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区别于数字 IC,处理模拟信号的特性赋予模拟集成电路行业独特的行业属性,产品下游应用广泛分散,性能要求复杂导致厂商间产品重叠度较低,产品生命周期较长,厂商间竞争压力较小,更适合国内逐步实现替代。同时行业技术壁垒较高,更依赖于设计师的设计经验,具备以人为本的行业特点。

IC insights 预测到 2020 年,模拟 IC 有望实现 6.6%的高年复合增速,是集成电路中增速最快的子品类,同时模拟 IC 下游需求广泛,有望短期凭借通讯变革下的基站建设、手机射频前端价值量提升,IOT 应用深入实现快速成长,长期受益汽车电子化大趋势拉动模拟 IC 实现快速成长。上游供给侧不断提升产能利用率,辅证行业趋势向好,产能充沛助力芯片放量无忧。

本期的智能内参,我们推荐来自广发证券的报告《国内模拟 IC 产业成长迎来黄金时代》, 全面解析模拟IC,预测国内模拟IC产业新发展。如果想收藏本文的详细榜单(国内模拟 IC 产业黄金时代),可以在智东西公众号:(zhidxcom)回复关键词“nc340”获取。

一、模拟 IC:连接真实与虚拟信号的纽带

1、模拟 IC 是处理模拟信号的集成电路

模拟IC属于集成电路的子分类。按照处理信号形式的不同,集成电路可分为模拟IC和数字IC。其中模拟IC约占集成电路市场规模的15%左右,2017年市场规模大约为531亿美元。

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▲模拟IC为集成电路重要组成

模拟IC和数字IC虽然同属于集成电路,但处理信号类型和行业特点却具有较大差别。根据处理信号不同,集成电路可分为模拟IC和数字IC,处理信号为模拟信号的集成电路均可定义为模拟IC。

模拟IC:处理连续性的声、光、电、电磁波、速度和温度等自然模拟信号的集成电路为通常意义上的模拟IC。产品类型按照功能主要分为信号链路芯片和电源管理芯片两类,代表公司有德州仪器、ADI等。

数字IC:处理离散的电学“1”和“0”信号的数字信号的集成电路为通常意义上的数字IC。产品类型按照功能主要分为存储器、逻辑IC和微型元件,代表公司为intel高通美光等。

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模拟信号与数字信号

数字信号的“01”特性赋予数字电路强大的逻辑推算能力和方便的存储能力,模拟信号电位相对多态化,难以存储和进行加减与逻辑计算,因此不同于数字IC存储和提供算力的功能,模拟IC的两个主要用途为:

1、电源管理:芯片、元器件、电路系统所需正常工作电压不同,模拟IC可将电池、电源提供的固定电压进行升降压、稳压处理。需要供电的系统基本上都会需要电源管理芯片,因此市场空间较大。同时由于技术指标要求基本稳定,技术更新迭代较慢,因此壁垒相对较低,国内公司布局较多。

2、 信号链路:连接真实世界和数字世界的桥梁,将自然界实际信号如天线或传感器接受到的电磁波、声音、温度、光信号转换为多位数字信号,便于后续的数字信号处理器处理。其中的射频前端芯片需紧跟通信技术进步,技术更新迭代速度较高,壁垒较高

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▲电源管理芯片提供变压、稳压功能

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信号链路芯片是真实世界与数字世界桥梁

2、对比数字 IC,模拟 IC 具备独特属性

虽然数字IC和模拟IC同属于集成电路范畴,但两者的基本工作原理截然不同,基本的工作原理的差异决定了数字IC和模拟IC不同的产品特性、设计思路、工艺选择以及市场分布情况。模拟集成电路行业具备以下四大特点:需求端:下游需求分散,产品生命周期较长。供给端:偏向于成熟和特种工艺,八寸产线为主供给。竞争端:竞争格局分散,厂商之间竞争压力小。技术端:行业技术壁垒较高,重经验以人为本。

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模拟IC行业特点

需求分散,差异化叠加生命周期长下的弱竞争市场 模拟IC产品种类分为信号链路与电源管理两大模块,在各大电子系统基本上都会使用到,涉及下游应用有通信、汽车、工控医疗、消费类家电产品等。在数字电路系统中也会提供电源管理、稳压等功能。因此模拟IC应用更为广泛分散。产品布局层面上,数字企业主要针对“明星下游”主要布局,实现公司的快速成长,模拟单一下游市场规模相对较小,因此企业通过广发布局实现营收和市占率提升。

