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AD/DA芯片——模擬芯片領域的珠穆朗瑪峰

發布時間：2022-03-17作者來源：薩科微瀏覽：10894

【導言】和數字芯片相比，模擬芯片受到的關注度較為有限，但模擬芯片是集成電路中非常重要的一個賽道。AD/DA芯片是模擬芯片中重要的分支，具有技術門檻高、價值量大等特點，核心技術長期被國外壟斷。本文首先對模擬芯片大賽道進行分析，再對AD/DA芯片進行深入探究，包括AD/DA的定義、類別、市場、應用等，最后探究我國AD/DA的國產化進程。我們認為，作為幾大高端通用的芯片之一，AD/DA的發展空間廣闊，戰略地位顯著，值得產業界和投資界的布局。




#1

模擬芯片是長坡厚雪的賽道


說起半導體，人們首先聯想到的是CPU、存儲器等核心部件，這些芯片都屬于數字芯片的范疇。除了數字芯片，半導體領域還有一塊重要的版圖——模擬芯片，對科技的發展演進產生了重要的影響，本章節我們先對模擬芯片行業進行分析。

（1）什么是模擬芯片？


我們日常生活中的大多數信號都是模擬信號，比如聲音、光線、溫度等，數字芯片無法直接處理這些信號，需要首先由模擬芯片對其進行處理。因此，模擬集成電路主要是指由電阻、電容、晶體管等組成的模擬電路集成在一起用來處理連續函數形式模擬信號（如聲音、光線、溫度等）的集成電路。

（2）模擬芯片市場規模


從市場規模來看，2021年全球模擬芯片市場規模約為612億美元，2021年中國模擬芯片市場規模約為2,234億元，預計2024年市場規模將達到2,618億元，中國模擬芯片市場規模全球占比超過50%。

Figure1 模擬芯片市場規模

（3）模擬芯片和數字芯片對比


核心觀點一：模擬芯片能夠跨越更長的科技周期
數字芯片： 數字芯片具有典型的路徑依賴特征，當處理器從PC時代的x86，到移動終端和IoT時代的ARM，再到如今的AI芯片，處理器芯片的護城河都僅屬于各自短暫的科技周期。數字芯片強調的是運算速度與成本比，而芯片制程的摩爾定律限制著數字芯片設計廠商的產品迭代。

模擬芯片： 模擬芯片不直接服務于算法的落地，在電壓、電流、功率、功耗、精度等較為固定的電路參數上實現技術路徑的穩定衍進，不受科技周期的限制。模擬芯片不受制于摩爾定律，除了尺寸、功耗等目標，還追求高信噪比、低失真、高可靠性之間的平衡性。

核心觀點二：模擬芯片需要更為資深的技術團隊
數字芯片： 數字芯片的設計和生產更類似于流水線作業，可以通過豐富的設計模塊、高效的EDA軟件仿真、標準化的工藝平臺，在短時間內完成一款高算力芯片的設計；EDA工具的發展為底層IP核帶來整個設計架構的創新。

模擬芯片： EDA工具對模擬芯片的設計和仿真所能起到的作用都極為有限，模擬芯片需要設計師具有豐富的經驗積累，以及設計工程師和工藝工程師的緊密溝通配合。模擬芯片公司需要的技術人員不多，更需要的是單兵作戰的能力，因此創始人水平很重要。國內卓勝微、思瑞浦當初都是只有十幾個人的團隊做起來，做到大幾百億市值。

核心觀點三：模擬芯片公司的盈利能力更強、業績更穩定、估值更高
過去20年中，全球范圍內崛起了包括德州儀器（TI）、亞德諾（ADI）等在內的模擬芯片巨頭廠商，以及英特爾（Intel）、超威（AMD）等數字芯片巨頭。對比這幾家公司歷史盈利能力情況，可以看出模擬芯片廠商同樣具備很高的毛利率與凈利率水平，且相比數字芯片更加抗周期。

