AD/DAチップ ― アナログチップ分野におけるエベレスト級の存在

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2022-03-17 524

【前書き】デジタルチップと比較すると、アナログチップは比較的注目度が低いが、集積回路において非常に重要な分野である。AD/DAチップはアナログチップの重要な分野であり、高い技術的ハードルと大きな価値また、その他の特徴から、コア技術は長らく外国によって独占されてきました。本稿ではまずアナログチップ市場を分析し、次にAD/DAチップの定義、分類、市場、用途などについて詳細に検討し、最後に我が国におけるAD/DAの国産化プロセスを探ります。当社は、数あるハイエンド汎用チップの一つとして、AD/DAは幅広い発展の余地と重要な戦略的地位を有しており、業界や投資界の注目を集めるに値すると考えています。

アナログチップは、長い傾斜と厚い雪のあるトラックです

半導体といえば、まずCPUやメモリといったコアコンポーネントが思い浮かぶでしょう。これらのチップはすべてデジタルチップに分類されます。しかし、半導体分野にはデジタルチップ以外にも重要な領域があります。それはアナログチップであり、技術の発展と進化に大きな影響を与えてきました。本章ではまず、アナログチップ産業について分析します。

（１）アナログチップとは何ですか？

私たちの日常生活における信号のほとんどは、音、光、温度などのアナログ信号です。デジタルチップはこれらの信号を直接処理できないため、まずアナログチップで処理する必要があります。したがって、アナログ集積回路とは、抵抗器、コンデンサ、トランジスタなどで構成されるアナログ回路を集積し、音、光、温度などの連続的な機能アナログ信号を処理する集積回路を主に指します。

（２）アナログチップ市場規模

市場規模の観点から見ると、2021年の世界のアナログチップ市場規模は約61.2億米ドルです。中国のアナログチップ市場規模は2021年に約223.4億元で、2024年には261.8億元に達すると予測されています。中国のアナログチップ市場規模は世界の市場規模の50%以上を占めています。

図1 アナログチップ市場規模

（３）アナログチップとデジタルチップの比較

コアビュー1：アナログチップはより長い技術サイクルに対応できる

デジタルチップ： デジタルチップは、典型的なパス依存性特性を持つ。プロセッサがPC時代のx86から、モバイル端末やIoT時代のARM、そして今日のAIチップへと進化するにつれ、プロセッサチップの優位性は、それぞれの短期的な技術サイクルにのみ限定される。デジタルチップは演算速度とコストの比率を重視する一方、ムーアの法則によるチップ製造は、デジタルチップ設計メーカーの製品反復を制限する。

アナログチップ： アナログチップは、アルゴリズムの実装に直接利用されるものではありません。電圧、電流、電力、消費電力、精度といった比較的固定された回路パラメータに基づいて、技術の安定的な進化を実現し、技術サイクルによる制約を受けません。アナログチップはムーアの法則の影響を受けません。サイズや消費電力といった目標に加え、高信号対雑音比、低歪み、高信頼性のバランスも追求されます。

重要なポイントその2：アナログチップには、より経験豊富な技術チームが必要である。

デジタルチップ：デジタルチップの設計と製造は、組立ライン作業に非常によく似ています。豊富な設計モジュール、効率的なEDAソフトウェアシミュレーション、標準化されたプロセスプラットフォームにより、高性能チップの設計を短時間で完了できます。EDAツールの開発は、基盤となるIPコアの設計アーキテクチャ全体に革新をもたらしました。

アナログチップ：EDAツールはアナログチップの設計とシミュレーションにおいて、非常に限られた役割しか果たせません。アナログチップの設計には、設計者の豊富な経験と、設計エンジニアとプロセスエンジニア間の緊密なコミュニケーションと協力が不可欠です。アナログチップ企業は多くの技術者を必要としませんが、より重要なのは単独で戦う能力です。そのため、創業者のレベルは非常に重要です。国内の卓盛威やセリプなどの企業は、わずか十数名のチームでスタートし、数百億の市場価値を達成しました。

コアビュー３：アナログチップ企業は、より高い収益性、より安定した業績、そしてより高い企業価値を持つ。

過去20年間で、テキサス・インスツルメンツ（TI）やアナログ・デバイセズ（ADI）といったアナログチップ大手企業に加え、インテル（Intel）やAMD（AMD）といったデジタルチップ大手企業が世界中で台頭してきた。これらの企業の過去の収益性を比較すると、アナログチップメーカーは売上総利益率と純利益率が高く、デジタルチップメーカーよりも景気変動に強いことがわかる。

図2 アナログ/デジタルチップ企業の売上総利益率と純利益率の比較

アナログチップは長い斜面に大雪この分野は技術面および人材面で非常に高い障壁があるため、国内外のアナログチップ企業に対する企業価値評価は、一般的にデジタルチップ企業よりも高い。

