Chip AD/DA: il Monte Everest nel campo dei chip analogici.
【Introduzione】Rispetto ai chip digitali, i chip analogici hanno ricevuto un'attenzione relativamente limitata, ma i chip analogici sono un ramo molto importante nei circuiti integrati. I chip AD/DA sono un ramo importante dei chip analogici e hannoElevata soglia tecnica e grande valoree altre caratteristiche, la tecnologia di base è stata a lungo monopolizzata da paesi stranieri. Questo articolo analizza innanzitutto il mercato dei chip analogici, poi effettua un'esplorazione approfondita dei chip AD/DA, comprese la definizione, le categorie, i mercati, le applicazioni, ecc. degli AD/DA, e infine esplora il processo di localizzazione degli AD/DA nel mio paese.Riteniamo che, in quanto uno dei numerosi chip di fascia alta per uso generale, l'AD/DA abbia ampi margini di sviluppo e una posizione strategica significativa, e che meriti di essere preso in considerazione dagli ambienti industriali e dagli investitori.
Il chip analogico è una pista con lunghe discese e neve alta.
Quando si parla di semiconduttori, la prima cosa che viene in mente sono i componenti principali come CPU e memorie. Questi chip appartengono tutti alla categoria dei chip digitali. Oltre ai chip digitali, esiste un altro ambito importante nel settore dei semiconduttori: i chip analogici, che hanno avuto un impatto significativo sullo sviluppo e sull'evoluzione della tecnologia. In questo capitolo, analizzeremo innanzitutto il settore dei chip analogici.
(1) Che cos'è un chip analogico?
La maggior parte dei segnali nella nostra vita quotidiana sono segnali analogici, come suono, luce, temperatura, ecc. I chip digitali non possono elaborare direttamente questi segnali, che devono essere prima elaborati da chip analogici. Pertanto, i circuiti integrati analogici si riferiscono principalmente a circuiti integrati composti da resistori, condensatori, transistor, ecc., per elaborare segnali analogici funzionali continui (come suono, luce, temperatura, ecc.).
(2) Dimensioni del mercato dei chip analogici
In termini di dimensioni del mercato, il mercato globale dei chip analogici nel 2021 si attestava a circa 61.2 miliardi di dollari. Il mercato cinese dei chip analogici nel 2021 aveva un valore di circa 223.4 miliardi di yuan e si prevede che raggiungerà i 261.8 miliardi di yuan nel 2024. La quota di mercato cinese dei chip analogici supera il 50% del mercato mondiale.
Figura 1 Dimensioni del mercato dei chip analogici
(3) Confronto tra chip analogici e chip digitali
Punto chiave 1: I chip analogici possono coprire un ciclo tecnologico più lungo
Chip digitale: I chip digitali presentano le tipiche caratteristiche di dipendenza dal percorso tecnologico. Quando i processori sono passati dall'architettura x86 dell'era dei PC, all'ARM dell'era dei terminali mobili e dell'IoT, fino agli attuali chip per l'intelligenza artificiale, i vantaggi competitivi dei chip per processori appartengono solo ai rispettivi cicli tecnologici di breve durata. I chip digitali enfatizzano il rapporto tra velocità di calcolo e costo, mentre la legge di Moore della produzione di chip limita le iterazioni di prodotto dei produttori di chip digitali.
Chip analogico: I chip analogici non servono direttamente all'implementazione di algoritmi. Raggiungono un'evoluzione stabile dei percorsi tecnologici basandosi su parametri circuitali relativamente fissi come tensione, corrente, potenza, consumo energetico e precisione, e non sono vincolati dai cicli tecnologici. I chip analogici non sono soggetti alla Legge di Moore. Oltre a obiettivi quali dimensioni e consumo energetico, perseguono anche un equilibrio tra elevato rapporto segnale/rumore, bassa distorsione e alta affidabilità.
Punto chiave numero due: i chip analogici richiedono un team tecnico più esperto
Chip digitale:La progettazione e la produzione di chip digitali sono sempre più simili a operazioni di catena di montaggio. Grazie a moduli di progettazione avanzati, simulazioni software EDA efficienti e piattaforme di processo standardizzate, la progettazione di un chip ad alte prestazioni può essere completata in tempi brevi; lo sviluppo di strumenti EDA ha portato innovazione all'intera architettura di progettazione del core IP sottostante.