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模拟IC下游广泛分散,设计多领域

模拟IC产品生命周期较长,一旦切入产品便可以获得稳定的芯片出货量。需求层面:模拟类产品下游汽车、工业用途要求以可靠性、安全行为主,偏好性能成熟稳定类产品的同时资格认可相对较为严格,一般不低于一年半。供给层面:先进制程对于模拟类产品推动作用较小,基本不受摩尔定律推动,因此模拟类产品性能更新迭代较慢。因此模拟类产品生命周期较长,一般不低于10年。著名的音频放大器芯片NE5532生命周期长达30年,至今依然是多款音响设备的标配芯片。

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模拟IC产品生命周期较长

弱竞争:模拟厂商间竞争压力较小,毛利率稳定。模拟集成电路行业下游需求分散、厂商产品重叠率较低、芯片生命周期较长。因此不同于数字企业依靠工艺进步提升产品性能,抢占“明星下游”实现市占率提升的重资本打法,模拟企业间的竞争压力相对较小,竞争格局相对分散,厂商产品种类繁多(德州仪器具备10万款模拟集成电路芯片),依靠庞大分散的下游需求实现营收增长,同时厂商毛利率水平具备常年稳定的特性。

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模拟IC厂商毛利率水平相对稳定

工艺:数字偏好CMOS先进制程实现性能提升,模拟IC工艺多样,其成熟制程和特殊工艺导致模拟IC生产线以8寸晶圆为主。CMOS工艺65nm以下模拟设计面临无法实现高增益和工艺失配过大问题。因此目前在无需与数字电路SOC集成设计场景下,使用大尺寸CMOS工艺或高增益低噪声三五族半导体工艺依然为模拟工艺主流选择,其中著名的锐迪科GSM-PA芯片RDA6212便使用了GaAs工艺实现了高效率和低功耗。代工晶圆以8寸产线为主,全球仅有TI拥有两条12英寸晶圆产线。

3、行业高壁垒显著,行业以人为本特点显著

数字IC和模拟IC都属于集成电路,从多晶硅到应用于整机流程复杂且繁琐,每一步都会影响最后的产品性能,集成电路本身就属于壁垒相对较高的行业。模拟IC与数字IC流程上的差距主要体现在设计环节。

数字IC设计工具更为先进。数字电路处理信号相对简单,设计方式已经由传统的晶体管级设计进步到硬件编程语言设计甚至是C语言设计后期EDA工具自动优化的程度。前期代码性能仿真后,数字版图设计工具具备自动版图设计和优化功能,大大降低了数电设计门槛和产品进入市场的时间。

模拟IC设计工具相对落后,更多依赖设计师的设计经验。模拟IC工程师利用EDA工具进行晶体管级电路搭建并进行前期电路性能仿真。模拟版图设计时,由于模拟电路性能对于晶体管寄生电容和寄生参数敏感,因此模拟公司会专门配置layout版图设计师进行版图设计,这也导致了模拟设计周期相对较长。

模拟IC行业具备重经验,以人为本的特点。模拟IC不依赖摩尔定律和高端制程、性能指标主要由设计师设计能力决定,同时设计工具自动化程度较低,设计难度较大,研发周期较长,因此模拟IC行业更依赖于工程师的设计能力和设计经验。公司营收能力和人均创收水平(一定程度反应公司员工设计能力)呈现一定程度正相关,头部厂商人均创收基本上长期处于相对稳定的状态。

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▲模拟IC与数字IC对比

二、从上下游看模拟 IC 当前发展机遇

1、下游需求:汽车、通讯需求拉升,行业步入快车道

根据IC insights预测,持续到2020年,模拟电路下游应用中通讯模拟芯片和汽车电子将呈现最快年复合增长率,分别为7.4%7.0%。模拟电路整体市场规模20172022年将呈现6.6%的年复合增长率,高于集成电路5.1%的年复合增长率水平。模拟电路行业下游需求分散,受单一下游影响较小,因此在智能手机逐渐成熟的大背景下,依然可以实现市场规模的逆势上涨。市场短期受益5G通讯变革下的基站数目增加与智能手机射频前端链路的结构性变化,长期受益汽车电动化大趋势。模拟电路行业依然具备较高成长性和投资价值。

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模拟IC高复合增长率

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模拟IC下游分类

5G来袭,频段改变促使基站、手机芯片升级放量。5G通信相比4G通信对于传输速率有了更高需求,因此频率向高频迁移。目前根据各国频谱规划,低频(6G以下)和高频(6G以上)合计5个频段都可用于5G通讯,应用场景略有区别。20171114日,工信部发布国内5G系统频率使用规划,将3300-3600MHz4800-5000MHz确定为5G系统工作频段。频段改变对于基站、手机提出更高的需求,同时5G mMTC用途(大规模物联网业务)有望带动IOT应用进一步深入。IC insights预测2019年通讯类模拟芯片占比大约为38.5%,市场规模大约为232.3亿美元。

