个人关于芯片的学习总结——模拟芯片篇

最近关于芯片特别是逻辑芯片的讨论比较多，自己平时从事研究工作，从今天起开始整理下半导体行业的资料，具体分为CPU、GPU、MCU、功率半导体等几篇，本文是第一篇关于逻辑芯片的第四篇。下面直接进入正题吧。

模拟芯片 行业简介

模拟芯片负责处理连续的模拟信号。半导体市场主要包括集成电路（即芯片）、分立器件、光电子器件、传感器等四大类产品，其中集成电路市场占比最大。集成电路按其功能通常可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类。模拟集成电路主要是指在现实世界与物理世界之间，由电容、电阻、晶体管等组成的模拟电路集成在一起，用来产生、放大和处理连续函数形式的模拟信号（如声音、光线、温度等）。

半导体行业分类（单位：1）

按定制化程度，模拟芯片可分为通用模拟芯片和专用模拟芯片。通用型模拟芯片，也叫标准型模拟芯片，属于标准化产品，适用于多类电子系统，其设计性能参数不会特定适配于某类应用，可用于不同产品中。专用型模拟芯片根据专用的应用场景进行设计，一般集成了数字和模拟IC，复杂度和集成程度更高，有的时候也叫混合信号IC。根据ICInsights数据，2022年全球通用模拟芯片和专用模拟芯片占比分别为40%和60%。

2022年全球通用模拟芯片和专用模拟芯片市场规模占比（单位：%）

按产品类型分类：模拟芯片市场主要包含信号链、电源管理芯片两大类。其中，电源管理芯片主要是指管理电池与电能的电路，包括充电管理芯片、转换器产品、充电保护芯片、无线充电芯片、驱动芯片等；信号链芯片主要是指用于处理信号的电路，包括线性产品、转换器产品、接口产品等。

模拟芯片主要产品种类及功能介绍（单位：1） 市场规模

因其使用周期长的特性，模拟芯片市场增速表现与数字芯片略有不同，整体波动相对较小。根据ICInsights数据，2021年全球模拟芯片市场规模创下741亿美元的历史新高，同比增长速度达30%，初步估计的2022年市场规模将达到832亿美元，同比增长12%。

中国模拟芯片市场举足轻重，占全球比例超50%。据咨询机构数据，2022年中国模拟芯片市场规模达到2956亿元。基于传统3C类需求稳定+汽车、工业类不断创造增量需求，我们预计中长期，行业有望保持5%—10%的复合增速，到2025年，该领域市场规模接近3500亿元。

全球模拟芯片市场规模（单位：亿美元、%） 中国模拟芯片市场规模（单位：亿元、%）

下游分布：模拟IC的下游应用场景包括通信、工业控制、汽车电子、消费类和政府军事等用途，其中最大的下游应用是通信类市场，典型产品包括基站信号链、手机射频IC等等；同时，受益于汽车电动化和智能化，汽车电子已经成为下游第二大应用场景，而且成长速度较快。

2016—2020年模拟芯片下游市场规模占比（单位：%） 竞争格局

欧美日厂商经过多年发展，凭借资金、技术、客户资源、品牌等方面的积累，形成了巨大的领先优势。目前，模拟集成电路市场显示出外资垄断的竞争格局，以德州仪器、ADI为首的前十大国外巨头占据全球69%的市场份额。

其中，排名第一的是TI（德州仪器）市占率为19%，ADI位居第二，市占率为12.7%。此外，英飞凌、ST、Qorvo、NXP等也均取得5%以上的市场份额。

集中度：五年间，CR5和CR10市场份额各提升了近10%，市场集中度有所提升。

全球模拟芯片厂商市占率（单位：%）

虽然中国是模拟芯片第一大市场，但自给率仍然较低。我国十四五规划要求中国芯片自给率要在2025年达到70%。但从目前行业发展现状来看，国产芯片仍不足以完全满足需求。数据上，2021年中国模拟芯片的自给率只有12%左右。

中国模拟芯片2017—2021年自给率（单位：%）

目前国内大多数模拟芯片厂商都以电源管理芯片为主，而专注于信号链器件的公司还不多。这主要是由于微弱信号、高频信号处理技术门槛高，国内在信号链产品进口替代尚处于起步阶段。收入体量上，与德州仪器比较，国内模拟芯片前十企业营收与之相差较大（2021年德州仪器营业总额为1247亿元（美元兑人民币汇率取6.8））。具体企业：

