電子模擬產(chǎn)業(yè)國產(chǎn)替代 細分賽道帶來黃金發(fā)展期（1）
[導(dǎo)讀]?1、?模擬器件：連接現(xiàn)實與虛擬的關(guān)鍵紐帶1.1、什么是數(shù)字IC，什么是模擬IC？模擬信號是一切信息的源頭。我們生活的物理環(huán)境以模擬量為特征，即以連續(xù)方式變化而非離散的量，如溫度，位置，光強度，聲波，顏色，紋理等。這些物理量的測量是不受限（例如“開與關(guān)”，“小與大”，“黑色”）的...
?1、?模擬器件：連接現(xiàn)實與虛擬的關(guān)鍵紐帶
1.1、 什么是數(shù)字 IC，什么是模擬 IC？
模擬信號是一切信息的源頭。我們生活的物理環(huán)境以模擬量為特征，即以連續(xù)方式變化而非離散的量，如溫度，位置，光強度，聲波，顏色，紋理等。這些物理 量的測量是不受限（例如“開與關(guān)”，“小與大”，“黑色”）的漸變。當(dāng)我們使 用圖表直觀地表示這些模擬量的值時，曲線將變得平滑（最具代表性的就是正弦曲 線）。這些連續(xù)變化的模擬量構(gòu)成了真實世界，通過模擬信號的形式向外界傳遞信 息，用來處理模擬信號的集成電路就是模擬 IC。
數(shù)字信號是電子革命的關(guān)鍵。盡管現(xiàn)實世界是由豐富多彩的模擬信號組成，然 而經(jīng)驗證明，在電氣系統(tǒng)中，二值信號對信息的存儲、傳輸和處理帶來了極大的方 便及可延展性。所以在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，工程師采用邏輯高電壓與邏輯低電壓（接 地）來表示信號 1 和 0，從而將二進制的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換到電子系統(tǒng)當(dāng)中，這就是數(shù) 字信號。數(shù)字信號被廣泛的應(yīng)用與計算、存儲等領(lǐng)域，用于處理數(shù)字信號的集成電 路就是數(shù)字 IC。
集成電路 IC 由晶體管（包括二極管和三極管）及其他被動元件組成，通過微 縮化將復(fù)雜的功能壓縮到一個很小的物理區(qū)域中，通過集成的手段溝通微觀器件 與宏觀世界，極大的豐富了電子系統(tǒng)的便攜性及延展性。模擬電路和數(shù)字電路的 區(qū)別主要體現(xiàn)在電子設(shè)備內(nèi)部，也就是模擬 IC 與數(shù)字 IC 之間的晶體管區(qū)別上。
在模擬 IC 中，晶體管用于放大或產(chǎn)生連續(xù)變化的信號（偏置）。?當(dāng)我們給 晶體管偏置時，我們會創(chuàng)建電路條件，使其能夠正確響應(yīng)電壓的微小變化。能夠連續(xù)、準(zhǔn)確的反應(yīng)、放大模擬信號是模擬 IC 的主要關(guān)注點。模擬 IC 中的晶體管 可以是 BJT（雙極結(jié)型二極管），也可以是 MOSFET（金屬-氧化物場效應(yīng)晶體管）。
在數(shù)字 IC 中，輸入信號需要完全打開和關(guān)閉晶體管，只需要對外輸出邏輯高 低兩個值。由于需要頻繁的開閉，只有 MOSFET 能夠滿足這樣的性能，所以數(shù)字 IC 中一般不適用 BJT。通過復(fù)雜的 MOSFET 互聯(lián)，基于布爾邏輯的門電路可以組 成復(fù)雜的微處理器甚至通用計算處理器單元。
1.2、 模擬 IC：數(shù)字系統(tǒng)與現(xiàn)實世界間的橋梁
信號在電子系統(tǒng)中經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字再到模擬的過程，對應(yīng)的是信息的輸 入、處理和存儲、輸出三個環(huán)節(jié)。其中自然界的信號經(jīng)由傳感器和各類分立器件 轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺M）；而信號從輸入到處理再到輸出的中介，作為橋梁進行溝 通的功能則是由各類模擬器件（包括數(shù)?；旌想娐罚┩瓿?；最后模擬芯片處理轉(zhuǎn) 換后的數(shù)字信號，經(jīng)由數(shù)字 IC（處理器和存儲器等）完成最終的邏輯計算、存儲 等功能。