高频信号衰减加剧,短期基站放量确定性显著。由于高频电磁波信号在空气中衰减加速(通信信号空气中传播衰减公式:传播损耗L=92.4+20log(f)+20log(R)f为单位GHz的频率,R为单位为公里的距离),因此需要建设更多的基站来实现覆盖率的提升。因此5G宏基站建设数量为4G宏基站的1.5倍左右。同时无论是独立组网模式还是非独立组网模式,都会率先进行基站建设,因此短期内便会实现对模拟IC电路的电源管理和射频相关电路的拉动作用,预计19年便可以实现快速放量。同时由于毫米波频段衰减更为剧烈,同时毫米波基本不具备衍射能力,因此若采用室内布局或室外大数据热点区域布局,则数量将实现爆发式增长。

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基站数目快速提升

智能手机受益频段数目增加,射频前端链路ASP有望实现提升。通信速率的提升主要由于通讯有效传输带宽的提升,更高的有效传输带宽可以实现更高的传输速率,这也导致4G手机相比3G2G手机支持频段。5G手机为实现更高传输速率,同时向下兼容4G3G通讯模式,支持频段数将达到30个,相比4G支持的15个频段数目提升一倍,同时MIMO技术和CA技术也将带来射频前端芯片价值量的提升,Skyworks预计5G手机射频前端价值量大约为25美元。

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射频前端电路市场规模(左轴)及增速(右轴)

IOT进入应用深水区,市场空间不断扩大。IOT并非新概念,在穿戴时设备、共享单车、智能抄电领域均早有应用。但目前IOT缺乏行业标准性的通信协议,各细分市场较小但性能要求严苛。据国际电信联盟(ITU)发布的5G愿景,5G将有三大应用场景:eMBBmMTCURLLC,其中mMTC即是对应大规模物联网业务,同时我们认为5G将会逐渐促进IOT通讯协议的标准化统一,将降低企业布局分散IOT市场的难度,物联网有望接力智能手机成为下一代智能硬件的爆发领域。

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全球物联网芯片市场规模未来快速增长

汽车已经成为新型的半导体应用的重要载体,未来汽车电子化趋势和智能化趋势明显。目前汽车电动化渗透率依然相对较低,但汽车的智能化、舒适性和联网性、电动性长期趋势明显 。

电动化:电动汽车电源管理模块更为复杂,根据Gartner统计,纯电动汽车半导体价值量约为719美元,其中功率半导体占比55%。功率半导体包括高性能分立器件以及电源管理IC模块,全球电源管理IC约占功率半导体市场的50%以上,汽车电动化趋势有望拉动模拟电源管理IC的快速成长。

智能化:自动驾驶汽车会使用越来越多的雷达电路解决摄像头无法在弱光、反光正常工作的缺陷,越来越被自动汽车厂商接受。在ADAS四级中雷达电路成本占比25%,约138美元每车。

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汽车七大半导体应用场景和需求

根据麦肯锡预测,2020年模拟IC产品约占汽车半导体的29%,市场规模约为114.3亿美元。根据市场调研机构Gartner测算,2018年全球汽车半导体市场约400亿美元,并呈现快速增长趋势。我们看好汽车作为接替手机终端成为下一代重要电子终端的潜质,半导体和电子产品将会持续变革和渗透汽车市场,汽车电动化和智能化两大趋势确定性明显。国内新能源汽车和自动驾驶起步较早,相关布局企业逐渐增多,有望带动国内上游汽车半导体产业实现快速发展。

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模拟IC在汽车领域市场规模

二、上游供给:短期上游量能充沛,模拟 IC 放量无忧

从上游供给的角度来看,集成电路上游原材料主要为晶圆材料,晶圆有6寸、8寸、12寸之分。由于模拟IC偏好成熟制程,制程成本较低,目前晶圆供给主要使用8寸晶圆,根据SEMI数据,若统计代工产能,模拟类产能约占整体产能的11%左右,将代工产能进行折算,模拟类产品约占22%左右产能。

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模拟类产品8寸晶圆产能占比

IDM企业向Fablite转型,资本开支放缓,全球8寸产能趋于稳定。据SEMI统计,全球8寸晶圆产能一般以上为IDM企业拥有,2016年约占比53%2012年后全球主要8IDM厂减少资本开支,部分制程代工交由代工企业(例如:台积电)代工,导致全球8寸产能增速放缓,20168寸晶圆产能为5151k wpm2012-2016年间晶圆产能仅增加2.2%8寸晶圆产能占比趋于稳定约为30%

不同于存储类产品和分立器件产品,模拟类产品产能利用率相比之下依然相对较低。假设模拟类产能完全释放,可以实现1355k wpm的产能供给,若2017-2022年模拟产品年复合增长6.6%,产能充沛到2019年末期。

