【소개】디지털 칩에 비해 아날로그 칩은 상대적으로 주목을 덜 받았지만, 집적 회로 분야에서 매우 중요한 영역입니다. AD/DA 칩은 아날로그 칩의 중요한 한 분야이며,높은 기술적 진입 장벽과 큰 가치이러한 특징들 외에도, 핵심 기술은 오랫동안 외국에 의해 독점되어 왔습니다. 본 논문에서는 먼저 아날로그 칩 시장을 분석하고, AD/DA 칩에 대해 정의, 분류, 시장, 응용 분야 등을 심층적으로 살펴본 후, 마지막으로 우리나라에서의 AD/DA 칩 국산화 과정을 고찰합니다.저희는 AD/DA가 여러 고급 범용 칩 중 하나로서 폭넓은 발전 가능성과 중요한 전략적 위치를 가지고 있으며, 업계와 투자계의 주목을 받을 만한 가치가 있다고 믿습니다.
아날로그 칩은 긴 경사와 두꺼운 눈으로 덮인 트랙과 같습니다.
반도체라고 하면 가장 먼저 떠오르는 것은 CPU나 메모리 같은 핵심 부품들입니다. 이러한 칩들은 모두 디지털 칩 범주에 속합니다. 하지만 디지털 칩 외에도 반도체 분야에는 아날로그 칩이라는 중요한 영역이 있으며, 이는 기술의 발전과 진화에 지대한 영향을 미쳐 왔습니다. 이 장에서는 먼저 아날로그 칩 산업에 대해 살펴보겠습니다.
우리 일상생활에서 접하는 대부분의 신호는 소리, 빛, 온도 등과 같은 아날로그 신호입니다. 디지털 칩은 이러한 신호를 직접 처리할 수 없으므로 아날로그 칩을 통해 먼저 처리해야 합니다. 따라서 아날로그 집적 회로는 주로 저항, 콘덴서, 트랜지스터 등으로 구성된 아날로그 회로를 집적하여 소리, 빛, 온도 등과 같은 연속적인 기능적 아날로그 신호를 처리하는 회로를 의미합니다.
시장 규모 측면에서 볼 때, 2021년 전 세계 아날로그 칩 시장 규모는 약 61.2억 달러였습니다. 중국의 아날로그 칩 시장 규모는 2021년 약 223.4억 위안이었으며, 2024년에는 261.8억 위안에 이를 것으로 예상됩니다. 중국의 아날로그 칩 시장 규모는 전 세계 시장의 50% 이상을 차지합니다.
핵심 관점 1: 아날로그 칩은 더 긴 기술 주기를 거칠 수 있다.
디지털 칩: 디지털 칩은 전형적인 경로 의존적 특성을 지닙니다. PC 시대의 x86에서 모바일 단말기 및 IoT 시대의 ARM, 그리고 오늘날의 AI 칩에 이르기까지, 프로세서 칩의 경쟁 우위는 각 기술 주기의 단기적인 제약에 국한됩니다. 디지털 칩은 연산 속도 대비 비용 효율을 중시하는 반면, 칩 제조 분야의 무어의 법칙은 디지털 칩 설계 제조업체의 제품 출시 주기를 제한합니다.
아날로그 칩: 아날로그 칩은 알고리즘 구현에 직접적으로 사용되지는 않습니다. 전압, 전류, 전력, 소비 전력, 정확도와 같은 비교적 고정된 회로 파라미터를 기반으로 안정적인 기술 발전을 이루며, 기술 주기의 제약을 받지 않습니다. 아날로그 칩은 무어의 법칙에 따르지 않습니다. 크기와 소비 전력과 같은 목표 외에도 높은 신호 대 잡음비, 낮은 왜곡, 높은 신뢰성 간의 균형을 추구합니다.
두 번째 핵심 사항: 아날로그 칩에는 더욱 숙련된 기술팀이 필요합니다.
디지털 칩:디지털 칩의 설계 및 생산은 조립 라인 작업과 매우 유사합니다. 풍부한 설계 모듈, 효율적인 EDA 소프트웨어 시뮬레이션, 표준화된 공정 플랫폼을 통해 고성능 컴퓨팅 칩 설계를 단시간에 완료할 수 있으며, EDA 툴의 개발은 기본 IP 코어의 전체 설계 아키텍처에 혁신을 가져왔습니다.
