【Introduction】Comparativement aux puces numériques, les puces analogiques ont reçu une attention relativement limitée, bien qu'elles constituent un axe majeur des circuits intégrés. Les convertisseurs analogique-numérique (AD/DA) représentent une branche importante des puces analogiques et possèdentSeuil technique élevé et valeur importanteCompte tenu de ses caractéristiques et autres particularités, la technologie de base est monopolisée par l'étranger depuis longtemps. Cet article analyse d'abord le marché des puces analogiques, puis explore en détail les puces AD/DA, notamment leur définition, leurs catégories, leurs marchés et leurs applications. Enfin, il examine le processus de localisation de la technologie AD/DA en Chine.Nous pensons que, parmi les puces haut de gamme à usage général, l'AD/DA dispose d'un vaste potentiel de développement et d'une position stratégique importante, et qu'elle mérite l'attention des milieux industriels et des investisseurs.
La puce analogique est une piste avec de longues pentes et une neige épaisse
Lorsqu'on parle de semi-conducteurs, on pense immédiatement aux composants essentiels tels que les processeurs et les mémoires. Ces puces appartiennent à la catégorie des puces numériques. Outre les puces numériques, un autre domaine important des semi-conducteurs est celui des puces analogiques, qui ont joué un rôle majeur dans le développement et l'évolution des technologies. Ce chapitre se propose d'analyser l'industrie des puces analogiques.
(1) Qu'est-ce qu'une puce analogique ?
La plupart des signaux que nous percevons au quotidien sont des signaux analogiques, comme le son, la lumière, la température, etc. Les puces numériques ne peuvent pas traiter directement ces signaux ; ils doivent d’abord être traités par des puces analogiques. Par conséquent, les circuits intégrés analogiques désignent principalement les circuits intégrés qui intègrent des circuits analogiques composés de résistances, de condensateurs, de transistors, etc., afin de traiter des signaux analogiques fonctionnels continus (tels que le son, la lumière, la température, etc.).
(2) Taille du marché des puces analogiques
Du point de vue de la taille du marché, le marché mondial des puces analogiques représentait environ 61.2 milliards de dollars américains en 2021. Le marché chinois des puces analogiques, quant à lui, pesait environ 223.4 milliards de yuans en 2021 et devrait atteindre 261.8 milliards de yuans en 2024. La Chine représente alors plus de 50 % du marché mondial des puces analogiques.
Figure 1 Taille du marché des puces analogiques
(3) Comparaison entre les puces analogiques et les puces numériques
Point de vue principal 1 : Les puces analogiques peuvent couvrir un cycle technologique plus long
Puce numérique : Les puces numériques présentent des caractéristiques typiques de dépendance au chemin parcouru. Lorsque les processeurs passent de l'architecture x86 à l'ère du PC, à l'architecture ARM à l'ère des terminaux mobiles et de l'Internet des objets, jusqu'aux puces d'IA actuelles, les avantages concurrentiels des processeurs ne concernent que leurs cycles technologiques respectifs à court terme. Les puces numériques privilégient le rapport vitesse de calcul/coût, tandis que la loi de Moore, qui régit la fabrication de puces, limite le nombre d'itérations de produits par les concepteurs de puces numériques.
Puce analogique : Les puces analogiques ne servent pas directement à l'exécution des algorithmes. Elles permettent une évolution stable des technologies grâce à des paramètres de circuit relativement fixes, tels que la tension, le courant, la puissance, la consommation et la précision, et ne sont pas soumises aux cycles technologiques. Les puces analogiques ne sont pas affectées par la loi de Moore. Outre des objectifs comme la taille et la consommation, elles recherchent également un équilibre entre un rapport signal/bruit élevé, une faible distorsion et une grande fiabilité.
Deuxième point essentiel : les puces analogiques nécessitent une équipe technique plus expérimentée.