Chip analogico:Gli strumenti EDA (Electronic Design Automation) possono svolgere un ruolo molto limitato nella progettazione e simulazione di chip analogici. I chip analogici richiedono ai progettisti una vasta esperienza e una stretta comunicazione e collaborazione tra ingegneri progettisti e ingegneri di processo. Le aziende di chip analogici non necessitano di un gran numero di tecnici, ma soprattutto della capacità di competere in autonomia, quindi il livello del fondatore è fondamentale. Aziende cinesi come Zhuoshengwei e Seripu, partite con un team di appena una dozzina di persone, hanno raggiunto una capitalizzazione di mercato di decine di miliardi.
Punto di vista fondamentale numero tre: le aziende produttrici di chip analogici vantano una maggiore redditività, prestazioni più stabili e valutazioni più elevate.
Negli ultimi 20 anni, sono emersi in tutto il mondo giganti dei chip analogici come Texas Instruments (TI) e Analog Devices (ADI), così come giganti dei chip digitali come Intel (Intel) e AMD (AMD). Confrontando la redditività storica di queste aziende, si può notare che i produttori di chip analogici presentano margini di profitto lordo e netto elevati e sono più resistenti alle fluttuazioni cicliche rispetto ai produttori di chip digitali.
Figura 2 Confronto tra margine di profitto lordo e margine di profitto netto delle aziende produttrici di chip analogici/digitali
Il chip analogico è unNeve abbondante su lunghi pendiiIl settore presenta barriere tecnologiche e di accesso al talento estremamente elevate, pertanto la valutazione attribuita alle aziende produttrici di chip analogici, sia a livello nazionale che internazionale, è generalmente superiore a quella delle aziende produttrici di chip digitali.
Figura 3 Confronto dei livelli di valutazione delle aziende produttrici di chip analogici/digitali
I chip AD/DA sono il ponte tra il mondo reale e il mondo digitale.
(1) Che cos'è un chip AD/DA?
Il chip AD/DA realizza principalmente la conversione reciproca tra segnali analogici come temperatura, pressione, flusso, velocità, intensità luminosa e segnali digitali (tensione, corrente, ecc.). Il chip AD (ADC) viene utilizzato per convertire i segnali analogici in segnali digitali, mentre il chip DA (DAC) viene utilizzato per convertire i segnali digitali in segnali analogici.
In una catena di segnale completa, il sensore raccoglie segnali naturali del mondo reale, come onde elettromagnetiche, suoni, immagini, temperatura, segnali luminosi, ecc., e li converte in segnali elettrici simulati. Successivamente, l'amplificatore amplifica il segnale analogico e il convertitore analogico-digitale (ADC) lo converte in un segnale digitale; dopo che il segnale digitale è stato elaborato da una MCU, CPU o DSP, viene riconvertito in un segnale analogico tramite il convertitore digitale-analogico (DAC) e viene emesso nel mondo reale attraverso dispositivi di uscita come altoparlanti, motori e LED.
Figura 4 Come funziona il sistema della catena di segnalazione
(2) Indicatori di prestazione dei chip AD/DA
I principali indicatori di prestazione dei chip AD/DA includono la velocità e la precisione di campionamento, mentre altri indicatori comprendono il consumo energetico, il tasso di conversione, il rapporto segnale/rumore, l'errore, ecc.
Velocità di campionamento:Misurata in campioni al secondo (SPS), rappresenta la larghezza di banda del segnale analogico che il convertitore ADC è in grado di convertire. I convertitori AD/DA ad alta velocità possono analizzare segnali ad alta frequenza.
Precisione:Misurato in bit, il valore rappresenta la differenza tra il segnale digitale convertito e il segnale analogico originale. Maggiore è il numero di bit, maggiore è la precisione del chip AD/DA.
(3) Categorie di chip ADC
In base alla velocità di campionamento e alla precisione, i chip ADC possono essere suddivisi nei seguenti quattro tipi:
ADC flash:La memoria Flash ADC ha in genere una precisione non superiore a 8 bit, ma offre la massima velocità e può raggiungere oltre 56 GHz.
