Микросхема АЦП/ЦАП — Эверест в области аналоговых микросхем.
【Вступление】По сравнению с цифровыми микросхемами, аналоговым микросхемам уделяется относительно мало внимания, однако аналоговые микросхемы являются очень важным направлением в интегральных схемах. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые микросхемы представляют собой важную ветвь аналоговых микросхем и обладаютВысокий технический порог и большая стоимостьПомимо прочих характеристик, основная технология долгое время монополизировалась зарубежными странами. В данной статье сначала анализируется рынок аналоговых микросхем, затем проводится углубленное исследование микросхем АЦП/ЦАП, включая определение, категории, рынки, области применения и т. д., и, наконец, рассматривается процесс локализации АЦП/ЦАП в нашей стране.Мы считаем, что, будучи одним из нескольких высокопроизводительных универсальных чипов, AD/DA обладает широким потенциалом развития и значительным стратегическим положением, и заслуживает внимания отрасли и инвестиционных кругов.
Аналоговый чип представляет собой трассу с длинными склонами и толстым слоем снега.
Говоря о полупроводниках, первое, что приходит на ум, — это основные компоненты, такие как процессоры и микросхемы памяти. Все эти микросхемы относятся к категории цифровых микросхем. Помимо цифровых микросхем, в полупроводниковой отрасли существует еще одна важная область — аналоговые микросхемы, оказавшие значительное влияние на развитие и эволюцию технологий. В этой главе мы сначала проанализируем индустрию аналоговых микросхем.
(1) Что такое аналоговая микросхема?
Большинство сигналов в нашей повседневной жизни являются аналоговыми, например, звук, свет, температура и т. д. Цифровые микросхемы не могут обрабатывать эти сигналы напрямую, и сначала они обрабатываются аналоговыми микросхемами. Поэтому аналоговые интегральные схемы в основном представляют собой интегральные схемы, в которых интегрированы аналоговые цепи, состоящие из резисторов, конденсаторов, транзисторов и т. д., для обработки непрерывных функциональных аналоговых сигналов (таких как звук, свет, температура и т. д.).
(2) Размер рынка аналоговых микросхем
С точки зрения размера рынка, объем мирового рынка аналоговых микросхем в 2021 году составил приблизительно 61.2 млрд долларов США. Объем китайского рынка аналоговых микросхем в 2021 году составил приблизительно 223.4 млрд юаней. Ожидается, что к 2024 году объем рынка достигнет 261.8 млрд юаней. На долю китайского рынка аналоговых микросхем приходится более 50% мирового рынка.
Рисунок 1. Размер рынка аналоговых микросхем.
(3) Сравнение аналоговых и цифровых микросхем
Основная точка зрения 1: Аналоговые микросхемы могут существовать в течение более длительного технологического цикла.
Цифровой чип: Цифровые чипы обладают типичными характеристиками зависимости от предшествующего развития. Когда процессоры переходят от x86 в эпоху ПК к ARM в эпоху мобильных терминалов и Интернета вещей, а затем к современным чипам для искусственного интеллекта, конкурентные преимущества процессоров сохраняются лишь в течение краткосрочных технологических циклов. В цифровых чипах приоритет отдается соотношению вычислительной скорости и стоимости, в то время как закон Мура в производстве микросхем ограничивает количество итераций в разработке цифровых чипов.
Аналоговый чип: Аналоговые микросхемы не используются напрямую для реализации алгоритмов. Они обеспечивают стабильное развитие технологий на основе относительно фиксированных параметров схемы, таких как напряжение, ток, мощность, энергопотребление и точность, и не ограничены технологическими циклами. Аналоговые микросхемы не подчиняются закону Мура. Помимо таких целей, как размер и энергопотребление, они также стремятся к балансу между высоким отношением сигнал/шум, низким уровнем искажений и высокой надежностью.
Второй ключевой момент: для аналоговых микросхем требуется более опытная техническая команда.
