模擬芯片，機會在哪里？

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日前，美國一個博主nutty寫一篇名為《The Future of Analog Circuit Design — Finding Opportunity in a Changing Landscape》的文章。在文章中，他探討了模擬芯片的機會以及模擬芯片。

以下為文章正文：

大約十年前，我在一次博士生研討會上向我的教授提出了一個問題。

我聽說模擬電路設計已經基本不在美國做了，大部分都轉移到了亞洲。這是真的嗎？如果是真的，為什么呢？

他停頓了一下，問我叫什么名字。我覺得這并非因為這個問題展現了他什么獨到的見解。或許只是因為這個問題在課堂上比較少見——大多數學生都不會問這種問題。但現在回想起來，那一刻標志著我長達十年觀察這個領域悄然變革的開始。

十年過去了，模擬電路設計發生了翻天覆地的變化。但這種變化究竟代表“衰落”還是“重組”，則取決于你的視角。在本文中，我想探討一下實際情況，并挖掘其中的機遇。

變革的現實

勞動力結構的轉變

十年過去了，我可以肯定地說，模擬電路設計領域確實已經由亞裔和印度裔工程師主導。這并非我個人的看法。根據美國國家科學基金會 (NSF) 2024 年的報告，美國超過 55% 的博士級工程師是外國出生的，美國大學工程學博士生中超過 60% 是國際學生。STEM OPT 簽證統計數據顯示，印度籍申請人占 48%，中國籍申請人占 20%。

為什么會出現這種情況？最簡單的答案是，年輕的美國工程師正在向高價值領域遷移。數據清晰地說明了這一點。模擬集成電路設計工程師的總薪酬約為 14.5 萬至 22 萬美元。這不算太差，但谷歌的高級軟件工程師年薪 39 萬美元，MetaML 工程師的平均年薪為 45.5 萬美元，而 OpenAI 工程師的年薪中位數更是高達 78 萬美元。當付出同樣的努力和類似的智力才能在其他地方獲得 2 到 4 倍的報酬時，理性的選擇顯而易見。

這種趨勢始于大學。根據信息技術與創新基金會（ITIF）2023年的報告，1997年至2020年間，電氣工程學位僅增長了37.5%，而其他所有領域的學位增長率高達81.1%。計算機科學的趨勢尤為顯著。在剩余的電氣工程學生中，超過一半是國際學生。美國國家科學基金會（NSF）的統計數據顯示，美國公民和永久居民僅占電氣工程博士生的30%。外籍工程師一直在填補這一空缺。

有趣的是，回答我問題的教授并非專注于傳統的模擬電路研究——他的實驗室側重于設計自動化工具，本質上就是軟件。就連學術界也已經轉變了方向。

結構因素

這種變化并非僅僅出于人氣，背后還有結構性原因。

首先，模擬電路在芯片中的相對重要性已經降低。隨著制程節點的縮小，數字電路的密度呈爆炸式增長?，F代SoC中模擬模塊所占的面積和功耗都在不斷降低。即使將模擬模塊的功耗或面積降低50%，對整個芯片的影響通常也微乎其微。這意味著：模擬電路的“穩定性”比模擬電路的“創新性”更為重要。目前普遍的理念是，只要避免模擬電路導致芯片重新設計就足夠了。

其次，模擬電路不像數字電路那樣能從工藝微縮中獲益。對于數字電路而言，更小的晶體管意味著更快的速度和更低的功耗。摩爾定律功不可沒。但模擬電路卻截然不同。在先進的工藝節點上，噪聲、失配和電壓裕量問題會更加嚴重。晶體管的固有增益下降，電源電壓降低，而變異性則會增加。要達到相同的性能，需要付出更多努力——這本身就是一個悖論。

第三，模擬電路設計本質上是勞動密集型的。在軟件領域，一位杰出的工程師可以完成十位普通工程師的工作量。代碼可以復制、模塊化和復用。模擬電路則截然不同。每個電路都必須針對特定的工藝、溫度和電壓條件進行優化。據 Synopsys 公司稱，模擬電路設計周期平均比數字電路慢 2-3 倍。這不是工具的問題，而是根本性的問題。佐治亞理工學院的分析表明，在一個 10% 模擬電路和 90% 數字電路的芯片中，這 10% 的模擬電路可能會消耗 90% 的總設計時間。在這種結構下，一位效率高得驚人的工程師根本無法生存。

驗證重于創新的時代

這些結構性因素共同改變了模擬電路設計的范式。過去，研究重點在于開發具有更優功耗、性能和面積特性的全新架構。而如今，主流方法是將成熟可靠的IP有效地應用于各種應用場景。

硅驗證電路至關重要。無論新架構在仿真中表現多么出色，一旦生產中出現良率問題，成本都將是天文數字。在這種環境下，轉向模擬IP是順理成章的。據IPnest的數據，半導體IP市場規模在2024年達到85億美元，同比增長20%。模擬和混合信號IP預計將以每年超過15%的速度增長。

