AD/DA晶片－類比晶片領域的珠穆朗瑪峰

2022-03-17 524

【介紹】與數位晶片相比，類比晶片受到的關注相對有限，但類比晶片在積體電路領域扮演著非常重要的角色。 AD/DA晶片是類比晶片的重要分支，而且…技術門檻高，價值大以及其他一些特點，其核心技術長期以來一直被國外壟斷。本文首先分析類比晶片市場，然後深入探討AD/DA晶片，包括AD/DA的定義、分類、市場、應用等，最後探討AD/DA在我國的本土化進程。我們認為，作為幾款高階通用晶片之一，AD/DA 晶片具有廣闊的發展空間和重要的戰略地位，值得產業界和投資界進行佈局。

模擬晶片就像一條長坡和厚雪的賽道。

說到半導體，人們首先想到的往往是CPU和記憶體等核心元件。這些晶片都屬於數位晶片的範疇。除了數位晶片之外，半導體領域還有另一個重要的分支——類比晶片，它對技術的發展和演進產生了深遠的影響。本章我們將首先分析模擬晶片產業。

（1）什麼是類比晶片？

我們日常生活中的大多數訊號都是類比訊號，例如聲音、光線、溫度等。數位晶片無法直接處理這些訊號，需要先由類比晶片處理。因此，類比積體電路主要指整合了由電阻器、電容器、電晶體等組成的類比電路，用於處理連續的功能性類比訊號（例如聲音、光線、溫度等）的積體電路。

（2）類比晶片市場規模

從市場規模來看，2021年全球類比晶片市場規模約61.2億美元。 2021年中國類比晶片市場規模約223.4億元人民幣，預計2024年將達到261.8億元。中國類比晶片市場規模佔全球市場的50%以上。

圖1 類比晶片市場規模

（3）類比晶片與數位晶片的比較

核心觀點1：類比晶片可以跨越更長的技術週期。

數位晶片： 數位晶片具有典型的路徑依賴性。從PC時代的x86架構，到行動終端和物聯網時代的ARM架構，再到如今的AI晶片，處理器晶片的護城河僅存在於其各自的短期技術週期內。數位晶片強調計算速度與成本的比值，而晶片製造的摩爾定律則限制了數位晶片設計廠商的產品迭代次數。

類比晶片： 類比晶片並不直接用於演算法的實現。它們基於電壓、電流、功率、功耗和精度等相對固定的電路參數，實現技術路徑的穩定演進，不受技術週期的限制。類比晶片不受摩爾定律的約束。除了尺寸和功耗等目標外，它們還追求高信噪比、低失真和高可靠性之間的平衡。

核心重點二：類比晶片需要更資深的技術團隊。

數位晶片：數位晶片的設計和生產更類似於管線作業。透過豐富的模組設計、高效的EDA軟體模擬和標準化的製程平台，可以在短時間內完成高性能晶片的設計；EDA工具的發展為底層IP核的整體設計架構帶來了創新。

類比晶片：EDA工具在類比晶片的設計和模擬中作用有限。類比晶片的設計需要設計師具備豐富的經驗，設計工程師和製程工程師之間需要密切的溝通與合作。類比晶片公司不需要很多技術人員，更重要的是要有單打獨鬥的能力，因此創辦人的水平至關重要。像卓勝威和世瑞普這樣的國內公司，最初只有十幾人的團隊，最終達到了數百億的市值。

核心觀點三：類比晶片公司獲利能力更強、業績更穩定、估值更高。

過去20年間，德州儀器（TI）和亞德諾半導體（ADI）等類比晶片巨頭以及英特爾（Intel）和AMD（AMD）等數位晶片巨頭在全球範圍內湧現。對比這些公司的歷史獲利能力可以看出，類比晶片製造商也擁有較高的毛利率和淨利率，並且比數位晶片製造商更能抵禦市場週期波動的影響。

