【Introdução】Em comparação com os chips digitais, os chips analógicos receberam atenção relativamente limitada, embora sejam uma área muito importante nos circuitos integrados. Os chips AD/DA são um ramo importante dos chips analógicos e possuemAlto nível técnico e grande valor.e outras características, a tecnologia central tem sido monopolizada por países estrangeiros por um longo período. Este artigo analisa inicialmente o mercado de chips analógicos, em seguida realiza uma exploração aprofundada dos chips AD/DA, incluindo a definição, categorias, mercados, aplicações, etc. de AD/DA, e finalmente explora o processo de localização de AD/DA no meu país.Acreditamos que, como um dos vários chips de uso geral de alta qualidade, o AD/DA possui amplo espaço de desenvolvimento e uma posição estratégica significativa, merecendo ser considerado pelos círculos da indústria e de investimento.
O chip analógico é uma pista com longas inclinações e neve espessa.
Ao falar de semicondutores, a primeira coisa que vem à mente são componentes essenciais como CPUs e memórias. Esses chips pertencem à categoria de chips digitais. Além dos chips digitais, existe outro campo importante na área de semicondutores: os chips analógicos, que tiveram um impacto significativo no desenvolvimento e na evolução da tecnologia. Neste capítulo, analisaremos inicialmente a indústria de chips analógicos.
(1) O que é um chip analógico?
A maioria dos sinais em nosso dia a dia são sinais analógicos, como som, luz, temperatura, etc. Os chips digitais não conseguem processar esses sinais diretamente, sendo necessário que sejam processados primeiro por chips analógicos. Portanto, os circuitos integrados analógicos referem-se principalmente a circuitos integrados que incorporam circuitos analógicos compostos por resistores, capacitores, transistores, etc., para processar sinais analógicos funcionais contínuos (como som, luz, temperatura, etc.).
(2) Tamanho do mercado de chips analógicos
Em termos de tamanho de mercado, o mercado global de chips analógicos em 2021 foi de aproximadamente US$ 61.2 bilhões. O mercado chinês de chips analógicos em 2021 foi de aproximadamente 223.4 bilhões de yuans, com previsão de atingir 261.8 bilhões de yuans em 2024. O mercado chinês de chips analógicos representa mais de 50% do mercado mundial.
Figura 1: Tamanho do mercado de chips analógicos
(3) Comparação entre chips analógicos e chips digitais
Visão principal 1: Os chips analógicos podem abranger um ciclo tecnológico mais longo.
Chip digital: Os chips digitais apresentam características típicas de dependência de trajetória. Quando os processadores evoluem do x86 na era dos PCs, para o ARM na era dos terminais móveis e da IoT, até os chips de IA atuais, as vantagens competitivas dos chips de processador se restringem aos seus respectivos ciclos tecnológicos de curto prazo. Os chips digitais priorizam a relação entre velocidade de processamento e custo, enquanto a Lei de Moore da fabricação de chips limita as iterações de produto dos fabricantes de chips digitais.
Chip analógico: Os circuitos integrados analógicos não servem diretamente para a implementação de algoritmos. Eles alcançam uma evolução estável das tecnologias com base em parâmetros de circuito relativamente fixos, como tensão, corrente, potência, consumo de energia e precisão, e não são limitados pelos ciclos tecnológicos. Os circuitos integrados analógicos não estão sujeitos à Lei de Moore. Além de objetivos como tamanho e consumo de energia, eles também buscam um equilíbrio entre alta relação sinal-ruído, baixa distorção e alta confiabilidade.
Segundo ponto fundamental: os chips analógicos exigem uma equipe técnica mais experiente.
Chip digital:O projeto e a produção de chips digitais são bastante semelhantes às operações de uma linha de montagem. Através de módulos de projeto abrangentes, simulação eficiente por software EDA e plataformas de processo padronizadas, o projeto de um chip de alto desempenho computacional pode ser concluído em pouco tempo; o desenvolvimento de ferramentas EDA trouxe inovação para toda a arquitetura de projeto do núcleo IP subjacente.
Chip analógico:As ferramentas EDA têm um papel muito limitado no projeto e simulação de chips analógicos. Chips analógicos exigem que os projetistas tenham vasta experiência e uma comunicação e cooperação estreitas entre os engenheiros de projeto e os engenheiros de processo. Empresas de chips analógicos não precisam de muitos profissionais técnicos, mas, mais importante, da capacidade de se autossustentar; portanto, o nível de conhecimento do fundador é crucial. Empresas nacionais como Zhuoshengwei e Seripu começaram com uma equipe de apenas uma dúzia de pessoas e alcançaram um valor de mercado de dezenas de bilhões.
