2021年模拟芯片行业深度报告(附下载)
作者:im足球 来源:im赛事 发布时间:2022-09-28 02:46:31

  模拟芯片通过对模数信号的处理实现对现实与数字世界的连接,故模拟芯片是现实与数字世界的“桥梁”。

  自然界的信号绝大多数以模拟信号的形式存在,而计算机系统所能处理识别的信号则是二进制的数字信号。信息的处理需要完整的信号链来完成,完整信号链的工作原理为:从传感器探测到真实世界实际模拟信号,如电磁波、声音、图像、温度、光信号等并将这些自然信号转化成模拟的电信号,通过放大器进行放大,然后通过 ADC 把模拟信号转化为数字信号,经过 MCU 或 CPU 或 DSP 等处理后,再经由 DAC 还原为模拟信号。

  模拟电路是指由电容、电阻、晶体管等集成在一起形成的电源、放大、振荡、调制等电路,用于加工处理连续变化的模拟信号;与数字电路利用晶体管的开关功能不同, 模拟电路主要利用晶体管的放大功能。模拟芯片通过对模数信号的处理实现对现实与数字世界的连接,故模拟芯片是现实与数字世界的“桥梁”。

  模拟芯片产品种类繁多;从产品专用性与否的角度出发,可以将模拟芯片分为通用模拟芯片和专用模拟芯片。其中,通用模拟芯片广泛应用于各个下游领域,主要产品类型包括放大器、比较器、电源管理、数据转化以及接口芯片等,而专用模拟芯片主要针对特定的应用下游如通信、汽车、消费电子和工业等领域进行生产销售。

  从产品功能的角度出发,可以将模拟芯片分为用于对电能进行转换的电源管理芯片和用于模数信号处理的信号链芯片。

  电源管理芯片(PMIC)是电子设备的电能供应心脏和关键器件,负责对电子设备所需 的电能进行变换、分配、检测等管控,电源管理芯片是半导体芯片中应用范围最为广泛 的门类;电源管理芯片细分品类很多,根据其具体用途,将电源管理芯片分为电源管理、 AD-DC、DC-DC、栅驱动芯片、功率控制芯片、开关稳压器、LDO 芯片、接口热插拔 芯片和 LED 驱动器。

  随着物联网、智能设备的应用和普及,电子整机产品性能大幅提升和不断创新, 对电源的效率、能耗和体积,以及电能管理的智能化水平提出了更高的要求;整个电源 市场呈现出需求多样化、应用细分化的特点,高效低耗化、集成化、内核数字化和智能 化成为新一代电源管理芯片技术发展的趋势。

  信号链模拟芯片是指拥有对模拟信号、数字信号进行收发、转换、放大、过滤等处理能 力的集成电路。信号链模拟芯片的产品种类众多,从产品大类的角度出发,可以将其分为放大器、比较器、接口芯片、数据转换器(ADC/DAC)、时钟和技术等。此外,泛信号链模拟芯片还包括射频、微波和传感器等。

  如眼镜直观改善或恶化视觉效果,线性产品用于完成模拟信号在传输过程中放大、滤波、 选择、比较等功能;在信号链模拟芯片中,放大器和比较器是使用最为广泛的线性产品。

  放大器是指对信号进行放大的集成电路,放大器产品品类丰富,较为常见的型号有运算 放大器、仪表放大器、专用放大器等。其中,运算放大器是最为基础的模拟 IC 器件,运算放大器的输出信号为其输入信号的加、减、微分或积分等运算的结果。运算放大器按照性能的不同,又可以分为通用运算放大器、高速运算放大器、低功耗运算放大器和高精度运算放大器等。

  专用放大器是针对特定功能和应用提供信号放大的集成电路,专用放大器以运算放大器 为核心,集成外围电路,实现特定功能,方便用户使用。专用放大器广泛应用在便携式设备、测试与测量仪器、医疗系统及特殊信号处理等 场合,其发展趋势是更高的带宽、更低的失真度和更低的功耗。

