El chip AD/DA: el Everest en el campo de los chips analógicos.
【Introducción】En comparación con los chips digitales, los chips analógicos han recibido una atención relativamente limitada, pero los chips analógicos son una rama muy importante en los circuitos integrados. Los chips AD/DA son una rama importante de los chips analógicos y tienenAlto umbral técnico y gran valorDebido a otras características, la tecnología central ha estado monopolizada por países extranjeros durante mucho tiempo. Este artículo analiza primero el mercado de chips analógicos, luego realiza una exploración exhaustiva de los chips AD/DA, incluyendo su definición, categorías, mercados, aplicaciones, etc., y finalmente explora el proceso de localización de los chips AD/DA en mi país.Creemos que, como uno de los varios chips de gama alta de propósito general, AD/DA tiene un amplio margen de desarrollo y una posición estratégica significativa, y merece ser tenido en cuenta por la industria y los círculos de inversión.
El chip analógico es una pista con pendientes largas y nieve espesa.
Al hablar de semiconductores, lo primero que viene a la mente son componentes clave como las CPU y las memorias. Todos estos chips pertenecen a la categoría de chips digitales. Además de los chips digitales, existe otro ámbito importante en el campo de los semiconductores: los chips analógicos, que han tenido un impacto significativo en el desarrollo y la evolución de la tecnología. En este capítulo, analizaremos primero la industria de los chips analógicos.
(1) ¿Qué es un chip analógico?
La mayoría de las señales en nuestra vida diaria son analógicas, como el sonido, la luz, la temperatura, etc. Los chips digitales no pueden procesar directamente estas señales, sino que requieren el procesamiento previo de chips analógicos. Por lo tanto, los circuitos integrados analógicos se refieren principalmente a circuitos integrados que incorporan circuitos analógicos compuestos por resistencias, condensadores, transistores, etc., para procesar señales analógicas funcionales continuas (como sonido, luz, temperatura, etc.).
(2) Tamaño del mercado de chips analógicos
Desde la perspectiva del tamaño del mercado, el mercado global de chips analógicos en 2021 alcanzó aproximadamente los 61.2 millones de dólares estadounidenses. El mercado chino de chips analógicos en 2021 alcanzó aproximadamente los 223.4 millones de yuanes. Se prevé que el mercado alcance los 261.8 millones de yuanes en 2024. El mercado chino de chips analógicos representa más del 50% del mercado mundial.
Figura 1. Tamaño del mercado de chips analógicos.
(3) Comparación entre chips analógicos y chips digitales
Idea principal 1: Los chips analógicos pueden abarcar un ciclo tecnológico más largo.
Chip digital: Los chips digitales presentan características típicas de dependencia de la trayectoria. A medida que los procesadores evolucionan desde la arquitectura x86 en la era de las PC, pasando por ARM en la era de los terminales móviles y el IoT, hasta llegar a los chips de IA actuales, las ventajas competitivas de los chips se limitan a sus respectivos ciclos tecnológicos a corto plazo. Los chips digitales priorizan la relación entre velocidad de procesamiento y costo, mientras que la Ley de Moore en la fabricación de chips limita las iteraciones de productos de los fabricantes de diseño de chips digitales.
Chip analógico: Los chips analógicos no se utilizan directamente para la implementación de algoritmos. Logran una evolución estable de las tecnologías basándose en parámetros de circuito relativamente fijos, como voltaje, corriente, potencia, consumo de energía y precisión, y no están sujetos a los ciclos tecnológicos. Los chips analógicos no se rigen por la Ley de Moore. Además de objetivos como el tamaño y el consumo de energía, buscan un equilibrio entre una alta relación señal-ruido, baja distorsión y alta fiabilidad.
Segundo punto clave: Los chips analógicos requieren un equipo técnico más experimentado.
