AD/DA芯片——模擬芯片領(lǐng)域的珠穆朗瑪峰

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2022-03-17 08:45:12 14

【導(dǎo)言】和數(shù)字芯片相比，模擬芯片受到的關(guān)注度較為有限，但模擬芯片是集成電路中非常重要的一個(gè)賽道。AD/DA芯片是模擬芯片中重要的分支，具有技術(shù)門檻高、價(jià)值量大等特點(diǎn)，核心技術(shù)長(zhǎng)期被國(guó)外壟斷。本文首先對(duì)模擬芯片大賽道進(jìn)行分析，再對(duì)AD/DA芯片進(jìn)行深入探究，包括AD/DA的定義、類別、市場(chǎng)、應(yīng)用等，最后探究我國(guó)AD/DA的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。我們認(rèn)為，作為幾大高端通用的芯片之一，AD/DA的發(fā)展空間廣闊，戰(zhàn)略地位顯著，值得產(chǎn)業(yè)界和投資界的布局。

模擬芯片是長(zhǎng)坡厚雪的賽道

說(shuō)起半導(dǎo)體，人們首先聯(lián)想到的是CPU、存儲(chǔ)器等核心部件，這些芯片都屬于數(shù)字芯片的范疇。除了數(shù)字芯片，半導(dǎo)體領(lǐng)域還有一塊重要的版圖——模擬芯片，對(duì)科技的發(fā)展演進(jìn)產(chǎn)生了重要的影響，本章節(jié)我們先對(duì)模擬芯片行業(yè)進(jìn)行分析。

（1）什么是模擬芯片？

我們?nèi)粘Ｉ钪械拇蠖鄶?shù)信號(hào)都是模擬信號(hào)，比如聲音、光線、溫度等，數(shù)字芯片無(wú)法直接處理這些信號(hào)，需要首先由模擬芯片對(duì)其進(jìn)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(lái)處理連續(xù)函數(shù)形式模擬信號(hào)（如聲音、光線、溫度等）的集成電路。

（2）模擬芯片市場(chǎng)規(guī)模

從市場(chǎng)規(guī)模來(lái)看，2021年全球模擬芯片市場(chǎng)規(guī)模約為612億美元，2021年中國(guó)模擬芯片市場(chǎng)規(guī)模約為2,234億元，預(yù)計(jì)2024年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到2,618億元，中國(guó)模擬芯片市場(chǎng)規(guī)模全球占比超過(guò)50%。

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Figure1 模擬芯片市場(chǎng)規(guī)模

（3）模擬芯片和數(shù)字芯片對(duì)比

核心觀點(diǎn)一：模擬芯片能夠跨越更長(zhǎng)的科技周期

數(shù)字芯片： 數(shù)字芯片具有典型的路徑依賴特征，當(dāng)處理器從PC時(shí)代的x86，到移動(dòng)終端和IoT時(shí)代的ARM，再到如今的AI芯片，處理器芯片的護(hù)城河都僅屬于各自短暫的科技周期。數(shù)字芯片強(qiáng)調(diào)的是運(yùn)算速度與成本比，而芯片制程的摩爾定律限制著數(shù)字芯片設(shè)計(jì)廠商的產(chǎn)品迭代。

模擬芯片： 模擬芯片不直接服務(wù)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(shù)上實(shí)現(xiàn)技術(shù)路徑的穩(wěn)定衍進(jìn)，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(biāo)，還追求高信噪比、低失真、高可靠性之間的平衡性。

核心觀點(diǎn)二：模擬芯片需要更為資深的技術(shù)團(tuán)隊(duì)

數(shù)字芯片： 數(shù)字芯片的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)更類似于流水線作業(yè)，可以通過(guò)豐富的設(shè)計(jì)模塊、高效的EDA軟件仿真、標(biāo)準(zhǔn)化的工藝平臺(tái)，在短時(shí)間內(nèi)完成一款高算力芯片的設(shè)計(jì)；EDA工具的發(fā)展為底層IP核帶來(lái)整個(gè)設(shè)計(jì)架構(gòu)的創(chuàng)新。

