AD/DA芯片——模拟芯片领域的珠穆朗玛峰

2022-03-17 525

【介绍】与数字芯片相比，模拟芯片受到的关注相对有限，但模拟芯片在集成电路领域却扮演着非常重要的角色。AD/DA芯片是模拟芯片的一个重要分支，并且……技术门槛高，价值大以及其他一些特点，其核心技术长期以来一直被国外垄断。本文首先分析模拟芯片市场，然后深入探讨AD/DA芯片，包括AD/DA的定义、分类、市场、应用等，最后探讨AD/DA在我国的本土化进程。我们认为，作为几款高端通用芯片之一，AD/DA 芯片具有广阔的发展空间和重要的战略地位，值得产业界和投资界进行布局。

模拟芯片就像一条长坡和厚雪的赛道。

说到半导体，人们首先想到的往往是CPU和存储器等核心组件。这些芯片都属于数字芯片的范畴。除了数字芯片之外，半导体领域还有另一个重要的分支——模拟芯片，它对技术的发展和演进产生了深远的影响。本章我们将首先分析模拟芯片产业。

（1）什么是模拟芯片？

我们日常生活中的大多数信号都是模拟信号，例如声音、光线、温度等。数字芯片无法直接处理这些信号，需要先由模拟芯片进行处理。因此，模拟集成电路主要指集成了由电阻器、电容器、晶体管等组成的模拟电路，用于处理连续的功能性模拟信号（例如声音、光线、温度等）的集成电路。

（2）模拟芯片市场规模

从市场规模来看，2021年全球模拟芯片市场规模约为61.2亿美元。2021年中国模拟芯片市场规模约为223.4亿元人民币，预计到2024年将达到261.8亿元人民币。中国模拟芯片市场规模占全球市场的50%以上。

图1 模拟芯片市场规模

（3）模拟芯片与数字芯片的比较

核心观点1：模拟芯片可以跨越更长的技术周期。

数字芯片： 数字芯片具有典型的路径依赖性。从PC时代的x86架构，到移动终端和物联网时代的ARM架构，再到如今的AI芯片，处理器芯片的护城河仅存在于其各自的短期技术周期内。数字芯片强调计算速度与成本的比值，而芯片制造的摩尔定律则限制了数字芯片设计厂商的产品迭代次数。

模拟芯片： 模拟芯片并不直接用于算法的实现。它们基于电压、电流、功率、功耗和精度等相对固定的电路参数，实现技术路径的稳定演进，不受技术周期的限制。模拟芯片不受摩尔定律的约束。除了尺寸和功耗等目标外，它们还追求高信噪比、低失真和高可靠性之间的平衡。

核心要点二：模拟芯片需要更资深的技术团队。

数字芯片：数字芯片的设计和生产更类似于流水线作业。通过丰富的模块设计、高效的EDA软件仿真和标准化的工艺平台，可以在短时间内完成高性能芯片的设计；EDA工具的发展为底层IP核的整体设计架构带来了创新。

模拟芯片：EDA工具在模拟芯片的设计和仿真中作用有限。模拟芯片的设计需要设计师具备丰富的经验，并且设计工程师和工艺工程师之间需要密切的沟通与合作。模拟芯片公司不需要很多技术人员，更重要的是要有单打独斗的能力，因此创始人的水平至关重要。像卓胜威和世瑞普这样的国内公司，最初只有十几人的团队，最终却达到了数百亿的市值。

核心观点三：模拟芯片公司盈利能力更强、业绩更稳定、估值更高。

过去20年间，德州仪器（TI）和亚德诺半导体（ADI）等模拟芯片巨头以及英特尔（Intel）和AMD（AMD）等数字芯片巨头在全球范围内涌现。对比这些公司的历史盈利能力可以看出，模拟芯片制造商也拥有较高的毛利率和净利率，并且比数字芯片制造商更能抵御市场周期波动的影响。