Chip digital:El diseño y la producción de chips digitales se asemejan cada vez más a las operaciones de una línea de ensamblaje. Gracias a la riqueza de módulos de diseño, la eficiente simulación mediante software EDA y las plataformas de proceso estandarizadas, el diseño de un chip de alto rendimiento computacional puede completarse en poco tiempo. El desarrollo de herramientas EDA ha aportado innovación a toda la arquitectura de diseño del núcleo IP subyacente.
Chip analógico:Las herramientas EDA solo desempeñan un papel muy limitado en el diseño y la simulación de chips analógicos. Estos chips requieren que los diseñadores tengan amplia experiencia y una comunicación y cooperación estrechas entre los ingenieros de diseño y los ingenieros de procesos. Las empresas de chips analógicos no necesitan mucho personal técnico, sino, sobre todo, la capacidad de competir por sí solas, por lo que el nivel del fundador es crucial. Empresas nacionales como Zhuoshengwei y Seripu comenzaron con un equipo de apenas una docena de personas y alcanzaron un valor de mercado de decenas de miles de millones.
Tercera conclusión principal: Las empresas de chips analógicos tienen una mayor rentabilidad, un rendimiento más estable y valoraciones más altas.
En los últimos 20 años, han surgido en todo el mundo gigantes de los chips analógicos como Texas Instruments (TI) y Analog Devices (ADI), así como gigantes de los chips digitales como Intel y AMD. Al comparar la rentabilidad histórica de estas empresas, se observa que los fabricantes de chips analógicos también presentan altos márgenes de beneficio bruto y neto, y son más resistentes a los ciclos económicos que los fabricantes de chips digitales.
Figura 2. Comparación del margen de beneficio bruto y el margen de beneficio neto de las empresas de chips analógicos/digitales.
El chip analógico es unFuertes nevadas en largas pendientes.Este sector presenta barreras tecnológicas y de talento extremadamente altas, por lo que la valoración que se otorga a las empresas de chips analógicos, tanto a nivel nacional como internacional, es generalmente superior a la de las empresas de chips digitales.
Figura 3. Comparación de los niveles de valoración de las empresas de chips analógicos/digitales.
Los chips AD/DA son el puente entre el mundo real y el mundo digital.
(1) ¿Qué es un chip AD/DA?
El chip AD/DA realiza principalmente la conversión entre señales analógicas (temperatura, presión, caudal, velocidad, intensidad luminosa) y señales digitales (voltaje, corriente, etc.). El chip AD (ADC) se utiliza para convertir señales analógicas en digitales, y el chip DA (DAC) se utiliza para convertir señales digitales en analógicas.
En una cadena de señal completa, el sensor capta señales naturales del mundo real, como ondas electromagnéticas, sonidos, imágenes, temperatura, señales luminosas, etc., y las convierte en señales eléctricas simuladas. A continuación, el amplificador amplifica la señal analógica y el convertidor analógico-digital (ADC) la convierte en una señal digital. Una vez procesada la señal digital por un microcontrolador (MCU), una CPU o un procesador de señal digital (DSP), se restaura a una señal analógica mediante el convertidor digital-analógico (DAC) y se emite al mundo real a través de dispositivos de salida como altavoces, motores y LED.
Figura 4. Cómo funciona el sistema de cadena de señales.
(2) Indicadores de rendimiento de los chips AD/DA
Los principales indicadores de rendimiento de los chips AD/DA incluyen la velocidad y la precisión del muestreo, y otros indicadores incluyen el consumo de energía, la tasa de conversión, la relación señal/ruido, el error, etc.
Velocidad de muestreo:Medido en muestras por segundo (SPS), representa el ancho de banda de la señal analógica que el convertidor analógico-digital (ADC) puede procesar. Los convertidores AD/DA de alta velocidad pueden analizar señales de mayor frecuencia.
Precisión:Medida en bits, se utiliza para representar la diferencia entre la señal digital convertida y la señal analógica original. Cuanto mayor sea el número de bits, mayor será la precisión del chip AD/DA.