模擬芯片： EDA工具對(duì)模擬芯片的設(shè)計(jì)和仿真所能起到的作用都極為有限，模擬芯片需要設(shè)計(jì)師具有豐富的經(jīng)驗(yàn)積累，以及設(shè)計(jì)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(shù)人員不多，更需要的是單兵作戰(zhàn)的能力，因此創(chuàng)始人水平很重要。國(guó)內(nèi)卓勝微、思瑞浦當(dāng)初都是只有十幾個(gè)人的團(tuán)隊(duì)做起來(lái)，做到大幾百億市值。

核心觀點(diǎn)三：模擬芯片公司的盈利能力更強(qiáng)、業(yè)績(jī)更穩(wěn)定、估值更高

過(guò)去20年中，全球范圍內(nèi)崛起了包括德州儀器（TI）、亞德諾（ADI）等在內(nèi)的模擬芯片巨頭廠商，以及英特爾（Intel）、超威（AMD）等數(shù)字芯片巨頭。對(duì)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(shù)字芯片更加抗周期。

Figure2 模擬/數(shù)字芯片公司毛利率和凈利率對(duì)比

模擬芯片是一個(gè)長(zhǎng)坡厚雪的賽道，擁有極高的技術(shù)和人才壁壘，因此國(guó)內(nèi)外給予模擬芯片公司的估值水平普遍高于數(shù)字芯片公司。

Figure3 模擬/數(shù)字芯片公司估值水平對(duì)比

AD/DA芯片是連接真實(shí)*與數(shù)字*的橋梁

（1）什么是AD/DA芯片？

AD/DA芯片主要是實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、流量、速度、光強(qiáng)等模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)（電壓、電流等）之間的相互轉(zhuǎn)換。其中AD芯片（ADC）用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，DA 芯片（DAC）用于將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。

在一個(gè)完整的信號(hào)鏈中，傳感器采集到真實(shí)*的自然信號(hào)，如電磁波、聲音、圖像、溫度、光信號(hào)等，并將這些自然信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬的電信號(hào)。然后放大器把模擬信號(hào)放大，ADC把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)MCU或CPU或DSP等處理后，再經(jīng)由DAC還原為模擬信號(hào)，通過(guò)揚(yáng)聲器、馬達(dá)、LED等輸出設(shè)備輸出到真實(shí)*。

Figure4 信號(hào)鏈系統(tǒng)的工作原理

（2）AD/DA芯片的性能指標(biāo)

AD/DA芯片主要性能指標(biāo)包括采樣速度和精度，其余指標(biāo)還包括功耗、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換多大帶寬的模擬信號(hào)，高速AD/DA能夠解析更高頻率的信號(hào)。

精度： 用bit單位衡量，用來(lái)表征轉(zhuǎn)換出來(lái)的數(shù)字信號(hào)與原來(lái)的模擬信號(hào)之前的差距，bit數(shù)越高的AD/DA芯片的精度也越高。

（3）ADC芯片的類別

根據(jù)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(guò)8位，但速度高最快，可達(dá)56GHz以上。

Pipeline ADC： 管道型ADC研發(fā)難度最高，速度通常不超過(guò)10GHz，精度可達(dá)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(guò)18位。

Sigma-Delta ADC： Sigma-Delta ADC具有最高的精度，可達(dá)24位，但通常速度僅在1K~10M。

Figure5 ADC芯片類別

ADC芯片的下游應(yīng)用包括軍工、工業(yè)、消費(fèi)級(jí)等，不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)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(yīng)用場(chǎng)景

（4）AD/DA芯片市場(chǎng)情況

市場(chǎng)規(guī)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(jù)智研咨詢數(shù)據(jù)，2019年ADC、DAC芯片全球市場(chǎng)規(guī)模為31.55億美元。根據(jù)Statistica，2021年全球ADC芯片的市場(chǎng)規(guī)模約為27.5億美元，2027年全球ADC芯片的市場(chǎng)規(guī)模約為40.9億美元。