圖2 類比/數位晶片公司毛利率與淨利率比較

類比晶片是一種長坡上積雪很厚該領域技術和人才門檻極高，因此國內外對類比晶片公司的估值水準普遍高於對數位晶片公司的估值水準。

圖3 類比/數位晶片公司估值水準比較

AD/DA晶片是真實世界和數位世界之間的橋樑。

（1）什麼是AD/DA晶片？

AD/DA晶片主要實現類比訊號（如溫度、壓力、流量、速度、光強度等）與數位訊號（如電壓、電流等）之間的相互轉換。其中，AD晶片（ADC）用於將類比訊號轉換為數位訊號，DA晶片（DAC）用於將數位訊號轉換為類比訊號。

在一個完整的訊號鏈中，感測器會擷取現實世界中的自然訊號，例如電磁波、聲音、影像、溫度、光訊號等，並將這些自然訊號轉換為類比電訊號。然後，擴大機放大類比訊號，類比數位轉換器（ADC）將類比訊號轉換為數位訊號；數位訊號經微控制器（MCU）、中央處理器（CPU）或數位訊號處理器（DSP）處理後，透過數位類比轉換器（DAC）還原為類比訊號，並透過揚聲器、馬達、LED等輸出裝置輸出到現實世界。

圖4 訊號鏈系統的工作原理

（2）AD/DA晶片的性能指標

AD/DA晶片的主要效能指標包括取樣速度和精確度，其他指標包括功耗、轉換率、訊號雜訊比、誤差等。

採樣速度：以每秒取樣數 (SPS) 衡量，它代表了類比數位轉換器 (ADC) 可以轉換的類比訊號頻寬。高速類比數位轉換器 (AD/DA) 可以分析更高頻率的訊號。

精度：以比特為單位，它用於表示轉換後的數位訊號與原始類比訊號之間的差異。比特數越高，AD/DA晶片的精度就越高。

（3）ADC晶片的分類

根據取樣速度和精度的不同，ADC晶片可以分為以下四種類型：

快閃記憶體ADC：快閃記憶體ADC的精度通常不超過8位，但速度最快，可以達到56GHz以上。

流水線ADC：流水線ADC是最難開發的，速度通常不超過10GHz，精度可達14-16位。

SAR ADC：逐次逼近型（SAR）ADC 的速度約為 100MHz，但精度可以超過 18 位元。

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

圖5 ADC晶片類別

ADC晶片的下游應用包括軍事、工業、消費等領域。不同的應用場景對採樣速度和精度有不同的效能要求。

圖6 不同類型的ADC有不同的應用場景

（4）AD/DA晶片市場狀況

市場規模：AD/DA晶片可分為ADC晶片和DAC晶片，其中ADC晶片佔比更大。根據智研顧問數據顯示，2019年全球ADC/DAC晶片市場規模為3.155億美元。 Statistica預測，2021年全球ADC晶片市場規模約2.75億美元，2027年約4.09億美元。

圖7 全球ADC晶片市場規模（億美元）

競爭格局：從全球競爭格局來看，ADI在AD/DA領域擁有最高的市場份額，而美國在該領域佔據絕對壟斷地位。排名前五的公司均為美國公司。

圖8 全球AD/DA晶片市場份額

應用場景：AD/DA晶片廣泛涵蓋消費領域，

應用場景包括工業、通訊和軍事工業等。

從全球 AD/DA 晶片下游應用比例來看，通訊和工業/醫療是最大的應用市場，分別佔 35% 和 31%，其次是消費市場和汽車市場，各佔 12%。

圖9 AD/DA晶片下游應用比例

接下來，我們將分別介紹 AD/DA 在這些場景中的應用，以便大家對 AD/DA 的角色有更直觀的感受。

（1）消費品類別：主要用於手環、手錶、TWS耳機和手機/平板電腦

在消費性應用場景中，主要使用類比數位轉換器（ADC）晶片，這類晶片對取樣速度要求不高，但對精度要求較高。據估計，我國消費場景下類比數位轉換器（AD/DA）晶片（主要是ADC）的市場規模超過5億元。隨著手環、手錶、真無線耳機等消費性電子產品的興起，該市場需求強勁，且現金流相對穩定。