Puce numérique :La conception et la production de puces numériques s'apparentent davantage à des opérations de chaîne de montage. Grâce à des modules de conception riches, à des logiciels de simulation EDA performants et à des plateformes de processus standardisées, la conception d'une puce à haute puissance de calcul peut être réalisée rapidement ; le développement des outils EDA a révolutionné l'architecture de conception du cœur IP sous-jacent.
Puce analogique :Les outils de CAO électronique ne peuvent jouer qu'un rôle très limité dans la conception et la simulation de puces analogiques. Ces dernières exigent des concepteurs une solide expérience et une étroite collaboration entre les ingénieurs de conception et les ingénieurs de procédés. Les entreprises spécialisées dans les puces analogiques n'ont pas besoin d'un grand nombre de techniciens, mais plutôt d'une capacité à se développer de manière autonome ; le profil du fondateur est donc crucial. Des entreprises chinoises comme Zhuoshengwei et Seripu, parties d'une équipe d'une douzaine de personnes seulement, ont atteint une capitalisation boursière de plusieurs dizaines de milliards.
Troisième point de vue principal : Les entreprises de semi-conducteurs analogiques affichent une rentabilité plus forte, des performances plus stables et des valorisations plus élevées.
Ces vingt dernières années, des géants des semi-conducteurs analogiques comme Texas Instruments (TI) et Analog Devices (ADI) ont émergé à travers le monde, de même que des géants des semi-conducteurs numériques tels qu'Intel (Intel) et AMD (AMD). En comparant la rentabilité historique de ces entreprises, on constate que les fabricants de semi-conducteurs analogiques affichent également des marges brutes et nettes élevées, et sont plus résistants aux fluctuations du marché que les fabricants de semi-conducteurs numériques.
Figure 2 Comparaison de la marge bénéficiaire brute et de la marge bénéficiaire nette des entreprises de semi-conducteurs analogiques/numériques
La puce analogique est uneFortes chutes de neige sur les longues pentesCe secteur présente des barrières technologiques et de talents extrêmement élevées, de sorte que le niveau de valorisation accordé aux entreprises de puces analogiques, tant au niveau national qu'international, est généralement supérieur à celui des entreprises de puces numériques.
Figure 3 Comparaison des niveaux de valorisation des entreprises de semi-conducteurs analogiques/numériques
Les puces AD/DA sont le pont entre le monde réel et le monde numérique
(1) Qu'est-ce qu'une puce AD/DA ?
La puce AD/DA assure principalement la conversion entre les signaux analogiques (température, pression, débit, vitesse, intensité lumineuse) et les signaux numériques (tension, courant, etc.). La puce AD (ADC) convertit les signaux analogiques en signaux numériques, et la puce DA (DAC) convertit les signaux numériques en signaux analogiques.
Dans une chaîne de traitement du signal complète, le capteur capte des signaux naturels (ondes électromagnétiques, sons, images, température, signaux lumineux, etc.) et les convertit en signaux électriques. L'amplificateur amplifie ensuite le signal analogique, puis le convertisseur analogique-numérique (CAN) le convertit en signal numérique. Après traitement par un microcontrôleur (MCU), un processeur (CPU) ou un processeur de signal numérique (DSP), le signal numérique est reconverti en signal analogique par un convertisseur numérique-analogique (CNA), puis transmis à des dispositifs de sortie (haut-parleurs, moteurs, LED, etc.).
Figure 4 : Fonctionnement du système de chaîne de signal
(2) Indicateurs de performance des puces AD/DA
Les principaux indicateurs de performance des puces AD/DA comprennent la vitesse d'échantillonnage et la précision, et d'autres indicateurs incluent la consommation d'énergie, le taux de conversion, le rapport signal/bruit, l'erreur, etc.
Vitesse d'échantillonnage :Mesurée en échantillons par seconde (SPS), elle représente la bande passante du signal analogique que le CAN peut convertir. Les convertisseurs AD/DA haute vitesse peuvent analyser des signaux de fréquence plus élevée.