Figure7 全球ADC芯片市場(chǎng)規(guī)模（億美元）

競(jìng)爭(zhēng)格局： 從全球競(jìng)爭(zhēng)格局來(lái)看，ADI在AD/DA領(lǐng)域擁有最高的市場(chǎng)份額，美國(guó)在該領(lǐng)域擁有*的壟斷力，前5大公司均為美國(guó)公司。

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Figure8 全球AD/DA芯片市場(chǎng)份額

應(yīng)用場(chǎng)景：AD/DA芯片廣泛覆蓋消費(fèi)、

工業(yè)、通訊和軍工等應(yīng)用場(chǎng)景

從全球AD/DA芯片的下游應(yīng)用占比來(lái)看，通訊和工業(yè)/醫(yī)療是最大的應(yīng)用市場(chǎng)，占比達(dá)到35%和31%，消費(fèi)和汽車市場(chǎng)緊隨其后，均占據(jù)12%的份額。

Figure9 AD/DA芯片下游應(yīng)用占比

接下來(lái)，我們將分別介紹AD/DA在這些場(chǎng)景中的應(yīng)用，以讓大家對(duì)AD/DA的作用有更直觀的感受。

（1）消費(fèi)類：主要應(yīng)用于手環(huán)手表、TWS耳機(jī)和手機(jī)/平板

在消費(fèi)類應(yīng)用場(chǎng)景中，主要會(huì)用到ADC芯片，對(duì)采樣速度的要求較低，但對(duì)精度的要求較高。據(jù)測(cè)算，我國(guó)消費(fèi)類場(chǎng)景的AD/DA芯片（主要是ADC）市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)50億元人民幣，且隨著手環(huán)手表、TWS耳機(jī)等消費(fèi)電子的興起，該塊市場(chǎng)需求強(qiáng)勁，是現(xiàn)金流較為穩(wěn)定的市場(chǎng)。

手環(huán)手表： ADC芯片主要用于測(cè)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(duì)采樣速度要求低。

TWS耳機(jī)： ADC芯片主要用于入耳檢測(cè)功能，高端耳機(jī)的降噪功能也會(huì)用到ADC。入耳檢測(cè)有SAR和光感兩種方案，精度在12-16Bit左右。

手機(jī)/平板： ADC芯片主要用于屏幕亮度調(diào)節(jié)和輻射調(diào)節(jié)。銷售到歐美的手機(jī)需要標(biāo)配SAR芯片（輻射調(diào)節(jié)），手機(jī)也是消費(fèi)級(jí)最主要的應(yīng)用場(chǎng)景。

Figure10 消費(fèi)類應(yīng)用場(chǎng)景

（2）工業(yè)類：電力線監(jiān)控、機(jī)器人手臂控制等場(chǎng)景都會(huì)用到AD/DA

工業(yè)類的AD/DA在不同的具體應(yīng)用中，對(duì)采樣速度和精度的要求差異較大，但總體而言，工業(yè)類AD/DA追求在一定采樣速度下的高精度。比如電力線監(jiān)控，屬于低速高精度的ADC應(yīng)用；機(jī)器人手臂控制：屬于SAR ADC，能夠及時(shí)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(chǎn)品也只到2.5M，進(jìn)入門檻相對(duì)較低。在工業(yè)中可以用于廠房的過(guò)程控制、高端電子秤等，在醫(yī)療中可以用于X光射線采樣、心電檢測(cè)等。

Figure11 工業(yè)類應(yīng)用場(chǎng)景

（3）汽車類：主要應(yīng)用于音頻系統(tǒng)和新能源汽車的電池管理

在汽車領(lǐng)域，ADC主要應(yīng)用于汽車的音頻系統(tǒng)和新能源汽車的電池管理。新能源車內(nèi)部的BMS系統(tǒng)（電池管理系統(tǒng)）會(huì)用到SAR的ADC產(chǎn)品，隨著新能源汽車銷量的井噴，汽車用ADC的需求量會(huì)持續(xù)增加。