在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，下游產(chǎn)品可以分為 OSD（包括傳感器、分立器件、光電器 件等）以及集成電路 IC。數(shù)字 IC 主要處理數(shù)字信號，而模擬 IC 和傳感器等分立 器件則處理模擬信號，并與數(shù)字信號進行轉(zhuǎn)換。
數(shù)字 IC 是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的核心，模擬 IC 是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基石，也是聯(lián)系真實 世界與電子系統(tǒng)的紐帶。由于需要處理的信號種類不同，我們可以看到，模擬 IC 在產(chǎn)品生命周期、生產(chǎn)工藝、設(shè)計門檻以及相關(guān)輔助工具上，都與數(shù)字 IC 之間有 較大的區(qū)別。
產(chǎn)品生命周期長，迭代慢。數(shù)字 IC 強調(diào)運算速度與成本比，摩爾定律的 核心就是設(shè)計者們追求更高性價比的運算速率，故新工藝、新算法層出 不窮，生命周期只有 1-2 年；模擬 IC 與之相反，強調(diào)的是高信噪比、低失真、低功耗及穩(wěn)定性，所以產(chǎn)品一經(jīng)推出，往往具備較長久的生命力， 迭代周期較長，而價格也會逐年降低。
生產(chǎn)工藝因需求不同而多樣化。CMOS 工藝由于發(fā)展完備，制程不斷縮 小成為數(shù)字 IC 采用的主流。但模擬 IC 由于往往需要高電壓、低失真、 高信噪比的需求，CMOS 工藝驅(qū)動能力較差，很難滿足模擬電路需求。
模擬 IC 早期使用 Bipolar 工藝，但是 Bipolar 工藝功耗大，因此又出現(xiàn) BiCMOS 工藝，結(jié)合了 Bipolar 工藝和 CMOS 工藝兩者的優(yōu)點。另外還 有 CD 工藝，將 CMOS 工藝和 DMOS 工藝結(jié)合在一起。而 BCD 工藝則 是結(jié)合了 Bipolar、CMOS、DMOS 三種工藝的優(yōu)點。在高頻領(lǐng)域還有 SiGe 和 GaAS 工藝。這些特殊工藝需要晶圓代工廠的配合，同時也需要 設(shè)計者加以熟悉，所以一般模擬 IC 廠大部分仍采用 IDM 模式。
與電子元器件關(guān)系緊密，設(shè)計匹配布局復(fù)雜。模擬 IC 的低噪聲、低失真 需求需要在設(shè)計布局中考慮結(jié)構(gòu)和元器件參數(shù)彼此的匹配模式，同時在 整個線性工作范圍內(nèi)需要具備良好的電流放大、頻率功率特性。常見的 阻容感元件都會產(chǎn)生失真，而在數(shù)字 IC 設(shè)計過程中，由于二值特性，則 不需要考慮相關(guān)影響。在高頻范圍內(nèi)，某些射頻 IC 的性能還與布線密切相關(guān)，所以模擬 IC 的設(shè)計者需要熟悉大部分的電子元器件特性，設(shè)計門 檻較高。
輔助工具少，經(jīng)驗知識要求高。由于模擬 IC 設(shè)計需要熟悉大部分的元器 件特性及不同的生產(chǎn)制造封裝工藝，這使得模擬 IC 從業(yè)者準(zhǔn)入門檻更 高，積累經(jīng)驗時間往往在 10 年以上。模擬 IC 在不同場景下的通用性往 往不強。牽涉性能指標(biāo)更多，穩(wěn)定性及認(rèn)證周期更廠，這導(dǎo)致可以借助 的 EDA 工具數(shù)量更少，對設(shè)計者的自身經(jīng)驗要求更高。所以在模擬 IC 行業(yè)中，豐富的設(shè)計經(jīng)驗（或者也叫 Know-how）更加重要。