  比较器是通过比较两个输入端的电流或电压值的大小,在输出端以数字电平呈现比较结 果的电子器件。比较器(1 位的数模转换器)是高位数模转换器的基础部件。比较器的 主要性能指标为输出数字电平、响应延迟时间、精度和功耗等;根据速度、功耗和精度 的不同,比较器主要可以分为高速比较器、高精度比较器和低功耗比较器等。比较器作 为基础模拟 IC 器件,广泛应用于高速模数转换、高速采样保持、过零检测、相位检测、 电压监测等应用场合。

  数据转换器用于实现模拟和数字信号间的相互转换,分为模/数转换器、数/模转换器等。

  模/数转换器(ADC)是将模拟信号转换为数字信号的集成电路。ADC 主要性能包括分 辨率(bit)、采样速率(SPS)和功耗(Power)。从发展史来看,早期的 ADC 采用 SAR 型架构,生产工艺主要为双极工艺和 CMOS 工艺,产品尺寸较大,分辨率一般为 6-12 位,采样速率为 kSPS 数量级。ADC 技术在 2012 年之后加快发展,众多以 CMOS 工艺生产的高性能 ADC 产品应用而生,采样速率成倍增长,单位采样功耗倍速下降。

  数/模转换器(DAC)是将数字信号转换为模拟信号的集成电路。DAC 的性能指标主要 有转换速度和转换精度。DAC 的主要产品品类有数字电位器、高速数模转换器(≥ 30MSPS)、精密 DAC 和集成式/特殊用途数模转换器。

  信号链模拟芯片的技术随着下游应用如人工智能、信息通信、汽车电子等新兴领域的发 展一同演进。随着新一代智能产品对信号链模拟芯片数量需求的翻倍式增长,叠加后摩尔定律时代、数字芯片面积小型化速度趋缓,越来越多的新技术和芯片封装形式被运用 至信号链芯片中,推动其朝着小型化、低功耗和高性能的方向发展。

  高设计门槛:与数字电路利用晶体管的开关功能进行设计不同,模拟芯片利用晶体管的 放大功能,需要经验丰富的工程师根据电子产品物理特性、制造工艺,利用拓扑结构和 布图布线的设计经验进行晶体管级的电路设计、版图设计与仿真,在设计过程中实时充 分关注功耗、增益及电阻等参数;此外,支持模拟芯片设计的辅助工具较少,且产品开 发往往需与晶圆厂联合;因此,模拟芯片的设计门槛较高、行业就有较高的技术壁垒。

  长生命周期:与强调运算速度与成本比提升的数字芯片不同,模拟芯片不追求由晶体管 集成数量的增加和特征尺寸与晶体管尺寸的减少;模拟芯片的改进更多是电路速度、分 辨率、功耗等参数的提升,其强调的是高信噪比、低失真、低耗电和高稳定性,因而产 品一旦达到设计目标就具备长久的生命力,ADI 产品平均寿命大于 10 年,且公司 50%以上的收入来自十年以上的产品。

  高毛利水平:就模拟芯片两大龙头公司 ADI 和 TI 而言,其产品毛利率均维持在 50%以 上。行业毛利高的核心原因在于产品寿命周期长、研发投入摊销少且产品生产不依赖于 先进的工艺制程。

  下游应用领域广泛:由于模拟芯片主要用于实现信号链的传输和对电流、电压进行管理, 因此,在智能化时代的今天,模拟芯片下游应用领域众多,被广泛应用于通讯、工业控 制、汽车、消费、PC 等领域。从全球模拟集成电路终端应用领域来看,通信、工业控 制、汽车为是模拟芯片的主要终端应用市场,计算机领域占比逐渐下降;

