相较输入电压的变化情况, 开关式稳压器可以分为降压型、升压型以及降-升压型三种,依据输入电源的 不同可以灵活应用在各类便携设备的电源转换应用场景。

  线性稳压器使用电阻型器件(线性器件)来调节输出电压,可以将输入 电压转换成为不同的输出电压。线性稳压器能够提供无噪声输出,非常适合 低功率输出应用。但它们的效率不高,只能用于逐步降低输出电压。低压差 线性稳压器(Low Drop,LDO)是最常用的线性稳压器件,可以在供电电压 和输出电压非常接近时调节输出电压水平,同时提供最好的电源抑制比及极 低的静态电流(待机),能够最大限度的提升系统效率,是便携设备中最常 用的稳压产品。

  2. 高压场景-隔离器件:转换器&控制器 Iso Power

  在各类高电压的使用场景中,往往需要对高低电压回路进行隔离,也就 是采用变压器或电容式器件进行电力传输,高低压电路之间没有直接电路接 触。高压场景下的电源管理芯片一般使用谐振控制器 LLC,根据需求及原理 的不同,可以基于 PFC(功率因数校正)及 PWM(脉冲宽度调制)等不同控 制原理对高压管理、转换方案进行设计。

  功率因数校正(PFC,Power Factor Correction)。功率因数是一种衡量电 能被有效利用程度的方式,也就是有效功率/总耗电量。在电路中,只有电阻型器 件会消耗功率而产生光/热等能源转换,而容/感负载只会存储能量,对外做虚功。PFC 通过修正电压与电流的相位差达到使负载阻抗近似与电阻型的目标,一般采用主动式升压结构(Boost Topology)控制电路电流,实现 PFC 提升。工业、供 电企业利用 PFC 原理,通过在用电前端提高电压,负载端补偿控制的方式,使得 用电效率达到最大化。

  脉冲宽度调制 PWM(Pulse-Width Modulation)是一种利用通过调制晶体 管栅极偏置,输出一系列的脉冲波来代替原有正弦波模拟信号的方法。PWM 的优 点在于使用数字式的脉冲开闭代替原有的连续信号,从而使得信号保持为数字形 式可将噪声影响降到最小,被广泛的应用在通信传输以及工业伺服控制领域。

  隔离式转换器可以利用 PFC 及 PWM 控制器,控制相应的电压转换器件工作, 按照有源器件的数量,可以分为单管正激式(Forward)/反激式(Flyback)、 双管推挽式(Push-pull)/半桥式(Half-Bridge)以及四管全桥式(Full-Bridge) 五类,不同转换器以及控制电路组合成为完整的隔离高压电源控制转换方案。

  如今的 PMIC 通过组合集成高压转换器、低压稳压器、各类接口和控制芯片 以及逻辑 IC 产品,可以满足应用中的多种甚至全部电压调整、定序以及监控功能。这些多功能 PMIC 依据下游应用场景的需求进行 FPGA 定制,从而适用于多种不 同应用,消除硬件电路更改的高成本,使得整体电源管理芯片小型化、集成化, 并且减少产品迭代所需要的时间,以便携设备场景为基础,快速渗透至工业、汽 车电子、通信等智能化电源管理需求激增的各个领域。

  3. 电池管理 BMS(Battery Manage System)

  电池管理芯片是一系列芯片组成针对场景定制化方案的统称,除通用的 电源管理芯片外,还包括电池充电管理、监控电路、电池保护电路以及电量 显示芯片等。最初的电池管理芯片多用在便携式设备消费场景中的各类锂电 池中,随着新能源电动汽车、工业等领域的需求增长,锂电池材料技术的不 断进步,对于高压场景下 400、800V 的电池管理系统需要综合更多隔离屏蔽 技术以及更加先进的电池管理芯片,未来发展空间广阔。

  电池充电管理:结合各类稳压器技术以及负载开关装置,实现对电池充 电的高功率密度、低静态电流、高散热性的要求,能够同时适配 USB, Type-C 等各类接口实现快速充电管理的控制 IC;

  监控与保护:实时提供电池电压、温度和电流的精确读数,精确的监控 可提高电源使用效率,从而延长运行时间并降低电池尺寸和成本。监控 保护电路的应用场景从 5V 延伸至 800V 以上,尤其在汽车电动化领域分 布式电池组中有重大意义,决定了能源系统的安全性能。

  4.3、 驱动 Drivers:工作电路与控制电路间的连接枢纽

  驱动电路(Driver Circuit)是位于工作电路(主电路)和控制电路之间,用 来对控制电路的信号进行放大的中间电路。驱动电路基本任务,就是将信息电子 电路传来的信号按照其控制目标的要求,转换为加在电力电子器件控制端和公共 端之间,可以使其开通或关断的信号。驱动电路的实质是放大开通及关闭信号, 最主要的性能指标是系统可靠性,上升、下降沿效率以及隔离、电磁屏蔽的功能。

  在理想情况下,当电源管理芯片能够输出足够高峰值电流信号,且 MOS 管开 闭速度足够快的情况下,我们可以直接使用 PMIC 芯片输出 PWM 信号驱动工作电 路。但是在现实应用中,各种复杂应用场景下,对信号上升下降速度要求、峰值 电流以及电路负载的变化、过高的工作电压使得需要单独的驱动芯片 Driver IC 驱 动工作电路对外做功。