（4）軍工類：主要應(yīng)用于雷達(dá)等軍工設(shè)備

軍工武器裝需要用到高速度ADC，對(duì)ADC的速度要求通常在250M以上，對(duì)精度的要求也較高。

雷達(dá)是軍工領(lǐng)域AD/DA應(yīng)用的主要場(chǎng)景，其對(duì)ADC的技術(shù)要求極高，需要2.5G/12Bit的性能。目前該領(lǐng)域AD/DA被國(guó)外廠商壟斷，且屬于禁運(yùn)范圍；雷達(dá)中1個(gè)通道需要1個(gè)AD/DA，而大型雷達(dá)有數(shù)萬(wàn)個(gè)通道，小型雷達(dá)也有幾千個(gè)，對(duì)應(yīng)平均幾千美金的單價(jià)，有較大的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。

（5）通訊類：主要應(yīng)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(gè)，每個(gè)基站都有AD/DA產(chǎn)品的需求。目前主流的供應(yīng)商就是ADI和TI，國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域比較*的是華為海思，但目前受到制裁困擾；中興也在嘗試做。

AD/DA芯片國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程如何？

《瓦森納協(xié)議》下，軍工、航空航天等場(chǎng)景中使用的部分高性能的AD/DA芯片被禁運(yùn)到中國(guó)。以相控陣?yán)走_(dá)為例，國(guó)內(nèi)相控陣?yán)走_(dá)中用的AD/DA芯片嚴(yán)重依賴國(guó)外技術(shù)，芯片被國(guó)外禁運(yùn)后，軍工實(shí)力勢(shì)必會(huì)受到影響。

Figure12 美國(guó)對(duì)中國(guó)禁運(yùn)的高速AD芯片技術(shù)范圍

國(guó)外在AD/DA領(lǐng)域?qū)χ袊?guó)的制裁，一方面凸顯了AD/DA兵家必爭(zhēng)之地的地位，另一方面也體現(xiàn)出其制造壁壘之高。那么，為什么國(guó)產(chǎn)AD/DA芯片那么難造？我們認(rèn)為主要有來(lái)自技術(shù)和人才的兩方面壁壘：

技術(shù)壁壘： 軍工類、通訊類AD/DA芯片對(duì)于采樣速度的要求很高，高速度AD/DA的難度更高，技術(shù)基本被美國(guó)把控。常用的工業(yè)類AD.DA芯片對(duì)于速度沒(méi)有軍工與通訊的高要求，但追求在較高速度下的精度；ADI業(yè)界最先進(jìn)的工業(yè)類芯片在65MHz的速度下可以實(shí)現(xiàn)20bit精度，典型的Pipeline ADC可以實(shí)現(xiàn)14位/2.4GHz。

人才壁壘： AD/DA領(lǐng)域?qū)儆谀M芯片中最難的部分，對(duì)于核心設(shè)計(jì)人員的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)要求極高，國(guó)內(nèi)具有高速高精度AD/DA研發(fā)能力的科學(xué)家屈指可數(shù)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)可能不超過(guò)10個(gè)人真正具備高速高精度AD/DA的經(jīng)驗(yàn)。

國(guó)產(chǎn)高性能AD/DA芯片發(fā)展阻力較大，體現(xiàn)在高性能AD/DA芯片項(xiàng)目國(guó)內(nèi)落地很難，應(yīng)用門檻非常高。國(guó)內(nèi)高速高精度AD/DA在起步階段，這導(dǎo)致相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈配套很少，下游市場(chǎng)培育很困難。目前國(guó)產(chǎn)高性能AD/DA芯片的研發(fā)主要在科研院所內(nèi)部。華為海思曾經(jīng)具備工業(yè)級(jí)、通訊級(jí)高性能AD/DA的研發(fā)能力，擁有國(guó)內(nèi)研發(fā)實(shí)力最強(qiáng)的團(tuán)隊(duì)，但被美國(guó)制裁后，華為海思團(tuán)隊(duì)發(fā)展艱難。部分初創(chuàng)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(zhǎng)，很難養(yǎng)活團(tuán)隊(duì)，所以大部分切入到低速的消費(fèi)級(jí)領(lǐng)域，通過(guò)穩(wěn)定的現(xiàn)金流養(yǎng)活團(tuán)隊(duì)，再逐步切入高速AD/DA領(lǐng)域。