(3) Categorías de chips ADC
Según las diferentes velocidades de muestreo y precisión, los chips ADC se pueden dividir en los siguientes cuatro tipos:
ADC flash:Los convertidores analógico-digitales (ADC) flash suelen tener una precisión de no más de 8 bits, pero ofrecen la mayor velocidad y pueden alcanzar más de 56 GHz.
ADC de tubería:El convertidor analógico-digital (ADC) de tipo pipeline es el más difícil de desarrollar, su velocidad generalmente no supera los 10 GHz y su precisión puede alcanzar los 14-16 bits.
ADC SAR:La velocidad del convertidor analógico-digital de aproximación sucesiva (SAR) es de aproximadamente 100 MHz, pero la precisión puede superar los 18 bits.
ADC Sigma-Delta:El convertidor analógico-digital sigma-delta ofrece la mayor precisión, hasta 24 bits, pero normalmente su velocidad es de tan solo 1K~10M.
Figura 5. Categoría de chip ADC
Las aplicaciones posteriores de los chips ADC incluyen sectores militar, industrial, de consumo, etc. Los diferentes escenarios de aplicación tienen diferentes requisitos de rendimiento en cuanto a velocidad y precisión de muestreo.
Figura 6. Los diferentes tipos de convertidores analógico-digitales (ADC) tienen diferentes escenarios de aplicación.
(4) Situación del mercado de chips AD/DA
Tamaño de mercado:Los chips AD/DA se dividen en chips ADC y chips DAC, siendo los chips ADC los que representan la mayor proporción. Según datos de Zhiyan Consulting, el mercado global de chips ADC y DAC alcanzó los 3.155 millones de dólares en 2019. Según Statista, el mercado global de chips ADC en 2021 se estima en aproximadamente 2.75 millones de dólares, y en 2027, en aproximadamente 4.09 millones de dólares.
Figura 7. Tamaño del mercado global de chips ADC (en miles de millones de dólares).
Panorama competitivo:Desde la perspectiva de la competencia global, ADI tiene la mayor cuota de mercado en el sector de la conversión digital-analógica (AD/DA), y Estados Unidos ostenta un monopolio absoluto en este campo. Las cinco empresas líderes son todas estadounidenses.
Figura 8. Cuota de mercado global de chips AD/DA.
Escenarios de aplicación: Los chips AD/DA cubren ampliamente el consumo,
Escenarios de aplicación como la industria, las comunicaciones y la industria militar.
A juzgar por la proporción de aplicaciones posteriores de los chips AD/DA globales, las comunicaciones y los sectores industrial/médico son los mercados de aplicación más grandes, representando el 35% y el 31%, respectivamente, seguidos por los mercados de consumo y automoción, que representan ambos el 12%.
Figura 9. Proporción de aplicaciones posteriores del chip AD/DA.
A continuación, presentaremos la aplicación de AD/DA en estos escenarios respectivamente, para que todos puedan tener una idea más intuitiva del papel que desempeñan AD/DA.
(1) Categoría de consumo: Se utiliza principalmente en pulseras, relojes, auriculares TWS y teléfonos móviles/tabletas.
En aplicaciones de consumo, se utilizan principalmente chips ADC, que requieren menor velocidad de muestreo pero mayor precisión. Según las estimaciones, el mercado de chips AD/DA (principalmente ADC) en el sector de consumo de mi país supera los 5 mil millones de yuanes. Con el auge de la electrónica de consumo, como pulseras, relojes y auriculares TWS, este mercado presenta una fuerte demanda y un flujo de caja relativamente estable.
Reloj de pulsera:Los chips ADC se utilizan principalmente para medir la frecuencia cardíaca, el ECG y la saturación de oxígeno en sangre. Los requisitos de precisión son altos, generalmente de 16 a 24 bits. Dado que la adquisición de la frecuencia cardíaca no requiere una alta frecuencia, los requisitos de velocidad de muestreo son bajos.