Цифровой чип:Проектирование и производство цифровых микросхем во многом схожи с конвейерными операциями. Благодаря богатому набору проектных модулей, эффективному программному обеспечению для моделирования EDA и стандартизированным технологическим платформам, проектирование высокопроизводительной микросхемы может быть завершено в короткие сроки; разработка инструментов EDA внесла инновации во всю архитектуру проектирования базового IP-ядра.
Аналоговый чип:Инструменты EDA играют лишь очень ограниченную роль в проектировании и моделировании аналоговых микросхем. Для разработки аналоговых микросхем требуется богатый опыт, а также тесное взаимодействие и сотрудничество между инженерами-проектировщиками и инженерами-технологами. Компаниям, занимающимся разработкой аналоговых микросхем, не нужно много технических специалистов, но, что более важно, способность работать в одиночку, поэтому уровень основателя имеет огромное значение. Отечественные компании, такие как Zhuoshengwei и Seripu, начинали с командой всего из десятка человек и достигли рыночной капитализации в десятки миллиардов.
Третий основной тезис: компании, производящие аналоговые микросхемы, обладают более высокой прибыльностью, более стабильными показателями и более высокой рыночной капитализацией.
За последние 20 лет по всему миру появились гиганты в области аналоговых микросхем, такие как Texas Instruments (TI) и Analog Devices (ADI), а также гиганты в области цифровых микросхем, такие как Intel (Intel) и AMD (AMD). Сравнивая историческую прибыльность этих компаний, можно увидеть, что производители аналоговых микросхем также имеют высокую валовую и чистую прибыль и более устойчивы к циклическим колебаниям, чем производители цифровых микросхем.
Рисунок 2. Сравнение валовой и чистой прибыли компаний, производящих аналоговые/цифровые микросхемы.
Аналоговый чип — этоСильный снегопад на длинных склонахВ этой отрасли существуют чрезвычайно высокие технологические и кадровые барьеры, поэтому оценка компаний, занимающихся аналоговыми микросхемами, как внутри страны, так и за рубежом, как правило, выше, чем оценка компаний, занимающихся цифровыми микросхемами.
Рисунок 3. Сравнение уровней оценки компаний, производящих аналоговые и цифровые микросхемы.
АЦП/ЦАП — это мост между реальным и цифровым миром.
(1) Что такое микросхема АЦП/ЦАП?
Микросхема АЦП/ЦАП в основном обеспечивает взаимное преобразование между аналоговыми сигналами, такими как температура, давление, расход, скорость, интенсивность света, и цифровыми сигналами (напряжение, ток и т. д.). Микросхема АЦП (ADC) используется для преобразования аналоговых сигналов в цифровые, а микросхема ЦАП (DAC) — для преобразования цифровых сигналов в аналоговые.
В полной сигнальной цепи датчик собирает реальные естественные сигналы, такие как электромагнитные волны, звуки, изображения, температура, световые сигналы и т. д., и преобразует эти естественные сигналы в имитированные электрические сигналы. Затем усилитель усиливает аналоговый сигнал, а АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой; после обработки цифрового сигнала микроконтроллером, центральным процессором или цифровым сигнальным процессором он восстанавливается до аналогового сигнала через ЦАП и выводится в реальный мир через выходные устройства, такие как динамики, двигатели и светодиоды.
Рисунок 4. Как работает система сигнальной цепи.
(2) Показатели производительности микросхем АЦП/ЦАП
К основным показателям производительности микросхем АЦП/ЦАП относятся скорость и точность дискретизации, а также другие показатели, такие как энергопотребление, коэффициент преобразования, отношение сигнал/шум, погрешность и т.д.
Скорость выборки:Измеряется в выборках в секунду (SPS) и представляет собой полосу пропускания аналогового сигнала, которую может преобразовать АЦП. Высокоскоростные АЦП/ЦАП могут анализировать сигналы более высоких частот.