但說實話，數字級IP標準化還遙遙無期。模擬電路對工藝、溫度和電壓的變化非常敏感，而且與周圍電路的交互也十分復雜。即使是“硅驗證”的IP，在針對不同環境進行修改后，其有效性也往往會喪失。方向是對的，但要完全實現還需要時間。

仍在擴張的領域

讀到這里，你可能會認為模擬電路即將消亡。但這只是故事的一半。真正失去市場份額的是通用模擬電路，而不是整個模擬電路市場。據《財富商業洞察》報道，2024年模擬集成電路市場規模約為760億美元，預計到2032年將超過1240億美元。推動市場增長的并非通用模塊，而是專業應用。

高速接口

串行器/解串器 (SerDes) 是模擬電路領域最具活力的分支。數據中心互連、人工智能加速器鏈路、高速網絡——SerDes 都是各處的瓶頸。預計該市場規模將從 2024 年的約 7.5 億至 8.5 億美元增長到 2032 年的 24 億美元，年復合增長率 (CAGR) 為 13% 至 14%。

112G PAM4 目前是主流，向 224G 的過渡正在進行中。這一領域對技術規格要求極高：56GHz 頻率下的信號完整性、低于 50 飛秒的抖動以及對 45dB 以上信道損耗的補償。現成的 IP 無法滿足這些要求。

由于物理極限性能無法作為通用商品購買，Marvell、Broadcom、Credo 和 Alphawave 等公司維持著高價策略。數字輔助模擬（基于 ADC 的接收器、DSP 均衡）正成為核心技術，模擬和數字的界限也開始模糊。高速接口與人工智能基礎設施的擴展息息相關。對數據傳輸速度的需求將持續增長，而能夠突破物理極限的設計專長仍然稀缺。

汽車半導體

電動汽車轉型和自動駕駛技術正推動汽車半導體市場爆發式增長。電池管理系統 (BMS) 集成電路是核心模擬電路，用于監測電池的電壓、溫度和荷電狀態。據 Global Market Insights 預測，汽車 BMS 市場規模預計將從 2025 年的 49 億美元增長到 2035 年的 260 億美元，復合年增長率超過 18%。柵極驅動器集成電路市場規模也相當可觀，2024 年達到 16 億美元，其中汽車領域占比 14 億美元，并保持穩步增長。隨著自動駕駛水平的提高，對激光雷達、雷達和超聲波傳感器等模擬前端的需求也在不斷增長。

汽車半導體行業的獨特之處在于其極高的準入門檻。企業必須滿足AEC-Q100認證（工作溫度范圍為-40°C至+150°C）和ISO 26262功能安全標準（ASIL等級）。開發周期延長18個月以上，成本增加30%至50%。這使得英飛凌、恩智浦、德州儀器、安森美半導體和意法半導體等現有企業占據優勢。但高門檻也是一把雙刃劍——一旦進入市場，就很難被取代。

圖像傳感器

CMOS圖像傳感器（CIS）是模擬技術與數字技術完美融合的典范。智能手機攝像頭、自動駕駛汽車視覺傳感器、醫療成像、安防攝像頭——圖像傳感器的應用范圍不斷擴大。據Yole Group預測，2024年CIS市場規模為232億美元，預計到2030年將超過300億美元。索尼占據市場主導地位，市場份額約為50%，三星緊隨其后，約為15%。

該領域的核心是像素級模擬電路。它在每個像素點將光信號轉換為電信號，最大限度地降低噪聲，并實現高速讀取。堆疊結構、背照式照明和全局快門等技術不斷進步。除了簡單的“拍照”之外，該領域正在向3D傳感、飛行時間（ToF）和事件相機等領域發展。隨著AR/VR設備、自動駕駛汽車和機器人視覺等領域新應用的涌現，專業的傳感器設計知識變得越來越重要。

功率半導體

功率半導體是模擬電路的另一大增長支柱。電動汽車充電、數據中心電源管理、可再生能源轉換、智能電網——各領域對電源轉換效率的需求都在不斷增長。據Yole Group預測，電力電子市場規模將從2024年的262億美元增長到2030年的433億美元，年復合增長率達8.7%。

尤其值得關注的是氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 等寬帶隙材料。它們能夠實現超越硅材料的效率和功率密度。據 Yole Group 預測，到 2030 年，GaN 市場預計將以 42% 的復合年增長率 (CAGR) 實現爆炸式增長，而 SiC 市場規模到 2030 年將超過 110 億美元。

2023 年，28% 的純電動汽車 (BEV) 逆變器采用 SiC，預計到 2027 年這一比例將超過 50%。隨著能效法規的日益嚴格和電池供電設備的普及，提高功率效率的價值也在不斷增長。基于 GaN/SiC 的設計是一個相對較新的領域，目前經驗豐富的專業人才短缺。

傳感及其他專業領域

傳感器接口和精密測量也是重要的模擬領域。生物傳感器（血糖、心電圖、血氧飽和度）、環境傳感器（溫度、濕度、空氣質量、氣體檢測）、工業傳感器（振動、壓力、流量、位置）——物聯網設備的爆炸式增長和醫療保健數字化持續推動著傳感器需求。超低功耗、高精度和高信噪比是必需的，而且通常在特殊的運行環境中使用，這需要采用與通用設計不同的方法。