Auriculares TWS:El chip ADC se utiliza principalmente para la detección de uso en el oído, y la función de reducción de ruido de los auriculares de gama alta también utiliza ADC. Existen dos soluciones para la detección de uso en el oído: SAR y detección de luz, con una precisión de entre 12 y 16 bits.
Teléfono móvil/tableta:Los chips ADC se utilizan principalmente para ajustar el brillo de la pantalla y la radiación. Los teléfonos móviles vendidos en Europa y Estados Unidos deben estar equipados de serie con chips SAR (regulación de radiación), y los teléfonos móviles constituyen el escenario de aplicación más importante para el consumidor.
Figura 10. Escenario de aplicación para el consumidor.
(2) Industrial: AD/DA se utilizará en escenarios como monitoreo de líneas eléctricas y control de brazos robóticos.
Los sistemas AD/DA industriales tienen requisitos muy diferentes en cuanto a velocidad de muestreo y precisión en distintas aplicaciones específicas, pero en general, los sistemas AD/DA industriales buscan una alta precisión a una determinada velocidad de muestreo. Por ejemplo:Monitoreo de líneas eléctricas, que es una aplicación de convertidor analógico-digital (ADC) de baja velocidad y alta precisión;Control del brazo robótico:Se trata de un convertidor analógico-digital SAR que puede muestrear en el tiempo con una frecuencia de entre 1K y 10M.
También existe un tipo de convertidor analógico-digital (ADC) sigma-delta. La precisión de este tipo de ADC es de 16 a 24 bits, pero su velocidad suele ser de solo unos pocos Hz a unos pocos K. El producto ADI más rápido alcanza los 2.5 M, y su precio es relativamente bajo. En la industria, se utiliza para el control de procesos en fábricas, básculas electrónicas de alta gama, etc., y en medicina, para la toma de muestras de rayos X, la detección de ECG, etc.
Figura 11. Escenario de aplicación industrial.
(3) Automotriz: Se utiliza principalmente en sistemas de audio y gestión de baterías de vehículos de nueva energía.
En el sector automotriz, los convertidores analógico-digitales (ADC) se utilizan principalmente en sistemas de audio y gestión de baterías para vehículos de nueva energía. El sistema de gestión de baterías (BMS) de estos vehículos utilizará los ADC de SAR. A medida que las ventas de vehículos de nueva energía se disparan, la demanda de ADC para el sector automotriz seguirá aumentando.
(4) Industria militar: se utiliza principalmente en radares y otros equipos militares.
Las armas y equipos militares requieren el uso de convertidores analógico-digitales (ADC) de alta velocidad. Los requisitos de velocidad para los ADC suelen superar los 250 MHz, y los requisitos de precisión también son elevados.
El radar es el principal escenario de aplicación de los convertidores analógico-digitales (AD/DA) en la industria militar. Presenta requisitos técnicos extremadamente altos para estos convertidores y exige un rendimiento de 2.5 Gbps/12 bits. Actualmente, el mercado de AD/DA en este sector está monopolizado por fabricantes extranjeros y se encuentra sujeto a embargo. Un canal de radar requiere un convertidor AD/DA, mientras que los radares de gran tamaño cuentan con decenas de miles de canales, y los radares pequeños también con miles. Esto se traduce en un precio unitario promedio de varios miles de dólares estadounidenses, lo que representa un gran potencial de mercado.
(5) Comunicación: Se utiliza principalmente en estaciones base y comunicaciones ópticas.
Las estaciones base 5G necesitan integrar convertidores AD/DA de alta velocidad. Actualmente, existen estaciones base 5G cada pocos cientos de metros, y cada una requiere productos AD/DA. Los principales proveedores actuales son ADI y TI. El líder nacional en este campo es Huawei HiSilicon, pero actualmente se enfrenta a problemas debido a las sanciones; ZTE también está intentando incursionar en este sector.
¿Cómo es el proceso de localización de los chips AD/DA?