Точность:Измеряемая в битовых единицах, она используется для представления разницы между преобразованным цифровым сигналом и исходным аналоговым сигналом. Чем больше битов, тем выше точность микросхемы АЦП/ЦАП.
(3) Категории микросхем АЦП
В зависимости от скорости дискретизации и точности, микросхемы АЦП можно разделить на следующие четыре типа:
Флэш-АЦП:Точность флэш-АЦП обычно не превышает 8 бит, но при этом он обладает самой высокой скоростью и может достигать частоты более 56 ГГц.
Конвейерный АЦП:Конвейерный АЦП — наиболее сложный в разработке типоразмер, его скорость обычно не превышает 10 ГГц, а точность может достигать 14-16 бит.
САР АЦП:Скорость АЦП с последовательным приближением (SAR) составляет около 100 МГц, но точность может превышать 18 бит.
Сигма-дельта АЦП:Сигма-дельта АЦП обладает наивысшей точностью, до 24 бит, но обычно скорость работы составляет всего 1–10 миллионов раз.
Рисунок 5. Категория микросхем АЦП.
Микросхемы АЦП находят применение в военной, промышленной, бытовой и других отраслях. Различные сценарии применения предъявляют разные требования к скорости и точности выборки.
Рисунок 6. Различные типы АЦП имеют разные сценарии применения.
(4) Ситуация на рынке микросхем АЦП/ЦАП
Размер рынка:Микросхемы АЦП/ЦАП можно разделить на микросхемы АЦП и ЦАП, причем на долю микросхем АЦП приходится большая часть. По данным Zhiyan Consulting, объем мирового рынка микросхем АЦП и ЦАП в 2019 году составил 3.155 млрд долларов США. По данным Statistica, объем мирового рынка микросхем АЦП в 2021 году составит приблизительно 2.75 млрд долларов США, а в 2027 году — приблизительно 4.09 млрд долларов США.
Рисунок 7. Размер мирового рынка микросхем АЦП (100 миллионов долларов США).
Конкурентная среда:С точки зрения глобальной конкурентной среды, ADI занимает наибольшую долю рынка в области AD/DA, а Соединенные Штаты обладают абсолютной монополией в этой сфере. Все пять ведущих компаний — американские.
Рисунок 8. Доля мирового рынка микросхем АЦП/ЦАП.
Сферы применения: микросхемы АЦП/ЦАП широко используются в различных областях.
Сценарии применения: промышленность, связь и военная промышленность.
Судя по доле конечного применения глобальных микросхем АЦП/ЦАП, крупнейшими рынками являются связь и промышленность/медицина, на которые приходится 35% и 31% соответственно, за которыми следуют потребительский и автомобильный рынки, на каждый из которых приходится по 12%.
Рисунок 9. Доля применения микросхем АЦП/ЦАП в нисходящем потоке.
Далее мы рассмотрим применение AD/DA в этих сценариях соответственно, чтобы у всех сложилось более наглядное представление о роли AD/DA.
(1) Потребительская категория: В основном используется в браслетах, часах, беспроводных наушниках TWS и мобильных телефонах/планшетах.
В потребительских приложениях в основном используются микросхемы АЦП, которые предъявляют более низкие требования к скорости дискретизации, но более высокие требования к точности. По оценкам, объем рынка микросхем АЦП (в основном АЦП) в потребительском сегменте нашей страны превышает 5 миллиардов юаней. С ростом популярности потребительской электроники, такой как браслеты, часы и беспроводные наушники TWS, этот рынок демонстрирует высокий спрос и относительно стабильный денежный поток.
Наручные часы:Микросхемы АЦП в основном используются для измерения частоты сердечных сокращений, ЭКГ и уровня кислорода в крови. Требования к точности высоки, обычно 16-24 бита. Поскольку для сбора данных о частоте сердечных сокращений не требуется высокая частота, требования к скорости дискретизации низкие.