Exactitude:Mesurée en bits, la précision sert à représenter la différence entre le signal numérique converti et le signal analogique d'origine. Plus le nombre de bits est élevé, plus la précision du convertisseur analogique-numérique/numérique est grande.
(3) Catégories de puces ADC
En fonction de leurs différentes vitesses d'échantillonnage et de leur précision, les puces ADC peuvent être divisées en quatre types différents :
Flash CAN :Le convertisseur analogique-numérique Flash (ADC) a généralement une précision maximale de 8 bits, mais offre la vitesse la plus élevée et peut atteindre plus de 56 GHz.
CAN de pipeline :Le CAN pipeline est le plus difficile à développer, sa vitesse ne dépasse généralement pas 10 GHz et sa précision peut atteindre 14 à 16 bits.
CDA SAR :La vitesse du CAN à approximations successives (SAR) est d'environ 100 MHz, mais la précision peut dépasser 18 bits.
CAN Sigma-Delta :Le convertisseur analogique-numérique Sigma-Delta offre la plus grande précision, jusqu'à 24 bits, mais sa vitesse n'est généralement que de 1K à 10M.
Figure 5 Catégorie de puces ADC
Les applications en aval des puces ADC comprennent les secteurs militaire, industriel, grand public, etc. Chaque scénario d'application a ses propres exigences en matière de vitesse d'échantillonnage et de précision.
Figure 6 Les différents types de CAN ont différents scénarios d'application
(4) Situation du marché des puces AD/DA
La taille du marché:Les puces AD/DA se divisent en puces ADC et puces DAC, les puces ADC représentant la part la plus importante du marché. Selon les données de Zhiyan Consulting, le marché mondial des puces ADC et DAC pesait 3.155 milliards de dollars américains en 2019. D'après Statistica, ce marché devrait atteindre environ 2.75 milliards de dollars américains en 2021 et environ 4.09 milliards de dollars américains en 2027.
Figure 7 Taille du marché mondial des puces ADC (en millions de dollars américains)
Paysage concurrentiel:Dans le contexte de la concurrence mondiale, ADI détient la plus grande part de marché dans le domaine de l'AD/DA, et les États-Unis exercent un quasi-monopole sur ce secteur. Les cinq premières entreprises sont toutes américaines.
Figure 8 Part de marché mondiale des puces AD/DA
Scénarios d'application : les puces AD/DA couvrent une large gamme de consommation,
Scénarios d'application tels que l'industrie, les communications et l'industrie militaire
Si l'on en juge par la proportion d'applications en aval des puces AD/DA mondiales, les communications et les marchés industriels/médicaux sont les plus importants, représentant respectivement 35 % et 31 %, suivis par les marchés grand public et automobiles, qui représentent chacun 12 %.
Figure 9 Proportion d'application en aval de la puce AD/DA
Ensuite, nous présenterons l'application de l'AD/DA dans chacun de ces scénarios, afin que chacun puisse avoir une idée plus intuitive du rôle de l'AD/DA.
(1) Catégorie grand public : Principalement utilisé dans les bracelets, les montres, les casques TWS et les téléphones portables/tablettes
Dans les applications grand public, on utilise principalement des puces ADC, qui exigent une précision élevée mais une vitesse d'échantillonnage moindre. Selon les estimations, le marché des puces AD/DA (principalement des ADC) pour les applications grand public en Chine dépasse les 5 milliards de yuans. Avec l'essor des objets connectés tels que les bracelets, les montres et les écouteurs sans fil, ce marché bénéficie d'une forte demande et d'une trésorerie relativement stable.
montre-bracelet :Les puces ADC sont principalement utilisées pour mesurer la fréquence cardiaque, l'ECG et la saturation en oxygène du sang. La précision requise est élevée, généralement de 16 à 24 bits. La mesure de la fréquence cardiaque ne nécessitant pas une fréquence élevée, la vitesse d'échantillonnage requise est faible.