En virtud del Acuerdo de Wassenaar, algunos chips AD/DA de alto rendimiento utilizados en los sectores militar, aeroespacial y otros están sujetos a un embargo para China. Tomemos como ejemplo el radar de matriz en fase. Los chips AD/DA empleados en los radares de matriz en fase nacionales dependen en gran medida de tecnología extranjera. Tras el embargo a otros países, la capacidad de la industria militar china se verá inevitablemente afectada.
Figura 12 Alcance de la tecnología de chips AD de alta velocidad embargada por Estados Unidos a China
Las sanciones extranjeras contra China en el campo de la defensa aérea y digital no solo ponen de manifiesto la importancia de este sector como campo de batalla para los estrategas militares, sino que también reflejan sus elevadas barreras de fabricación. Entonces, ¿por qué es tan difícil fabricar chips de defensa aérea y digital a nivel nacional? Creemos que existen dos barreras principales: la tecnología y el talento.
Barreras técnicas:Los chips AD/DA militares y de comunicaciones tienen requisitos muy exigentes en cuanto a velocidad de muestreo. La generación de AD/DA de alta velocidad es más compleja y su tecnología está controlada principalmente por Estados Unidos. Los chips AD/DA industriales de uso común no tienen los requisitos de alta velocidad de la industria militar y de comunicaciones, pero buscan la máxima precisión a velocidades superiores. Los chips industriales más avanzados del sector AD/DA pueden alcanzar una precisión de 20 bits a una velocidad de 65 MHz, y un convertidor analógico-digital (ADC) típico de arquitectura Pipeline puede alcanzar los 14 bits a 2.4 GHz.
Barreras de talento:El campo de la conversión analógica-digital (AD/DA) es la parte más compleja de los chips analógicos. Requiere una experiencia en I+D extremadamente alta por parte de los diseñadores principales. Solo un puñado de científicos nacionales poseen capacidades de I+D en AD/DA de alta velocidad y precisión. Según estadísticas incompletas, es posible que no haya más de 10 personas con experiencia real en AD/DA de alta velocidad y precisión.
Existe una gran resistencia al desarrollo de chips AD/DA de alto rendimiento de fabricación nacional, lo que se refleja en la dificultad de implementar proyectos de chips AD/DA de alto rendimiento en China y en el elevado umbral de aplicación.El desarrollo de chips AD/DA de alta velocidad y precisión a nivel nacional se encuentra en sus inicios, lo que se traduce en una escasez de infraestructura de apoyo para la cadena de valor y dificultades para impulsar el mercado. Actualmente, la investigación y el desarrollo de chips AD/DA de alto rendimiento se concentran principalmente en institutos de investigación científica. Huawei HiSilicon llegó a contar con la capacidad de I+D para chips AD/DA de alto rendimiento de grado industrial y de comunicaciones, y poseía el equipo de I+D más sólido del país. Sin embargo, tras las sanciones impuestas por Estados Unidos, el desarrollo del equipo de Huawei HiSilicon se vio obstaculizado. Algunas empresas emergentes se centraron inicialmente en la fabricación de chips AD/DA de alta velocidad y precisión, pero debido a la gran inversión de capital y al largo ciclo de vida, les resultó difícil mantener al equipo. Por lo tanto, la mayoría se adentró en el sector de consumo de baja velocidad, lo que les permitió financiar al equipo mediante un flujo de caja estable, para luego incursionar gradualmente en el sector de chips AD/DA de alta velocidad.
En los últimos años, a medida que avanza la ola de sustitución de productos nacionales, han surgido en el país algunos equipos empresariales de alto nivel.Esto también se debe a los cambios en las relaciones sino-estadounidenses. Algunos equipos chinos de ADI y TI abandonaron la empresa para regresar a China y emprender negocios. Comenzaron a surgir equipos emprendedores nacionales en el campo de los chips analógicos. Al igual que Everest AD/DA en este campo, las empresas relacionadas también vieron surgir nuevas oportunidades.