图2 模拟/数字芯片公司毛利率与净利率比较

模拟芯片是一种长坡上积雪很厚该领域技术和人才门槛极高，因此国内外对模拟芯片公司的估值水平普遍高于对数字芯片公司的估值水平。

图3 模拟/数字芯片公司估值水平比较

AD/DA芯片是现实世界和数字世界之间的桥梁。

（1）什么是AD/DA芯片？

AD/DA芯片主要实现模拟信号（如温度、压力、流量、速度、光强度等）与数字信号（如电压、电流等）之间的相互转换。其中，AD芯片（ADC）用于将模拟信号转换为数字信号，DA芯片（DAC）用于将数字信号转换为模拟信号。

在一个完整的信号链中，传感器采集现实世界中的自然信号，例如电磁波、声音、图像、温度、光信号等，并将这些自然信号转换为模拟电信号。然后，放大器放大模拟信号，模数转换器（ADC）将模拟信号转换为数字信号；数字信号经微控制器（MCU）、中央处理器（CPU）或数字信号处理器（DSP）处理后，通过数模转换器（DAC）还原为模拟信号，并通过扬声器、电机、LED等输出设备输出到现实世界。

图4 信号链系统的工作原理

（2）AD/DA芯片的性能指标

AD/DA芯片的主要性能指标包括采样速度和精度，其他指标包括功耗、转换率、信噪比、误差等。

采样速度：以每秒采样数 (SPS) 衡量，它代表了模数转换器 (ADC) 可以转换的模拟信号带宽。高速模数转换器 (AD/DA) 可以分析更高频率的信号。

精度：以比特为单位，它用于表示转换后的数字信号与原始模拟信号之间的差异。比特数越高，AD/DA芯片的精度就越高。

（3）ADC芯片的分类

根据采样速度和精度的不同，ADC芯片可以分为以下四种类型：

闪存ADC：闪存ADC的精度通常不超过8位，但速度最快，可以达到56GHz以上。

流水线ADC：流水线ADC是最难开发的，速度通常不超过10GHz，精度可以达到14-16位。

SAR ADC：逐次逼近型（SAR）ADC 的速度约为 100MHz，但精度可以超过 18 位。

Sigma-Delta ADC：Sigma-Delta ADC 具有最高的精度，可达 24 位，但速度通常只有 1K~10M。

图5 ADC芯片类别

ADC芯片的下游应用包括军事、工业、消费等领域。不同的应用场景对采样速度和精度有不同的性能要求。

图6 不同类型的ADC具有不同的应用场景

（4）AD/DA芯片市场情况

市场规模：AD/DA芯片可分为ADC芯片和DAC芯片，其中ADC芯片占比更大。据智研咨询数据显示，2019年全球ADC/DAC芯片市场规模为3.155亿美元。Statistica预测，2021年全球ADC芯片市场规模约为2.75亿美元，2027年约为4.09亿美元。

图7 全球ADC芯片市场规模（亿美元）

竞争格局：从全球竞争格局来看，ADI在AD/DA领域拥有最高的市场份额，而美国在该领域占据绝对垄断地位。排名前五的公司均为美国公司。

图8 全球AD/DA芯片市场份额

应用场景：AD/DA芯片广泛覆盖消费领域，

应用场景包括工业、通信和军事工业等。

从全球 AD/DA 芯片下游应用比例来看，通信和工业/医疗是最大的应用市场，分别占 35% 和 31%，其次是消费市场和汽车市场，各占 12%。

图9 AD/DA芯片下游应用比例

接下来，我们将分别介绍 AD/DA 在这些场景中的应用，以便大家对 AD/DA 的作用有更直观的感受。

（1）消费品类别：主要用于手环、手表、TWS耳机和手机/平板电脑

在消费应用场景中，主要使用模数转换器（ADC）芯片，这类芯片对采样速度要求不高，但对精度要求较高。据估计，我国消费场景下模数转换器（AD/DA）芯片（主要是ADC）的市场规模超过5亿元人民币。随着手环、手表、真无线耳机等消费电子产品的兴起，该市场需求强劲，且现金流相对稳定。

