模拟芯片：长坡厚雪的“黄金赛道”

作为半导体的重要品类之一，模拟芯片具有产品品类多样、集中度不高、产品生命周期长、下游应用广泛等特点，被称为“黄金级赛道”。过去一年多来，伴随芯片供需关系发生急转，以消费电子应用领域为代表的模拟芯片受到了较大的影响，但汽车、工业模拟芯片“异军突出”，成为少数抗周期性变化最强的芯片品类之一。

从最近各大模拟芯片巨头陆续发布的2023年第二季度财报可以看出，模拟芯片在各个终端市场已呈现不同速度的复苏。其中，汽车市场仍然是最大的增长动力，新能源、AI需求也较为强劲，而消费电子市场仍存在较大不确定性。

最近几年，国际模拟芯片大厂加快了汽车、工业模拟芯片的产品与技术布局，且取得了非常好的市场业绩。英飞凌、意法半导体两大芯片巨头甚至在今年第一季度挤进了全球十大半导体企业排名。与此同时，中国模拟芯片厂商也开始从低端产品类别向中高端产品迈进，从消费级产品向工业、汽车级迭代升级，在产品一致性、稳定性等方面不断缩小与国际大厂的差距，部分关键技术指标也逐渐达到国际竞品水平。

近期，《电子工程专辑》采访了多家模拟芯片厂商，请他们从行业与技术发展新趋势、产业竞争格局、国产化成长路径等视角，分享了应对市场低迷期的发展建议以及模拟芯片国产替代的一些产品、技术发展与布局情况。

绿色低碳、智能化成发展驱动力

随着绿色、低碳、可持续发展成为各国重要发展战略，节能减排也成为业界关注的重点。而新能源汽车、光伏、储能以及第三代半导体材料等都是实现节能减排的关键领域。

其中，在当前电动化、智能化加速发展的新形势下，汽车市场仍将是模拟芯片下游景气度最好的应用领域之一。特别是随着电动化、智能化的不断渗透，三电系统、热管理、智能座舱等系统开始成为模拟芯片快速增长的应用领域。

IC Insights数据显示，汽车是模拟芯片的第二大应用市场，2022年市场规模或占到模拟芯片市场份额的24.7%。IDC也预测，2021—2025年汽车模拟芯片市场年复合增长率有望达到13.2%。

市场研究机构S&P Global Mobility更是警告称，由于电动汽车需要更多且性能要求更高的芯片，几种关键类型的汽车芯片仍然处于供不应求的状态。根据罗兰贝格和中国汽车报于2023年7月发布的报告《2023年全球汽车供应链和新企业竞争力白皮书》，从2020年开始的汽车芯片短缺，预计仍将持续到2025年。

兆易创新模拟产品部市场总监冯忠河

兆易创新模拟产品部市场总监冯忠河表示，随着汽车架构不断从分散向集中演进，高度集成的域控制芯片将会成为主流，推动了模拟IC市场快速成长。此外，随着汽车电动化不断发展，功能安全也愈发重要。在这样的背景下，整合了多种模块的SBC芯片市场需求广阔，其可以提高系统的可靠性和稳定性，节省系统成本。

同时，在“双碳目标”和“能源危机”的双重驱动下，全球各国对新能源发展的诉求愈加强烈。根据中国光伏行业协会数据，尽管面临疫情干扰、产业链价格波动和欧洲地缘政治紧张局势的影响，但2022年全球光伏新增装机230GW，同比增长35.3%，累计装机容量约1156GW。2023年，全球光伏市场需求持续保持旺盛，新增装机保守预测为280GW，乐观预测为330GW。

值得一提的是，在市场因素方面，光伏发电的成本随着规模效应和技术革新正在逐渐下降，已经低于传统的能源发电成本。

纳芯微电子产品线总监叶健

对此，纳芯微电子产品线总监叶健表示，在以上因素带动之下，最近两年光伏领域不管是微型逆变器，还是组串式、集中式逆变器以及配套的储能系统市场增长都非常快，“逆变器和储能系统都是典型的高压大功率系统，一般都会需要驱动功率器件的驱动类芯片、用于系统检测和反馈控制的电压电流采样和传感等信号链和传感器的芯片、用于系统间通信的数字隔离及接口芯片以及提供系统供电的电源芯片等。”