図3 アナログ/デジタルチップ企業の評価水準の比較

AD/DAチップは、現実世界とデジタル世界をつなぐ架け橋である。

（１）AD/DAチップとは何ですか？

AD/DAチップは、温度、圧力、流量、速度、光強度などのアナログ信号と、電圧、電流などのデジタル信号との相互変換を主に実現します。ADチップ（ADC）はアナログ信号をデジタル信号に変換するために使用され、DAチップ（DAC）はデジタル信号をアナログ信号に変換するために使用されます。

信号処理チェーン全体において、センサーは電磁波、音、画像、温度、光信号などの現実世界の自然信号を収集し、これらの自然信号を擬似的な電気信号に変換します。次に、アンプがアナログ信号を増幅し、ADCがアナログ信号をデジタル信号に変換します。デジタル信号はMCU、CPU、またはDSPによって処理された後、DACによってアナログ信号に戻され、スピーカー、モーター、LEDなどの出力デバイスを通して現実世界に出力されます。

図4 シグナル伝達システムの仕組み

（２）AD/DAチップの性能指標

AD/DAチップの主な性能指標には、サンプリング速度と精度があり、その他の指標には、消費電力、変換率、信号対雑音比、誤差などが含まれます。

サンプリング速度:サンプル/秒（SPS）で測定されるこの値は、ADCが変換できるアナログ信号の帯域幅を表します。高速AD/DAコンバータは、より高い周波数の信号を分析できます。

位置精度：ビット単位で測定されるこの値は、変換されたデジタル信号と元のアナログ信号との差を表すために使用されます。ビット数が多いほど、AD/DA変換チップの精度が高くなります。

（３）ADCチップの種類

サンプリング速度と精度の違いにより、ADCチップは以下の4種類に分類できます。

フラッシュADC：フラッシュADCの精度は通常8ビット以下だが、最高速度を誇り、56GHzを超える速度に達することができる。

パイプラインADC：パイプラインADCは開発が最も難しく、速度は通常10GHzを超えず、精度は14～16ビットに達する。

SAR ADC：逐次近似型（SAR）ADCの速度は約100MHzだが、精度は18ビットを超えることができる。

シグマデルタADC：シグマデルタADCは最大24ビットという最高の精度を持つが、通常は速度が1K～10M程度である。

図5 ADCチップの分類

ADCチップの下流用途には、軍事、産業、民生などが含まれます。用途によって、サンプリング速度と精度に対する性能要件は異なります。

図6　異なるタイプのADCには、それぞれ異なる応用シナリオがある。

（４）AD/DAチップ市場の状況

市場規模：AD/DAチップはADCチップとDACチップに分類でき、ADCチップの方が大きな割合を占めています。Zhiyan Consultingのデータによると、2019年のADCおよびDACチップの世界市場規模は31億5500万米ドルでした。Statisticaによると、2021年のADCチップの世界市場規模は約27億5000万米ドル、2027年のADCチップの世界市場規模は約40億9000万米ドルになると予測されています。

図7 世界のADCチップ市場規模（100億米ドル）

競争力のある風景：世界的な競争状況から見ると、AD/DA分野ではADIが最大の市場シェアを誇り、米国はこの分野で絶対的な独占状態にある。上位5社はすべて米国企業である。

図8 世界のAD/DAチップ市場シェア

アプリケーションシナリオ: AD/DAチップは消費を幅広くカバーし、

産業、通信、軍事産業などの応用シナリオ

世界のAD/DAチップの下流用途の割合から判断すると、通信と産業/医療が最大の用途市場であり、それぞれ35%と31%を占め、次いで民生市場と自動車市場がそれぞれ12%を占めている。

図9 AD/DAチップの下流アプリケーションの割合

次に、これらのシナリオにおけるAD/DAの応用例をそれぞれ紹介することで、AD/DAの役割についてより直感的に理解していただけるようにしたいと思います。

（１）消費者向けカテゴリー：主にブレスレット、腕時計、TWSヘッドセット、携帯電話／タブレットに使用されます

民生用途では、主にADCチップが用いられます。これらの用途では、サンプリング速度に対する要求は低いものの、精度に対する要求は高くなります。推定によると、我が国の民生用途におけるAD/DAチップ（主にADC）の市場規模は5億元を超えています。ブレスレット、腕時計、TWSヘッドセットなどの民生用電子機器の台頭に伴い、この市場は強い需要があり、比較的安定したキャッシュフローが見込める市場です。

ブレスレットウォッチ：ADCチップは主に心拍数、心電図、血中酸素濃度の測定に使用されます。精度要件は高く、通常16～24ビットです。心拍数の収集には高速なサンプリング周波数は必要ないため、サンプリング速度の要件は低くなっています。