在电源管理领域：以圣邦股份为龙头，思瑞浦、艾为电子、上海贝岭、富满微、晶丰明源、芯朋微、明微电子、力芯微、芯海科技、必易微、臻镭科技、希荻微、英集芯、杰华特（刚上市）等。

在信号链领域：以思瑞浦为龙头，圣邦股份、帝奥微、艾为电子、上海贝岭、纳芯微、芯海科技、杰华特（刚上市）等。

中国模拟芯片厂商情况（单位：亿元、%） 国内模拟芯片厂家在电源管理和信号链的布局（单位：1）

盈利能力方面：模拟芯片公司的毛利率水平均较高，这主要归因于产品特征及商业模式。德州仪器和亚德诺半导体作为模拟芯片的两大龙头，2021年毛利率均超过60%，而国内模拟厂商的2021年毛利率也在50%左右，均维持在较高水平。主要原因有：第一，产品技术相对稳定，迭代速度较慢，单个产品的生命周期可达5年以上；第二，成本效率不断提升，具体方式是将6英寸和8英寸的晶圆向12英寸转变。

美股半导体巨头毛利率对比（2021年）（单位：%） A股半导体龙头毛利率对比（2021年）（单位：%） 行业机遇

（1）汽车将是模拟芯片行业重要的增量来源。

汽车的结构可分为动力总成、车身电子和照明、人机交互和自动驾驶几个主要组成部分，在各个部分中模拟芯片均有广泛的应用。动力总成是指汽车上产生动力并将动力传递到路面的一系列零部件所组成的系统。传统燃油车的动力系统中，模拟芯片可用于发电机的启动、汽车电池组的管理、发动机燃油喷射电磁阀的控制等。车身电子和照明系统包括车身部件的控制模块、汽车安全、汽车网关以及车内外灯具的控制，主要应用了模拟芯片中的驱动类芯片、电平转换芯片以及射频芯片等。人机交互和自动驾驶指座舱域中与用户进行交互的仪表显示、多媒体设备及驾驶辅助系统等，主要应用到放大器和各种驱动芯片。

汽车模拟芯片梳理（单位：1）

量：随着电动化、智能化为汽车领域的持续推进，将为车载模拟芯片持续带来增量。据中国汽车工业协会数据显示，每辆传统内燃机汽车需要500—600颗芯片，而到新能源车上，单车芯片用量升至1000—2000颗。

价：汽车智能化对模拟芯片功能要求的提高，也会使得芯片单价得以提升。

电动智能化趋势带来显著增量（单位：1）

（2）手机功能升级从多个层面驱动手机市场需求。

智能手机中按照功能划分，模拟芯片主要用于DC/DC电源、输入电源保护、音频/震动、I/O连接等功能区域。近年来5G等通信技术升级直接导致移动终端从基带芯片到整个射频电路进行重新设计，复杂度提升的同时，也需要增加射频开关、滤波器、放大器的数量以满足对不同频段信号接收、滤除、放大、发射的需求。

4G-5G手机射频前端器件数量变化趋势（单位：个/颗）

同时，智能手机功能复杂度不断提升，导致手机各功能模块对移动终端电源管理芯片的性能（噪声水平和功耗等）和数量提出了要求。如：近年来以OPPO为代表的消费电子厂商在手机快充技术上不断革新，更高的充电功率带来了电池管理芯片的量价齐升。

目前大量应用于手机快充的4:1电荷泵芯片单颗可实现60W的充电功率，两颗并联可实现120W快充，其价格远高于应用在50W充电量级的2:1电荷泵芯片。同时，伴随高功率充电产生的机身发热、充电安全等问题也使得各种电池监测芯片和安全保护芯片的需求增加。

手机快充升级等趋势助推电源管理芯片需求（单位：1）

（3）供应链失衡带来的国产替代空间。

过去国产高端模拟芯片（主要指车规级芯片）突破较慢的主要原因是：1.工艺严苛，研发周期长，投资风险高；2.芯片认证难度高且周期长，不确定性大；3.全球整车等供应链长期由外资把控，国产供应商切入困难。