航天和國防半導體市場規模雖小但十分穩定。2024年，抗輻射加固半導體市場規模約為16億至18億美元，年增長率約為5%。SpaceX的星鏈計劃以及類似的大規模衛星星座部署正在推動航天組件的需求。由于需要進行極端環境認證、研發周期長且供應商有限，該細分市場的價格溢價高達其他產品的10至100倍。盡管市場規模較小，但利潤率高且穩定。

職業前景

生產與研發

即使在“模擬電路設計”領域內，工作性質也會因你是在生產機構還是在研究機構而完全不同。

生產團隊注重運用統計方法分析缺陷和提高良率。蒙特卡羅分析、角點模擬、失效機制分析——他們投入大量時間研究現有設計失效的原因，而不是創建新設計。你需要苦苦思索諸如“為什么這個電路只在某些晶圓上失效？”或“為什么在-40°C時裕量會縮小？”之類的問題。研發團隊則探索新的架構和方法。閱讀論文、提出想法、進行模擬、流片。一個項目可能要投入數月甚至數年的時間。在這種環境下，即使是失敗也能讓你有所收獲。

兩者并無絕對優劣之分。它們各自培養的是不同的專業技能。無論你走到哪里，生產經驗都是一筆寶貴的財富。擁有制造真正有效產品、解決良率問題的經驗——這是無可替代的。在面試中，如果你能說“我們遇到了這個生產問題，我是這樣解決的”，這將是一項極具說服力的資歷。隨著資歷的增長，這種價值也會增加；那些只從事研究的人并不了解生產的實際情況。另一方面，研究能力在最困難的時刻顯得尤為重要。面對前所未有的難題，能夠從根本原理出發進行思考的能力至關重要。能夠閱讀論文并應用新思路的能力也同樣重要。這些能力僅靠生產經驗是無法獲得的。當公司進入新領域或遇到現有方法無法滿足的規范時，具備研究能力的人就能脫穎而出。

通用型與專用型

正如我們所見，模擬電路市場正在分化為通用模塊的商品化和專業領域的高端化。通用模擬電路（標準運算放大器、低壓差線性穩壓器、通用模數轉換器/數模轉換器）的知識產權化程度越來越高，價格競爭也日益激烈。中國企業正在迅速占領這一市場。在這個市場競爭中，成本效益是核心競爭力，單憑設計能力不足以脫穎而出。與此同時，高速接口、汽車電路、圖像傳感器、電源和傳感等專業領域仍然需要深厚的專業知識，存在準入門檻，并且需要保持利潤空間。

為了保持長期價值，似乎更重要的是在特定領域建立專業知識，而不僅僅是“能夠設計模擬電路”?！拔沂且幻M工程師”比“我是高速串行器/解串器專家”或“我從事汽車電池管理系統設計已有10年”更不容易被取代。

不變的事

技術和市場瞬息萬變，但有些東西卻始終不變。晶體管工作原理、反饋理論、噪聲分析和穩定性分析等基本原理，無論你進入哪個領域都適用。流行的工具和流程會不斷變化，但電路的本質卻始終如一。工程師的本質是解決問題。當仿真和測量結果不一致時，找到根本原因；在滿足規格要求的前提下，找到切實可行的解決方案——這些能力只能通過經驗積累。僅僅具備設計技能是不夠的。從市場營銷部門了解客戶需求，與布局工程師協作，與測試團隊協調規格，向高管解釋技術上的權衡取舍——隨著資歷的提升，這些能力變得愈發重要。

解讀變革中的機遇

讓我們回到起點。

模擬電路設計的“變革”顯而易見。通用模塊正在商品化，純粹的模擬電路研究已不復往昔，美國國內的模擬電路人才儲備也日漸萎縮。但僅僅將其視為“衰落”則是一種片面的看法。

整體模擬半導體市場仍在增長。高速接口、汽車、圖像傳感器、電源、傳感等領域比以往任何時候都更加活躍。人工智能、電動汽車、物聯網和自動駕駛等大趨勢正在創造對模擬半導體的新需求。在勞動力方面，美國半導體行業協會 (SIA) 和牛津經濟研究院預測，到 2030 年，美國將面臨超過 67,000 名半導體工人的缺口。麥肯錫的分析表明，這一缺口可能在 59,000 到 146,000 之間。需求旺盛，但供應不足。擁有真正專業知識的人才仍然至關重要。

最終重要的是你的定位。你是會在商品化的通用領域以成本優勢取勝，還是會在專業領域打造不可替代的專長？你是會培養生產的實用性，還是會追求研究的創造力？這些選擇最終會塑造你的職業生涯。

十年前我提出這個問題時，只是好奇這個領域未來的發展方向。十年后，我已經能看出大致輪廓。變革既是危機也是機遇。模擬電路不會消失。只要它們仍然是連接物理世界和數字世界的橋梁，就需要有人從事這項工作。但它的形式會不斷變化。對于那些能夠洞察變化并適應的人來說，機遇將始終存在。

*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯系半導體行業觀察。

今天是《半導體行業觀察》為您分享的第4324期內容，歡迎關注。

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