  不同下游、不同产品差异化的毛利率水平:模拟芯片下游应用领域广泛、产品种类丰富, 但由于不同下游所需产品的性能不同、不同产品的设计、生产复杂程度的差异,导致模 拟芯片不同子产品的毛利率水平有着较大的差异;通讯以及工业控制类所需模拟芯片的 功能复杂、可靠性高,故毛利率水平较高;而信号链芯片相较于电源管理芯片的设计更 为复杂,因此信号链产品有着较高的毛利水平。

  模拟芯片产品品类繁多且下游应用领域极其广泛,几乎涵盖了生活上还有生产上的各个 领域;因此,模拟芯片行业受下游某一需求的周期性波动影响不大,与数字芯片相比模拟芯片行业周期属性较弱。从 PC、手机、通信到 AIoT、新能源车等,近年来电子产品的品类和市场容量持续扩张;作为电子产品不可或缺的零部件,模拟芯片的市场规模持续扩张;2020 年全球模拟芯片的市场规模为 556.58 亿美元、同 比+3.19%,预计 2021 年的市场规模将达 677.16 亿美元、同比+21.66%。IC Insight 预 测,2020-2025 年模拟芯片行业的复合增速将达 8.20%。

  从产品细分市场的角度来看,随着新能源车、物联网的快速崛起,模拟芯片细分产品市 场呈快速增长之势。预测 2021 年汽车 App 专用模拟 IC、显示驱动 IC、可 穿戴专用、消费专用模拟 IC 的年度销售额增速将分别达 31%、31%、28%、25%。从 年度增速前十榜单来看,2019 年仅有增速 8%的显示驱动 IC,2021 年预计将有四种模 拟产品上榜,且增速在 25%以上。

  随着新能源车、AIoT 以及电子产品复杂化的发展,产品电路系统需要更多的电源管理芯 片进行电压的管控;因此,全球电源管理芯片的需求量和市场规模保持高速增长。据 Market study 统计,2019 年全球电源管理芯片市场为 211.60 亿美元,2025 年将达 247.90 亿美元,复合增速为 2.67%。2020 年全球电源管理芯片年 度出货量为 651.05 亿个、在集成电路细分产品出货量中名列第一。

  受益于较长的生命周期和较分散的应用场景,全球信号链模拟芯片的市场规模稳步增长。从细分子产品的角度来看,线性产品(放大器和比较器)和转换器产品是市场 规模较大的信号链产品。

  不同于存储、逻辑 IC 高集中度的市场竞争格局,模拟芯片行业的市场竞争格局较为分散,行业龙头 TI 的市占率也不足 20%。从行业龙头公司的发展路径来看,研发并购的 横纵向整合之路促进公司产品品类的持续完善、助力公司实从“小而精”走向“大而美”, IDM 的生产模式助力公司快速调整产能、持续降低生产成本,对直销的强化减少了公司对经销商的让利规模,从而实现公司利润的持续抬升。

  尽管模拟芯片行业营收仅占半导体总营收的 12.64%,但模拟芯片行业不乏龙头公司。 预测 2020 年全球前 15 名半导体公司中,模拟芯片公司 TI、Infineon、ST 将 以 130.88、110.69 和 99.52 亿美元的营收体量分别位列第 9、10、14 名。

  模拟芯片行业竞争格局较为分散,但头部公司优势明显。2020 年全球模拟芯片 top10 公司的营收占比为 63%,行业排名第十的公司(瑞萨电子)市占 率仅为 2%,行业的竞争格局较为分散;但模拟芯片行业 top2(德州仪器和亚德诺)占 据行业总营收的 28%,头部公司具有显著的竞争优势。

  探寻海外龙头的发展历程,可以得知:研发并购、横纵向整合的策略是公司规模持续壮 大的关键所在;设计、制造、封装一体化的 IDM 生产模式在缩短公司产品从研发到上市 的时间周期的同时,降低了公司的生产成本;在互联网和物流行业快速发展的背景下, 龙头厂商通过加强自身销售平台的搭建提升了公司产品直销的占比,从而实现公司盈利 能力的持续改善。