Écouteurs TWS :La puce ADC est principalement utilisée pour la détection intra-auriculaire, et la fonction de réduction du bruit des casques haut de gamme fait également appel à l'ADC. Deux solutions existent pour la détection intra-auriculaire : la détection SAR et la détection de la lumière, avec une précision d'environ 12 à 16 bits.
Téléphone portable/tablette :Les puces ADC sont principalement utilisées pour le réglage de la luminosité de l'écran et la réduction des rayonnements. Les téléphones mobiles vendus en Europe et aux États-Unis doivent être équipés de puces SAR (régulation des rayonnements) en standard, et ils constituent le principal domaine d'application pour les appareils grand public.
Figure 10 Scénario d'application pour le consommateur
(2) Industriel : AD/DA sera utilisé dans des scénarios tels que la surveillance des lignes électriques et le contrôle des bras robotisés.
Les convertisseurs AD/DA industriels ont des exigences très différentes en matière de vitesse d'échantillonnage et de précision selon les applications spécifiques, mais en général, ils visent une précision élevée à une certaine vitesse d'échantillonnage. Par exemple,surveillance des lignes électriques, qui est une application ADC à faible vitesse et haute précision ;Commande du bras robotisé:Il s'agit d'un CAN SAR capable d'échantillonner dans le temps à une fréquence comprise entre 1K et 10M.
Il existe également un type de convertisseur analogique-numérique (CAN) Sigma-Delta. La précision de ce type de CAN est de 16 à 24 bits, mais sa vitesse n'est généralement que de quelques Hz à quelques kHz. Le CAN le plus rapide atteint seulement 2.5 MHz, ce qui rend son prix d'entrée de gamme relativement bas. Dans l'industrie, il peut être utilisé pour le contrôle des processus de fabrication, les balances électroniques haut de gamme, etc., et dans le domaine médical, pour l'acquisition d'images radiographiques, la détection d'ECG, etc.
Figure 11 Scénario d'application industrielle
(3) Automobile : Principalement utilisé dans les systèmes audio et la gestion des batteries des véhicules à énergies nouvelles
Dans le secteur automobile, les convertisseurs analogique-numérique (CAN) sont principalement utilisés dans les systèmes audio et la gestion des batteries des véhicules à énergies nouvelles. Le système de gestion de batterie (BMS) de ces véhicules utilise les CAN de SAR. Avec l'essor des ventes de véhicules à énergies nouvelles, la demande en CAN automobiles ne cesse de croître.
(4) Industrie militaire : principalement utilisé dans les radars et autres équipements militaires
Les armes et équipements militaires nécessitent l'utilisation de convertisseurs analogique-numérique (CAN) à haute vitesse. Les exigences en matière de vitesse pour les CAN sont généralement supérieures à 250 MHz, et les exigences en matière de précision sont également élevées.
Le radar est la principale application des convertisseurs analogique-numérique (CAN) dans l'industrie militaire. Il impose des exigences techniques extrêmement élevées en matière de CAN et requiert des performances de 2.5 GHz/12 bits. Actuellement, les CAN dans ce domaine sont dominés par des fabricants étrangers et font l'objet d'un embargo. Chaque canal d'un radar nécessite un CAN, tandis que les grands radars possèdent des dizaines de milliers de canaux et les petits radars également. Cela correspond à un prix unitaire moyen de plusieurs milliers de dollars américains, ce qui représente un marché important.
(5) Communication : Principalement utilisée dans les stations de base et les communications optiques
Les stations de base 5G nécessitent l'intégration de convertisseurs AD/DA à haut débit. Aujourd'hui, on trouve des stations de base 5G tous les quelques centaines de mètres, et chacune d'elles requiert des produits AD/DA. Les principaux fournisseurs actuels sont ADI et TI. Le leader chinois dans ce domaine est Huawei HiSilicon, mais l'entreprise est actuellement confrontée à des sanctions ; ZTE s'y intéresse également.
Comment se déroule le processus de localisation des puces AD/DA ?