Беспроводные наушники TWS:Микросхема АЦП в основном используется для функции определения наличия наушников в ухе, а функция шумоподавления в высококачественных наушниках также использует АЦП. Для определения наличия наушников в ухе существуют два решения: измерение удельной поглощенной мощности (SAR) и измерение освещенности, с точностью около 12-16 бит.
Мобильный телефон/планшет:Микросхемы АЦП в основном используются для регулировки яркости экрана и регулирования излучения. Мобильные телефоны, продаваемые в Европе и США, должны быть стандартно оснащены микросхемами SAR (регулирование излучения), и мобильные телефоны являются наиболее важным сегментом потребительского рынка.
Рисунок 10. Сценарий применения для потребителей.
(2) Промышленность: АЦП/ЦАП будет использоваться в таких сценариях, как мониторинг линий электропередачи и управление манипулятором робота.
Промышленные АЦП/ЦАП предъявляют совершенно разные требования к скорости и точности дискретизации в зависимости от конкретных областей применения, но в целом, промышленные АЦП/ЦАП стремятся к высокой точности при определенной скорости дискретизации. Например:мониторинг линий электропередачи, что представляет собой приложение для АЦП с низкой скоростью и высокой точностью;Управление роботизированной рукой:Это АЦП с последовательным приближением (SAR), способный производить выборку во времени с частотой от 1K до 10M.
Существует также тип АЦП — сигма-дельта. Точность этого типа АЦП составляет 16-24 бита, но скорость обычно всего несколько Гц или несколько тысяч. Самый быстрый продукт ADI имеет всего 2.5 млн., и порог входа относительно невелик. В промышленности его можно использовать для управления производственными процессами, в высокотехнологичных электронных весах и т. д., а в медицине — для рентгеновской диагностики, регистрации ЭКГ и т. д.
Рисунок 11. Сценарий промышленного применения.
(3) Автомобильная промышленность: В основном используется в аудиосистемах и системах управления батареями электромобилей.
В автомобильной отрасли АЦП в основном используются в автомобильных аудиосистемах и системах управления батареями электромобилей. В системах управления батареями (BMS) электромобилей будут использоваться АЦП компании SAR. По мере роста продаж электромобилей спрос на автомобильные АЦП будет продолжать расти.
(4) Военная промышленность: в основном используется в радиолокационных станциях и другом военном оборудовании.
Для военного вооружения и техники требуется использование высокоскоростных АЦП. Требования к скорости АЦП обычно превышают 250 МГц, а требования к точности также высоки.
В военной промышленности радиолокационные системы являются основным сценарием применения АЦП/ЦАП. К АЦП предъявляются чрезвычайно высокие технические требования, включая производительность 2.5 ГГц/12 бит. В настоящее время АЦП/ЦАП в этой области монополизированы зарубежными производителями и находятся под эмбарго. Один канал в радаре требует одного АЦП/ЦАП, в то время как крупные радары имеют десятки тысяч каналов, а малые — также тысячи. Это соответствует средней цене за единицу в несколько тысяч долларов США, что открывает большие рыночные возможности.
(5) Связь: В основном используется в базовых станциях и оптической связи.
Базовые станции 5G должны интегрировать высокоскоростные АЦП/ЦАП. В настоящее время базовые станции 5G расположены каждые несколько сотен метров, и каждая из них нуждается в продуктах АЦП/ЦАП. Основными поставщиками в настоящее время являются ADI и TI. Лидером в этой области в стране является Huawei HiSilicon, но в настоящее время компания испытывает проблемы из-за санкций; ZTE также пытается занять эту нишу.
Как происходит процесс локализации АЦП/ЦА-чипов?
В соответствии с Вассенарским соглашением, на поставки в Китай некоторых высокопроизводительных АЦП/ЦАП, используемых в военной, аэрокосмической и других отраслях, распространяется эмбарго. В качестве примера можно привести фазированные антенные решетки радаров. АЦП/ЦАП, используемые в отечественных фазированных антенных решетках, в значительной степени зависят от зарубежных технологий. После введения эмбарго на поставки этих чипов за рубеж, это неизбежно скажется на развитии военной промышленности.