近年來(lái)，隨著國(guó)產(chǎn)替代浪潮的持續(xù)推進(jìn)，國(guó)內(nèi)也涌現(xiàn)出一些高水平創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)。這也得益于中美關(guān)系變化后，ADI、TI有部分華人團(tuán)隊(duì)離開(kāi)公司回國(guó)創(chuàng)業(yè)，國(guó)內(nèi)的模擬芯片領(lǐng)域的創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始出現(xiàn)，而作為模擬芯片領(lǐng)域珠穆朗瑪峰的AD/DA，該領(lǐng)域的相關(guān)公司也迎來(lái)了新的機(jī)會(huì)。

目前，國(guó)內(nèi)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(chǎng)的追捧，市場(chǎng)均給出了較高的估值水平。

圣邦微： 公司是國(guó)內(nèi)*的模擬芯片公司，其中電源管理產(chǎn)品和信號(hào)鏈產(chǎn)品占比約為7:3。公司具備高精度ADC能力，工業(yè)級(jí)AD/DA芯片已有量產(chǎn)。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(yè)務(wù)為信號(hào)鏈模擬芯片，營(yíng)收占比達(dá)97.92%。轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品（AD/DA芯片包含在其中）營(yíng)收占比為35.72%，公司的工業(yè)級(jí)AD/DA芯片目前在國(guó)內(nèi)*。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(yè)務(wù)為健康測(cè)量AIoT芯片、模擬信號(hào)鏈芯片和MCU芯片，占比分別為36.00%、34.26%和28.60%。在AD/DA領(lǐng)域，公司專注于高精度ADC、高可靠性MCU的設(shè)計(jì)研發(fā)。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(jié)

AD/DA國(guó)產(chǎn)替代加速推進(jìn)，值得布局

模擬芯片行業(yè)是一個(gè)長(zhǎng)坡厚雪的賽道，需要多年時(shí)間的技術(shù)積累進(jìn)行“滾雪球”。AD/DA作為模擬芯片的重要分支，是連接現(xiàn)實(shí)*和數(shù)字*的橋梁，技術(shù)門檻極高，價(jià)值含量極大。消費(fèi)領(lǐng)域的AD/DA芯片關(guān)乎我們?nèi)粘Ｉ睿娛?通訊領(lǐng)域的AD/DA芯片直接關(guān)乎到我國(guó)軍力，重要性不言而喻。

作為模擬芯片領(lǐng)域的珠穆朗瑪峰，AD/DA芯片的國(guó)產(chǎn)替代注定不易，目前AD/DA核心技術(shù)被美國(guó)的ADI、TI等模擬芯片巨頭所掌握，且對(duì)我國(guó)這一領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)行了技術(shù)和人才的雙重封鎖，目前國(guó)內(nèi)的高端AD/DA人才屈指可數(shù)。

對(duì)于AD/DA的國(guó)產(chǎn)替代，我們需要耐心，模擬領(lǐng)域本身就需要長(zhǎng)年的技術(shù)積累，趕超國(guó)外的步伐不是一蹴而就的。不過(guò)得益于這一輪國(guó)產(chǎn)化替代的熱潮以及中國(guó)龐大的市場(chǎng)規(guī)模，我們已經(jīng)看到一些初創(chuàng)AD/DA公司在消費(fèi)級(jí)領(lǐng)域取得突破，在細(xì)分市場(chǎng)可以達(dá)到與TI等國(guó)際巨頭同臺(tái)競(jìng)技，這已經(jīng)是非常難能可貴的成果。未來(lái)在軍事/通訊領(lǐng)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(kāi)花結(jié)果的那一天。

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