En vertu de l'accord de Wassenaar, certains circuits intégrés de conversion analogique-numérique (CAN) haute performance, utilisés dans les secteurs militaire, aérospatial et autres, sont soumis à un embargo sur les exportations chinoises. Prenons l'exemple des radars à balayage électronique. Les circuits CAN utilisés dans les radars à balayage électronique chinois dépendent fortement de technologies étrangères. L'embargo sur ces circuits à l'étranger aura inévitablement un impact négatif sur l'industrie militaire chinoise.
Figure 12 : Étendue de l'embargo américain sur la technologie des puces AD haute vitesse à destination de la Chine
Les sanctions étrangères imposées à la Chine dans le domaine de la lutte anti-attaque/anti-attaque soulignent non seulement l'importance de ce domaine pour les stratèges militaires, mais reflètent également les obstacles importants à sa fabrication. Dès lors, pourquoi est-il si difficile de produire des puces anti-attaque/anti-attaque localement ? Nous pensons qu'il existe deux principaux obstacles : la technologie et les compétences.
Obstacles techniques :Les puces AD/DA militaires et de communication ont des exigences très élevées en matière de vitesse d'échantillonnage. La conversion AD/DA à haute vitesse est plus complexe et cette technologie est principalement contrôlée par les États-Unis. Les puces AD/DA industrielles courantes n'ont pas les mêmes exigences de vitesse que les industries militaire et de communication, mais privilégient la précision à des fréquences plus élevées ; les puces industrielles les plus performantes du secteur ADI peuvent atteindre une précision de 20 bits à une fréquence de 65 MHz, et un convertisseur analogique-numérique (CAN) de type pipeline typique peut atteindre 14 bits à 2.4 GHz.
Obstacles liés au talent :La conversion analogique-numérique (CAN) est la partie la plus complexe des puces analogiques. Elle exige une expertise en recherche et développement extrêmement poussée de la part des concepteurs de cœurs de puces. Seule une poignée de chercheurs chinois possèdent des compétences en recherche et développement dans le domaine de la CAN haute vitesse et haute précision. Selon des statistiques incomplètes, on estime à une dizaine le nombre de personnes ayant une réelle expérience dans ce domaine.
Le développement de puces AD/DA hautes performances nationales se heurte à une forte résistance, ce qui explique la difficulté à mettre en œuvre des projets de puces AD/DA hautes performances en Chine et le niveau très élevé des critères d'application.Le marché chinois des convertisseurs analogique-numérique (CAN) haute vitesse et haute précision est encore balbutiant, ce qui explique le manque d'infrastructures de soutien pour la chaîne industrielle et la difficulté à développer le marché en aval. Actuellement, la recherche et le développement de puces CAN hautes performances en Chine sont principalement menés au sein d'instituts de recherche. Huawei HiSilicon possédait autrefois des capacités de R&D en CAN hautes performances pour les applications industrielles et de communication, et disposait de la meilleure équipe de R&D du pays. Cependant, suite aux sanctions américaines, le développement de cette équipe a été compromis. Certaines start-ups se sont initialement positionnées sur le marché des CAN haute vitesse et haute précision, mais les investissements importants et les longs cycles de développement ont rendu difficile le maintien de leurs équipes. Par conséquent, la plupart d'entre elles se sont orientées vers le marché grand public à basse vitesse, assurant ainsi la stabilité financière de leurs équipes, avant de se tourner progressivement vers le secteur des CAN haute vitesse.
Ces dernières années, avec la progression continue de la vague de substitution nationale, des équipes entrepreneuriales de haut niveau ont émergé dans le pays.Cela s'explique aussi par l'évolution des relations sino-américaines. Certaines équipes chinoises d'ADI et de TI ont quitté l'entreprise pour rentrer en Chine et y créer leur propre activité. Des équipes entrepreneuriales locales spécialisées dans les puces analogiques ont alors commencé à émerger. À l'instar des convertisseurs AD/DA de référence dans le domaine des puces analogiques, les entreprises du secteur ont également bénéficié de nouvelles opportunités.