ADC della pipeline:Il convertitore analogico-digitale pipeline è il più difficile da sviluppare, la velocità in genere non supera i 10 GHz e la precisione può raggiungere i 14-16 bit.
ADC SAR:La velocità del convertitore analogico-digitale SAR (Successive Approximation) è di circa 100 MHz, ma la precisione può superare i 18 bit.
ADC Sigma-Delta:Il convertitore analogico-digitale Sigma-Delta offre la massima precisione, fino a 24 bit, ma solitamente la velocità è di soli 1K~10M.
Figura 5 Categoria di chip ADC
Le applicazioni a valle dei chip ADC includono il settore militare, industriale, dei beni di consumo, ecc. I diversi scenari applicativi presentano requisiti prestazionali differenti in termini di velocità di campionamento e precisione.
Figura 6 Diversi tipi di ADC hanno diversi scenari di applicazione
(4) Situazione del mercato dei chip AD/DA
Dimensioni del mercato:I chip AD/DA possono essere suddivisi in chip ADC e chip DAC, di cui i chip ADC rappresentano la quota maggiore. Secondo i dati di Zhiyan Consulting, nel 2019 il mercato globale dei chip ADC e DAC valeva 3.155 miliardi di dollari. Secondo Statistica, nel 2021 il mercato globale dei chip ADC raggiungerà circa 2.75 miliardi di dollari, mentre nel 2027 si attesterà intorno ai 4.09 miliardi di dollari.
Figura 7 Dimensioni del mercato globale dei chip ADC (in miliardi di dollari USA)
Panorama competitivo:Dal punto di vista del panorama competitivo globale, ADI detiene la quota di mercato più elevata nel settore AD/DA, e gli Stati Uniti hanno un monopolio assoluto in questo campo. Le prime cinque aziende sono tutte americane.
Figura 8 Quota di mercato globale dei chip AD/DA
Scenari applicativi: i chip AD/DA coprono ampiamente il consumo,
Scenari applicativi quali industria, comunicazioni e industria militare.
A giudicare dalla proporzione di applicazioni a valle dei chip AD/DA globali, le comunicazioni e i settori industriale/medicale rappresentano i mercati di applicazione più importanti, rispettivamente con il 35% e il 31%, seguiti dai mercati dei beni di consumo e automobilistico, entrambi con il 12%.
Figura 9 Proporzione di applicazione a valle del chip AD/DA
Successivamente, illustreremo l'applicazione di AD/DA in questi scenari, in modo che tutti possano comprendere più intuitivamente il ruolo di AD/DA.
(1) Categoria di consumo: Utilizzato principalmente in braccialetti, orologi, auricolari TWS e telefoni cellulari/tablet
Nelle applicazioni di consumo, vengono utilizzati principalmente chip ADC, che hanno requisiti inferiori in termini di velocità di campionamento ma requisiti superiori in termini di precisione. Secondo le stime, il mercato dei chip AD/DA (principalmente ADC) nel settore dei prodotti di consumo nel mio paese supera i 5 miliardi di yuan. Con la crescita dell'elettronica di consumo come braccialetti, orologi e auricolari TWS, questo mercato gode di una forte domanda e presenta un flusso di cassa relativamente stabile.
Orologio da polso:I chip ADC sono utilizzati principalmente per misurare la frequenza cardiaca, l'ECG e l'ossigenazione del sangue. I requisiti di precisione sono elevati, solitamente da 16 a 24 bit. Poiché l'acquisizione della frequenza cardiaca non richiede una frequenza elevata, i requisiti di velocità di campionamento sono bassi.
Cuffie TWS:Il chip ADC viene utilizzato principalmente per la funzione di rilevamento in-ear, e anche la funzione di riduzione del rumore delle cuffie di fascia alta si avvale di ADC. Esistono due soluzioni per il rilevamento in-ear: SAR e rilevamento della luce, con una precisione di circa 12-16 bit.
Telefono cellulare/tablet:I chip ADC sono utilizzati principalmente per la regolazione della luminosità dello schermo e per la compensazione delle radiazioni. I telefoni cellulari venduti in Europa e negli Stati Uniti devono essere dotati di serie di chip SAR (per la compensazione delle radiazioni), e i telefoni cellulari rappresentano anche il principale scenario applicativo per i dispositivi di consumo.