Actualmente, también existen algunas empresas nacionales que cotizan en bolsa y que se dedican principalmente a la producción de chips AD/DA, como Shengbang Micro, Seripu y Chipsea Technology. Estas empresas han gozado del favor del mercado de capitales, que les ha otorgado altas valoraciones.
Shengbangwei:La empresa es líder en China en la fabricación de chips analógicos, con una proporción aproximada de 7:3 entre productos de gestión de energía y productos de cadena de señal. Cuenta con capacidades de ADC de alta precisión y ha producido en masa chips AD/DA de grado industrial. Sus ingresos en 2020 ascendieron a 1.2 millones de yuanes.El valor de mercado actual es de 46.09 millones de yuanes, el PER (últimos doce meses) es de 137.50x y el P/S (últimos doce meses) es de 32.27x.
Sirip:La actividad principal de la empresa son los chips analógicos para cadenas de señal, que representan el 97.92 % de sus ingresos. Los convertidores (incluidos los chips AD/DA) representan el 35.72 % de los ingresos. Los chips AD/DA industriales de la empresa son actualmente líderes en el mercado nacional. Los ingresos de la empresa en 2020 fueron de 570 millones de yuanes.El valor de mercado actual es de 45.04 millones de yuanes, el PER (últimos doce meses) es de 156.34x y el P/S (últimos doce meses) es de 50.95x.
Tecnología Chipsea:Las principales líneas de negocio de la empresa son los chips AIoT para la medición de la salud, los chips de la cadena de señal analógica y los chips MCU, que representan el 36.00%, el 34.26% y el 28.60% respectivamente. En el ámbito de la conversión analógica-digital/digital-analógica (AD/DA), la empresa se centra en el diseño y desarrollo de convertidores analógico-digitales (ADC) de alta precisión y microcontroladores (MCU) de alta fiabilidad.Los ingresos de la compañía en 2020 fueron de 360 millones de yuanes. El valor de mercado actual es de 8.86 millones de yuanes, el PER (últimos doce meses) es de 54.05x y el P/S (últimos doce meses) es de 13.28x.
La sustitución nacional de AD/DA se está acelerando y merece la pena implementarla.
La industria de los chips analógicos es un camino con pendientes pronunciadas y nieve espesa, que requiere muchos años de acumulación tecnológica para alcanzar su máximo potencial. Como rama importante de los chips analógicos, los convertidores analógico-digitales (AD/DA) constituyen un puente entre el mundo real y el digital. El umbral técnico es extremadamente alto y su valor es inmenso. Los chips AD/DA en el ámbito del consumo están relacionados con nuestra vida cotidiana, mientras que en el ámbito militar/de comunicaciones están directamente vinculados con la capacidad militar de nuestro país. Su importancia es evidente.
Como el Everest en el campo de los chips analógicos, la sustitución nacional de chips AD/DA está destinada a ser difícil. Actualmente, la tecnología central de AD/DA está controlada por gigantes de los chips analógicos como ADI y TI en Estados Unidos, y el desarrollo de este campo en mi país se ha visto bloqueado por la falta de tecnología y talento. En la actualidad, solo existe un puñado de talentos nacionales altamente cualificados en AD/DA.
Para la sustitución nacional de convertidores analógico-digitales (AD/DA), debemos ser pacientes. El sector analógico requiere años de desarrollo tecnológico, y alcanzar a otros países no es algo que se logre de la noche a la mañana. Sin embargo, gracias a esta ola de localización y al enorme mercado chino, hemos visto cómo algunas empresas emergentes de AD/DA han logrado avances significativos en el sector de consumo y compiten con gigantes internacionales como Texas Instruments (TI) en ciertos segmentos del mercado. Esto ya representa un logro muy valioso. Aún queda camino por recorrer en el futuro para los chips AD/DA en el ámbito militar y de las comunicaciones, pero mientras existan las bases, podemos esperar con optimismo el día en que den sus frutos.
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