手镯表：模数转换器（ADC）芯片主要用于测量心率、心电图和血氧饱和度。其精度要求较高，通常为16-24位。由于心率采集对频率要求不高，因此采样速度要求不高。

TWS耳机：ADC芯片主要用于入耳检测功能，高端耳机的降噪功能也使用ADC。入耳检测有两种方案：SAR值检测和光感应，精度约为12-16位。

手机/平板电脑：ADC芯片主要用于屏幕亮度调节和辐射调节。销往欧美地区的手机必须标配SAR芯片（辐射调节芯片），手机也是消费级ADC芯片最重要的应用场景。

图 10 消费者应用场景

（2）工业：AD/DA 将用于电力线监测和机器人手臂控制等场景。

工业级AD/DA转换器在不同的具体应用中对采样速度和精度有着很大的不同要求，但总体而言，工业级AD/DA转换器在一定的采样速度下追求高精度。例如电力线监测这是一个低速高精度ADC应用；机器人手臂控制：它是一款 SAR ADC，可以以 1K-10M 的速率进行时间采样。

还有一种Σ-Δ型ADC。这类ADC的精度为16-24位，但速度通常只有几赫兹到几千赫兹。ADI最快的产品也只有2.5兆赫兹，入门门槛相对较低。在工业领域，它可用于工厂过程控制、高端电子秤等；在医疗领域，它可用于X射线采样、心电图检测等。

图11 工业应用场景

（3）汽车领域：主要用于新能源汽车的音频系统和电池管理。

在汽车领域，模数转换器（ADC）主要应用于汽车音响系统和新能源汽车电池管理系统。新能源汽车内部的电池管理系统（BMS）将采用SAR的ADC产品。随着新能源汽车销量的爆炸式增长，对汽车用ADC的需求也将持续增长。

（4）军工产业：主要用于雷达和其他军事装备。

军用武器装备需要使用高速模数转换器（ADC）。ADC 的速度要求通常在 250M 以上，精度要求也很高。

雷达是军工领域模数转换器（AD/DA）的主要应用场景。它对模数转换器的技术要求极高，需要达到2.5G/12位的性能。目前，该领域的模数转换器被国外厂商垄断，并处于禁运范围之内。雷达的一个通道需要一台模数转换器，而大型雷达通常有数万个通道，小型雷达也有数千个通道。这相当于平均单价数千美元，市场潜力巨大。

（5）通信：主要用于基站和光通信

5G基站需要集成高速AD/DA转换器。如今，5G基站几乎每隔几百米就有一个，每个基站都需要AD/DA产品。目前主流供应商是ADI和TI。国内该领域的领军企业是华为海思，但目前受到制裁影响；中兴通讯也在尝试涉足这一领域。

AD/DA芯片的本地化过程是怎样的？

根据《瓦塞纳尔协议》，一些用于军事、航空航天等领域的高性能模数转换器芯片对中国实施禁运。以相控阵雷达为例，国产相控阵雷达使用的模数转换器芯片严重依赖国外技术。芯片在国外被禁运后，中国军工产业的实力必然会受到影响。

图12 美国对中国实施的高速AD芯片技术禁运范围

外国对中国在AD/DA领域的制裁，不仅凸显了AD/DA作为军事战略博弈战场的地位，也反映出其制造门槛极高。那么，为什么国产AD/DA芯片如此难以制造？我们认为主要有两个障碍：技术和人才。

技术壁垒：军工和通信领域的模数转换器芯片对采样速度要求极高。高速模数转换器芯片的制造难度更大，而且这项技术基本上由美国控制。常用的工业模数转换器芯片虽然没有军工和通信领域那样的高速要求，但更注重在高速度下保持精度；目前最先进的工业级模数转换器芯片可以在65MHz的速度下实现20位精度，而典型的流水线模数转换器可以达到14位/2.4GHz。

人才壁垒：AD/DA转换器领域是模拟芯片中最难的部分，对核心设计人员的研发经验要求极高。国内具备高速高精度AD/DA研发能力的科研人员寥寥无几，据不完全统计，真正拥有高速高精度AD/DA研发经验的人员可能不超过十人。