아날로그 칩:EDA 툴은 아날로그 칩 설계 및 시뮬레이션에서 매우 제한적인 역할만 할 수 있습니다. 아날로그 칩 설계에는 풍부한 경험을 가진 설계자와 설계 엔지니어 및 공정 엔지니어 간의 긴밀한 소통과 협력이 필수적입니다. 아날로그 칩 회사는 많은 기술 인력이 필요한 것이 아니라, 홀로 고군분투할 수 있는 능력이 더욱 중요하기 때문에 창업자의 역량이 매우 중요합니다. 국내 기업인 주오성웨이(Zhuoshengwei)와 세리푸(Seripu)는 단 10여 명의 팀으로 시작하여 수백억 위안의 시장 가치를 달성했습니다.
세 번째 핵심 관점: 아날로그 칩 기업은 수익성이 더 높고, 실적이 더 안정적이며, 기업 가치가 더 높다.
지난 20년 동안 텍사스 인스트루먼트(TI)와 아날로그 디바이스(ADI) 같은 아날로그 칩 대기업뿐 아니라 인텔(Intel)과 AMD(AMD) 같은 디지털 칩 대기업들이 전 세계적으로 부상했습니다. 이들 기업의 과거 수익성을 비교해 보면, 아날로그 칩 제조업체들도 높은 매출총이익률과 순이익률을 기록하며 디지털 칩 제조업체들보다 경기 변동에 더 강한 저항력을 보이는 것을 알 수 있습니다.
그림 2. 아날로그/디지털 칩 회사들의 총이익률과 순이익률 비교
아날로그 칩은긴 경사면에 쌓인 폭설아날로그 칩 분야는 기술 및 인재 진입 장벽이 매우 높기 때문에 국내외에서 아날로그 칩 기업의 기업 가치는 일반적으로 디지털 칩 기업보다 높게 평가됩니다.
그림 3. 아날로그/디지털 칩 회사들의 기업 가치 평가 수준 비교
AD/DA 칩은 현실 세계와 디지털 세계를 연결하는 다리 역할을 합니다.
AD/DA 칩은 주로 온도, 압력, 유량, 속도, 광도와 같은 아날로그 신호와 전압, 전류 등의 디지털 신호 간의 상호 변환을 구현합니다. AD 칩(ADC)은 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 데 사용되고, DA 칩(DAC)은 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 데 사용됩니다.
완전한 신호 체인에서 센서는 전자기파, 소리, 이미지, 온도, 빛 신호 등과 같은 실제 세계의 자연 신호를 수집하고 이러한 자연 신호를 모의 전기 신호로 변환합니다. 그런 다음 증폭기가 아날로그 신호를 증폭하고, ADC가 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환합니다. 디지털 신호는 MCU, CPU 또는 DSP에서 처리된 후 DAC를 통해 다시 아날로그 신호로 변환되어 스피커, 모터, LED와 같은 출력 장치를 통해 실제 세계로 출력됩니다.
그림 4. 신호 전달 체계 시스템의 작동 방식
AD/DA 칩의 주요 성능 지표에는 샘플링 속도와 정확도가 포함되며, 그 외 지표로는 전력 소비, 변환율, 신호 대 잡음비, 오차 등이 있습니다.
샘플링 속도:초당 샘플 수(SPS)로 측정되는 이는 ADC가 변환할 수 있는 아날로그 신호 대역폭을 나타냅니다. 고속 AD/DA는 더 높은 주파수의 신호를 분석할 수 있습니다.
정확도 :비트 단위로 측정되는 AD/DA 변환 값은 변환된 디지털 신호와 원래 아날로그 신호 간의 차이를 나타내는 데 사용됩니다. 비트 수가 높을수록 AD/DA 칩의 정확도가 높아집니다.
샘플링 속도와 정확도에 따라 ADC 칩은 다음과 같은 네 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.