同样受到碳减排的行业环境和政策影响，近几年工业自动化市场也获得了非常好的成长机会。叶健非常看好工业自动化的发展前景，特别是随着产业不断升级、自动化水平不断提高，在变频器、伺服、PLC、人机界面、机器人等工控领域具体应用上，将对数字隔离、电流电压采样、接口、电源、驱动等模拟及混合信号芯片产生大量的需求。

冯忠河也分享了工业领域电源芯片的两大应用趋势。一是机器人用的马达驱动。由于AI技术不断发展，机器人集成了更多的功能，其对算力和控制有了更高的要求，因此业界将采用控制和计算合并的高压二合一驱动芯片来提升机器人的性能。二是大电流的通用电源。目前国际厂商占据着30A以上的大电流电源市场，而国内厂商主要是以20A以下的市场为主，但随着智能化不断提升，高性能CPU和GPU会对大电流有额外的要求。因此，发展大电流电源也是市场的一大趋势。

广东赛微微电子股份有限公司市场经理张诚

赛微微电市场经理张诚也从模拟芯片细分应用趋势作了相关的分析。他表示，“未来模拟IC集成度会更高，独立的单路电源已越来越多被PMIC替代；其次，电源类器件和信号链器件合并的趋势更加明显，如汽车领域的SBC芯片；另外，定制化趋势明显，针对不同领域、不同应用的精确定制化芯片也会越来越多。”

在未来的一段时间内，摩尔定律依然有效，在其驱动下数字芯片的面积越来越小，与之配套的信号链模拟芯片也会在更多新技术的推动下朝着小型化、低功耗和高性能的方向发展。对此，张诚认为，信号链芯片和电源管理芯片集成化是一个方向，特别是随着模拟芯片工艺的不断提升，未来会有更多多合一的模拟集成电路，而芯片工艺和系统需求将决定集成技术路径。

叶健也表示，信号链模拟芯片正呈现高性能、高精度、多功能、集成化等发展趋势，技术挑战也同样凸显，比如在性能上需要更高的工作频率、更低的功耗等。

模拟IC厂商转向汽车、工业领域

众所周知，模拟芯片主要用于产生、放大和处理连续函数形式的模拟信号(如声音、光线、温度等)，可以应用于消费电子、汽车、通讯、工业控制等各种终端上。而2023年上半年，模拟芯片之所以能应对芯片下行周期而维持相对稳定，汽车、工业市场的拉动不可小觑。

实际上，2023年第二季度各大模拟芯片厂商的业绩也印证了汽车、工业芯片的真实需求。作为全球最大的模拟半导体厂商，德州仪器（TI）2023年二季度财报数据显示，二季度营收为 45.3亿美元，环比增长3%，同比下降13.1%。在第二季度，德州仪器除了汽车行业，所有的终端市场都需求低迷。

意法半导体情况也大致相同。在汽车、工业等细分领域的推动下，意法半导体Q2营收43.26亿美元，同比增长12.7%，超出预期。意法半导体CEO Jean-Marc Chery非常看好中国新能源汽车市场。他曾表示，“当前中国正引领新能源汽车发展趋势，在中国新上牌的汽车中，近四分之一是电动或插电式混动汽车，已领先于欧美市场。而这一发展趋势将带动中国相关基础设施的投资，比如快速充电站和车辆通信装置等，也将为意法半导体深耕中国市场带来更多的发展机遇。”

另一大模拟芯片巨头ADI也十分看好工业与汽车两大市场。2023年的第二季度财报显示，工业与汽车是ADI最大的收入来源，分别有53%和24%的营收占比，两大市场还保持着良好的增长态势，工业同比增长16%，汽车同比增长24%。

此外，恩智浦、安森美半导体、Skyworks等国际模拟芯片厂商也受益于工业与汽车领域的增长。从今年Q2业绩来看，各大模拟芯片厂商强劲业绩在很大程度上都受益于汽车、工业领域业绩拉动，对冲了消费电子市场持续疲弱带来的负面冲击。

对于国际模拟芯片大厂“风向转变”，张诚认为，“相对于消费类电子，汽车、工业领域更加平稳，并且持续增长，布局汽车和工业领域可以对产能规划更加精准，不容易受消费类电子频繁波动的影响，使产能利用更高效，同时降低风险。其次，相对于消费类电子，汽车、工业领域毛利率较高，国际大厂更愿布局高毛利率产品。”他表示，随着新能源汽车的普及，以及智能化、感知需求的提升，汽车上使用的电子器件和芯片将成倍增加，汽车、工业领域对芯片的需求也会持续增长。