TWSヘッドホン：ADCチップは主に耳内検出機能に使用され、ハイエンドヘッドホンのノイズリダクション機能にもADCが用いられています。耳内検出にはSAR方式と光センシング方式の2種類があり、精度は約12～16ビットです。

携帯電話／タブレット：ADCチップは主に画面の輝度調整と放射線調整に使用されます。欧米向けに販売される携帯電話には、標準でSARチップ（放射線規制）の搭載が義務付けられており、携帯電話は民生用グレードの最も重要な応用分野でもあります。

図10 消費者向けアプリケーションシナリオ

（２）産業分野：AD/DAは、送電線監視やロボットアーム制御などのシナリオで使用されます。

産業用AD/DAは、用途によってサンプリング速度と精度に対する要求が大きく異なりますが、一般的には、一定のサンプリング速度で高精度を追求します。例えば送電線監視これは、低速かつ高精度のADCアプリケーションです。ロボットアーム制御：これは、1K～10Mのサンプリングレートで時間的にサンプリングできるSAR ADCです。

シグマデルタ型ADCもあります。このタイプのADCの精度は16～24ビットですが、速度は通常数Hzから数K程度です。ADIの最速製品はわずか2.5Mで、参入障壁は比較的低くなっています。産業分野では、工場工程制御やハイエンド電子秤などに、医療分野では、X線サンプリングや心電図検出などに使用できます。

図11 産業応用シナリオ

（３）自動車：主に新エネルギー車のオーディオシステムやバッテリー管理に使用される

自動車分野では、ADCは主に車載オーディオシステムや新エネルギー車のバッテリー管理システムに使用されています。新エネルギー車に搭載されるBMS（バッテリー管理システム）には、SARのADC製品が採用される予定です。新エネルギー車の販売台数が急増するにつれ、車載用ADCの需要は今後も増加していくでしょう。

（４）軍事産業：主にレーダーその他の軍事装備に使用される。

軍事兵器や装備には、高速ADC（自動検出器）の使用が不可欠である。ADCに求められる速度は通常250m以上であり、精度も高いことが求められる。

レーダーは軍事産業におけるAD/DAの主要な応用分野です。レーダーはADCに対して極めて高い技術要件を課し、2.5G/12ビットの性能が求められます。現在、この分野のAD/DAは海外メーカーによって独占されており、禁輸措置の対象となっています。レーダーでは1チャンネルにつき1つのAD/DAが必要ですが、大型レーダーでは数万チャンネル、小型レーダーでも数千チャンネルが存在します。これは平均単価が数千米ドルに相当し、大きな市場機会が存在します。

（５）通信：主に基地局や光通信で使用される

5G基地局には高速AD/DAコンバータの統合が必要です。現在、5G基地局は数百メートルごとに設置されており、各基地局でAD/DAコンバータ製品が求められています。現在の主要サプライヤーはADIとTIです。この分野の国内リーダーはHuawei HiSiliconですが、現在は制裁措置の影響を受けています。ZTEもこの分野での取り組みを進めています。

AD/DAチップのローカライズプロセスはどのように行われるのですか？

ワッセナー協定に基づき、軍事、航空宇宙などの分野で使用される高性能AD/DAチップの一部は中国に対して禁輸措置が取られている。フェーズドアレイレーダーを例にとると、国内のフェーズドアレイレーダーで使用されるAD/DAチップは外国の技術に大きく依存している。これらのチップが海外で禁輸措置の対象となれば、軍事産業の力は必然的に影響を受けるだろう。

図12 米国が中国に対して禁輸措置を講じた高速ADチップ技術の範囲

中国のAD/DA分野における外国からの制裁は、AD/DAが軍事戦略家にとっての戦場であることを浮き彫りにするだけでなく、その製造障壁の高さも示している。では、なぜ国内でAD/DAチップを製造するのはこれほど難しいのだろうか？我々は、主な障壁は技術と人材の2つだと考えている。

技術的な障壁:軍事および通信用AD/DAチップは、サンプリング速度に関して非常に高い要求があります。高速AD/DAはより難しく、その技術は基本的に米国によって管理されています。一般的に使用される産業用AD/DAチップは、軍事産業や通信産業のような高速要求はありませんが、より高速での精度を追求しています。ADI業界で最も先進的な産業用チップは、65MHzの速度で20ビットの精度を実現でき、一般的なパイプラインADCは2.4GHzで14ビットの精度を実現できます。

人材面での障壁：AD/DA分野はアナログチップの中でも最も難易度の高い部分であり、コア設計者には極めて高度な研究開発経験が求められます。高速かつ高精度なAD/DAの研究開発能力を持つ国内の科学者はごく少数しかおらず、不完全な統計によると、真に高速かつ高精度なAD/DAの経験を持つ人材は10人にも満たない可能性があります。