Visão central três: As empresas de chips analógicos têm maior rentabilidade, desempenho mais estável e avaliações mais altas.
Nos últimos 20 anos, gigantes de chips analógicos, como a Texas Instruments (TI) e a Analog Devices (ADI), emergiram em todo o mundo, assim como gigantes de chips digitais, como a Intel (Intel) e a AMD (AMD). Comparando a rentabilidade histórica dessas empresas, observa-se que os fabricantes de chips analógicos também apresentam margens de lucro bruto e líquido elevadas, além de serem mais resistentes aos ciclos econômicos do que os fabricantes de chips digitais.
Figura 2: Comparação da margem de lucro bruto e da margem de lucro líquido de empresas de chips analógicos/digitais.
O chip analógico é umNeve intensa em longas encostas.O setor apresenta barreiras tecnológicas e de talento extremamente elevadas, portanto, o nível de avaliação atribuído às empresas de chips analógicos, tanto no mercado interno quanto no externo, é geralmente superior ao das empresas de chips digitais.
Figura 3: Comparação dos níveis de avaliação de empresas de chips analógicos/digitais
Os chips AD/DA são a ponte entre o mundo real e o mundo digital.
(1) O que é um chip AD/DA?
O chip AD/DA realiza principalmente a conversão mútua entre sinais analógicos, como temperatura, pressão, fluxo, velocidade, intensidade luminosa, e sinais digitais (tensão, corrente, etc.). O chip AD (ADC) é usado para converter sinais analógicos em sinais digitais, e o chip DA (DAC) é usado para converter sinais digitais em sinais analógicos.
Em uma cadeia de sinal completa, o sensor coleta sinais naturais do mundo real, como ondas eletromagnéticas, sons, imagens, temperatura, sinais de luz, etc., e os converte em sinais elétricos simulados. Em seguida, o amplificador amplifica o sinal analógico, e o conversor analógico-digital (ADC) o converte em um sinal digital; após o sinal digital ser processado por um microcontrolador (MCU), processador (CPU) ou processador de sinal digital (DSP), ele é restaurado para um sinal analógico através do conversor digital-analógico (DAC) e emitido para o mundo real por meio de dispositivos de saída, como alto-falantes, motores e LEDs.
Figura 4: Como funciona o sistema de cadeia de sinal
(2) Indicadores de desempenho de chips AD/DA
Os principais indicadores de desempenho dos chips AD/DA incluem velocidade e precisão de amostragem, e outros indicadores incluem consumo de energia, taxa de conversão, relação sinal-ruído, erro, etc.
Velocidade de amostragem:Medida em Amostras por Segundo (SPS), representa a largura de banda do sinal analógico que o ADC pode converter. Conversores AD/DA de alta velocidade podem analisar sinais de frequência mais alta.
Precisão:Medido em bits, representa a diferença entre o sinal digital convertido e o sinal analógico original. Quanto maior o número de bits, maior a precisão do chip AD/DA.
(3) Categorias de chips ADC
De acordo com as diferentes velocidades e precisões de amostragem, os chips ADC podem ser divididos nos quatro tipos seguintes:
Conversor analógico-digital flash:O conversor analógico-digital (ADC) Flash geralmente tem uma precisão de no máximo 8 bits, mas possui a maior velocidade e pode atingir mais de 56 GHz.
Pipeline ADC:O conversor analógico-digital (ADC) pipeline é o mais difícil de desenvolver, sua velocidade geralmente não ultrapassa 10 GHz e a precisão pode atingir 14-16 bits.
ADC SAR:A velocidade do conversor analógico-digital (ADC) de aproximações sucessivas (SAR) é de cerca de 100 MHz, mas a precisão pode ultrapassar 18 bits.
ADC Sigma-Delta:O conversor analógico-digital sigma-delta possui a maior precisão, chegando a 24 bits, mas geralmente sua velocidade é de apenas 1K a 10M.
Figura 5 Categoria de chip ADC
As aplicações subsequentes dos chips ADC incluem setores militares, industriais, de consumo, etc. Diferentes cenários de aplicação têm diferentes requisitos de desempenho em termos de velocidade e precisão de amostragem.
Figura 6. Diferentes tipos de ADCs têm diferentes cenários de aplicação.