Рисунок 12. Масштабы эмбарго США в отношении технологий высокоскоростных АЦП в Китае.
Иностранные санкции против Китая в области АЦП/ЦА не только подчеркивают статус АЦП/ЦА как поля битвы для военных стратегов, но и отражают высокие барьеры для производства. Так почему же так сложно производить отечественные микросхемы АЦП/ЦА? Мы считаем, что существуют два основных барьера: технологии и кадры:
Технические барьеры:В военных и коммуникационных АЦП-ЦАП предъявляются очень высокие требования к скорости дискретизации. Высокоскоростные АЦП-ЦАП разрабатываются сложнее, и эта технология в основном контролируется Соединенными Штатами. Широко используемые промышленные АЦП-ЦАП не предъявляют высоких требований к скорости, характерных для военной и коммуникационной промышленности, но стремятся к точности на более высоких скоростях; самые передовые промышленные микросхемы в индустрии АЦП-ЦАП могут достигать 20-битной точности на частоте 65 МГц, а типичный конвейерный АЦП может достигать 14-битной точности на частоте 2.4 ГГц.
Препятствия на пути к привлечению талантов:Область АЦП/ЦАП является наиболее сложной частью аналоговых микросхем. Она требует от разработчиков чрезвычайно высокого уровня научно-исследовательского опыта. В стране лишь немногие ученые обладают опытом в разработке высокоскоростных и высокоточных АЦП/ЦАП. По неполным статистическим данным, таких специалистов с реальным опытом работы в этой области может быть не более 10 человек.
Развитие отечественных высокопроизводительных АЦП/ЦАП-чипов встречает сильное сопротивление, что отражается в сложности реализации проектов по созданию таких чипов в Китае и очень высоком пороге их применения.Высокоскоростные и высокоточные АЦП/ЦАП в стране находятся на начальной стадии развития, что приводит к малому количеству вспомогательных предприятий в смежных отраслях и затрудняет освоение рынка сбыта. В настоящее время исследования и разработки высокопроизводительных АЦП/ЦАП в стране в основном ведутся научно-исследовательскими институтами. Компания Huawei HiSilicon когда-то обладала научно-исследовательскими возможностями в области высокопроизводительных АЦП/ЦАП промышленного и коммуникационного класса и имела самую сильную команду разработчиков в стране. Однако после санкций со стороны США развитие команды Huawei HiSilicon столкнулось с трудностями. Некоторые стартапы изначально позиционировали себя как производители высокоскоростных и высокоточных АЦП/ЦАП, но из-за больших капиталовложений и длительного цикла развития им было сложно поддерживать команду. Поэтому большинство из них вышли на рынок потребительских устройств с низкой скоростью, обеспечив команде стабильный денежный поток, а затем постепенно перешли к разработке высокоскоростных АЦП/ЦАП.
В последние годы, по мере того как волна замещения отечественных товаров набирает обороты, в стране появились высококлассные предпринимательские команды.Это также связано с изменениями в китайско-американских отношениях. Некоторые китайские специалисты из ADI и TI покинули компании и вернулись в Китай, чтобы начать собственный бизнес. Начали появляться отечественные предпринимательские группы в области аналоговых микросхем. Подобно компании Everest AD/DA в сфере аналоговых микросхем, смежные компании в этой области также открыли новые возможности.
В настоящее время на внутреннем рынке также есть несколько компаний, акции которых котируются на бирже и которые в основном производят микросхемы АЦП/ЦАП, такие как Shengbang Micro, Seripu и Chipsea Technology. Эти компании пользуются популярностью на фондовом рынке, и рынок присвоил им высокие оценки.