1.3、 模擬芯片產(chǎn)品種類繁多、應(yīng)用豐富
結(jié)合電子系統(tǒng)示意圖表，根據(jù)功能的不同（傳輸弱電信號/強電能量），我們 一般可以把模擬器件大致分為信號鏈和電源鏈兩大類。信號鏈主要是指用于處理 信號的電路，而電源鏈主要用于管理電池與電能的電路。信號鏈主要包括比較器、 運算放大器 OPA、AD\DA、接口芯片等；電源鏈主要包括 PMIC、ADC、DAC、PWM、 LDO 穩(wěn)壓器和驅(qū)動 IC 等。在高頻信號部分，射頻器件由于技術(shù)迭代快、出貨量大 等，經(jīng)常被單獨分類討論。
按照下游產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域進行劃分，我們也可以將模擬 IC 產(chǎn)品分為通用標(biāo)準(zhǔn) 產(chǎn)品 SLIC 和專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品 ASSP。
其中 SLIC（Standard Linear IC）應(yīng)用于不同場景中，設(shè)計性能參數(shù)不會特 定適配于某類應(yīng)用，按產(chǎn)品類型一般包括五大類，信號鏈路的放大器 Amp、信號 轉(zhuǎn)換器 ADC/DAC、通用接口芯片、比較器，電源鏈路中的穩(wěn)壓器都屬于此類。產(chǎn) 品細分品類最多，生命周期最長，市場十分穩(wěn)定。
ASSP（Application Specific Standard Product）則根據(jù)專用的應(yīng)用場景進 行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，一般集成了數(shù)字以及模擬 IC，復(fù)雜度和集成程度更高，有的時候 也叫混合信號 IC。典型的 ASSP 產(chǎn)品包括手機中的射頻器件，交換機中物理層的 接口芯片，電池管理芯片以及工業(yè)功率控制芯片等等。ASSP 一般按照下游應(yīng)用場 景劃分為五大類，包括汽車電子、消費電子、計算機、通信以及工業(yè)市場，通常 由于針對特定場景進行開發(fā)，附加價值及毛利率較高。
2、 模擬市場：穩(wěn)定規(guī)模下的暗潮洶涌
2.1、 全球模擬 IC 市場：規(guī)模穩(wěn)定，21 年開啟高增長
復(fù)盤過去 15 年的半導(dǎo)體行業(yè)各個細分領(lǐng)域市場規(guī)模及增速，我們發(fā)現(xiàn)模擬 IC 市場規(guī)模穩(wěn)定，不受下游某些市場短期波動的影響，市場波動幅度較小。模擬芯片 也是全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的晴雨表，與宏觀經(jīng)濟變化密切相關(guān)，周期性變動相對較弱。
歷經(jīng)從 50 年代開始的不斷發(fā)展，模擬芯片已成為全球規(guī)模近 600 億美元的 產(chǎn)業(yè)。根據(jù) WSTS 及 Statista 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及預(yù)測，2020 年全球模擬 IC 市場規(guī)模達 到 557 億美元，同比 2019 年增長 3.3%，全年半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)規(guī)模為 4404 億美元， 模擬 IC 市場占比為 12.6%。
隨著全球疫情逐漸得到控制，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)也迎來復(fù)蘇， 其中 5G 通信、汽車電子等應(yīng)用場景將加速推動模擬 IC 市場發(fā)展，預(yù)計 2021 年 模擬芯片市場規(guī)模可以達到 640 億美元，同比增長 15.1%，高于半導(dǎo)體行業(yè)整體 增速。考慮模擬芯片賽道發(fā)展穩(wěn)定，受下游景氣度影響較小的特點，未來將成為 半導(dǎo)體行業(yè)的細分黃金賽道。