Figura 10 Scenario di applicazione per i consumatori
(2) Industriale: AD/DA verrà utilizzato in scenari quali il monitoraggio delle linee elettriche e il controllo dei bracci robotici.
I convertitori AD/DA industriali hanno requisiti molto diversi in termini di velocità di campionamento e precisione a seconda delle specifiche applicazioni, ma in generale, i convertitori AD/DA industriali mirano a un'elevata precisione a una determinata velocità di campionamento. Ad esempioMonitoraggio delle linee elettriche, che è un'applicazione ADC a bassa velocità e alta precisione;Controllo del braccio robotico:Si tratta di un convertitore analogico-digitale SAR in grado di campionare nel tempo con una frequenza compresa tra 1 kHz e 10 milioni di campioni.
Esiste anche un tipo di convertitore analogico-digitale Sigma-Delta (ADC). La precisione di questo tipo di ADC è di 16-24 bit, ma la velocità è solitamente di pochi Hz o pochi kHz. Il prodotto ADC più veloce raggiunge solo i 2.5 MHz e la soglia di ingresso è relativamente bassa. Nell'industria, può essere utilizzato per il controllo dei processi di fabbrica, bilance elettroniche di fascia alta, ecc., mentre in medicina può essere impiegato per il campionamento a raggi X, la rilevazione ECG, ecc.
Figura 11 Scenario di applicazione industriale
(3) Settore automobilistico: utilizzato principalmente nei sistemi audio e nella gestione delle batterie dei veicoli a nuova energia
Nel settore automobilistico, i convertitori analogico-digitali (ADC) sono utilizzati principalmente nei sistemi audio per auto e nella gestione delle batterie dei veicoli a energia alternativa. Il sistema di gestione della batteria (BMS) all'interno dei veicoli a energia alternativa utilizzerà i prodotti ADC di SAR. Con l'esplosione delle vendite di veicoli a energia alternativa, la domanda di ADC per il settore automobilistico continuerà ad aumentare.
(4) Industria militare: utilizzata principalmente nei radar e in altre apparecchiature militari
Le armi e le attrezzature militari richiedono l'utilizzo di convertitori analogico-digitali (ADC) ad alta velocità. I requisiti di velocità per gli ADC sono generalmente superiori a 250 MHz, e anche i requisiti di precisione sono elevati.
Il radar rappresenta il principale scenario applicativo dei convertitori analogico-digitali (AD/DA) nel settore militare. Presenta requisiti tecnici estremamente elevati per gli ADC e richiede prestazioni a 2.5 GHz/12 bit. Attualmente, il mercato degli AD/DA in questo settore è monopolizzato da produttori stranieri ed è soggetto a embargo. Ogni canale in un radar richiede un AD/DA, e considerando che i radar di grandi dimensioni ne hanno decine di migliaia, anche quelli di piccole dimensioni ne hanno migliaia, il prezzo unitario medio si aggira sulle diverse migliaia di dollari, aprendo così ampie opportunità di mercato.
(5) Comunicazione: Utilizzato principalmente nelle stazioni base e nelle comunicazioni ottiche
Le stazioni base 5G devono integrare convertitori AD/DA ad alta velocità. Attualmente, si trovano stazioni base 5G ogni poche centinaia di metri e ciascuna stazione base necessita di prodotti AD/DA. I principali fornitori al momento sono ADI e TI. Il leader nazionale in questo settore è Huawei HiSilicon, ma attualmente è alle prese con le sanzioni; anche ZTE sta cercando di affermarsi.
Come avviene il processo di localizzazione dei chip AD/DA?
In base all'accordo di Wassenaar, alcuni chip AD/DA ad alte prestazioni utilizzati in ambito militare, aerospaziale e in altri settori sono soggetti a embargo verso la Cina. Prendiamo ad esempio i radar a scansione elettronica (phased array). I chip AD/DA utilizzati nei radar phased array di produzione nazionale dipendono fortemente dalla tecnologia straniera. Una volta imposto l'embargo su questi chip, la forza dell'industria militare cinese ne risentirà inevitabilmente.