(4) Situação do mercado de chips AD/DA
Tamanho do mercado:Os chips AD/DA podem ser divididos em chips ADC e chips DAC, sendo os chips ADC responsáveis pela maior parte do mercado. De acordo com dados da Zhiyan Consulting, o tamanho do mercado global de chips ADC e DAC em 2019 foi de US$ 3.155 bilhões. Segundo a Statista, o tamanho do mercado global de chips ADC em 2021 será de aproximadamente US$ 2.75 bilhões, e em 2027, de aproximadamente US$ 4.09 bilhões.
Figura 7: Tamanho do mercado global de chips ADC (em 100 milhões de dólares)
Cenário competitivo:Do ponto de vista do cenário competitivo global, a ADI detém a maior participação de mercado no setor de AD/DA, e os Estados Unidos possuem um monopólio absoluto nesse campo. As cinco maiores empresas são todas americanas.
Figura 8 - Participação de mercado global de chips AD/DA
Cenários de aplicação: Os chips AD/DA abrangem amplamente o consumo,
Cenários de aplicação como indústria, comunicações e indústria militar.
A julgar pela proporção de aplicações a jusante de chips AD/DA globais, os setores de comunicações e industrial/médico são os maiores mercados de aplicação, representando 35% e 31%, respectivamente, seguidos pelos mercados de consumo e automotivo, ambos com 12%.
Figura 9: Proporção da aplicação downstream do chip AD/DA
A seguir, apresentaremos a aplicação de AD/DA nesses cenários, respectivamente, para que todos possam ter uma noção mais intuitiva sobre o papel de AD/DA.
(1) Categoria de consumo: Utilizado principalmente em pulseiras, relógios, fones de ouvido TWS e celulares/tablets
Em aplicações para o consumidor final, os chips ADC são os mais utilizados, apresentando menores requisitos de velocidade de amostragem, mas maiores exigências de precisão. Segundo estimativas, o mercado de chips AD/DA (principalmente ADC) para o consumidor final no meu país ultrapassa 5 bilhões de yuans. Com o crescimento de eletrônicos de consumo como pulseiras, relógios e fones de ouvido TWS, esse mercado apresenta forte demanda e fluxo de caixa relativamente estável.
Relógio de pulso:Os chips ADC são usados principalmente para medir frequência cardíaca, ECG e oxigenação sanguínea. Os requisitos de precisão são altos, geralmente de 16 a 24 bits. Como a coleta de dados da frequência cardíaca não exige alta frequência, os requisitos de velocidade de amostragem são baixos.
Fones de ouvido TWS:O chip ADC é usado principalmente para a função de detecção intra-auricular, e a função de redução de ruído de fones de ouvido de alta qualidade também utiliza o ADC. Existem duas soluções para detecção intra-auricular: SAR e sensoriamento de luz, com uma precisão de cerca de 12 a 16 bits.
Celular/tablet:Os chips ADC são usados principalmente para ajuste de brilho da tela e regulação de radiação. Os celulares vendidos na Europa e nos Estados Unidos precisam vir equipados com chips SAR (regulação de radiação) como padrão, e os celulares também são o cenário de aplicação mais importante para o consumidor final.
Figura 10 Cenário de aplicação para o consumidor
(2) Industrial: AD/DA será usado em cenários como monitoramento de linhas de energia e controle de braços robóticos.
Os sistemas de conversão AD/DA industriais têm requisitos muito diferentes em relação à velocidade e precisão de amostragem em diferentes aplicações específicas, mas, em geral, buscam alta precisão a uma determinada velocidade de amostragem. Por exemplo:Monitoramento de linhas de energia, que é uma aplicação de ADC de baixa velocidade e alta precisão;Controle do braço robótico:Trata-se de um ADC SAR que pode realizar amostragem no tempo com uma taxa entre 1K e 10M.
Existe também um tipo de ADC Sigma-Delta. A precisão desse tipo de ADC é de 16 a 24 bits, mas a velocidade geralmente varia de alguns Hz a alguns K. O produto ADI mais rápido atinge apenas 2.5 MHz, e o limite de entrada é relativamente baixo. Na indústria, pode ser usado para controle de processos fabris, balanças eletrônicas de alta precisão, etc., e na medicina, pode ser usado para amostragem de raios-X, detecção de ECG, etc.
Figura 11: Cenário de aplicação industrial
(3) Automotivo: Utilizado principalmente em sistemas de áudio e gerenciamento de baterias de veículos de novas energias.
No setor automotivo, os conversores analógico-digitais (ADCs) são usados principalmente em sistemas de áudio automotivos e no gerenciamento de baterias de veículos de novas energias. O sistema BMS (sistema de gerenciamento de baterias) dentro desses veículos utiliza os ADCs da SAR. Com o crescimento exponencial das vendas de veículos de novas energias, a demanda por ADCs automotivos continuará a aumentar.