  1. LED 驱动芯片:生活中大部分的人造光源来自于 LED,MCU 等控制器需 要输出关于亮度灰度的 PWM 信号经过 LED 驱动,从而决定其显示效果。传统的驱动 IC 更多调控的是电压信号,而 LED 的二极管特性决定了极小 的电流幅度变化就会对偏压电流造成极大影响,所以需要使用恒流驱动 或者 PWM 的模式驱动 LED 照明。

  作为最常见的照明光源,其核心器件 LED 驱动被广泛使用在汽车、工业、 商用照明的场景中,行业发展成熟。随着碳中和宏观要求的出现,节能趋势在 LED 驱动行业中愈发显著,更低功耗、高对比低亮度等指标成为 驱动 IC 的主要技术发展方向。

  2. 显示驱动 IC/面板驱动:21 世纪以来,消费电子产品需求快速增长,对平 面显示(面板)的要求越来越高。目前市面上主流显示技术包括 TFT-LCD 以及 OLED,均需要 IC 控制每个像素电极的通断,控制液晶材料分子排 列变化,从而控制面板的明暗及灰度变化进行显示。在面板驱动 IC 中, 一般分为栅极驱动 Gate Driver 和源极驱动 Source Driver,分别驱动控 制像素点的 Y 轴及 X 轴,形成二维平面上的显示控制。

  栅极驱动决定 Y 轴像素位置,决定液晶分子扭转速度,也称为扫描驱动/ 行驱动。由于高压有源器件难以集成化和小型化,所以栅极驱动核心技 术是隔离高压和快速导通的模拟制程,技术难度高,经验积累需求较高, 基本只有 TI、Sharp 等少部分厂商能够提供。

  源极驱动负责将导通信号传递给需要点亮的像素,也成为数据传输驱动/ 列驱动。源极驱动牵涉到复杂的模数转换功能,对频率设计要求较高, 电路设计复杂,电压相对较低。其模拟部分电路需要利用高速 ADC 功能 带动信号转换,同时需要电荷泵技术驱动液晶扭转。

  由于不同面积的面板其驱动 IC 的布局及设计方式大不相同,驱动 IC 也成 为整个面板显示半导体的核心器件,驱动 IC 的缺货直接影响到整个显示 行业的供需关系变化,大幅影响面板价格。

  3. 电机驱动 Motor Drive。电机驱动利用栅极驱动的原理,恒定功率输出并 控制动力系统旋转,是工业、汽车领域能源转换动力的核心器件。电机 驱动的关键性能指标有调速、负载范围、隔离性能及可靠性等。在汽车 领域,随着电动汽车电池性能的快速发展,异步直流电机以及永磁无刷 直流电机 BLDC 驱动技术快速发展,承担了车辆在各种复杂场景下加减 速、动力回馈、爬坡及频繁启停的功能,技术附加值极高。

  4.4、 下游应用:伴随通信、消费类场景成长,逐步渗透工业、计算、汽车领域

  电源链产品存在于所有电子设备中,基于特定应用场景开发不同集成方案。 从下游应用场景来看,电源管理芯片广泛应用于通讯设备、消费电子、工业控制、 汽车电子、医疗仪器等领域,由于移动设备的快速发展,通讯及消费电子场景的 电源链产品占比较高。电源管理芯片行业的技术门槛较之信号链低,低端成熟市 场价格竞争激烈,而随着物联网、新能源、AI 计算和自动驾驶等新兴应用领域的 发展,电源链产品下游逐渐开始从消费类领域向技术要求高、定制化及附加价值 高的工业、汽车电子等领域转型。

  相比信号链产品,电源链产品基于电源管理产业,行业历史仅有约 40 年。1975 年,第一款集成 PWM 控制器由 Silicon Generals 公司发明,成功的将数字及模拟 器件进行片上集成,从而实现了单芯片的开关电源调控技术。80 年代开始,随着 新技术(功率因数校正、准谐振)、新工艺(BiCMOS、BCD)的不断涌现和下游 新兴场景的快速发展,电源管理行业向着小体积、低功耗等目标飞速发展,迅速 扩张成为模拟芯片产业的下游最大市场。

  21 世纪开始,通信需求的飞速增长以及便携式设备的出现为电源管理行业注 入新的活力。在小型便携设备如手机、数码相机、笔记本中,往往 1-2 块电源管 理芯片以及驱动芯片就能够提供复杂的多路电源,提供集成式的电源管理功能, 所以目前消费类、通信类市场是电源链产品的主要应用场景;而在未来,随着工 业、AioT、计算以及新能源、汽车电子领域电力管理需求不断增长,电源链产品 将快速渗透至这些新兴应用场景中。

  1. 通信市场:受益 5G 基础建设迎来高速增长期。通信类市场是目前最大的 电源链市场,按照下游设备不同可以分为基站、终端以及路由器市场。随着 5G 通信标准的变化带动下游市场的基础设施建设的逐渐完善,5G 宏基站、微基站的数量大幅增长,同时电源面对的需求和使用场景也更 加复杂。