Figure2 模擬/數字芯片公司毛利率和凈利率對比

模擬芯片是一個長坡厚雪的賽道，擁有極高的技術和人才壁壘，因此國內外給予模擬芯片公司的估值水平普遍高于數字芯片公司。

Figure3 模擬/數字芯片公司估值水平對比



#2

AD/DA芯片是連接真實世界與數字世界的橋梁


（1）什么是AD/DA芯片？


AD/DA芯片主要是實現溫度、壓力、流量、速度、光強等模擬信號和數字信號（電壓、電流等）之間的相互轉換。其中AD芯片（ADC）用于將模擬信號轉換為數字信號，DA 芯片（DAC）用于將數字信號轉換為模擬信號。

在一個完整的信號鏈中，傳感器采集到真實世界的自然信號，如電磁波、聲音、圖像、溫度、光信號等，并將這些自然信號轉化成模擬的電信號。然后放大器把模擬信號放大，ADC把模擬信號轉化為數字信號；數字信號經過MCU或CPU或DSP等處理后，再經由DAC還原為模擬信號，通過揚聲器、馬達、LED等輸出設備輸出到真實世界。

Figure4 信號鏈系統的工作原理

（2）AD/DA芯片的性能指標

AD/DA芯片主要性能指標包括采樣速度和精度，其余指標還包括功耗、轉換速率、信噪比、誤差等。

采樣速度： 用Sample Per Second（SPS）衡量，代表ADC可以轉換多大帶寬的模擬信號，高速AD/DA能夠解析更高頻率的信號。

精度： 用bit單位衡量，用來表征轉換出來的數字信號與原來的模擬信號之前的差距，bit數越高的AD/DA芯片的精度也越高。

（3）ADC芯片的類別


根據不同的采樣速度和精度，ADC芯片可以分為以下四種：
Flash ADC： 閃爍型（Flash）ADC通常精度不超過8位，但速度高最快，可達56GHz以上。

Pipeline ADC： 管道型ADC研發難度[敏感詞]，速度通常不超過10GHz，精度可達14-16位。

SAR ADC： 逐次逼近型（SAR）ADC速度約在100MHz左右，但精度可超過18位。

Sigma-Delta ADC： Sigma-Delta ADC具有[敏感詞]的精度，可達24位，但通常速度僅在1K~10M。

Figure5 ADC芯片類別

ADC芯片的下游應用包括[敏感詞]、工業、消費級等，不同應用場景對于采樣速度與精度均有不同的性能追求。

Figure6 不同類型的ADC具有不同的應用場景

（4）AD/DA芯片市場情況


市場規模： AD/DA芯片可分為ADC芯片和DAC芯片，其中ADC芯片占比較大。根據智研咨詢數據，2019年ADC、DAC芯片全球市場規模為31.55億美元。根據Statistica，2021年全球ADC芯片的市場規模約為27.5億美元，2027年全球ADC芯片的市場規模約為40.9億美元。

Figure7 全球ADC芯片市場規模（億美元）

競爭格局： 從全球競爭格局來看，ADI在AD/DA領域擁有[敏感詞]的市場份額，美國在該領域擁有[敏感詞]的壟斷力，前5大公司均為美國公司。

Figure8 全球AD/DA芯片市場份額


#3

應用場景：AD/DA芯片廣泛覆蓋消費、
工業、通訊和[敏感詞]等應用場景


從全球AD/DA芯片的下游應用占比來看，通訊和工業/醫療是[敏感詞]的應用市場，占比達到35%和31%，消費和汽車市場緊隨其后，均占據12%的份額。

Figure9 AD/DA芯片下游應用占比

接下來，我們將分別介紹AD/DA在這些場景中的應用，以讓大家對AD/DA的作用有更直觀的感受。

（1）消費類：主要應用于手環手表、TWS耳機和手機/平板

在消費類應用場景中，主要會用到ADC芯片，對采樣速度的要求較低，但對精度的要求較高。據測算，我國消費類場景的AD/DA芯片（主要是ADC）市場規模超過50億元人民幣，且隨著手環手表、TWS耳機等消費電子的興起，該塊市場需求強勁，是現金流較為穩定的市場。

