根据WSTS分类标准,半导体主要可分为集成电路、分立器件、传感器与光电子器件四种类别,其中集成电路可细分为模拟集成电路、数字集成电路和混合集成电路三大类,其中模拟集成电路主要是指由电阻、电容、晶体管等集成在一起、用来处理连续函数形式模拟信号(如声音、光线、温度等)的集成电路。
模拟集成电路又可进一步分为电源管理集成电路(电源管理芯片)、放大器、接口集成电路和微波集成电路四个大类,每个大类下属涵盖多个细分产品种类。其中电源管理芯片是模拟集成电路最大的细分市场,具有应用范围广、细分品类众多的特点,产品类型包括电池管理集成电路、电压基准电路、电源监控电路、LCD/LED驱动器、电机驱动器、稳压器以及电源模块(含DC/DC变换器)。
放大器主要包括运算放大器、通用放大器、高速放大器、功率放大器、精密放大器、差分放大器、仪表放大器、可变增益放大器和特殊放大器(频率转换器,隔离放大器,线路驱动器,对数放大器,采样保持放大器,跨导放大器,互阻放大器,视频放大器等)等。
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接口集成电路主要包括时基电路、数据交换器、多协议接口集成电路、隔离器集成电路、电路保护集成电路、电平转换器、开关和多路复用器等。其中数据交换器又包括模拟/数字交换器(ADC)、数字/模拟交换器(DAC)、集成交换器、传感器模拟前端、数字电位器等细分类型。
微波集成电路是处理射频信号的模拟集成电路,可以分为混合微波集成电路和单片微波集成电路。自1950年以来,微波器件经历了从同轴器件—微带器件—单片微波集成电路的演变,单片微波集成电路又经历了从硅基衬底—砷化镓衬底—氮化镓衬底的演变。微波集成电路主要的生产厂商有ADI(讯泰科技Hittite)、TI、Microsemi、MACOM等。微波集成电路又可以细分为:低噪声放大器、限幅器、衰减器、RF混频器、频率合成器、倍频器、I/Q调制解调器、锁相环、移相器、定时和时钟、RF收发器、RF开关、可调谐滤波器等。
总体来说,模拟芯片的细分种类多样且型号众多,因此单一厂商难以实现模拟芯片各个种类型号的全部覆盖。模拟电子系统首先需进行信号的采集提取,通常信号来源于测试各种物理量的传感器、接收器,或者来源于用于测试的信号发生器。在实际场景中,传感器或者接收器多提供的信号的幅值通常较小,且容易受到噪声的干扰,因此在加工信号之前,需要对信号进行预处理,利用隔离、滤波、阻抗变换等手段提取信号并进行放大,再进行信号的运算、转换、比较等不同的加工。最后一般还需经过功率放大以驱动负载,如果需要进行数字化处理,还需通过A/D转换电路将预处理后的模拟信号转换为数字信号。
根据产品功能,模拟集成电路可以分为电源管理芯片和信号链芯片两大类。信号链模拟芯片是指拥有对模拟信号进行收发、转换、放大、过滤等处理能力的集成电路。根据功能划分,可分为线性产品、转换器产品、接口产品、射频和微波等,其中线性产品主要有包含放大器和比较器;转换器有ADC和DAC等。电源管理芯片具有应用范围广、细分品类众多的特点,包括AC/DC转换器、线性稳压器、LED驱动器、马达驱动器、电源监控器、过流保护、过压保护等。
相较于数字集成电路,模拟集成电路具有设计难度大、应用范围广、应用周期长、可替代性低等特点。
1)设计难度大,凸显人才重要性
模拟芯片的设计需要额外考虑噪声、匹配、干扰等诸多因素,要求其设计者既要熟悉集成电路设计和晶圆制造的工艺流程,又需要熟悉大部分元器件的电特性和物理特性。加上模拟芯片的辅助设计工具少、测试周期长等原因,培养一名优秀的模拟芯片设计师往往需要10年甚至更长的时间,芯片设计人才的管理是模拟芯片企业发展的决定性因素之一。
2)下游应用领域广泛
模拟集成电路按细分功能可进一步分为线性器件(如放大器、模拟开关、比较器等)、信号接口、数据转换、电源管理器件等诸多品类,每一品类根据终端产品性能需求的差异又有不同的系列,应用领域十分广泛。
3)产品生命周期长
模拟芯片强调可靠性和稳定性,寻求高可靠性与低失真低功耗,量产后通常具备10年以上的使用周期;而数字芯片强调运算速度与成本比,必须不断采用新设计或新工艺满足下游需求的变化,生命周期通常仅有1至2年。
根据Frost&Sullivan及振华风光招股书数据显示,2013-2021年全球模拟集成电路的市场规模从401亿美元提升至586亿美元,年复合增长率为4.9%;我国模拟集成电路市场规模在全球范围内的占比达到60%以上,2021年市场规模达到2731亿元,预计2025年有望达到3340亿元。从全球模拟芯片终端应用领域看,其广泛应用于通信、汽车、工业、消费电子、计算机、国防等领域。
模拟芯片市场集中度较低,2021年前两大厂商德州仪器和ADI的市占率分别约|为19%和12.7%,其余厂商市占率均不超过10%,前十大厂商市占率合计68%,且竞争格局相对稳定。高性能射频芯片和电源管理芯片是军用终端和系统的核心,在装备信息化建设和自主可控需求的双重拉动下,国内模拟集成电路企业有望快速崛起。
军用芯片国产替代需求迫切,模拟集成电路是重点补短板方向。自上世纪90年代末至今,美国国会通过了一系列法案,禁止对华出口航天技术以及用于航天等军事用途的元器件,美国商务部列出了控制对华出口清单,同时,通过施加压力等多种手段,干预其它国家对华军事及配套出口。欧洲对华出口限制也已长达半个多世纪,先后有“巴黎统筹委员会议案”和“瓦森纳协议”,多种元器件物资被纳入华战略禁运的特别清单上。除西方国家政策因素之外,进口电子元器件大多数为塑封工业级和商业级,可靠性和环境适应性达不到我军要求,以及进口电子元器件得不到技术支持和售后保证等因素同样使得我国军用芯片急需实现国产替代。美国国防部(DoD)发布的关键技术清单中明确指出:诸多关键技术中,元器件的贡献最大。我国电子元器件产业受产业发展阶段等各种因素影响,在元器件的门类、品种、性能和质量可靠性方面与国外产品相比都有较大差距,特别是集成电路等类别差距更大,成为制约我国武器装备发展的瓶颈之一。
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