  5G 通信场景下,使用更高工作频段实现高速率低延时;MIMO 和波束整 合技术对于基站的电源成本和散热提出挑战;通信设备往往需要对 3、4、 5G 设备供电,组合通道更加丰富,包括 UPS、-48V、HVDC 等等。一般 来说,5G 小基站需要 20 颗左右的 PMIC,中型、宏基站需要的 PMIC 数 量在 60-120 颗之间。基础设施的大量建设以及单机用量的增长将继续带 动通信市场电源链产品快速发展。

  2. 消费类:移动设备新品类层出不穷,快速迭代的下游需求催生庞大市场。 21 世纪以来,各类便携式电子设备层出不穷,而快速迭代的下游产品也 使得消费类电源链产品市场规模不断扩大,仅次于通信类市场。以手机 为例,3、4G 智能机只需要 2-5 颗电源管理 IC,随着 5G 手机模块功能复 杂化,一台 5G 智能手机目前需要至少 8-10 颗电源管理 IC,用于管理摄 像头、显示器、射频和整体电路。

  在快充领域,只有搭配 20W 及以上的 PD 快充充电器才能实现全速充电, 且手机端和充电器端均需装载快充芯片,由于电压相对较高,需要同步 搭配稳压器、IsoPower 控制器以及快充协议电池管理 IC 等等电源链芯 片,手机端及快充端至少需要增加 5-6 颗 PMIC。

  除手机市场外,TWS 及可穿戴设备等新兴产品也不断拓展消费类电源链 产品的边界。根据 Canalys 预测,2024 年 TWS 耳机市场出货量将超过 5 亿部,可穿戴设备出货量超过 2.5 亿部。小型可穿戴设备中,电源链产品 包含无线充电管理芯片、同步稳压器、LDO、过载电流保护 IC、音频驱 动等等不同产品,同时对电源链芯片的集成化程度、体积及散热性能也 提出了更高的要求。下游设备的新品推出及出货量增长将继续推动消费 类电源链产品市场多样化高速成长。

  3. AIoT:百亿级别终端数量带来广阔市场空间。随着通信市场的逐渐成熟, 物联网市场设备连接数量指数级增长。根据 IoT Analytics 预计,2020 年全网物联网连接数量将达到 117 亿部,首次超过非物联网(通信、消 费设备)涉币连接数,15-20 年复合增速达到 29%,预计到 2025 年物联 网连接设备数将超过 309 亿部,五年复合增速为 21%。尽管目前物联网 设备电源链产品单机用量较少,百亿数量级的设备连接数也将为 PMIC 产 品带来广阔市场空间。

  4. 工业控制类:驱动电路、高压控制产品精细化发展。工业领域高压、高 功率的需求决定了相关电路能耗极大,这为使用驱动电路和电源管理 IC 提供了广阔的发展空间。电机消耗能量占据工业设备能量的绝大部分, 诸如隔离开关、高压控制电路能够有效的管理、控制电机能耗;另一方 面,工业控制对智能、安全、小型化的追求使得电机控制器市场飞速发 展,栅极驱动器、BLDC 电机驱动等产品能够保证在高压环境下驱动电路 稳定、安全的运行。2021 年上半年开始,在安防、工控、LED 领域对能 效智能管理 IC 的上涨需求导致相关 PMIC 和驱动 IC 成为市场上芯片缺货 最严重的细分品类之一。

  5. 新能源及汽车电子:电动汽车高压应用驱动市场发展。在车规市场中, 对模拟芯片的可靠性及稳定性要求较高,甚至部分产品需要 0 失效率级别的严苛指标,故在车规、航空市场中,相关电源管理器件的单价往往 较高。

  新能源车的发展离不开电池充电管理以及充电设施的建设。在电池管理 系统方案中,除了正常的 DCDC 转换器、LDO 降压器件,由于电动车电 池组电压可高达 400v 以上,还需要对电路进行较好的隔离设计;在充电 桩及电压转换设计上,快速充电模块需要更多的隔离器件,从而将大功 率系统和低压控制系统以及数字运算系统分割。电动汽车高电压、高功 率的工作环境需要更加严格的 EMI/EMC 屏蔽测试,确保车载低压电气系 统和精密的 ADAS 平台不受到电磁冲击的影响。

  根据 EV Sales 统计,2020 年全球电动车及混动车销量达到 312 万台, 电动车渗透率从 19 年的 2.5%提升至 4.1%;其中欧洲市场销量为 140 万台,位居地区分类统计第一名。中国、欧洲、美国地区市场对于充电 设施、电动车行业的政策推动及消费需求都不断上涨,随着电动车渗透 率加速上涨,未来有望成为电源链芯片的一大重要下游应用场景。

  5、 海外厂商:需求驱动技术进步,整合催生模拟龙头

  5.1、 TI:百年历史模拟龙头,IC 产业黄埔军校

  美国德州仪器公司(Texas Instruments,TI),是世界上最大的模拟电路技 术部件制造商,全球领先的半导体跨国公司。TI 最初从事军火供应,但真正让 TI 闻名遐迩的是其在信号处理与模拟电路方面的成就。TI 提供模拟技术、数字信号 处理(DSP)和微处理器(MCU)等各类芯片,是世界上第一颗集成电路的生产 者,各类半导体人才层出不穷,也被誉为是半导体业界的黄埔军校。