根據(jù) IC Insights 預(yù)測，未來五年（20-25 年）整個集成電路行業(yè)增速受到下 游汽車電子、5G 通信的應(yīng)用場景的帶動作用，銷售額復(fù)合增速將達到 8.0%，高于半導(dǎo)體行業(yè)整體增速；其中模擬、邏輯和存儲 IC 市場增速將分別達到 8.2%、 9.1%和 9.9%，是集成電路細分市場中復(fù)合增速最快的三個賽道。
模擬 IC 的下游應(yīng)用場景包括通信、工業(yè)控制、汽車電子、消費類和政府軍事 等用途，其中最大的下游應(yīng)用是通信類市場，典型產(chǎn)品如基站信號鏈、射頻 IC 等 等，2020 年占比份額達到 36.5%。汽車電子近五年（16-20 年）受益于新能源車 的下游需求發(fā)展，增長最為迅猛，已經(jīng)成為下游第二大應(yīng)用場景，市場份額占比 達到 24.0%。
中國已成世界最大模擬 IC 市場，自給率仍然偏低，替代空間巨大。根據(jù) IDC 數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2020 年亞洲模擬 IC 市場銷售額占比已經(jīng)接近全球的 70%，其中中國 大陸市場占比達到 36%。按照 557 億美元全球規(guī)模測算，中國模擬 IC 市場規(guī)模 已經(jīng)達到 200 億美金。盡管近些年大量人才回流，本土模擬 IC 廠商陸續(xù)崛起，部 分高端產(chǎn)品領(lǐng)域甚至超過世界先進水平，但是目前國產(chǎn)模擬廠商銷售規(guī)模只有 25 億美金左右，自給率僅為 12%，未來尚存較大國產(chǎn)替代空間。
2.2、 競爭格局：穩(wěn)定市場規(guī)模下的暗潮洶涌
產(chǎn)品種類繁多，細分市場復(fù)雜。按照產(chǎn)品類別進行分類，模擬 IC 市場可以分 為信號鏈及電源鏈兩大類，并且可以進一步劃分為通用產(chǎn)品以及專用標(biāo)準(zhǔn)品兩大 類。依據(jù) Oppenheimer 的統(tǒng)計，2020 年全部模擬 IC 市場中，信號鏈產(chǎn)品占比約 為 47%，電源鏈產(chǎn)品占比達到 53%。
信號鏈：專用產(chǎn)品居多，射頻 IC 占比最大。在信號鏈產(chǎn)品中，ASSP 專用品 主要由射頻 IC 和音視頻驅(qū)動 IC 構(gòu)成，針對通信、消費等場景定制化設(shè)計開發(fā)模 組及分立器件，占比達到 30.9%。而在通用產(chǎn)品上，信號鏈主要則包括通用放大 器 OPA、轉(zhuǎn)換芯片 ADC 及 DAC 以及各類接口芯片等。
電源鏈：通用專用占比近似，整體規(guī)模增速快于信號鏈。在電源鏈產(chǎn)品中， 通用電源管理產(chǎn)品包括各類 LDO 穩(wěn)壓器、DCDC 轉(zhuǎn)換器等，適用于各類電源管理 場景的電壓轉(zhuǎn)換，占比達到 29%；而專用電源管理芯片則包括電池管理芯片、計 算機監(jiān)控電路和功率、LED 驅(qū)動 IC 等等，針對具體場景的高壓電路進行特質(zhì)化設(shè) 計，規(guī)模占比達到 24%。
市場格局分散，TI 領(lǐng)銜“一超多強“格局。德州儀器 TI 作為發(fā)明集成電路概 念的廠商，2020 年模擬業(yè)務(wù)收入達到 109 億美元，在整體市場跌幅較大前提下銷 售額穩(wěn)定增長，市占率達到 19%，是當(dāng)之無愧的模擬芯片龍頭廠商。過去 30 年 間，TI 維持信號鏈產(chǎn)品競爭力，大力布局電源管理類產(chǎn)品，各類模擬芯片類別超 過 14 萬鐘，毛利率穩(wěn)定在 60%以上。不斷整合并購帶來的廣泛產(chǎn)品線，自建 IDM 迅速匹配下游特定場景進行快速設(shè)計應(yīng)用的能力，是德州儀器持續(xù)引領(lǐng)模擬行業(yè) 發(fā)展，形成“一超多強”格局的關(guān)鍵。