但2022年4季度起，全球车规半导体持续处于供不应求的状态，难以满足市场需求，造成芯片价格和货期较之前都有明显的升高。这就给了国内模拟企业宝贵的时间窗口，同时国内下游造车新势力的崛起，也在加速车规级产品的国产替代进程。

模拟芯片价格和货期变化（单位：1） 行业壁垒

高端人才与经验壁垒。模拟集成电路设计主要是通过有经验的设计人员进行晶体管级的电路设计和相应的版图设计与仿真，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。而数字集成电路设计大部分是通过使用硬件描述语言以基本逻辑门电路为单位在EDA软件的协助下自动综合产生，布图布线也是借助EDA软件自动生成。与数字集成电路相比，模拟芯片设计自动化程度低，加上辅助设计工具少、测试周期长等原因，模拟电路设计更依赖于人工设计，对工程师的经验要求也更高，培养一名优秀的模拟集成电路设计师往往需要10年甚至更长的时间。

写给小白的芯片半导体科普

我们在日常工作和生活中，经常会使用到各种各样的电子或电器产品，例如电脑、手机、电视、冰箱、洗衣机等。

这些产品，如果我们把它拆开，都会看到类似下面这样的一块绿色板子。

有时候是蓝色或黑色的

大家都知道，这个绿色板子，叫做电路板。更官方一点的名称，叫印制电路板，也就是PCB（Printed Circuit Board，国外有时候也叫PWB，Printed Wire Board）。

在PCB上，焊接了很多的电子元器件，例如电容、电阻、电感等。

我们还可以看到，有一些黑色的方形元件。

没错，这个元件，很可能就是一块芯片（英文名叫做chip）。

█ 芯片的定义

芯片，其实是一个比较笼统的叫法。

对于电子设备来说，它藏在内部，又非常重要，相当于汽车的发动机、人的心脏，所以叫“芯”。从形态来看，它是一片一片的，所以叫“片”。合起来，就是“芯片”。

通常来说，芯片就是集成电路（integrated circuit）。两者之间可以划等号，互相换用。

集成电路是比较容易定义的。通过特定技术，将晶体管、电阻、电容、二极管等电子元件集成在单一基板上，形成一种微型电路，就叫集成电路。

如果这个基板，采用的是半导体材料（例如硅），或者说，集成电路由半导体材料晶圆制造而来，就属于半导体集成电路。

我们传统意义上说的集成电路，基本上都是指半导体集成电路。所有，有时候半导体、芯片、集成电路三个词，也经常混用。

如果细抠的话，芯片和集成电路也还是有一些区别的。

部分行业观点认为：

集成电路是电路，是基础单元，主要强调实现某一功能，例如某一逻辑运算。在电路设计等场景，会更多用到这个叫法。

而芯片，是一个更宏观、更产品化的概念。经过设计、制造、封装和测试后，形成的可直接使用的产品形态，被认为是芯片。在强调用途的时候，人们会更多采用“芯片”的叫法，例如CPU芯片、AI芯片、基带芯片等。

也有人将芯片定义为：“包含了一个或多个集成电路的、能够实现某种特定功能的通用半导体元件产品”。或者说，芯片是半导体元件产品的统称。

相比之下，半导体和集成电路的区别，更清晰一些：

半导体包括：集成电路+分立器件+光电子器件+传感器。

集成电路和另外三个的主要区别，在于集成度。集成电路的晶体管数量，远远大于分立器件、光电子器件和传感器。另外，衬底材料一般也不一样。

目前，光电子器件，分立器件和传感器的市场规模加在一起，也仅占到全部半导体市场规模的10%左右。

所以，我们可以说：集成电路是半导体的最重要组成部分。

█ 芯片的分类

芯片是一套实现特定功能的电路。它具有模块化的特点，可以方便厂商快速地进行产品设计和研发，降低开发难度，缩短开发周期。

几十年来，半导体工艺在摩尔定律的指引下飞速发展，芯片的尺寸越来越小，里面容纳的电路越来越多，使得电子产品的体积、成本以及功耗大幅下降。

它不仅改善了我们的生活品质，也引领了信息技术革命，推动了整个人类文明的进步。

有了芯片，才有了手机。

如今，芯片形成了非常广泛的应用，也衍生出了很多类别。

世界半导体贸易统计组织（World Semiconductor Trade Statistics，WSTS）的分类方式较为权威、官方。他们将所有集成电路类别，分为：模拟（Analog）、微型（Micro）、逻辑（Logic）和存储器（Memory）。