  模拟芯片具有很高的设计门槛,行业内龙头公司持续加强在重点领域的研发投入,以实 现产品品类的持续拓展。以头部公司 TI 为例,TI 在研究和开发方面持续进行大规模的 投资,在对现有产品不断优化改善的同时,持续加强重点新兴领域如工控和汽车的产品 研发以满足客户的新需求,从而保证公司在重点领域的市场竞争力。2011 年来,TI 研 发费用率一直维持在 10%左右,研发费用也一直稳定在 15 亿美元上下。

  多产品品类铸就公司发展护城河,TI 龙头优势显著。截至 2020 年底,TI 产品品类达 8 万种,虹吸效应使得 TI 下游客户数量持续增长、达 10 万余家,进一步推动公司模拟芯片 营收的持续增长,从 2006 年的 47.46 亿美元飞速增长到 2020 年的 108.86 亿美元,在 这 14 年间,营收年均复合增长率 5.69%。从头部公司发展历程中可以得知,重研发是 模拟芯片公司从“小而精”走向“大而美”的关键所在。

  纵览行业的发展变迁,产品品类的持续扩张一直为业内公司的核心关注点。除了前述的 自研之路外,并购无疑是公司实现多产品品类的优中之举。

  以 ADI 为例,2014-2021 年,ADI 通过三次并购,实现公司营收体量的持续增长。2014 年 ADI 收购 Hittle 成为了 RF 领军者,2017 年收购了 LINEAR 奠定了市场领导者的地 位,2021 年将收购 Maxim 以巩固模拟半导体的领先地位,Maxim 在汽车和数据中心市 场的优势将与 ADI 在工业、通信和数字医疗市场上的优势相辅相成,各自弥补在自身下 游应用领域上的不足,从而实现长期增长的态势。

  毋庸置疑,并购之路使能模拟芯片行业内公司更好的拓展自身业务,持续向“大而美” 方向发展。2020 年在收购 Maxim 之后,ADI 产品品类现已成功拓展至 5 万余种、拥有 研发人员多达 1 万余人、并实现 12.5 万余家的下游客户覆盖,并极大地提高了公司自 身的核心竞争力。ADI 的三次收购,使得公司从 2014 年 6%市占率的龙四公司跃升至 2020 年 9%市占率的行业第二。

  总结来看,模拟芯片公司的发展路径可以分为起步阶段、快速发展阶段和稳定发展阶段。

  起步阶段(产品品类较少):该阶段是公司发展的起步阶段,高毛利并非是公司的核心指标,公司往往专注于某些特定领域,通过持续研发实现产品升级从而达到切入市场的目的。目前,国内大多数的厂商均处于该阶段。

  快速发展阶段(产品品类快速扩张):该阶段的公司已经摆脱了早期单一品类和下游应用领域的局限,但仍处于行业的追赶者地位,公司往往通过并购实现产品品类的快速扩张和新下游应用领域的开辟,从而实现公司市场份额的快速提升。

  稳定发展阶段:处于该阶段的公司是市场的领导者,公司在产品品类和市场份额等 方面都拥有着绝对的竞争优势;在持续进行研发扩品维持核心竞争力的同时,也会 更多地进行过程管理以达到降本增效的目的。

  IDM 模式的优势分析:不同于数字芯片对先进制程的持续追求,模拟芯片强调的是设计 与制造的有效结合,模拟产品多采用成熟制程工艺进行生产;在 IDM 模式下,公司在实现产品快速的研发生产和合理调整产能的同时, 也避免了将部分利润让渡给代工厂,从而达到降本增效的目的;因此,近六成的模拟龙头都选择以 IDM 的模式进行生产。