其中，作为最早进入汽车电池管理系统(BMS)领域并率先成功开发出相关产品的模拟芯片企业，ADI可以提供完整BMS产品及解决方案，以ADI无线BMS技术为例，其省去了传统线束，可减少高达90%的线束和15%的电池组体积。此外，ADI还提高了设计灵活性和可制造性，有效简化电池组的装配与拆卸过程，能够帮助使用者快速高效地移除并修复故障电池电芯。

当然，除了以上国际大厂之外，中国模拟芯片厂商也加大了汽车、工业领域的布局。其中，兆易创新主要从电源类产品开始切入模拟IC，涉及高性能电源（包括DC-DC和LDO）、锂电池管理、电机驱动和专用电源管理芯片（ASIC）四大类别。其中，在电机驱动领域，将驱动芯片与控制芯片集成，做二合一或者三合一的产品是主流技术和市场趋势，也是兆易创新的发展方向之一。在锂电池管理芯片领域，目前以通用型充电芯片为主，后续会在储能、汽车等领域逐步拓展。

纳芯微则以信号链技术为基础，在模拟及混合信号领域开展了自主研发工作，并形成了诸如传感器信号调理及校准技术、基于“Adaptive OOK”信号调制的数字隔离芯片技术等12项核心技术，且均已应用于公司主要产品。纳芯微2022年财报显示，公司汽车电子业务占总营收占比23.13%，比上一年占比提升约13个百分点。目前纳芯微在汽车领域发货规模已超1亿颗。

张诚也介绍，赛微微电已经在电池采集和电源系统上有相应的产品布局，期望为汽车带来高精度以及高可靠性的电池管理芯片和电源芯片。

IDM或为模拟芯片发展“必经之路”

模拟芯片是模拟电路的核心，是决定电路稳定性、可靠性的重要因素之一。尽管模拟芯片不依赖于先进芯片工艺，但其设计更为复杂。从模拟芯片竞争格局来看，模拟芯片尤其是高性能模拟芯片市场一直被德州仪器、ADI、英飞凌、恩智浦等国外巨头垄断。相比较而言，中国模拟芯片市场起步慢、起点低、工艺落后，不管是技术经验，还是生产规模，均落后于国际模拟芯片大厂。

同时，这些国际模拟芯片大厂基本采用IDM（Integrated Device Manufacturer）模式，即集“设计—制造—封测”环节为一体，可以将设计和工艺整合起来开发新产品，具备更强的资源聚集能力，但同时也需要庞大的资金支持，因而覆盖面基本包含信号链和电源链各个细分环节。

由于庞大资金体量的门槛，国内模拟芯片企业多采取Fabless模式，即“没有制造业务，只专注设计”的一种模式。Fabless模式更为灵活，门槛更低，但也因此难以做到高度协同，对晶圆代工厂具有依赖性，同时由于模拟芯片设计受工艺制约，如果生产工艺无法匹配设计，会使得产品性能受限，因此IDM模式或为模拟芯片企业发展的必经之路，具有协同优势，能够更好地掌握创新主动权。

以ADI为例，经过近60年的技术积累与沉淀，该模拟芯片巨头在全球范围内拥有约7.5万个品类丰富的芯片产品，2022财年研发投入逾17亿美元。而中国模拟芯片厂商一般成立时间不长、研发投入小，主要采取Fabless模式，在产品覆盖面及型号数量方面远低于国外头部厂商。

不过，最近几年，中国本土模拟芯片厂商也得到了快速发展，并逐渐形成各领域的头部企业。叶健表示，“从产品布局来看，中国模拟芯片厂商已经在各自擅长的领域深耕并取得了不错的成绩，从前的‘追随者’形象已经被打破，甚至在某些领域达到了国际领先的地位。例如纳芯微的隔离产品和传感器产品已经不输于国际巨头。” 