手環手表： ADC芯片主要用于測心率、心電和血氧，精度要求較高，通常是16-24Bit，而由于心率采集不需要很快的頻率，因此對采樣速度要求低。

TWS耳機： ADC芯片主要用于入耳檢測功能，高端耳機的降噪功能也會用到ADC。入耳檢測有SAR和光感兩種方案，精度在12-16Bit左右。

手機/平板： ADC芯片主要用于屏幕亮度調節和輻射調節。銷售到歐美的手機需要標配SAR芯片（輻射調節），手機也是消費級最主要的應用場景。

Figure10 消費類應用場景

（2）工業類：電力線監控、機器人手臂控制等場景都會用到AD/DA

工業類的AD/DA在不同的具體應用中，對采樣速度和精度的要求差異較大，但總體而言，工業類AD/DA追求在一定采樣速度下的高精度。比如電力線監控，屬于低速高精度的ADC應用；機器人手臂控制：屬于SAR ADC，能夠及時采樣，速率在1K-10M之間。

還有一類屬于Sigma-Delta型ADC，這類ADC精度在16-24比特，但速度通常只有幾赫茲到幾K，最快ADI的產品也只到2.5M，進入門檻相對較低。在工業中可以用于廠房的過程控制、高端電子秤等，在醫療中可以用于X光射線采樣、心電檢測等。

Figure11 工業類應用場景


（3）汽車類：主要應用于音頻系統和新能源汽車的電池管理

在汽車領域，ADC主要應用于汽車的音頻系統和新能源汽車的電池管理。新能源車內部的BMS系統（電池管理系統）會用到SAR的ADC產品，隨著新能源汽車銷量的井噴，汽車用ADC的需求量會持續增加。

（4）[敏感詞]類：主要應用于雷達等[敏感詞]設備

[敏感詞][敏感詞]裝需要用到高速度ADC，對ADC的速度要求通常在250M以上，對精度的要求也較高。

雷達是[敏感詞]領域AD/DA應用的主要場景，其對ADC的技術要求極高，需要2.5G/12Bit的性能。目前該領域AD/DA被國外廠商壟斷，且屬于禁運范圍；雷達中1個通道需要1個AD/DA，而大型雷達有數萬個通道，小型雷達也有幾千個，對應平均幾千美金的單價，有較大的市場機會。

（5）通訊類：主要應用于基站和光通信

5G基站需要集成高速的AD/DA，如今5G基站每隔幾百米一個，每個基站都有AD/DA產品的需求。目前主流的供應商就是ADI和TI，國內在該領域比較領先的是華為海思，但目前受到制裁困擾；中興也在嘗試做。


#4

AD/DA芯片國產化進程如何？


《瓦森納協議》下，[敏感詞]、航空航天等場景中使用的部分高性能的AD/DA芯片被禁運到中國。以相控陣雷達為例，國內相控陣雷達中用的AD/DA芯片嚴重依賴國外技術，芯片被國外禁運后，[敏感詞]實力勢必會受到影響。

Figure12 美國對中國禁運的高速AD芯片技術范圍

國外在AD/DA領域對中國的制裁，一方面凸顯了AD/DA兵家必爭之地的地位，另一方面也體現出其制造壁壘之高。那么，為什么國產AD/DA芯片那么難造？我們認為主要有來自技術和人才的兩方面壁壘：

技術壁壘： [敏感詞]類、通訊類AD/DA芯片對于采樣速度的要求很高，高速度AD/DA的難度更高，技術基本被美國把控。常用的工業類AD.DA芯片對于速度沒有[敏感詞]與通訊的高要求，但追求在較高速度下的精度；ADI業界[敏感詞]的工業類芯片在65MHz的速度下可以實現20bit精度，典型的Pipeline ADC可以實現14位/2.4GHz。