Figura 12 Ambito di applicazione della tecnologia dei chip AD ad alta velocità soggetta a embargo da parte degli Stati Uniti nei confronti della Cina
Le sanzioni estere contro la Cina nel settore AD/DA non solo evidenziano lo status di questo settore come campo di battaglia per gli strateghi militari, ma riflettono anche le elevate barriere alla produzione. Perché, dunque, è così difficile produrre chip AD/DA a livello nazionale? Riteniamo che le barriere principali siano due: la tecnologia e la mancanza di talenti.
Barriere tecniche:I chip AD/DA per applicazioni militari e di telecomunicazione hanno requisiti molto elevati in termini di velocità di campionamento. La realizzazione di convertitori AD/DA ad alta velocità è più complessa e la tecnologia è sostanzialmente controllata dagli Stati Uniti. I chip AD/DA comunemente utilizzati in ambito industriale non hanno gli stessi requisiti di alta velocità del settore militare e delle telecomunicazioni, ma puntano alla precisione a velocità più elevate; i chip industriali più avanzati nel settore A/D possono raggiungere una precisione a 20 bit a una velocità di 65 MHz, e un tipico ADC pipeline può raggiungere i 14 bit/2.4 GHz.
Barriere al talento:Il settore AD/DA è la parte più complessa dei chip analogici. Richiede un'esperienza di ricerca e sviluppo estremamente elevata da parte dei progettisti di chip. In Cina, sono pochi gli scienziati con competenze di ricerca e sviluppo in ambito AD/DA ad alta velocità e alta precisione. Secondo statistiche incomplete, non più di 10 persone possiedono una reale esperienza in questo campo.
Esiste una forte resistenza allo sviluppo di chip AD/DA ad alte prestazioni di produzione nazionale, il che si riflette nella difficoltà di realizzare progetti basati su chip AD/DA ad alte prestazioni in Cina e nell'elevata soglia di accesso alle applicazioni.Lo sviluppo nazionale di convertitori analogico-digitali (AD/DA) ad alta velocità e precisione è ancora in una fase iniziale, il che si traduce in una scarsa presenza di infrastrutture di supporto alla filiera industriale e in difficoltà nello sviluppo del mercato a valle. Attualmente, la ricerca e lo sviluppo di chip AD/DA ad alte prestazioni in Cina si concentrano principalmente all'interno di istituti di ricerca scientifica. Huawei HiSilicon, in passato, vantava capacità di ricerca e sviluppo nel campo dei convertitori AD/DA ad alte prestazioni per applicazioni industriali e di telecomunicazione, e possedeva il team di ricerca e sviluppo più qualificato del paese. Tuttavia, a seguito delle sanzioni imposte dagli Stati Uniti, lo sviluppo del team Huawei HiSilicon ha incontrato difficoltà. Alcune start-up si sono inizialmente concentrate sulla produzione di chip AD/DA ad alta velocità e precisione, ma a causa degli ingenti investimenti di capitale e dei lunghi tempi di sviluppo, hanno riscontrato difficoltà nel sostenere il team. Pertanto, la maggior parte di esse si è orientata verso il settore dei dispositivi di consumo a bassa velocità, sostenendo il team attraverso flussi di cassa stabili, per poi gradualmente entrare nel settore dei convertitori AD/DA ad alta velocità.
Negli ultimi anni, con il progredire dell'ondata di sostituzione interna, nel paese sono emersi alcuni team imprenditoriali di alto livello.Ciò è dovuto anche ai cambiamenti nelle relazioni sino-americane. Alcuni team cinesi di ADI e TI hanno lasciato l'azienda per tornare in Cina e avviare attività imprenditoriali. Hanno iniziato a emergere team imprenditoriali nazionali nel settore dei chip analogici. Come l'Everest AD/DA nel campo dei chip analogici, anche le aziende correlate in questo settore hanno aperto nuove opportunità.
Attualmente, esistono anche alcune società nazionali quotate in borsa che producono principalmente chip AD/DA, come Shengbang Micro, Seripu e Chipsea Technology. Queste società sono state favorite dal mercato dei capitali, che ha attribuito loro valutazioni elevate.