张诚也表示，模拟IC和工艺相关性非常高，虽然不需要先进的工艺，但BCD（全称Bipolar-CMOS-DMOS）工艺，特别是高压BCD工艺发展时间并不长，还需不断加大创新研发。他认为，“单一企业深耕某类细分领域往往短期效益较好，但受企业规模限制，国产模拟芯片企业IDM模式较少。长远来看，模拟电路设计厂商特别是头部企业一定会向IDM模式转变，而Fabless是灵活快速的运营模式，较适合现在的国产芯片企业。”

实际上，过去一年时间里，国际模拟芯片大厂因采取IDM模式，均大幅提升了资本性支出，加大了投资建设厂房和产线，比如布局12英寸大晶圆、布局SiC（碳化硅）产能。特别是高利润的汽车MOSFET和IGBT等功率器件，正从8英寸晶圆迁移到12英寸晶圆。据悉，12英寸晶圆的生产成本较8英寸高出50%，但芯片产出量却是后者的3倍，使每片芯片的平均成本减少了30%。

另外，宽禁带半导体也是国际模拟芯片大厂布局的重点。其中，2022年8月安森美位于美国新罕布什尔州哈德逊的碳化硅工厂建成投产；9月在捷克Roznov扩建的碳化硅工厂落成，未来两年将逐步提升产能。意法半导体和德州仪器也分别为2023年的资本性支出预算了40亿美元和50亿美元。今年6月，意法半导体还宣布，将与三安光电在中国重庆建立一个新的8英寸碳化硅器件合资制造厂，以更好地支持中国的汽车电气化、工业电力和能源等应用日益增长的需求。

因此，尽管全球消费电子市场行情依然低迷，但汽车、5G、AI、高性能计算、风光储能等领域将为模拟芯片的下一轮行情注入动力。而德州仪器、意法半导体、英飞凌、恩智浦等巨头布局12英寸晶圆和碳化硅新材料也变得具有必要性，同时也将进一步夯实其竞争优势。

宽禁带半导体主要以碳化硅、氮化镓为代表，具有高频、高效、耐高压、耐高温、抗辐射等优势，未来将在新型电力系统、高铁、新能源汽车、5G通信、半导体照明、工业电机以及消费电子等市场得到广泛应用。国际半导体市场研究机构Yole预测，到2027年，全球碳化硅功率器件市场规模有望达到约63亿美元，其中新能源汽车碳化硅市场空间有望达到近50亿美元，占比近80%，是碳化硅功率器件下游第一大应用市场。

以新能源汽车市场为例，800V高压快充就是碳化硅重要的应用场景之一，其主要解决新能源汽车充电慢、续航短的难题。张诚认为，未来800V高压快充技术应用肯定会越来越多，而且将来可能还会有更高电压平台出现，“对模拟芯片来说，高压BCD工艺以及隔离技术将更具挑战，另外ESD、EMC等也需要花费更多精力。简单来说，高电压、大电流，必然对产品可靠性带来更大的挑战。”

张诚也强调，随着BMIC在汽车市场的发展，特别是在新能源动力系统应用上，高压BCD工艺及产品设计门槛将更高。他建议，国产厂商应先解决可靠性问题，不能一味地追求某个非关键的技术指标，不能“卷”错了方向。

模拟芯片替代趋势不可逆转

整体来看，模拟芯片技术门槛高，产品生命周期长，对稳定性和成本要求高，需要长期投入和人才培养，目前国产自给率仍然较低。然而，相较于数字芯片，尽管国际模拟芯片大厂市场占比较高，但模拟芯片产品类型多样，下游应用领域广泛，整体市场份额较为分散。这给中国模拟芯片厂商留下了一定的生存空间。

根据IC Insights数据，2021年全球模拟厂商排名中，占比前十的企业均为海外企业，主要得益于欧美发达国家集成电路技术起源较早，积累了资金、技术、客户资源等优势，由此在行业中占据主导地位。其中，德州仪器（TI）以19%的份额占据主要地位，ADI以12.7%的市场份额位居第二，思佳讯（Skyworks Solutions）以8%的市场份额位居第三，之后各企业的市场份额不超过7%。由此可见，模拟芯片整体市场集中度较低。

图表1: 模拟芯片与数字芯片对比情况

与此同时，由于模拟芯片在制造过程中追求尺寸、成本、功耗等多参数的平衡，工艺过分缩小造成的工艺失配过大会导致模拟芯片性能的下降。也就是说，模拟芯片相对数字芯片对芯片制程的要求较低，主要通过成熟制程或特殊工艺生产，以8英寸产线，0.18um/0.13um及以上的制程为主。因此，随着自主创新能力的提升以及越来越多资本的涌入，中国本土模拟IC厂商有望实现突围。