Шэнбан Вэй:Компания является ведущим производителем аналоговых микросхем в Китае, при этом на продукты для управления питанием и продукты для сигнальных цепей приходится примерно 7:3. Компания обладает возможностями в области высокоточных АЦП, и в настоящее время ведется серийное производство промышленных АЦП/ЦАП. Выручка компании в 2020 году составила 1.2 миллиарда юаней.Текущая рыночная капитализация составляет 46.09 миллиарда юаней, коэффициент P/E (за последние 12 месяцев) равен 137.50x, а коэффициент P/S (за последние 12 месяцев) равен 32.27x.
Сирип:Основной бизнес компании – аналоговые микросхемы для обработки сигналов, на которые приходится 97.92% выручки. На преобразователи (включая АЦП/ЦАП) приходится 35.72% выручки. В настоящее время компания лидирует в стране по производству промышленных АЦП/ЦАП. Выручка компании в 2020 году составила 570 миллионов юаней.Текущая рыночная капитализация составляет 45.04 миллиарда юаней, коэффициент P/E (за последние 12 месяцев) равен 156.34x, а коэффициент P/S (за последние 12 месяцев) равен 50.95x.
Технология Chipsea:Основными направлениями деятельности компании являются микросхемы для измерения параметров здоровья в рамках AIoT-технологий, микросхемы аналоговых сигнальных цепей и микроконтроллеры, на которые приходится 36.00%, 34.26% и 28.60% соответственно. В области АЦП/ЦАП компания специализируется на проектировании и разработке высокоточных АЦП и высоконадежных микроконтроллеров.Выручка компании в 2020 году составила 360 миллионов юаней. Текущая рыночная капитализация составляет 8.86 миллиарда юаней, коэффициент P/E (за последние 12 месяцев) равен 54.05x, а коэффициент P/S (за последние 12 месяцев) равен 13.28x.
Замещение военнослужащих в рамках программы AD/DA на внутреннем рынке ускоряется и заслуживает внимания.
Индустрия аналоговых микросхем — это длинный путь с крутыми склонами и толстым слоем снега, для достижения которого требуется многолетнее накопление технологий, чтобы «набрать снежный ком». Как важная отрасль аналоговых микросхем, АЦП/ЦАП являются мостом, соединяющим реальный и цифровой миры. Технический порог чрезвычайно высок, а ценность — огромна. В потребительском сегменте АЦП/ЦАП связаны с нашей повседневной жизнью, а в военно-коммуникационной сфере — напрямую с военной мощью нашей страны. Их важность очевидна.
Как Эверест в области аналоговых микросхем, замена отечественных аналого-цифровых и цифро-аналоговых микросхем обречена на провал. В настоящее время основные технологии АЦП/ЦАП контролируются такими гигантами в области аналоговых микросхем, как ADI и TI в США, а развитие этой области в нашей стране сдерживается нехваткой технологий и кадров. Сейчас в стране осталось лишь несколько высококвалифицированных специалистов по АЦП/ЦАП.
Для замены аналоговых/цифро-аналоговых преобразователей (АЦП) на внутреннем рынке нам нужно набраться терпения. Сама аналоговая область требует многолетней технологической подготовки, и догнать зарубежные страны невозможно за одну ночь. Однако благодаря этой волне локализованной замены и огромному размеру китайского рынка мы видим, как некоторые стартапы в области АЦП добились прорывов в потребительском сегменте и конкурируют с такими международными гигантами, как TI. Это уже очень ценное достижение. В будущем нам еще предстоит пройти долгий путь для микросхем АЦП в военной/коммуникационной сфере, но пока есть зачатки, мы можем с нетерпением ждать дня, когда они принесут свои плоды.
Отказ от ответственности: Данная статья воспроизведена с платформы «CDH Baifu». Эта статья отражает только личное мнение автора и не представляет точку зрения компании Sacco Micro и отрасли в целом. Перепечатка и распространение предназначены исключительно для защиты прав интеллектуальной собственности. Пожалуйста, указывайте первоисточник и автора при перепечатке. В случае нарушения авторских прав, пожалуйста, свяжитесь с нами для удаления публикации.
粤公网安备44030002007346号