  TI 拥有超过 10 万颗模拟及嵌入式芯片料号,服务下游超过 10 万家客户,累 计布局通信、电子等领域专利超过 5 万件,市面上几乎所有的电子设备中都含有 德州仪器的产品,是当之无愧的模拟芯片行业巨头。近 30 年以来,德州仪器都保 持了行业前列的盈利能力和稳定性,营收排名一直位于全球前十行列,同时毛净 利率水平极高。2020 年,德州仪器实现营业收入 144.61 亿美元,毛利润为 92.69 亿美元,净利润为 55.95 亿美元,毛净利率高达 64%/39%。

  TI 公司的技术和产品发展贯穿了半导体行业的始终,产品稳定、客户群体庞 大,被称为半导体行业的晴雨表,其成长历程对半导体产业乃至人类社会都有着 重大影响。

  初创期:1930-1950 年。1930 年,一家名为地球物理业务公司 GSI 的小型 石油和天然气公司成立,TI 作为子公司,仅生产母公司地址勘探器件所需要的一 种晶体管,业务单一。40 年代开始,TI 开始将信号处理技术应用于潜艇侦测,随 后也将雷达应用于该领域,进入美国军用市场,在红外雷达、激光制导和军用计 算机领域都有所成就。

  第一发展期:1951-1963 年。凭借军用订单,公司营收超过 GSI 地理部门, 被重新命名为德州仪器 Texas Instrument,1954 年正式成立 TI。以硅晶体管的 发明创新进军半导体行业。1954 年,公司生产了世界上第一个商用晶体管,1958 年 9 月 12 日,TI 员工 Jack Kilby 发明了第一颗集成电路及相关的手持计算器应 用,从根本上改变了半导体行业,并为所有现代电子元器件打下了坚实基础,于 2000 年被授予诺贝尔物理学奖。

  第二发展期(产品拓展):1964-1987 年。1967 年,TI 开发出第一款电子 手持式计算器 (Cal Tech),与此同时,TI 也将工作重点转向开发更快、更小、功 能更强大的集成芯片,采用 TI 组件的阿波罗月球探测模块在这十年间登上了月球。60 年代到 80 年代间,德州仪器持续创新,年专利申请量一直维持在数百件;为 了改造家用电器、消费类电子产品和工业用设备,TI 推出了第一款单芯片微控制 器(MCU)。

  1980 年,TI 推出其首款商用单芯片数字信号处理器 (DSP),并生产出一款 面向高速数字信号处理的微控制器。1985 年,TI 发明了数字微镜器件(也被称为 DLP 芯片), DLP (获得 1998 年的艾美奖)和 DLP Cinema( 2009 年获奥 斯卡科学与工程奖 )技术是现代投影基础的基石,占据超过 80%以上电影市场。

  第三发展期(高速发展)1988-2001 年。在布局 CPU 替代失败后,TI 转型嵌 入式处理器以及模拟行业,陆续收购 Silicon Systems、Unitrode、Power Trends 以及 Burr-Brown,把握电源管理发展趋势,大量拓展技术产品边界,专利申请量 超过 2000 件,形成覆盖电源 IC 到信号链线性产品+转换器芯片的庞大产品群。此 外,TI 还推出了第一款专门设计用于手机的应用处理器 (OMAP),1990 年,TI 凭 借 TI-81 占据了图表形计算器行业的领先地位,并于 1999 年推出具有 FLASH–ROM 存储器的 TI-83。

  转型整合,进入稳定期:2001 年至今。模拟+嵌入式处理的基本布局形成后, TI 将发展重点集中在模拟与嵌入式处理技术方面,生产出支持多种应用的半导体 技术。2007 年,TI 发布了第一个单芯片数字手机解决方案 (LoCosto) 系列,从 而使手机技术进一步普及,并通过增加手机功能让其变得更加智能。最近一次的 收购整合发生在 2011 年,对国家半导体的收购进一步加强了公司在模拟行业的领 先地位,稳定全球半导体行业领导地位,毛利水平超过 60%。

  勇于创新布局新兴市场。尽管德州仪器技术实力强大,但在产品布局上均曾 出现判断失误,错失 CPU 及手机芯片两大核心市场。1971 年,TI 发明的 TMX 1795 芯片被商业周刊称之为大规模集成的里程碑,但由于其尺寸过大,散热、成本性 价比不合理,使其在市场推广上落后英特尔一步,失去了大规模集成计算的重要 市场。

  在终端领域,iPhone 等智能手机出现前,德州仪器作为诺基亚等厂商的芯片 供应商,在移动芯片领域具有领先地位。但在智能手机出现后,手机基带的重要 性不断提高,而德州仪器缺少通信基带领域的专利,在和和手握大量通信专利的 高通进行竞争时,经常处于下风。因此德州仪器在 2012 年裁掉了无线部门 1700 人,逐渐放弃了移动芯片市场。

  产品转型:放弃军工与 MCU,转型模拟与嵌入式。德州仪器在 1997 年开始 放弃国防军工与微处理器,以 65 亿美元价格收购美国国家半导体,布局模拟电路 和嵌入式系统,该部分营收占比目前已经超过 90%。