  12 寸晶圆厂可进一步降低生产成本。12 寸晶圆更高的切割效率使得模拟芯片在制造端 的成本下降 40%,从而带来毛利率的提升。德州仪器是业内率先开启 12 寸晶圆厂量产 的企业,在 2021 年 6 月 30 日以 9 亿美元收购美光 Lehi 300mm 晶圆厂之后,TI 现已 拥有 4 座 12 寸晶圆厂(包含一座在建晶圆厂)。在降本增效的驱动下,TI 将产能持续向 12 寸晶圆厂转移、并于 2020 年关停公司最后 2 座 6 寸(150mm)晶圆厂。

  模拟芯片产品种类众多、并被广泛应用于各个下游领域,行业拥有非常大基数小批量、 多产品的下游客户,单一的公司销售能力很难覆盖众多的客户,因此,分销模式在模拟 芯片行业尤为常见。分销模式在助力公司覆盖更广泛的下游客户的同时,也需要对经销 商进行返利或折扣,这在一定程度上削弱了公司的利润。

  随着互联网和物流行业的快速发展,龙头厂商持续加强自身销售平台的搭建, 使得更多的客户能够直接触达公司产品,通过强化直销的方式来改善公司的盈利能力。行业龙头 TI 2020 年底的直销占比为 63%;2020 年,ST 的直销比例也高达 73%。

  模拟芯片增长点的分析主要从传统市场和新型市场两个维度展开,通信、工控和 消费电子等划分为传统市场,将智能汽车划分为新兴市场。从模拟芯片的下游应用领域来看,传统市场占据了 70%左右的市场份额,在需求持续推进的基础上将保持稳定增 长;尽管新兴市场如智能汽车等的市场份额相对较小,但却保持着高速增长(2015-2020 年市占率增长 5pct),是行业未来的新增长点。

  近年来,创新驱动叠加消费升级使得智能化发展成为全球汽车行业的确定性方向之一; 但智能汽车行业尚处于成长早期阶段,全球的新能源汽车渗透率仍较低,在全球对新能 源汽车的政策方面的大力支持下,未来有望迎来快速增长。预测 2025 年全球 新能源汽车将达 3980 万辆、2020-2025 年复合增速为 30.28%;中国区增速更为显著, 据 IDC 数据显示 2020-2025 年新能源车的复合增长率将达 129.71%。

  随着高级驾驶辅助系统(ADAS)/自动驾驶、智能网联、智能座舱的快速发展,汽车从 “功能终端”向“智能终端”的转化产生了大量来自于传感器、硬件管理、人机互动、 互联网连接、AI 运算以及数据处理等需求。汽车智能化的发展对汽车芯片的计算整合能 力提出了更高的要求,芯片的能力不仅决定了汽车智能化的发展进程,也是推动汽车智能化应用进阶的核心动力。随着全球智能汽车销量的快速增长,汽车芯片也迎来快速增 长,预测 2024 年全球汽车半导体的市场将达 428.3 亿美元。

  汽车的电动化、智能化使得单车对电源管理 IC 和信号链 IC 的需求量大幅增长,从而带动了车规级模拟芯片在汽车芯片中的占比持续增长,预计 2024 年车规级模拟芯片的市 场份额将达76.4亿美元、在汽车芯片中的占比也将由2020年的14.65%增长至17.84%。

  国内供需格局的视角分析模拟芯片很大的国产替代空间:从全球模拟芯片市场的地区分 布可以看出,我国有着非常广阔的模拟芯片市场,2020 年我国模拟芯片市场占据全球 36%的份额;但我国目前模拟芯片产业整体的自给率较低、产品主要依赖进口;由此可 见,模拟芯片拥有很大的国产市场替代空间。

  芯片产品属性的视角分析国产替代的可行性:模拟芯片行业竞争格局相对分散、下游应 用分布广泛;模拟芯片产品品类众多且具有很长的生命周期,国内厂商在发展之初,可 以针对某一特定应用领域、特定产品进行研发形成公司的核心竞争力,并依赖于该产品 切入市场,从而解决公司的生存问题;后期可以在“小而美”的基础之上拓展产品品类, 逐步走向“大而广”。