手鐲錶：類比數位轉換器（ADC）晶片主要用於測量心率、心電圖和血氧飽和度。其精度要求較高，通常為16-24位。由於心率採集對頻率要求不高，因此採樣速度要求不高。

TWS耳機：ADC晶片主要用於入耳偵測功能，高階耳機的降噪功能也使用ADC。入耳檢測有兩種方案：SAR值檢測和光感應，精度約為12-16位元。

手機/平板電腦：ADC晶片主要用於螢幕亮度調節和輻射調節。銷往歐美地區的手機必須標配SAR晶片（輻射調節晶片），手機也是消費級ADC晶片最重要的應用場景。

圖 10 消費者應用場景

（2）工業：AD/DA 將用於電力線監測和機器手臂控制等場景。

工業級AD/DA轉換器在不同的具體應用中對採樣速度和精度有著很大的不同要求，但總體而言，工業級AD/DA轉換器在一定的採樣速度下追求高精度。例如電力線監測這是一個低速高精度ADC應用；機器人手臂控制：它是一款 SAR ADC，可以以 1K-10M 的速率進行時間取樣。

還有一種Σ-Δ型ADC。這類ADC的精度為16-24位，但速度通常只有幾赫茲到幾千赫茲。 ADI最快的產品也只有2.5兆赫茲，入門門檻相對較低。在工業領域，它可用於工廠製程控制、高階電子秤等；在醫療領域，它可用於X射線採樣、心電圖檢測等。

圖11 工業應用場景

（3）汽車領域：主要用於新能源汽車的音響系統和電池管理。

在汽車領域，類比數位轉換器（ADC）主要應用於汽車音響系統和新能源汽車電池管理系統。新能源汽車內部的電池管理系統（BMS）將採用SAR的ADC產品。隨著新能源汽車銷售的爆炸性成長，對汽車用ADC的需求也將持續成長。

（4）軍工產業：主要用於雷達和其他軍事裝備。

軍用武器裝備需要使用高速類比數位轉換器（ADC）。 ADC 的速度要求通常在 250M 以上，精度要求也很高。

雷達是軍工領域類比數位轉換器（AD/DA）的主要應用場景。它對類比數位轉換器的技術要求極高，需要達到2.5G/12位元的性能。目前，該領域的類比數位轉換器被國外廠商壟斷，並處於禁運範圍之內。雷達的一個通道需要一台類比數位轉換器，而大型雷達通常有數萬個通道，小型雷達也有數千個通道。這相當於平均單價數千美元，市場潛力巨大。

（5）通訊：主要用於基地台和光通訊

5G基地台需要整合高速AD/DA轉換器。如今，5G基地台幾乎每隔幾百公尺就有一個，每個基地台都需要AD/DA產品。目前主流供應商是ADI和TI。國內該領域的領導企業是華為海思，但目前受到製裁影響；中興通訊也正在嘗試涉足這一領域。

AD/DA晶片的在地化過程是怎麼樣的？

根據《瓦塞納爾協議》，一些用於軍事、航空航太等領域的高性能類比數位轉換器晶片對中國實施禁運。以相控陣雷達為例，國產相控陣雷達所使用的類比數位轉換器晶片嚴重依賴國外技術。晶片在國外被禁運後，中國軍工產業的實力必然會受到影響。

圖12 美國對中國實施的高速AD晶片技術禁運範圍

外國對中國在AD/DA領域的製裁，不僅凸顯了AD/DA作為軍事戰略賽局戰場的地位，也反映出其製造門檻極高。那麼，為什麼國產AD/DA晶片如此難以製造？我們認為主要有兩個障礙：技術和人才。

技術壁壘：軍工和通訊領域的類比數位轉換器晶片對採樣速度要求極高。高速類比數位轉換器晶片的製造難度更高，而且這項技術基本上由美國控制。常用的工業類比數位轉換器晶片雖然沒有軍工和通訊領域那樣的高速要求，但更注重在高速度下保持精度；目前最先進的工業級模數轉換器晶片可以在65MHz的速度下實現20位精度，而典型的流水線模數轉換器可以達到14位/2.4GHz。