  应用转向:减少通信、终端布局,大力扩张汽车、工业场景。2010 年,TI 的主要客户是诺基亚,通信及消费电子业务贡献主要收入,而随着公司向 Intel、 英飞凌、贝恩资本出售其 LCD、DSL、传感器及控制器、手机基带业务,把业务 市场向汽车和工业领域拓展后,2020 年工业市场和汽车市场营收占到了德州仪器 的 57%,完成主要业务板块转型。

  以 IDM 为基础,依托网络渠道平台,利用广泛且差异化的模拟和嵌入式产品 组合发展客户及应用场景的长期多样性。德州仪器长达百年发展基石是 IDM 模式 以及长期不断的研发和生产投入,而 Ti.com 则代表了公司对广泛产品线的持续追 求和对产业链的全面完善,是公司能够不断转型发展,积极应对下游多样化需求 的核心战略。

  从成长性考量,模拟赛道可能并不是投资逻辑最性感的半导体市场,但德州 仪器以其创新谨慎,多样化的产品布局、应用战略,运用 IDM 模式广泛布局模拟 以及嵌入式处理器产品,提供可靠、稳定性产品给予全球客户,这是国内模拟厂 商在发展技术和拓展市场的同时,值得去参考和模仿的关键点之一。

  5.2、 ADI:信号技术勾连电子系统与现实世界

  亚德诺半导体技术有限公司(ADI)是世界上历史最悠久的半导体公司之一, 是高性能模拟、混合信号和数字信号处理(DSP)集成电路(IC)设计、制造和营销方 面世界领先的企业,产品涉及几乎所有类型的电子电器设备。ADI 公司在设计、制 造和营销电子设备中使用的高性能模拟、混合信号和数字信号 (DSP)集成电路 (IC)方面处于世界领先地位。ADI 是数据转换器龙头,占据数据转换器半壁江山 (2018 年市场份额 48%),长期领先于竞争对手。

  自 1965 年成立以来,亚德诺一直致力于解决与信号处理电子设备相关的工 程,在全世界有超过 100,000 家客户在使用其信号处理产品,这些产品在转换、 调节、处理物理现象时发挥着十分重要的作用。2020 年 ADI 营收 56.03 亿美元, 同比下降 6.48%,净利润 12.73 亿美元,同比下降 10.44%。公司 2020 年度毛利 率 65.87%,近三年始终保持在 65%以上;净利润率 21.79%,近三年始终保持在 20%以上。

  ADI 公司在设计、制造和营销电子设备中使用的高性能模拟、混合信号和数 字信号 (DSP)集成电路(IC)方面处于世界领先地位。ADI 是数据转换器龙头, 公司 2007 年起占领市场半壁江山(47%),此后长期领先于竞争对手。

  起家:从线性产品到转换器芯片。1965 年的冬天,毕业于麻省理工学院的 Ray Stata 和 Matthew Lorber 在学校附近租了一个简陋的库房,从高性能运算放 大器的制造开始,成立了亚德诺(ADI)。早期的 ADI 并不制造芯片,而且开发运 算放大器等分立器件,用于产生精确放大的改良型电信号。

  1971 年,ADI 推出业内第一款激光微调线性 IC FET 输入运算放大器 AD506。随后陆续推出多款首创的半导体产品,并将研发重点转移到了数模信号转换器、 高性能运算放大器、MEMS 器件等技术上。同时,随着产品的商业落地,ADI 除 了巩固其在航空航天、工业仪器领域的市场地位之外,开始将业务布局扩张至全 球消费电子、无线通信和信息计算等领域。

  腾飞:把握中国市场发展机遇,广泛布局信号链商用市场。1995 年,ADI 决 定进军中国市场,并于 1995 年在北京成立分公司。这在当时看来也许只是乘着时 代的东风,对新市场进行试探与开拓,事实证明这是一个加快实现技术创新和公 司盈利的良策。ADI 不仅看重中国的市场份额,更重视中国的市场需求。

  ADI 建立了非常强大、 反应迅速的应用工程师团队,分布在中国的各个地方;同时在各个垂直的应用领域,ADI 都有相应的系统应用工程师,包括通讯系统、汽车、医疗及消费业的解决 团队,给客户提供的不只是芯片类产品,而是包括整个系统,甚至连同软件的解 决方案。截止至 2019 年,ADI 在中国的客户已发展至约 4500 家,在中国市场营 收占总营收的 22%,呈加速增长之势。

  目前,ADI 在全球市场的业务布局广泛,主要以模拟信息的感知、测量、连 接、电源、解译、安全这六大核心处理技术,全方位地布局工业自动化、通讯、 汽车和消费电子与医疗等产业。2020 年,ADI 约 88%的营收都来自于工业、通信、 汽车行业的 B2B 市场。营收大头则落在了工业市场,占据 53%的营收比例,通信 和汽车市场的占比分别为 21%和 14%,商用市场也成为了驱动 ADI 发展的主要动 力。