国内高性能AD/DA芯片的发展面临着巨大的阻力，这体现在高性能AD/DA芯片项目在中国难以实施，应用门槛很高。国内高速高精度模数转换器（AD/DA）技术尚处于起步阶段，相关产业链配套设施匮乏，下游市场开发困难。目前，国内高性能AD/DA芯片的研发主要集中在科研院所。华为海思曾拥有工业级和通信级高性能AD/DA芯片的研发能力，并拥有国内最强大的研发团队。然而，受美国制裁后，华为海思团队的发展举步维艰。一些初创公司最初也瞄准高速高精度AD/DA芯片市场，但由于资金投入巨大、周期长，难以维持团队的研发。因此，它们大多先进入低速消费领域，通过稳定的现金流来维持团队的运转，然后再逐步进军高速AD/DA芯片领域。

近年来，随着国内替代浪潮的不断推进，国内涌现出一些高水平的创业团队。这也与中美关系的变化有关。ADI和TI的一些中国团队成员离开公司回国创业，国内模拟芯片领域的创业团队开始涌现。作为模拟芯片领域的珠穆朗玛峰AD/DA转换器，该领域的相关企业也迎来了新的发展机遇。

目前，国内也有一些上市公司主要生产AD/DA芯片，例如盛邦微电子、赛瑞普和晶海科技。这些公司受到资本市场的青睐，市场给予了它们较高的估值。

魏胜邦：该公司是中国领先的模拟芯片公司，电源管理产品和信号链产品约占7:3的份额。该公司拥有高精度ADC能力，工业级AD/DA芯片已实现量产。该公司2020年营收为1.2亿元人民币。目前市值为46.09亿元人民币，市盈率（TTM）为137.50倍，市销率（TTM）为32.27倍。

Sirip：公司主营业务为信号链模拟芯片，占总营收的97.92%。转换器产品（包括AD/DA芯片）占总营收的35.72%。公司工业级AD/DA芯片目前处于国内领先地位。公司2020年营收为570亿元人民币。目前市值为45.04亿元人民币，市盈率（TTM）为156.34倍，市销率（TTM）为50.95倍。

Chipsea Technology：公司主营业务包括健康测量AIoT芯片、模拟信号链芯片和MCU芯片，分别占比36.00%、34.26%和28.60%。在AD/DA领域，公司专注于高精度ADC和高可靠性MCU的设计与开发。该公司2020年营收为360亿元人民币。目前市值为8.86亿元人民币，市盈率（TTM）为54.05倍，市销率（TTM）为13.28倍。

总结

AD/DA国内替代正在加速，值得部署

模拟芯片产业是一条坡度长、积雪厚的赛道，需要多年的技术积累才能“滚雪球”般发展壮大。作为模拟芯片的重要分支，模数转换器（AD/DA）是连接现实世界和数字世界的桥梁，技术门槛极高，价值巨大。消费领域的AD/DA芯片与我们的日常生活息息相关，而军事/通信领域的AD/DA芯片则直接关系到国家的军事实力，其重要性不言而喻。

就像模拟芯片领域的珠穆朗玛峰一样，国内AD/DA芯片的替代注定困难重重。目前，核心AD/DA技术掌握在美国ADI、TI等模拟芯片巨头手中，我国该领域的研发受到技术和人才的双重制约。目前，国内高端AD/DA人才寥寥无几。

对于国产AD/DA转换器的替代，我们需要耐心。模拟领域本身就需要多年的技术积累，赶上国外并非一朝一夕之功。然而，得益于这波国产化替代浪潮以及中国巨大的市场规模，我们已经看到一些AD/DA初创企业在消费领域取得突破，并在细分市场与德州仪器（TI）等国际巨头展开竞争。这已经是非常宝贵的成就。AD/DA芯片在军工/通信领域的应用还有很长的路要走，但只要种子已经播下，我们就可以期待它结出硕果的那一天。

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