国内における高性能AD/DAチップの開発には大きな抵抗があり、それは中国で高性能AD/DAチッププロジェクトを実施することが困難であり、応用へのハードルが非常に高いという事実にも表れている。国内の高速高精度AD/DAは黎明期にあり、関連する産業チェーンのサポート施設が少なく、下流市場の開拓が困難です。現在、国内の高性能AD/DAチップの研究開発は主に科学研究機関で行われています。ファーウェイHiSiliconはかつて産業グレードおよび通信グレードの高性能AD/DAの研究開発能力を持ち、国内最強の研究開発チームを擁していました。しかし、米国による制裁後、ファーウェイHiSiliconチームの発展は困難を極めました。一部のスタートアップ企業は当初、高速高精度AD/DAチップの開発を目指していましたが、多額の資本投資と長い開発期間のため、チームのサポートが困難でした。そのため、ほとんどの企業は低速の民生分野に参入し、安定したキャッシュフローでチームをサポートし、徐々に高速AD/DA分野に進出しました。

近年、国内代替の波が加速するにつれ、国内ではいくつかのハイレベルな起業家チームが出現している。これは米中関係の変化も一因となっている。ADIやTIから中国に帰国し、起業する中国人チームが現れ始めた。アナログチップ分野では、国内の起業家チームが台頭し始めた。アナログチップ分野のエベレストAD/DAのような企業も、この分野の関連企業に新たなビジネスチャンスをもたらした。

現在、国内には主にAD/DAチップを製造する上場企業もいくつか存在し、例えば盛邦微電子、Seripu、Chipsea Technologyなどが挙げられる。これらの企業は資本市場で高い評価を受けており、高い企業価値が付けられている。

魏盛邦:同社は中国を代表するアナログチップメーカーであり、電源管理製品と信号処理製品の比率は約7対3である。高精度ADC技術を有し、産業グレードのAD/DAチップの量産実績もある。2020年の売上高は1.2億元であった。現在の時価総額は450億4000万元、PER（過去12ヶ月）は137.50倍、P/S（過去12ヶ月）は32.27倍です。

シリップ:同社の主要事業は信号処理用アナログチップで、売上高の97.92%を占めている。コンバータ製品（AD/DAチップを含む）は売上高の35.72%を占める。同社の産業用AD/DAチップは現在、国内トップのシェアを誇る。2020年の売上高は5億7000万元だった。現在の時価総額は450億4000万元、PER（過去12ヶ月）は156.34倍、P/S（過去12ヶ月）は50.95倍です。

チップシー・テクノロジー：同社の主要事業は、健康計測用AIoTチップ、アナログ信号チェーンチップ、MCUチップであり、それぞれ売上高の36.00%、34.26%、28.60%を占めている。AD/DA分野では、高精度ADCと高信頼性MCUの設計・開発に注力している。同社の2020年の売上高は3億6000万元でした。現在の時価総額は88億6000万元、PER（過去12ヶ月）は54.05倍、P/S（過去12ヶ月）は13.28倍です。

まとめる

AD/DAの国内代替は加速しており、展開に値する。

アナログチップ業界は、長い坂道と深い雪に覆われた道であり、雪だるま式に成長していくには長年の技術蓄積が必要です。アナログチップの重要な分野であるAD/DAは、現実世界とデジタル世界をつなぐ架け橋です。技術的なハードルは極めて高く、その価値は計り知れません。民生分野におけるAD/DAチップは私たちの日常生活に深く関わっており、軍事・通信分野におけるAD/DAチップは国の軍事力に直接的に関わっています。その重要性は言うまでもありません。

アナログチップ分野におけるエベレストとも言えるAD/DAチップの国内代替は、必然的に困難を極めるだろう。現在、AD/DAの中核技術は、米国のADIやTIといったアナログチップ大手によって支配されており、我が国におけるこの分野の発展は、技術と人材の両面で阻まれている。現状、国内にはハイエンドAD/DAの人材はごくわずかしか存在しない。

AD/DAコンバータの国内代替については、忍耐が必要です。アナログ分野自体が長年の技術蓄積を必要とし、海外に追いつくのは一朝一夕にはいきません。しかし、この国産化の波と中国の巨大な市場規模のおかげで、AD/DAコンバータの新興企業が民生分野でブレークスルーを果たし、TIなどの国際的な大手企業と市場セグメントで競合するようになりました。これは既に非常に価値のある成果です。軍事・通信分野におけるAD/DAチップに関しては、今後まだ道のりは長いですが、種が蒔かれていれば、実を結ぶ日が来ることを期待できます。

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