值得一提的是，最近几年，中美半导体之争愈演愈烈，特别是2022年最新版的《瓦森纳协定》对中国高端芯片产品的出口进一步加大了限制，在汽车及工业等模拟产品领域，如精度高于16bit、采样率高于65MSPS的高端ADC和DAC等产品都被限制出口。这一系列的限制反向驱动了中国本土模拟芯片的研发，特别是在国家政策支持下，中国本土模拟IC企业发展已经取得一定进展，甚至填补了一些国内高端模拟芯片市场空白。

不过，总体而言，在高端模拟芯片上，国内厂商与海外龙头在市场份额和技术差距仍较大。以车规模拟IC为例，汽车模拟IC在工作温度、开发验证周期、AEC-Q100认证等方面明显要求更为严格，市场进入门槛较高。在当前新能源汽车发展如火如荼之际，受限于车规产品认证进度，国内模拟芯片厂商实际上并未享受到2020-2022年国内新能源汽车快速增长的市场红利。

冯忠河表示，“相对于国际大厂，国产模拟IC的差距主要在于高端市场，例如模数混合、模拟前端（AFE）、高压等产品。对于中低端产品，国内厂商较多且技术差距较小，在这方面主要的挑战是要提高对产品可靠性和一致性的保障。”

他认为，“无论是低端还是高端产品，要想实现完全国产替代还要在技术本身和工艺上继续投入研发。特别是在工规和车规产品，这两个领域技术门槛较高，国内厂商要想渗透进入市场，还需要不断修炼内功。从产品角度，要在提升创新能力的同时，保质保量的生产，以满足应用需求；从企业角度，要有完整的服务运营体系，对客户有长期承诺。”

过去几年，中国本土模拟芯片厂商以消费电子为切入点，不断加强布局工控、汽车等领域。不过，模拟IC具有高信噪比、低失真、低功耗、高可靠性等产品特点，因此产品一旦设计定型就会有比较长的生命周期。同时，微弱信号、高频信号处理技术门槛非常高，国内厂商在线性产品领域需要不断追赶国际厂商，缩减性能差距。

冯忠河也建议，“基于车规产品本身发展缓慢，成熟的技术又被国际大厂占据，要想进入高端市场，需要不断挖掘市场机会，紧跟市场的动态，并且推动产品在市场中得到应用和验证，毕竟好产品都是通过一代一代迭代而来。” 

不过，客观而言，打造符合市场需求的车规产品绝非易事，技术、时间、成本都是需要面对的问题。冯忠河介绍，鉴于车规模拟芯片的高可靠性和稳定性，兆易创新从规划设计到产品量产，通常要三年以上的时间，同时采用零缺陷（Zero Defect）质量管控理念对所有项目实施进行完整管理，追踪和保障产品整个生命周期的可靠性。

张诚也指出，中国模拟IC国产化有许多优势，例如快速响应的本土化售前售后服务、产品定制化、产品叠代周期等，也会有助于国产化替代应用。

当前，国内各模拟芯片厂商开始在车规模拟芯片发力，尤其是隔离驱动、电源链（LDO、LED驱动、马达驱动）、磁传感器等领域，大部分产品将在2023年通过车规认证。在供应链安全考虑下，一旦经过终端车企或Tier 1认证，替代趋势将不可逆转，国产模拟芯片厂商份额提升将具备确定性。

结语

2023年已过大半，全球半导体行业因其战略性、基础性等特殊属性，其市场需求基本未能摆脱宏观经济的影响，整体似乎并无明显反弹的迹象。然而，汽车、工业智能化转型催生了大量的半导体需求，特别是模拟芯片的需求，已成为当前半导体行业为数不多的重要驱动力之一。

展望2023下半年，全球半导体行业基本面“筑底”已完成，将重新进入景气复苏周期。随着中国产业数字化、网络化与智能化的转型加速，以汽车、工业为代表的高端模拟芯片中长期成长性趋势明显，正成为中国模拟芯片厂商深耕的长坡厚雪的“黄金赛道”。

本文为《电子工程专辑》2023年9月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