模擬 IC 市場發(fā)展超過 50 年，產(chǎn)品迭代較慢、生命周期長，路徑依賴特征不 強，需要長期積累經(jīng)驗，且下游應(yīng)用場景紛繁復(fù)雜，難以形成壟斷，全球模擬芯 片 Top 10 廠商合計市占率一直維持在 55%-60%左右，除部分外圍廠商占據(jù)特定 市場之外，頭部廠商格局穩(wěn)定，在各自擅長的信號鏈及電源領(lǐng)域和細分市場中， 擁有自己擅長的模擬產(chǎn)品。2015 年至今，模擬市場以 TI 為首，ADI 憑借領(lǐng)先的信 號鏈能力緊隨其后，英飛凌、ST、Sky、NXP 等公司各自在功率器件、射頻產(chǎn)品 市場中擁有一席之地，形成穩(wěn)定的“一超多強”格局。穩(wěn)定市場格局，并購暗潮洶涌，集中化趨勢凸顯。
90 年代之前，整個模擬芯片行業(yè)以信號鏈芯片為主，下游應(yīng)用多為通信及工 業(yè)類場景，日本的東芝、松下、日立，美國的 TI、國家半導(dǎo)體、摩托羅拉，歐洲 的飛利浦、西門子等公司基于各自的技術(shù)特點及主要客戶需求占領(lǐng)細分市場，行 業(yè)格局及其分散，頭部前十名廠商市場份額基本相同，排名第一的國家半導(dǎo)體僅 占據(jù)市場 7%的份額。
1996-2000 年，TI 乘電源管理發(fā)展東風(fēng)，轉(zhuǎn)型大力發(fā)展模擬芯片業(yè)務(wù)，陸續(xù) 收購 Silicon Systems、Unitrode、Power Trends 以及 Burr-Brown，2005 年市 場份額躍居第一；到了 2011 年，TI 為了進一步擴大其在模擬領(lǐng)域中的地位，又 斥資 65 億美元收購 1995 年排名第三美國國家半導(dǎo)體（National），此番收購后， TI 在通用模擬器件的市場份額達到 17%，大大超越后面的競爭對手，奠定了如今 他們在模擬芯片市場中不可撼動的地位。
2005-2015 十年間，市場格局相對比較穩(wěn)定，頭部前十廠商由 TI 獨領(lǐng)風(fēng)騷， 但并購傳言四起，格局暗流涌動。2015 年，ADI 收購排名第七的 Linear 公司，一 舉超越英飛凌成為僅次于 TI 的第二大模擬廠商，市占率達到 6%，并憑借累計的 信號鏈技術(shù)能力對 TI 的統(tǒng)治發(fā)起沖擊；2020 年，ADI 再次斥資 210 億美元收購 排名第七的美信，彌補電源鏈芯片方面技術(shù)能力的不足，市占率突破 10%。
除此外，2015-2021 年期間，其他頭部廠商同樣通過并購繼續(xù)擴張在模擬各 個下游領(lǐng)域的影響力。英飛凌以 90 億美元收購賽普拉斯，拓展汽車芯片產(chǎn)品類別；瑞薩電子陸續(xù)收購了 intersill、IDT 以及 Dialog，不斷拓展混合信號、功率半導(dǎo)體 以及傳感器處理 IC 等產(chǎn)品市場，打入通信、汽車、工業(yè)等新領(lǐng)域。
即使前十大廠商之間的并購比較罕見，TI 及 ADI 的領(lǐng)先地位穩(wěn)固，然而模擬 市場天生重經(jīng)驗，輕路徑依賴，人才至上的特點決定了其并購發(fā)展的重要性，頭 部廠商借助規(guī)模及利潤優(yōu)勢，憑借收購不斷拓展產(chǎn)品和技術(shù)邊界，搶占新興下游 專用市場。2019 年，前十大廠商份額合計首次突破 60%，達到 67%，而隨著疫 情的進一步影響，模擬市場非頭部公司處境較差，20 年下半年開始的晶圓產(chǎn)能缺 貨問題又將進一步壓縮沒有 IDM 廠房的模擬廠商份額，預(yù)計未來整體模擬市場格 局將進一步集中化，頭部廠商不斷收購整合其他廠商剝離的模擬類業(yè)務(wù)，快速發(fā) 展壯大。（未完待續(xù)）
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