(4) Indústria militar: principalmente utilizada em radares e outros equipamentos militares
Armas e equipamentos militares exigem o uso de conversores analógico-digitais (ADCs) de alta velocidade. Os requisitos de velocidade para ADCs geralmente são superiores a 250 Mbps, e os requisitos de precisão também são elevados.
O radar é o principal cenário de aplicação de conversores AD/DA na indústria militar. Ele possui requisitos técnicos extremamente elevados para conversores analógico-digitais (ADCs), exigindo desempenho de 2.5G/12 bits. Atualmente, o mercado de AD/DA nesse campo é monopolizado por fabricantes estrangeiros e está sujeito a embargo. Um canal em um radar requer um conversor AD/DA, enquanto radares de grande porte possuem dezenas de milhares de canais, e radares de pequeno porte também podem ter apenas alguns milhares. Isso corresponde a um preço unitário médio de vários milhares de dólares americanos, o que representa um grande potencial de mercado.
(5) Comunicação: Utilizado principalmente em estações base e comunicações ópticas.
As estações base 5G precisam integrar conversores AD/DA de alta velocidade. Atualmente, existem estações base 5G a cada poucas centenas de metros, e cada estação base requer produtos AD/DA. Os principais fornecedores atuais são a ADI e a TI. A líder nacional nesse setor é a Huawei HiSilicon, mas atualmente enfrenta dificuldades devido a sanções; a ZTE também está tentando entrar nesse mercado.
Como é o processo de localização de chips AD/DA?
Nos termos do Acordo de Wassenaar, alguns chips AD/DA de alto desempenho usados em aplicações militares, aeroespaciais e outras estão sujeitos a embargo para a China. Tomemos como exemplo o radar de varredura eletrônica. Os chips AD/DA usados em radares de varredura eletrônica nacionais dependem fortemente de tecnologia estrangeira. Após o embargo desses chips, a força da indústria militar chinesa certamente será afetada.
Figura 12. Escopo da tecnologia de chips AD de alta velocidade embargada pelos Estados Unidos à China.
As sanções estrangeiras contra a China na área de defesa aérea e antiaérea (AD/DA) não apenas destacam o status dessa área como um campo de batalha para estrategistas militares, mas também refletem suas altas barreiras de fabricação. Então, por que é tão difícil produzir chips de AD/DA no país? Acreditamos que existam duas barreiras principais: tecnologia e talento.
Barreiras técnicas:Os chips AD/DA militares e de comunicação têm requisitos muito elevados de velocidade de amostragem. A obtenção de chips AD/DA de alta velocidade é mais complexa, e a tecnologia é basicamente controlada pelos Estados Unidos. Os chips AD/DA industriais comuns não possuem os mesmos requisitos de alta velocidade exigidos pelas indústrias militar e de comunicação, mas sim buscam precisão em velocidades mais elevadas; os chips industriais mais avançados do setor de ADI conseguem atingir precisão de 20 bits a uma velocidade de 65 MHz, e um ADC pipeline típico pode alcançar 14 bits/2.4 GHz.
Barreiras ao talento:A área de conversão AD/DA é a mais complexa no desenvolvimento de chips analógicos. Ela exige vasta experiência em pesquisa e desenvolvimento por parte dos projetistas principais. Há apenas um punhado de cientistas nacionais com capacidade comprovada em pesquisa e desenvolvimento de AD/DA de alta velocidade e alta precisão. Segundo estatísticas incompletas, talvez não haja mais do que 10 pessoas com experiência real em AD/DA de alta velocidade e alta precisão.
Existe grande resistência ao desenvolvimento de chips AD/DA de alto desempenho no mercado interno, o que se reflete na dificuldade de implementação de projetos desse tipo na China e na alta exigência para sua aplicação.O mercado doméstico de conversores AD/DA de alta velocidade e alta precisão ainda está em seus estágios iniciais, o que resulta em poucas instalações de suporte na cadeia produtiva e dificuldades para desenvolver um mercado consumidor. Atualmente, a pesquisa e o desenvolvimento de chips AD/DA de alto desempenho no país se concentram principalmente em institutos de pesquisa científica. A Huawei HiSilicon, que já teve capacidade de P&D para chips AD/DA de alto desempenho em nível industrial e de comunicação, e contava com a equipe de P&D mais forte do país, enfrentou dificuldades após as sanções impostas pelos Estados Unidos. Algumas startups se posicionaram inicialmente para produzir chips AD/DA de alta velocidade e alta precisão, mas, devido ao grande investimento de capital e ao longo ciclo de desenvolvimento, tiveram dificuldades para sustentar suas equipes. Portanto, a maioria delas ingressou no mercado de baixo consumo, sustentando suas equipes com fluxo de caixa estável, e só então migrou gradualmente para o mercado de AD/DA de alta velocidade.