플래시 ADC:플래시 ADC는 일반적으로 8비트 이하의 정확도를 가지지만, 최고 속도를 자랑하며 56GHz 이상의 속도에 도달할 수 있습니다.
파이프라인 ADC:파이프라인 ADC는 개발하기 가장 어렵고, 속도는 보통 10GHz를 넘지 않으며, 정확도는 14~16비트 정도입니다.
SAR ADC:연속 근사(SAR) ADC의 속도는 약 100MHz이지만 정확도는 18비트를 초과할 수 있습니다.
시그마-델타 ADC:시그마-델타 ADC는 최대 24비트까지 가장 높은 정확도를 제공하지만, 일반적으로 속도는 1K~10M에 불과합니다.
ADC 칩의 하위 응용 분야는 군사, 산업, 소비자 등을 포함합니다. 다양한 응용 시나리오에서는 샘플링 속도와 정확도에 대한 성능 요구 사항이 다릅니다.
그림 6. 다양한 유형의 ADC는 서로 다른 적용 시나리오를 가지고 있습니다.
시장 규모:AD/DA 칩은 ADC 칩과 DAC 칩으로 나뉘며, 그중 ADC 칩이 더 큰 비중을 차지합니다. 지옌 컨설팅(Zhiyan Consulting)의 자료에 따르면, 2019년 전 세계 ADC 및 DAC 칩 시장 규모는 31억 5,500만 달러였습니다. 스태티스티카(Statistica)는 2021년 전 세계 ADC 칩 시장 규모가 약 27억 5,000만 달러, 2027년에는 약 40억 9,000만 달러에 이를 것으로 전망하고 있습니다.
그림 7. 글로벌 ADC 칩 시장 규모(미화 100억 달러)
경쟁 구도:글로벌 경쟁 구도의 관점에서 볼 때, ADI는 AD/DA 분야에서 가장 높은 시장 점유율을 차지하고 있으며, 미국은 이 분야에서 절대적인 독점권을 행사하고 있습니다. 상위 5개 기업 모두 미국 기업입니다.
적용 시나리오: AD/DA 칩은 소비재 시장에 광범위하게 적용됩니다.
산업, 통신 및 군사 산업과 같은 응용 시나리오
전 세계 AD/DA 칩의 하위 응용 분야 비중을 보면 통신 및 산업/의료 분야가 각각 35%와 31%로 가장 큰 시장이며, 그 뒤를 소비자 및 자동차 시장이 각각 12%로 잇고 있습니다.
그림 9. AD/DA 칩 다운스트림 응용 비율
다음으로, AD/DA가 이러한 시나리오에 어떻게 적용되는지 각각 소개하여 모든 분들이 AD/DA의 역할을 보다 직관적으로 이해할 수 있도록 하겠습니다.
(1) 소비자 범주: 주로 팔찌, 시계, TWS 헤드셋 및 휴대폰/태블릿에 사용됨
소비자용 애플리케이션 시나리오에서는 주로 ADC 칩이 사용되는데, 이는 샘플링 속도에 대한 요구 사항은 낮지만 정확도에 대한 요구 사항은 높습니다. 추산에 따르면 우리나라 소비자용 AD/DA 칩(주로 ADC) 시장 규모는 5억 위안을 넘어섭니다. 팔찌, 시계, TWS 헤드셋과 같은 소비자 전자제품의 증가로 이 시장은 강력한 수요를 보이고 있으며 비교적 안정적인 현금 흐름을 유지하고 있습니다.
팔찌형 시계:ADC 칩은 주로 심박수, 심전도(ECG) 및 혈중 산소량을 측정하는 데 사용됩니다. 정확도 요구 사항이 높아 일반적으로 16~24비트가 필요합니다. 심박수 측정은 빠른 주파수가 필요하지 않으므로 샘플링 속도 요구 사항은 낮습니다.
TWS 헤드폰:ADC 칩은 주로 이어폰 감지 기능에 사용되며, 고급 헤드폰의 노이즈 감소 기능에도 ADC가 사용됩니다. 이어폰 감지 방식에는 SAR 감지와 광 감지 두 가지가 있으며, 정확도는 약 12~16비트입니다.