2020年前国内模拟双线有望投入生产,产能继续提振。国内8寸晶圆厂建设仍在继续,从建设到竣工一般需要两年时间,因此1819年将会迎来国内8寸晶圆代工厂的投产的小高峰。其中国大陆新增8寸产线均以模拟类产品为主,中芯国际天津8寸厂-T2/T3预计每月产能15万片,主要用于指纹识别、电源管理芯片以及图像传感器的生产。德科码南京8寸厂1厂月产能4万片,其中50%用于模拟类产品代工。大连宇宙大连8寸厂和燕东北京8寸厂主要从事功率半导体生产,月产能分别为2万和5万片。因此凭借芯国际天津8寸线(T2/T3)以及德科码南京8寸厂的全面投产,将带来每月不低于9.5万片的模拟芯片产能,预计2020年晶圆供给依然处于充沛状态。

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▲ 国内8寸晶圆厂动工时间、产能及投资金额(亿元)

三、供需东移,国内模拟 IC 产业成长迎来黄金时代

半导体贸易逆差依然不断拉大,国内集成电路需求旺盛。集成电路产业是国民经济和社会发展的战略性、基础性产业,是中国信息技术发展和工业转型的重要动力。根据IC insights统计,2017年中国大陆集成电路产业需求量达到351亿美元 ,占全球市场规模的44.8%,从2013年中国大陆进口集成电路价值首次超2000亿美元且在2017年创下新高约为2601亿美元,贸易赤字1932亿美元。

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中国大陆为全球IC需求最大的地区

低自给率状况依然存在,预计模拟IC 2020年替代空间为273亿美元。目前国内集成电路自给率2015年不到13%,距离2020年实现40%的目标依然具备较大差距,IC insights预测中国大陆2020年集成电路自给率有望达到20.9%。国内模拟集成电路2017年自给率不到10%,如果按照HIS预测,国内模拟IC 2020年市场规模有望达到33亿美元,若完全实现自给,替代空间大约为273亿美元。

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国内模拟IC自给率依然相对较低

长期低自给率和庞大贸易逆差倒逼政策密集出台。2015年推出3个国家级政策,其中《中国制造2025》明确提出目标:在2020年集成IC设计自制率达到40%2025年达到70%。预计未来集成电路相关扶持政策依然将会持续出台,政策助力下带动行业配套资源、设施完善,持续带动国内集成电路产业成长。

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国内重要政策梳理

资金介入持续有效,一期种子效应明显,二期募集助力新一轮成长。国家集成电路产业投资基金(简称“大基金”)自20149月成立,一期募集基金1387亿元,同时在大基金带动下各地提出或成立子基金合计总规模超3000亿元。大基金主要投资龙头性企业,不做天使、风险投资性质投资。根据华芯投资官方微信公众号,大基金二期筹备中,将再次对国内集成电路产业起到推动作用。

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集成电路基金分布情况

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大基金投资领域及部分企业

创投角度:欧美新增企业逐渐减少,国内集成电路设计公司快速增长。半导体产业初期购买EDA工具耗资巨大,往往前期几轮投资都投入到EDA设计工具的购买当中,同时产品研发周期时间较长且具有一定失败率,因此半导体行业国外投资热情不高。整体市场新进者较少,市场博弈者依然为原来的老牌半导体公司,市场格局趋于成熟。中国国内情况则相反,创投公司依然认可国内集成电路初创公司的早期投资价值,国内集成电路设计公司数目呈现快速增长的趋势,目前全球新成立的Fabless设计公司主要在中国国内。

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▲ 中国Fabless数目快速增长

目前中国大陆长期为最大的电子系统制造生产地区,下游需求广泛。中国大陆国产各类电子产品市场率已经具备一定规模,国产智能手机四大品牌(HOVM)全球市占率为40%,视频监控行业市占率不低于40%,平板电脑、液晶电视市占率约为35%。国产笔记本电脑市占率不低于25%,长期来看在国产替代化的大趋势背景下,国内集成电路企业有望受益本土化下游的蓬勃发展,同时由于电源管理、信号链路在各类电子产品中基本都会用到,需求广泛,且性能指标要求相对成熟稳定,同国外竞争压力相对较小,有望率先实现快速发展。

智东西认为, 模拟IC产品生命周期可长达10年,下游客户对产品性能要求严格,产品技术通常依靠设计企业的长期摸索和实践积累,需要设计人员具备对器件物理特性理解、拓扑结构的设计技巧以及布图布线的设计能力等综合设计能力,而这也是我国一直以来所欠缺的。而随着目前欧美逐渐失去对全球半导体的统治力,国内政策、资金、人才供给三维共振,同时作为全球最大的电子制造生产地区,国产模拟电路替代空间巨大且具备较高确定性,国内模拟IC产业的春天已经到来。

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