人才壁壘： AD/DA領域屬于模擬芯片中最難的部分，對于核心設計人員的研發經驗要求極高，國內具有高速高精度AD/DA研發能力的科學家屈指可數，據不完全統計可能不超過10個人真正具備高速高精度AD/DA的經驗。

國產高性能AD/DA芯片發展阻力較大，體現在高性能AD/DA芯片項目國內落地很難，應用門檻非常高。國內高速高精度AD/DA在起步階段，這導致相關產業鏈配套很少，下游市場培育很困難。目前國產高性能AD/DA芯片的研發主要在科研院所內部。華為海思曾經具備工業級、通訊級高性能AD/DA的研發能力，擁有國內研發實力最強的團隊，但被美國制裁后，華為海思團隊發展艱難。部分初創公司早期定位做高速高精度的AD/DA芯片，但由于資金投入太大、周期太長，很難養活團隊，所以大部分切入到低速的消費級領域，通過穩定的現金流養活團隊，再逐步切入高速AD/DA領域。

近年來，隨著國產替代浪潮的持續推進，國內也涌現出一些高水平創業團隊。這也得益于中美關系變化后，ADI、TI有部分華人團隊離開公司回國創業，國內的模擬芯片領域的創業團隊開始出現，而作為模擬芯片領域珠穆朗瑪峰的AD/DA，該領域的相關公司也迎來了新的機會。

目前，國內也有一些上市公司主要做AD/DA芯片，比如圣邦微、思瑞浦和芯海科技等，這些公司收到了資本市場的追捧，市場均給出了較高的估值水平。

圣邦微： 公司是國內領先的模擬芯片公司，其中電源管理產品和信號鏈產品占比約為7:3。公司具備高精度ADC能力，工業級AD/DA芯片已有量產。公司2020年收入12億元。目前市值460.9億元，P/E（TTM）為137.50x，P/S（TTM）為32.27x。

思瑞浦： 公司主要業務為信號鏈模擬芯片，營收占比達97.92%。轉換器產品（AD/DA芯片包含在其中）營收占比為35.72%，公司的工業級AD/DA芯片目前在國內領先。公司2020年收入5.7億元。目前市值450.4億元，P/E（TTM）為156.34x，P/S（TTM）為50.95x。

芯海科技： 公司主要業務為健康測量AIoT芯片、模擬信號鏈芯片和MCU芯片，占比分別為36.00%、34.26%和28.60%。在AD/DA領域，公司專注于高精度ADC、高可靠性MCU的設計研發。公司2020年收入3.6億元。目前市值88.6億元，P/E（TTM）為54.05x，P/S（TTM）為13.28x。

  總結  

AD/DA國產替代加速推進，值得布局


模擬芯片行業是一個長坡厚雪的賽道，需要多年時間的技術積累進行“滾雪球”。AD/DA作為模擬芯片的重要分支，是連接現實世界和數字世界的橋梁，技術門檻極高，價值含量極大。消費領域的AD/DA芯片關乎我們日常生活，[敏感詞]/通訊領域的AD/DA芯片直接關乎到我國軍力，重要性不言而喻。


作為模擬芯片領域的珠穆朗瑪峰，AD/DA芯片的國產替代注定不易，目前AD/DA核心技術被美國的ADI、TI等模擬芯片巨頭所掌握，且對我國這一領域的發展進行了技術和人才的雙重封鎖，目前國內的高端AD/DA人才屈指可數。


對于AD/DA的國產替代，我們需要耐心，模擬領域本身就需要長年的技術積累，趕超國外的步伐不是一蹴而就的。不過得益于這一輪國產化替代的熱潮以及中國龐大的市場規模，我們已經看到一些初創AD/DA公司在消費級領域取得突破，在細分市場可以達到與TI等國際巨頭同臺競技，這已經是非常難能可貴的成果。未來在[敏感詞]/通訊領域的AD/DA芯片我們還有一段路要走，但是有種子在，我們就可以期待開花結果的那一天。




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