휴대폰/태블릿:ADC 칩은 주로 화면 밝기 조절 및 전자파 감쇠 조절에 사용됩니다. 유럽과 미국에서 판매되는 휴대폰은 SAR(전자파 감쇠) 칩을 기본 사양으로 탑재해야 하며, 휴대폰은 소비자용 제품에서 가장 중요한 적용 분야 중 하나입니다.
(2) 산업: AD/DA는 전력선 모니터링 및 로봇 팔 제어와 같은 시나리오에서 사용될 것입니다.
산업용 AD/DA는 특정 응용 분야에 따라 샘플링 속도와 정확도에 대한 요구 사항이 매우 다르지만, 일반적으로 특정 샘플링 속도에서 높은 정확도를 추구합니다. 예를 들어,전력선 모니터링이는 저속 고정밀 ADC 응용 프로그램입니다.로봇 팔 제어:이는 1K~10M 사이의 샘플링 속도로 시간 샘플링이 가능한 SAR ADC입니다.
시그마-델타 ADC 유형도 있습니다. 이 유형의 ADC는 정확도가 16~24비트이지만 속도는 일반적으로 몇 Hz에서 몇 kHz에 불과합니다. ADI의 가장 빠른 제품도 2.5만 MHz에 그치므로 진입 장벽이 비교적 낮습니다. 산업 분야에서는 공장 공정 제어, 고급 전자 저울 등에 사용될 수 있으며, 의료 분야에서는 X선 샘플링, 심전도(ECG) 검출 등에 사용될 수 있습니다.
(3) 자동차: 주로 신에너지 자동차의 오디오 시스템 및 배터리 관리 시스템에 사용됩니다.
자동차 분야에서 ADC는 주로 자동차 오디오 시스템과 신에너지 자동차의 배터리 관리 시스템에 사용됩니다. 신에너지 자동차에 탑재되는 BMS(배터리 관리 시스템)에는 SAR의 ADC 제품이 사용될 예정입니다. 신에너지 자동차 판매량이 급증함에 따라 자동차용 ADC에 대한 수요는 지속적으로 증가할 것입니다.
(4) 군수산업: 주로 레이더 및 기타 군사 장비에 사용됨
군용 무기 및 장비에는 고속 ADC(산소 신호 변환기)가 필요합니다. ADC의 속도 요구 사항은 일반적으로 250M 이상이며, 정확도 요구 사항 또한 높습니다.
레이더는 군사 산업에서 AD/DA의 주요 응용 분야입니다. 레이더는 ADC에 매우 높은 기술적 요구 사항을 가지며 2.5G/12비트 성능이 필요합니다. 현재 이 분야의 AD/DA는 외국 제조업체들이 독점하고 있으며 수출 금지 대상에 포함되어 있습니다. 레이더는 채널 하나당 하나의 AD/DA가 필요하지만, 대형 레이더는 수만 개의 채널을, 소형 레이더도 수천 개의 채널을 갖습니다. 이는 평균 개당 수천 달러에 달하는 가격으로 이어지며, 거대한 시장 잠재력을 가지고 있습니다.
(5) 통신: 주로 기지국 및 광통신에 사용됨
5G 기지국에는 고속 AD/DA 변환기가 필수적입니다. 현재 수백 미터 간격으로 5G 기지국이 설치되고 있으며, 각 기지국에는 AD/DA 제품이 필요합니다. 현재 주요 공급업체는 ADI와 TI입니다. 국내 선두 기업인 화웨이 하이실리콘은 현재 제재로 어려움을 겪고 있으며, ZTE 또한 이 분야 진출을 시도하고 있습니다.
AD/DA 칩의 현지화 과정은 어떻게 진행되나요?
바세나르 협정에 따라 군사, 항공우주 및 기타 분야에 사용되는 일부 고성능 AD/DA 칩의 중국 수출이 금지됩니다. 위상 배열 레이더를 예로 들면, 국내 위상 배열 레이더에 사용되는 AD/DA 칩은 외국 기술에 크게 의존하고 있습니다. 이러한 칩이 해외로 수출 금지되면 군수 산업의 경쟁력에 타격이 불가피합니다.