非官方层面，分类就比较随意。

按照功能，我们经常将芯片分为：计算芯片、存储芯片、通信芯片、感知芯片、能源芯片、接口芯片。

我们比较熟悉的芯片类型，有以下几种：

按照等级，芯片又可以分为消费级、工业级、汽车级、军工级和航天级等。按照设计理念，还可以分为通用芯片（CPU、GPU等）、专用芯片（AISC）。

我们还可以按照工艺制程来分，例如大家经常听说的28nm、14nm、7nm、5nm。或者，按照半导体材料来分，例如硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）等。这些我们在后面讲芯片制造流程时，都会再介绍。

事实上，现在我们除了电芯片之外，还发展出了光芯片（例如硅光技术），用光来代替电流来传递信号。

站在集成电路的角度，还有很多种分类。

按制作工艺，集成电路可以分为半导体集成电路和膜集成电路（膜集成电路用的是金属和陶瓷等）。膜集成电路又分为厚膜（thick-film）集成电路和薄膜（thin-film）集成电路。

按照电路属性，我们还可以分为数字集成电路、模拟集成电路和混合信号集成电路。

数字集成电路，顾名思义，处理的都是数字信号。它在我们身边出现得最多，例如微处理器（CPU、GPU等）、数字信号处理器（DSP）和微控制器（MCU）等，都是数字集成电路。

模拟集成电路，较多用于传感器、电源芯片、运放等，主要用于模拟信号的放大、滤波、解调、混频等功能。

混合信号集成电路，是模拟和数字电路集成在一个芯片上。大家应该能猜到，模数（ADC）和数模（DAC）转换芯片，就属于这类。

按照芯片上所集成的微电子器件的数量（规模），集成电路可以分为以下几类：

更专业一点，按导电类型，集成电路还可以分为双极型集成电路和单极型集成电路。

双极型集成电路的制作工艺复杂，功耗较大，代表集成电路有TTL、 ECL、HTL、LST-TL、STTL等类型。

单极型集成电路的制作工艺简单，功耗也较低，易于制成大规模集成电路，代表集成电路有CMOS、NMOS、PMOS等。

上面这些名词，后续小枣君在介绍芯片的工作原理时，都会详细解释。

█ 芯片的内部构造

前面我们提到，芯片看上去都是黑色方片状。

有时候，它还会有银色的金属盖板（加强保护，也利于散热）。例如我们的CPU：

CPU盖板

CPU外观

芯片是经过封装（芯片制造流程的一道工序）之后，才变成了这样。

我们把“壳”拿掉，才能真正看到芯片的内部核心。用显微镜放大来看，是这样的：

外围一圈，是引脚（针脚）。细细的线，是引线。中间方形的部分，才是芯片真正的电路。

如果继续放大来看，是这样的：

换成3D效果，是这样的：

没错，都是立体的，有很多很多层，密密麻麻，就像一个超级迷宫，也像一座未来城市。

图上，一根一根的，都是连线。而它们连接的对象，就是晶体管。

芯片中晶体管的数量，通常代表了这个芯片的能力。晶体管越多，电路就越多，功能和算力就更强。现在很多厂商发布芯片，总是会强调芯片里面拥有多少多少晶体管，就是这个意思。

英伟达的H100 GPU，拥有800亿晶体管

芯片有简单的（相对来说），也有复杂的。一些复杂的芯片，还会分为各个不同的功能模块。这些模块共同组成一个系统，就变成了SoC（System on Chip，片上系统，系统级芯片）。

我们的手机主芯片，例如高通骁龙、联发科天玑、华为麒麟，都是典型的SoC芯片。芯片上包括了CPU、GPU、APU、ISP、基带、射频，等等。

那么，问题来了，芯片里面的晶体管，为什么能够完成计算、存储等五花八门的工作？

我们常说的逻辑门、MOSFET、FinFET、PN结，又是啥意思呢？

未完待续……

敬请期待：

《篇2：芯片的工作原理》

《篇3：芯片的制造过程》

鸣谢：本文写作过程得到了北京国际工程咨询有限公司高级经济师兼北京半导体行业协会副秘书长朱晶老师的指导，特此感谢！

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