  核心战略:坚持数模信号桥梁理念,收购整合打造超越、多样化的摩尔定律发展

  1. 核心使命:搭建物理世界与数字世界的桥梁。自 ADI 成立之初,桥梁理念就 已深深地烙印在它的基因之中,为了构建这座桥梁,亚德诺对将模拟信号转换 数字信号的工具进行了长期的探索, ADI 多年来对 ADC 精度进行不断提升, 从早起开发的 8bits 左右 ADC,如 SAR 技术和 Flash(闪存型)技术,到 12bits 的 SAR 型 ADC,再到 16bits 精度的高速 ADC,引领转换器技术发展,推动了 工业、通讯、汽车电气化和消费电子等领域的信息数字化。

  2. 收购拓展边界,应对技术革命。ADI 不断通过收购扩展其能力边界,其中对讯 泰科技、凌力尔特(Linear Technology)以及美信集成(Maxim Integrated Products)的收购对 ADI 甚至整个行业产生了重要影响。2014 年,ADI 成功通过 20 亿美金将讯泰科技以及其引以为傲的射频技术收入 囊中,将自身的射频技术从 6GHz 以下直接跨越到了从 0 到 110GHz RF、微 波频、毫米波频段的全频段覆盖;2015 年,ADI 斥资 148 亿美元收购凌力尔特,成功将凌力尔特的高性能电源 技术收入囊中,提高了电源效率的同时,也提高了电磁兼容性,进一步满足对 汽车应用愈发严格的要求;2020 年,ADI 宣布将通过全股交易方式以大约 210 亿美元的价格收购竞争对 手美信集成产品,这是 2020 年美国最大的并购交易,也是 ADI 有史以来最大 一笔收购。收购的意义不仅仅是是 ADI 对自身业务线的完善,而是体现了当 新技术发展浪潮来临之际,完善布局技术壁垒的模拟龙头玩家的镇定自若。

  3. 超越摩尔和多样化摩尔:对数模混合产品的系统化应用。随着芯片制程逐渐达 到瓶颈,ADI 遵循“More than Moore”,即多样化摩尔的战略思路,将重心 放在研究各类从物理世界到数字世界的信号在现实环境的特性,以持续得到有 价值的数据。从数字信号的角度,SoC(System on Chip,系统级芯片)是 将完整系统的关键部件和软件集成在单一芯片上,而在模拟信号的角度,SiP (System In Package,系统级封装)是指不同模拟工艺的多芯片封装。ADI将 SoC 和 SiP 相结合,研发多样的器件和产品技术,以帮助客户及其应用提 供更高的系统价值。

  2008 年,ADI 成立事业部制与公司产品线交叉,共同推动 ADI 的创新向前发 展,并将此战略称为“Beyond Moore(超越摩尔)”,主要关注于消费电子、 医疗健康、工业自动化、通信基础设施和汽车电子等应用场景,并从系统应用 的角度来定义产品。公司一方面不断推出更具创新力的产品,另一方面在原有 的核心基础上,借助外部吸收的技术来构建更加复杂的系统。对各个应用领域 的理解和长期积累,以及对摩尔定律及数字、模拟信号的深入理解,是公司能 够屹立芯片浪潮之巅的核心优势。

  5.3、 并购整合推动公司成长,高研发&销售推动头部集中

  根据 IC Insight 统计,在全球十大模拟 IC 企业中,美国厂商如 TI、ADI、SKY 占据一半以上的席位,欧洲厂商如 NXP、Infineon 等占据 3-4 位,而亚洲厂商中 仅有瑞萨电子排名最末,没有中国企业的身影。这样的稳定局面已经持续了近十 年。模拟行业的特点具备高度分散性,头部厂商一般需要产品目录式的布局多个 市场;而模拟 IC 产品生命周期更长,一旦切入产品,可以获得稳定的出货量,因 此行业门槛高,壁垒显著,格局相对稳定。头部厂商没有精力去逐一发展各个细 分品类下的技术,所以一般通过横向整合收购进行快速发展。

  英飞凌 Infineon 前身是西门子 Siemens 的半导体部门。1999 年,西门子将 该业务独立出去,成立了英飞凌科技公司。2015 年,公司完成了对收购来的美国 IR(International Rectifier)公司的营收合并,收购完成后,英飞凌的产品组合变得 更加丰富,美国和亚洲的许多中小企业也成为公司的客户。技术方面,英飞凌获 得更多电源管理系统专有产品 ASSP 的技术,进一步加强其在功率半导体方面的 专长,并整合化合物半导体(GaN 镓)领域的先进知识,助推其成为模拟芯片行 业前三强。

  意法半导体 ST 由意大利的 SGS 微电子和法国 Thomson 半导体合并而成, 1998 年 5 月,主要业务在合并后涉及各类传感器产品和各类功率器件,提供各类 基于场景的定制化解决方案。16-20 年,公司陆续收购了 Norstel55%的股权、AMS 的 NFC 及 RFID 技术、Bespoon、Riot Micro 的蜂窝物联网资产和 SOMOS 半导 体资产,大力布局物联网领域射频前端产品和功率半导体技术,在功率分立器件、MCU 微组件领域排名进入全球前五,并在下游增速较快的工业、汽车场景取得先 发布局优势。

  美信 Maxim 通过快速并购公司快速发展,1995 年之前美信的模拟业务甚至 排不进前 20,通过连续收购 Dallas 半导体、Volterra 公司以及 Vitesse 和 Zilog 的部分产品线,2018 年美信位列模拟厂商的第七名,收入规模增长十倍以上。2020 年,ADI 斥资 210 亿美元收购美信,结合公司在车载、IDC 市场的强势技术,补 足公司在电源管理领域的短板,形成对龙头 TI 的冲击态势。