Nos últimos anos, à medida que a onda de substituição interna continua a avançar, algumas equipes empreendedoras de alto nível surgiram no país.Isso também se deve às mudanças nas relações sino-americanas. Algumas equipes chinesas da ADI e da TI deixaram suas empresas para retornar à China e abrir seus próprios negócios. Equipes empreendedoras locais começaram a surgir no setor de chips analógicos. Com a ascensão da AD/DA no campo dos chips analógicos, novas oportunidades surgiram para empresas relacionadas.
Atualmente, existem também algumas empresas nacionais cotadas em bolsa que produzem principalmente chips AD/DA, como a Shengbang Micro, a Seripu e a Chipsea Technology. Essas empresas têm sido favorecidas pelo mercado de capitais, o que lhes conferiu elevadas avaliações de mercado.
Shengbang Wei:A empresa é líder na fabricação de chips analógicos na China, com produtos de gerenciamento de energia e produtos de cadeia de sinal representando aproximadamente 7:3 em seus segmentos. A empresa possui capacidade de produção de conversores analógico-digitais (ADCs) de alta precisão e já fabrica em massa chips AD/DA de nível industrial. O faturamento da empresa em 2020 foi de 1.2 bilhão de yuans.O valor de mercado atual é de 46.09 bilhões de yuans, o índice P/L (TTM) é de 137.50x e o índice P/V (TTM) é de 32.27x.
Sirip:O principal negócio da empresa são chips analógicos para cadeia de sinal, representando 97.92% de sua receita. Os produtos de conversão (incluindo chips AD/DA) representaram 35.72% da receita. Os chips AD/DA industriais da empresa lideram atualmente o mercado nacional. A receita da empresa em 2020 foi de 570 milhões de yuans.O valor de mercado atual é de 45.04 bilhões de yuans, o índice P/L (TTM) é de 156.34x e o índice P/V (TTM) é de 50.95x.
Tecnologia Chipsea:Os principais negócios da empresa são chips AIoT para medição de saúde, chips de cadeia de sinal analógico e chips MCU, representando 36.00%, 34.26% e 28.60% respectivamente. Na área de AD/DA, a empresa se concentra no projeto e desenvolvimento de ADCs de alta precisão e MCUs de alta confiabilidade.A receita da empresa em 2020 foi de 360 milhões de yuans. O valor de mercado atual é de 8.86 bilhões de yuans, o índice P/L (TTM) é de 54.05x e o índice P/V (TTM) é de 13.28x.
A substituição doméstica de AD/DA está se acelerando e merece ser implementada.
A indústria de chips analógicos é uma trilha com longas ladeiras e neve espessa, que exige muitos anos de acúmulo tecnológico para se transformar em uma bola de neve. Como um ramo importante dos chips analógicos, a conversão AD/DA é uma ponte que conecta o mundo real ao mundo digital. O nível de exigência técnica é extremamente alto e o valor agregado é imenso. Os chips AD/DA no setor de consumo estão relacionados ao nosso cotidiano, enquanto os chips AD/DA no setor militar/de comunicação estão diretamente ligados ao poderio militar do nosso país. Sua importância é evidente.
Sendo o Monte Everest no campo dos chips analógicos, a substituição dos chips AD/DA no mercado interno é fadada a ser difícil. Atualmente, a tecnologia central de AD/DA é controlada por gigantes de chips analógicos como a ADI e a TI, dos Estados Unidos, e o desenvolvimento dessa área no meu país tem sido bloqueado pela falta de tecnologia e de talentos. Atualmente, existem apenas alguns profissionais de ponta em AD/DA no país.
Para a substituição nacional de conversores AD/DA, precisamos de paciência. O próprio campo analógico exige anos de acúmulo tecnológico, e alcançar os países estrangeiros não acontece da noite para o dia. No entanto, graças a essa onda de substituição por produtos nacionais e ao enorme tamanho do mercado chinês, vimos algumas startups de AD/DA alcançarem avanços significativos no setor de consumo e competirem com gigantes internacionais como a TI em diversos segmentos de mercado. Isso já é uma conquista muito valiosa. Ainda temos um longo caminho a percorrer no futuro dos chips AD/DA para os setores militar e de comunicação, mas, contanto que as sementes estejam plantadas, podemos aguardar o dia em que elas darão frutos.
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