  当前,我国模拟芯片行业的发展有着强大的时代机遇;未来随着 5G 商用、云计算、 电动汽车、智能医疗等新兴领域的不断涌现和应用化普及,叠加相关国家战略的陆续实 施,模拟芯片将面临着更加广阔的应用前景和市场需求。

  国内模拟芯片公司的发展现状可以总结为如下三个的特点:小而美的起步阶段,公司多 采用经销为主、直销为辅进行产品销售,生产以设计+代工的 fabless 模式进行。

  模拟芯片细分产品和下游应用领域众多、设计生产壁垒高,行业内公司的发展并非一蹴 而就、须经历长期的研发拓展过程。我国模拟芯片 起步较晚,国内模拟芯片公司在规模上不能与龙头公司相抗衡。现阶段,国内公司大多处于行业起步阶段,公司主要产品基本都归属于特定应用领域的细分子品类,但核心产品的性能已于国际龙头公司产品相持平,“小而美”是国内模拟芯片公司的特点。

  模拟芯片需求量巨大且有着广泛的下游客户,依靠公司单一的销售团队很难覆盖众多中小客户,经销的商业模式在模拟芯片行业尤为重要,龙头厂商 TI 也有着 50%的经销比例。经销商稳定的销售渠道、客户资源和客户拓展能力可以帮助尚处于起步阶段的国内 厂商快速打开市场,因此,国内厂商的销售模式以经销为主、直销为辅。

  国内模拟芯片厂商的生产方式基本为 fabless 的模式,通过将制造和封测委托给产业链 下游的晶圆厂和封测厂实现产品的生产。Fabless 模式是处于行业起步阶段的国内厂商 主动和被动层面的最优解。主动层面来看,fabless 的模式使得厂商摆脱的重资产属性, 将公司核心专注力集中于设计环节,实现产品品类的持续扩张;被动层面上,晶圆厂的 建设往往需要数十亿乃至百亿的资金投入,产线的爬坡需要时间、且只有在满产的情况 下才能实现最佳经济效益,因此,IDM 模式对于规模尚小的国内厂商而言负担较重。

  正处于半导体行业全面国产替代加速的国内模拟芯片公司面临着非常广阔的市场空间;而公司自身产品的低价销售策略和定制化、差异化服务的竞争优势则是其快速切入市场 的关键所在。

  国内模拟芯片公司正处于起步阶段,快速拓展下游客户实现市场份额的提升是公司发展 的关键所在。因此,在进行与龙头对标产品的销售方面,国内厂商往往以牺牲部分利润 的方式进行低价销售,从而实现对海外产品的替代。从品牌力来看,下游客户在产品同 等性能的背景下所追求的是极致的性价比;因此,国内厂商产品价格相对较低是其快速 打开市场的核心要素。

  我国作为全球最大的模拟芯片消耗国,国内厂商拥有在空间上更接近下游客户的天然优 势。在产品性能突出、品质可靠的前提下,国内模拟公司往往能够通过定制化、差异化 服务为客户提供更优质、便捷的解决方案,从而逐步在供应链中替换原有的国际品牌份 额,并在部分产品上实现了 pin to pin 替代。

  总结来看,当前我国模拟芯片厂商均处于“小而美”的发展起步阶段,夯实基础、持续 延伸将是公司的核心发展策略;而海外龙头公司“研发并购、横纵向整合”的成长路径 为国内模拟芯片公司的发展提供一定程度的参考意义。在当前国产替代加速与公司自身 核心竞争力持续抬升的双重背景下,国内模拟厂商的发展空间广阔;而厂商所选取的 “fabless+代工”的商业模式,也将助力国内产业链公司的同步发展。

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