Shengbang Wei:L'azienda è leader in Cina nel settore dei chip analogici, con una quota di mercato di circa 7:3 dedicata ai prodotti per la gestione dell'alimentazione e 3 a quelli per la catena del segnale. L'azienda vanta capacità di conversione analogico-digitale (ADC) ad alta precisione e produce in serie chip AD/DA di livello industriale. Nel 2020, il fatturato dell'azienda è stato di 1.2 miliardi di yuan.L'attuale capitalizzazione di mercato è di 46.09 miliardi di yuan, il rapporto prezzo/utili (TTM) è di 137.50x e il rapporto prezzo/vendite (TTM) è di 32.27x.
Sirip:L'attività principale dell'azienda è rappresentata dai chip analogici per la catena del segnale, che costituiscono il 97.92% del suo fatturato. I prodotti di conversione (inclusi i chip AD/DA) rappresentano il 35.72% del fatturato. I chip AD/DA industriali dell'azienda sono attualmente leader nel paese. Il fatturato dell'azienda nel 2020 è stato di 570 milioni di yuan.L'attuale capitalizzazione di mercato è di 45.04 miliardi di yuan, il rapporto prezzo/utili (TTM) è di 156.34x e il rapporto prezzo/vendite (TTM) è di 50.95x.
Chipsea Technology:Le principali attività dell'azienda riguardano i chip AIoT per la misurazione della salute, i chip per la catena di segnale analogico e i chip MCU, che rappresentano rispettivamente il 36.00%, il 34.26% e il 28.60% del fatturato. Nel campo della conversione analogico-digitale/digitale (AD/DA), l'azienda si concentra sulla progettazione e lo sviluppo di convertitori analogico-digitali ad alta precisione e di microcontrollori ad alta affidabilità.Nel 2020, il fatturato dell'azienda è stato di 360 milioni di yuan. L'attuale capitalizzazione di mercato è di 8.86 miliardi di yuan, il rapporto prezzo/utili (TTM) è pari a 54.05x e il rapporto prezzo/vendite (TTM) è pari a 13.28x.
La sostituzione interna AD/DA sta accelerando ed è meritevole di essere implementata
L'industria dei chip analogici è un percorso con lunghe salite e neve alta, che richiede molti anni di accumulo tecnologico per "salire a valanga". Come ramo importante dei chip analogici, la conversione analogico-digitale/digitale (AD/DA) funge da ponte di collegamento tra il mondo reale e quello digitale. La soglia tecnica è estremamente elevata e il valore intrinseco è enorme. I chip AD/DA nel settore consumer sono legati alla nostra vita quotidiana, mentre quelli nel settore militare/delle comunicazioni sono direttamente collegati alla potenza militare del nostro Paese. La loro importanza è evidente.
Considerata la vetta più alta nel campo dei chip analogici, la sostituzione dei chip AD/DA con tecnologie nazionali si preannuncia difficile. Attualmente, la tecnologia AD/DA di base è controllata da colossi del settore come ADI e TI negli Stati Uniti, e lo sviluppo di questo campo nel mio Paese è ostacolato dalla mancanza di tecnologia e di personale qualificato. Al momento, in Cina si contano solo pochi esperti di alto livello nel campo degli AD/DA.
Per la sostituzione nazionale dei convertitori AD/DA, dobbiamo essere pazienti. Il settore analogico stesso richiede anni di accumulo tecnologico e recuperare il divario con i paesi stranieri non è qualcosa che si può ottenere dall'oggi al domani. Tuttavia, grazie a questa ondata di sostituzione a livello locale e alle enormi dimensioni del mercato cinese, abbiamo visto alcune start-up nel settore AD/DA ottenere risultati rivoluzionari nel settore consumer e competere con giganti internazionali come Texas Instruments in specifici segmenti di mercato. Questo è già un risultato molto prezioso. Abbiamo ancora molta strada da fare per i chip AD/DA nel settore militare/delle telecomunicazioni, ma finché i semi sono stati piantati, possiamo guardare con fiducia al giorno in cui daranno i loro frutti.
Disclaimer: Questo articolo è riprodotto dalla "Piattaforma CDH Baifu". Questo articolo rappresenta esclusivamente le opinioni personali dell'autore e non quelle di Sacco Micro o del settore. La sua ristampa e condivisione sono consentite solo a supporto della tutela dei diritti di proprietà intellettuale. Si prega di indicare la fonte originale e l'autore in caso di ristampa. In caso di violazione del copyright, si prega di contattarci per richiederne la rimozione.
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