  恩智浦 NXP 创立于 2006 年,前身是飞利浦的半导体业务部门,2015 年,公 司通过收购竞争对手飞思卡尔 Freescale,成功跻身全球半导体厂商前十,也是世 界上最大的车用半导体芯片制造厂商。2007 年以来,公司陆续收购 Silicon Lab 的通话及射频业务、科胜讯的机顶盒业务、美满电子的无线连接业务等等,在汽 车、工业、物联网领域的射频、高速接口及转换器、电源管理芯片产品中不断发 展创新。

  唯一的日系厂商瑞萨电子 Renesas 同样发展迅速,NEC 在 2010 年将其半导 体业务与当时的瑞萨科技合并,成立了瑞萨电子,而瑞萨科技则由三菱(1995 年模 拟 IC 排名第 13)与日立(1995 年模拟 IC 排名第 16)的半导体业务合并而来。虽然 主业为汽车芯片,2015 年以来,瑞萨也陆续收购了高性能电源及功率器件厂商 Intersil(32 亿美元)、混合信号传感器、光纤通信器件大厂 IDT(67 亿美元)、 通信、汽车领域声光传感器及模拟器件巨头 Dialog(60 亿美元)等,在不断刷新 日本半导体厂商并购历史金额记录的同时,也对欧美模拟厂商造成冲击。

  我们统计了模拟行业龙头厂商的 2020 年研发投入和销售费用占其营收比例 情况,不管是模拟 IC 还是功率半导体龙头厂商的研发投入占比和销售费用占比都 超过了 10%。其中,亚德诺(ADI)的销售费用占比更是超过了 10%,而研发投 入占比达到 18.76%,在模拟行业头部厂商中处于领先地位,从而获得在信号链细 分市场的技术领先地位。通过对头部厂商财务数据的分析,我们可以看出销售及 研发是支撑模拟芯片企业发展、取得技术产品竞争优势的两大重要因素。

  研发、销售和并购是大模拟行业厂商所需的三大核心能力。模拟器件依赖人 工设计、重视经验积累、研发周期长的特点要求模拟行业的公司需要持续投入大 量的人力物力用于研究与开发;而产品周期长、价格偏低、种类多、应用广等特 点决定了该行业对于销售的强依赖性。“大模拟”的重视技术经验积累、种类多 应用广、IDM 模式以及行业弱周期等特点又决定了产业并购重组始终是行业发展 趋势。研发与销售相互促进构成大模拟行业厂商的闭环护城河,并购重组是大模 拟行业厂商实现跨越式发展的跳板。

  需求是整合的原动力,收购是发展整合的必经之路。模拟芯片市场是一块发 展相对成熟的市场,在技术发展上看,龙头企业往往已经具有自己擅长的领域和 布局,产品毛利往往较高(50-60%),这有利于他们有机会通过收购拓展更多的 新的产品,抢占新兴的市场领域。

  另一方面,模拟市场的竞争十分残酷,没有客户支持、技术先进性的产品毛 利率和规模将被双杀,这也是为何过去三十年间不断有半导体巨头陆续剥离不能 盈利的模拟芯片业务的原因,一旦在某个细分领域上技术和客户拓展落后于竞争 对手,面临的将是收入和毛利率双重的下行打击。对于国内追赶者来讲,首要目 标应该是打下自己的技术基本盘,拥有良好的客户结构以及擅长的应用场景,然 后通过并购整合拓展自己的技术产品边界,在国产替代的大趋势下,更好的面对 国际模拟头部厂商获得竞争优势。

  6、 中国市场:水清鱼虾稀,国产替代黄金窗口期

  技术、产品差距明显,细分赛道替代空间巨大。根据赛迪顾问数据,2020 年 中国模拟芯片市场规模达到 2497 亿元,同比减少 1.9%,占比超过全球模拟芯片 销售额的 70%。尽管国内模拟 IC 市场巨大,但前五大厂商全为欧美跨国公司。TI、 ADI、Skyworks 等头部五大厂商占据国内模拟市场 35%以上的份额。而国内模拟 龙头厂商如卓胜微(28 亿元)、圣邦股份(12 亿元)、思瑞浦(6 亿元)等厂商 收入规模占比均在 1%以下,合计销售额不足 25 亿美金,模拟芯片自给率在 10% 左右。从产品型号数量来看,德州仪器产品型号多达十几万种,而圣邦股份的产 品大约才 1600 种,思瑞浦仅有不足 1000 种模拟芯片产品,国内高端放大器、 AD/DA、稳压器、接口芯片等模拟 IC 大部分还需要依靠进口。

  水清鱼虾稀,国产替代+产能紧缺黄金窗口期。2018 年以来,中美贸易摩擦 加剧,科技行业中兴、华为陆续受到制裁,终端厂商考虑供应链安全问题,纷纷 寻求国内 IC 替代供应链。模拟 IC 市场赛道众多,空间广阔,即使各个细分领域 竞争格局与空间不尽相同,以国内较低的市占率水平考虑,仍能容纳各类国产厂 商长期发展。