그림 12. 미국이 중국에 대해 제재한 고속 AD 칩 기술의 범위
대중국 방산 제재는 AD/DA 분야에서 중국이 군사 전략가들의 주요 전장으로 부상했음을 보여줄 뿐만 아니라, AD/DA 칩의 높은 제조 장벽을 드러냅니다. 그렇다면 왜 국내 AD/DA 칩 개발이 그토록 어려운 것일까요? 우리는 기술과 인재라는 두 가지 주요 장벽이 있다고 생각합니다.
기술적 장벽:군사 및 통신용 AD/DA 칩은 샘플링 속도에 대한 요구 사항이 매우 높습니다. 고속 AD/DA 칩 개발은 더욱 어렵고, 관련 기술은 기본적으로 미국이 독점하고 있습니다. 일반적으로 사용되는 산업용 AD/DA 칩은 군사 및 통신 분야처럼 고속 샘플링 속도를 요구하지는 않지만, 고속에서 높은 정확도를 추구합니다. ADI 업계에서 가장 앞선 산업용 칩은 65MHz 속도에서 20비트 정확도를 달성할 수 있으며, 일반적인 파이프라인 ADC는 2.4GHz 속도에서 14비트 정확도를 달성할 수 있습니다.
인재 확보의 장벽:AD/DA 분야는 아날로그 칩 개발에서 가장 어려운 부분입니다. 핵심 설계자에게는 매우 높은 수준의 연구 개발 경험이 요구됩니다. 고속 고정밀 AD/DA 연구 개발 능력을 갖춘 국내 과학자는 극소수에 불과합니다. 불완전한 통계에 따르면, 실제로 고속 고정밀 AD/DA 분야에서 풍부한 경험을 가진 사람은 10명도 채 되지 않을 것으로 추정됩니다.
국내 고성능 AD/DA 칩 개발에는 상당한 저항이 존재하며, 이는 중국에서 고성능 AD/DA 칩 프로젝트를 실행하기 어렵고 적용 문턱이 매우 높다는 사실에 반영되어 있습니다.국내 고속 고정밀 AD/DA 기술은 아직 초기 단계에 머물러 있어 관련 산업 사슬을 지원하는 시설이 부족하고 하위 시장 육성에 어려움을 겪고 있습니다. 현재 국내 고성능 AD/DA 칩 연구 개발은 주로 과학 연구 기관에 집중되어 있습니다. 화웨이 하이실리콘은 한때 산업용 및 통신용 고성능 AD/DA 칩 연구 개발 역량을 갖추고 국내 최강의 연구 개발팀을 보유했었지만, 미국의 제재 이후 화웨이 하이실리콘 연구팀의 발전에 어려움을 겪었습니다. 일부 스타트업 기업들은 초기에는 고속 고정밀 AD/DA 칩 개발을 목표로 했지만, 막대한 자본 투자와 긴 개발 주기로 인해 연구팀을 유지하기 어려웠습니다. 따라서 대부분 저속 소비자용 칩 시장에 진출하여 안정적인 자금으로 연구팀을 유지한 후 점차 고속 AD/DA 칩 시장으로 진출하는 방식을 택했습니다.
최근 몇 년 동안 국내 대체재 도입 물결이 계속되면서 국내에서 수준 높은 창업팀들이 몇몇 등장했다.이는 미중 관계의 변화에도 기인합니다. ADI와 TI의 일부 중국 팀들이 회사를 떠나 중국으로 돌아가 창업을 시작했고, 아날로그 칩 분야에서 국내 창업팀들이 등장하기 시작했습니다. 아날로그 칩 분야의 에베레스트 AD/DA 컨버터가 등장하면서 관련 기업들도 새로운 기회를 맞이하게 되었습니다.
현재 국내 상장 기업 중에는 성방마이크로, 세리푸, 칩시테크놀로지처럼 AD/DA 칩을 주력으로 생산하는 기업들이 있습니다. 이들 기업은 자본 시장에서 호평을 받으며 높은 기업 가치를 인정받고 있습니다.