Actuellement, certaines sociétés chinoises cotées en bourse, telles que Shengbang Micro, Seripu et Chipsea Technology, se spécialisent dans la production de puces AD/DA. Ces entreprises bénéficient d'une forte demande sur le marché des capitaux, qui leur attribue des valorisations élevées.
Shengbang Wei :Cette entreprise est un leader chinois des puces analogiques, spécialisée à 7 % dans les produits de gestion de l'alimentation et à 3 % dans les produits de traitement du signal. Elle dispose de capacités de conversion analogique-numérique (CAN) de haute précision et produit en série des puces AD/DA de qualité industrielle. Son chiffre d'affaires en 2020 s'élevait à 1.2 milliard de yuans.La valeur marchande actuelle est de 46.09 milliards de yuans, le P/E (TTM) est de 137.50x et le P/S (TTM) est de 32.27x.
Sirip :L'activité principale de l'entreprise est la fabrication de puces analogiques pour la chaîne de signal, qui représentent 97.92 % de son chiffre d'affaires. Les convertisseurs (notamment les puces AD/DA) représentent 35.72 % de ce chiffre d'affaires. L'entreprise est actuellement leader sur le marché national des puces AD/DA industrielles. Son chiffre d'affaires en 2020 s'élevait à 570 millions de yuans.La valeur marchande actuelle est de 45.04 milliards de yuans, le P/E (TTM) est de 156.34x et le P/S (TTM) est de 50.95x.
Technologie Chipsea :Les principaux secteurs d'activité de l'entreprise sont les puces AIoT pour la mesure de la santé, les puces pour chaînes de signaux analogiques et les microcontrôleurs, représentant respectivement 36.00 %, 34.26 % et 28.60 % de son chiffre d'affaires. Dans le domaine de la conversion analogique-numérique (CAN), l'entreprise se concentre sur la conception et le développement de CAN de haute précision et de microcontrôleurs à haute fiabilité.Le chiffre d'affaires de la société en 2020 s'élevait à 360 millions de yuans. Sa capitalisation boursière actuelle est de 8.86 milliards de yuans, son PER (sur 12 derniers mois) est de 54.05 et son ratio cours/ventes (sur 12 derniers mois) est de 13.28.
La substitution des systèmes AD/DA domestiques s'accélère et mérite d'être déployée.
L'industrie des puces analogiques est un secteur complexe et exigeant, nécessitant de nombreuses années d'accumulation technologique pour un développement optimal. Branche essentielle de cette industrie, la conversion analogique-numérique (CAN) fait le lien entre le monde physique et le monde numérique. Le niveau technique requis est extrêmement élevé et la valeur ajoutée considérable. Les puces CAN grand public sont omniprésentes dans notre quotidien, tandis que celles utilisées dans le domaine militaire et des communications sont directement liées à la puissance militaire de notre pays. Leur importance est indéniable.
À l'instar de l'Everest dans le domaine des puces analogiques, le remplacement national des convertisseurs AD/DA s'annonce complexe. Actuellement, la technologie AD/DA de base est contrôlée par des géants américains tels qu'ADI et TI, et le développement de ce secteur en Chine est freiné par des lacunes technologiques et un manque de personnel qualifié. On ne compte à ce jour qu'une poignée de spécialistes de haut niveau en AD/DA en Chine.
Pour le remplacement national des convertisseurs analogique-numérique (CAN) par des technologies analogiques, la patience est de mise. Le domaine analogique exige des années d'accumulation technologique, et rattraper son retard sur les pays étrangers ne se fait pas du jour au lendemain. Cependant, grâce à cette vague de localisation et à l'immense marché chinois, certaines start-ups spécialisées dans les CAN ont réalisé des percées sur le marché grand public et rivalisent avec des géants internationaux comme Texas Instruments. Il s'agit déjà d'une réussite considérable. Le développement des puces CAN/CAN dans les secteurs militaire et des communications reste un défi, mais tant que les bases sont posées, nous pouvons espérer un avenir prometteur.
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