  考虑到疫情影响下的全球性晶圆代工、封测产能历史性缺货,各类电源管理 芯片、MCU 及信号链芯片交期在 21Q1 再度延长 4-12 周,总交期已经提升至 24-52 周,订单最晚预计至明年 Q1 才能交货。在产能紧缺的情况下,芯片价格对比起去 年同期,普遍上涨 30-50%,部分紧缺料号(汽车芯片、部分 PMIC)甚至涨价幅 度超过 1000%。国内封测产能受到疫情影响较小,国内模拟芯片厂商产能较好得 到满足,且涨价幅度相对平稳。叠加下游客户强劲替代需求,在未来一段时间内 将迎来黄金发展机遇期。

  竞争优势:低价格、优服务是国内厂商传统强项,功能性创新不断涌现

  1. 低价格:国内的模拟芯片企业由于出货量小,大部分处于 Fabless 代工 阶段,本身在成本端是占有一定劣势,而国产芯片能卖的更便宜的原因 包括两方面:

  (1)价格端牺牲毛利,在进入门槛低的模拟芯片市场领域 尤其显著,一些低端市场的模拟类芯片企业(如低端 PMIC)的整体毛利 率能够低于 30%,品牌渠道和产品力很难取得长足发展;

  (2)成本端不 断优化芯片设计、代工服务、原材料以及封测,供应链管理的精益求精 为国产模拟厂商在红海市场价格战中争取到毛利优势,也为直面海外厂 商竞争打下基础。

  2. 优服务:国内芯片企业地理位置更加靠近终端客户,在管理模式、服务 策略上也能更加灵活的响应厂商需求,提供效率更高、更接地气的技术 服务。在此之上,国内模拟厂商更需要优化产品目录的发展,深挖技术 文档的基础支持工作(TI、ADI 的平台建设),从而进一步优化自己的需 求沟通长处。

  3. 功能性创新:由于半导体行业及工业积累上的劣势,国内厂商在原理及 供应链管理上的创新相对比较少,更多的是针对应用场景进行优化的功 能化创新,而这也恰恰符合了模拟芯片场景专用化的发展趋势。伴随国 内数字 IC 行业发展,配套模拟套片需求快速增长,而各类终端系统厂商 基于成本、沟通、服务的考量,也推动国内模拟厂商发展需求定制化集 成模拟芯片。国内头部企业如卓胜微在射频领域、思瑞浦在信号链、矽 力杰&圣邦在电源链 PMIC 领域中,均已经在模组化、定制化需求创新道 路上取得一定成果。

  需求方面,过去系统厂商主要向国外头部厂商定制集成化、模组化模拟 产品,但随着国内厂商对供应链安全和系统隐私对国外厂商信任度的下 降,国内模拟工程师综合水平的逐步提高和服务支持的逐步完善,叠加 日趋紧张的贸易局势,国内订制化模拟芯片的国产芯片需求迅速增长;

  供给方面,随着近二十年海外优秀的具有综合能力工程师不断回流,国 内模拟工程师整体技术能力的迅速提升,具备了集成化、定制化设计的 先决条件;另一方面,国内厂商经从前期对国外系统产品的简单模仿转 为自主研发创新的阶段,出货量逐渐放大,自我创新保护的意识逐步加 强,带动了国产订制化芯片的直接需求。

  竞争劣势:性能、可靠性、产品序列、自主工艺方面还存在短板

  1. 产品性能:模拟芯片的种类繁多,各类芯片和不同的应用环境下的产品 性能参数具有较大的差异,不少国内厂商目前在各项性能指标上逐步向 一流水平考虑,但是综合技术能力还是与国际厂商有较大差距。

  2. 可靠性:目前大部分国内厂商模拟芯片产品集中在消费电子和通信领域, 随着产品逐渐导入工业、汽车市场,长时间、多客户、大批量的现场验 证将会对国内厂商的质量管控水平提出重大挑战,但同时也将是国内模 拟芯片可靠性发展的重大机遇。

  3. 产品序列全面性:国内大部分厂商还处于聚焦于细分品类单一拳头产品 重点突破的阶段,缺少能够在信号链、电源链或者射频、功率器件领域 全面覆盖的公司。

  4. 自主工艺:国际领先的模拟芯片企业基本全部都采用 IDM 模式,由于代 工工艺较难满足协同性、定制化开发和小批量定制多样化发展的需求, 想要做出高质量、产品型号丰富、稳定供货、低成本的模拟芯片以直接 和国际厂商竞争,IDM 的大量资本支出是必经之路。目前国内厂商如矽 力杰、卓胜微等已经开始步入 IDM 自主一体化生产之路。

  国产替代是黄金发展主线,补齐短板+并购整合是快速发展关键因素。综合上 述对国内模拟产业及市场分析,可以看出国内厂商的优势包括成本控制、技术服 务、供货管理、产品创新能力几个方面,短板则出现在产品性能、品质、产品序 列、工艺资源几个方面。国产模拟的长板核心在于能让模拟芯片企业生存下来, 逐步补充的短板让企业具备国际竞争的能力,在国产替代+产能紧缺的历史性发展 大背景下,通过内生+外延的发展方式,自身产品能力过硬,又能够不断外延并购 整合的模拟厂商是最值得关注的投资对象。