웨이 성방:이 회사는 중국의 선도적인 아날로그 칩 기업으로, 전력 관리 제품과 신호 체인 제품이 약 7:3의 비율로 구성되어 있습니다. 고정밀 ADC 기술을 보유하고 있으며, 산업용 AD/DA 칩을 대량 생산하고 있습니다. 2020년 매출은 1.2억 위안을 기록했습니다.현재 시가총액은 450억 4천만 위안이며, 주가수익비율(TTM)은 137.50배, 주가매출비율(TTM)은 32.27배입니다.
시립:이 회사의 주력 사업은 신호 체인 아날로그 칩으로, 매출의 97.92%를 차지합니다. 컨버터 제품(AD/DA 칩 포함)은 매출의 35.72%를 차지했습니다. 이 회사의 산업용 AD/DA 칩은 현재 국내 최고 수준입니다. 2020년 매출은 5억 7천만 위안이었습니다.현재 시가총액은 450억 4천만 위안이며, 주가수익비율(TTM)은 156.34배, 주가매출비율(TTM)은 50.95배입니다.
칩시 테크놀로지:이 회사의 주요 사업은 건강 측정용 AIoT 칩, 아날로그 신호 체인 칩, MCU 칩으로, 각각 36.00%, 34.26%, 28.60%의 비중을 차지합니다. AD/DA 분야에서는 고정밀 ADC와 고신뢰성 MCU의 설계 및 개발에 주력하고 있습니다.이 회사의 2020년 매출은 3억 6천만 위안이었습니다. 현재 시가총액은 88억 6천만 위안이며, 주가수익비율(TTM)은 54.05배, 주가매출비율(TTM)은 13.28배입니다.
AD/DA 국내 대체 기술 개발이 가속화되고 있으며, 도입할 가치가 충분합니다.
아날로그 칩 산업은 마치 눈 덮인 긴 경사로와 같은 길로, 눈덩이처럼 불어나기 위해서는 수년간의 기술 축적이 필요합니다. 아날로그 칩의 중요한 분야인 AD/DA 회로는 현실 세계와 디지털 세계를 연결하는 다리 역할을 합니다. 기술적 진입 장벽이 매우 높고, 그 가치 또한 막대합니다. 소비자용 AD/DA 칩은 우리의 일상생활과 밀접하게 관련되어 있으며, 군사/통신 분야의 AD/DA 칩은 국가의 군사력과 직결됩니다. 그 중요성은 두말할 나위가 없습니다.
아날로그 칩 분야의 에베레스트 산과 같은 AD/DA 칩의 국내 대체는 필연적으로 어려운 과제입니다. 현재 핵심 AD/DA 기술은 미국의 ADI, TI와 같은 아날로그 칩 대기업들이 장악하고 있으며, 우리나라의 이 분야 발전은 기술력과 인재 부족으로 정체되어 있습니다. 현재 국내 고급 AD/DA 전문가는 극소수에 불과합니다.
AD/DA 칩의 국내 대체에는 인내심이 필요합니다. 아날로그 분야 자체가 오랜 기술 축적을 필요로 하며, 해외 국가들을 따라잡는 것은 단기간에 이루어질 수 있는 일이 아닙니다. 하지만 최근의 국산화 추진과 중국의 거대한 시장 규모 덕분에 일부 신생 AD/DA 기업들이 소비자 시장에서 두각을 나타내며 TI와 같은 국제적인 대기업들과 경쟁하고 있습니다. 이는 이미 매우 가치 있는 성과입니다. 군사/통신 분야의 AD/DA 칩은 앞으로 갈 길이 멀지만, 이러한 기반이 마련되어 있다면 언젠가 결실을 맺을 날을 기대할 수 있을 것입니다.
면책 조항: 본 기사는 "CDH 바이푸 플랫폼"에서 발췌한 내용입니다. 본 기사는 전적으로 필자의 개인적인 견해이며, 사코마이크로 및 업계의 공식적인 입장을 대변하는 것은 아닙니다. 지적 재산권 보호를 위한 재인쇄 및 공유만 허용되며, 재인쇄 시 원문 출처와 저자를 반드시 명시해 주시기 바랍니다. 저작권 침해 사항이 있을 경우, 삭제를 위해 당사에 연락 주시기 바랍니다.
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