人才障礙：AD/DA轉換器領域是類比晶片中最困難的部分，對核心設計人員的研發經驗要求極高。國內具備高速高精度AD/DA研發能力的科研人員寥寥無幾，據不完全統計，真正擁有高速高精度AD/DA研發經驗的人員可能不超過十人。

國內高性能AD/DA晶片的發展面臨巨大的阻力，這體現在高性能AD/DA晶片專案在中國難以實施，應用門檻很高。國內高速高精度類比數位轉換器（AD/DA）技術仍處於起步階段，相關產業鏈配套設施匱乏，下游市場開發困難。目前，國內高性能AD/DA晶片的研發主要集中在科研院所。華為海思曾擁有工業級及通訊級高性能AD/DA晶片的研發能力，並擁有國內最強大的研發團隊。然而，受美國制裁後，華為海思團隊的發展舉步維艱。一些新創公司最初也瞄準高速高精度AD/DA晶片市場，但由於資金投入龐大、週期長，難以維持團隊的研發。因此，它們大多先進入低速消費領域，透過穩定的現金流來維持團隊的運轉，然後再逐步進軍高速AD/DA晶片領域。

近年來，隨著國內替代浪潮的不斷推進，國內湧現一些高水準的創業團隊。這也與中美關係的變化有關。 ADI和TI的一些中國團隊成員離開公司回國創業，國內類比晶片領域的創業團隊開始湧現。作為類比晶片領域的珠穆朗瑪峰AD/DA轉換器，該領域的相關企業也迎來了新的發展機會。

目前，國內也有一些上市公司主要生產AD/DA晶片，例如盛邦微電子、賽瑞普和晶海科技。這些公司受到資本市場的青睞，市場也給予了它們較高的估值。

魏勝邦：該公司是中國領先的類比晶片公司，電源管理產品和訊號鏈產品約佔7:3的份額。該公司擁有高精度ADC能力，工業級AD/DA晶片已量產。該公司2020年營收為1.2億元。目前市值為46.09億元，市盈率（TTM）為137.50倍，市銷率（TTM）為32.27倍。

Sirip：公司主營業務為訊號鏈類比晶片，佔總營收的97.92%。轉換器產品（包括AD/DA晶片）佔總營收的35.72%。公司工業級AD/DA晶片目前處於國內領先地位。公司2020年營收為570億元。目前市值為45.04億元，市盈率（TTM）為156.34倍，市銷率（TTM）為50.95倍。

Chipsea Technology：公司主要業務包括健康測量AIoT晶片、類比訊號鏈晶片和MCU晶片，分別佔36.00%、34.26%和28.60%。在AD/DA領域，公司專注於高精度ADC和高可靠性MCU的設計與開發。該公司2020年營收為360億元。目前市值為8.86億元人民幣，市盈率（TTM）為54.05倍，市銷率（TTM）為13.28倍。

總結

AD/DA國內替代品正在加速，值得部署

類比晶片產業是一條坡度長、積雪厚的賽道，需要多年的技術累積才能「滾雪球」般發展壯大。作為類比晶片的重要分支，類比數位轉換器（AD/DA）是連接現實世界和數位世界的橋樑，技術門檻極高，價值巨大。消費領域的AD/DA晶片與我們的日常生活息息相關，而軍事/通訊領域的AD/DA晶片則直接關係到國家的軍事實力，其重要性不言而喻。

就像類比晶片領域的珠穆朗瑪峰一樣，國內AD/DA晶片的替代注定困難重重。目前，核心AD/DA技術掌握在美國ADI、TI等類比晶片巨頭手中，我國該領域的研發受到技術和人才的雙重限制。目前，國內高階AD/DA人才寥寥無幾。

對於國產AD/DA轉換器的替代，我們需要耐心。模擬領域本身就需要多年的技術積累，趕上國外並非一朝一夕之功。然而，由於這波國產化替代浪潮以及中國龐大的市場規模，我們已經看到一些AD/DA新創企業在消費領域取得突破，並在細分市場與德州儀器（TI）等國際巨頭競爭。這已經是非常寶貴的成就。 AD/DA晶片在軍工/通訊領域的應用還有很長的路要走，但只要種子已經播下，我們就可以期待它結出碩果的那一天。

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