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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(shè)計已經(jīng)基本不在美國做了，大部分都轉(zhuǎn)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(xiàn)了他什么獨到的見解?；蛟S只是因為這個問題在課堂上比較少見——大多數(shù)學生都不會問這種問題。但現(xiàn)在回想起來，那一刻標志著我長達十年觀察這個領(lǐng)域悄然變革的開始。

十年過去了，模擬電路設(shè)計發(fā)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(xiàn)實

勞動力結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變

十年過去了，我可以肯定地說，模擬電路設(shè)計領(lǐng)域確實已經(jīng)由亞裔和印度裔工程師主導。這并非我個人的看法。根據(jù)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(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，印度籍申請人占 48%，中國籍申請人占 20%。

為什么會出現(xiàn)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(lǐng)域遷移。數(shù)據(jù)清晰地說明了這一點。模擬集成電路設(shè)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(shù)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(jù)信息技術(shù)與創(chuàng)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(lǐng)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(tǒng)計數(shù)據(jù)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(tǒng)的模擬電路研究——他的實驗室側(cè)重于設(shè)計自動化工具，本質(zhì)上就是軟件。就連學術(shù)界也已經(jīng)轉(zhuǎn)變了方向。

結(jié)構(gòu)因素

這種變化并非僅僅出于人氣，背后還有結(jié)構(gòu)性原因。

首先，模擬電路在芯片中的相對重要性已經(jīng)降低。隨著制程節(jié)點的縮小，數(shù)字電路的密度呈爆炸式增長?，F(xiàn)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(wěn)定性”比模擬電路的“創(chuàng)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(shè)計就足夠了。

其次，模擬電路不像數(shù)字電路那樣能從工藝微縮中獲益。對于數(shù)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(jié)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(shè)計本質(zhì)上是勞動密集型的。在軟件領(lǐng)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(yōu)化。據(jù) Synopsys 公司稱，模擬電路設(shè)計周期平均比數(shù)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(shù)字電路的芯片中，這 10% 的模擬電路可能會消耗 90% 的總設(shè)計時間。在這種結(jié)構(gòu)下，一位效率高得驚人的工程師根本無法生存。

驗證重于創(chuàng)新的時代

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

硅驗證電路至關(guān)重要。無論新架構(gòu)在仿真中表現(xiàn)多么出色，一旦生產(chǎn)中出現(xiàn)良率問題，成本都將是天文數(shù)字。在這種環(huán)境下，轉(zhuǎn)向模擬IP是順理成章的。據(jù)IPnest的數(shù)據(jù)，半導體IP市場規(guī)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(shù)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(huán)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(xiàn)還需要時間。

仍在擴張的領(lǐng)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(jù)《財富商業(yè)洞察》報道，2024年模擬集成電路市場規(guī)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(yè)應(yīng)用。

高速接口

串行器/解串器 (SerDes) 是模擬電路領(lǐng)域最具活力的分支。數(shù)據(jù)中心互連、人工智能加速器鏈路、高速網(wǎng)絡(luò)——SerDes 都是各處的瓶頸。預計該市場規(guī)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(lǐng)域?qū)夹g(shù)規(guī)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?，F(xiàn)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(shù)字輔助模擬（基于 ADC 的接收器、DSP 均衡）正成為核心技術(shù)，模擬和數(shù)字的界限也開始模糊。高速接口與人工智能基礎(chǔ)設(shè)施的擴展息息相關(guān)。對數(shù)據(jù)傳輸速度的需求將持續(xù)增長，而能夠突破物理極限的設(shè)計專長仍然稀缺。

汽車半導體

電動汽車轉(zhuǎn)型和自動駕駛技術(shù)正推動汽車半導體市場爆發(fā)式增長。電池管理系統(tǒng) (BMS) 集成電路是核心模擬電路，用于監(jiān)測電池的電壓、溫度和荷電狀態(tài)。據(jù) Global Market Insights 預測，汽車 BMS 市場規(guī)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(qū)動器集成電路市場規(guī)模也相當可觀，2024 年達到 16 億美元，其中汽車領(lǐng)域占比 14 億美元，并保持穩(wěn)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(yè)的獨特之處在于其極高的準入門檻。企業(yè)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(fā)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(xiàn)有企業(yè)占據(jù)優(yōu)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(shù)與數(shù)字技術(shù)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(yī)療成像、安防攝像頭——圖像傳感器的應(yīng)用范圍不斷擴大。據(jù)Yole Group預測，2024年CIS市場規(guī)模為232億美元，預計到2030年將超過300億美元。索尼占據(jù)市場主導地位，市場份額約為50%，三星緊隨其后，約為15%。

該領(lǐng)域的核心是像素級模擬電路。它在每個像素點將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，最大限度地降低噪聲，并實現(xiàn)高速讀取。堆疊結(jié)構(gòu)、背照式照明和全局快門等技術(shù)不斷進步。除了簡單的“拍照”之外，該領(lǐng)域正在向3D傳感、飛行時間（ToF）和事件相機等領(lǐng)域發(fā)展。隨著AR/VR設(shè)備、自動駕駛汽車和機器人視覺等領(lǐng)域新應(yīng)用的涌現(xiàn)，專業(yè)的傳感器設(shè)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(shù)據(jù)中心電源管理、可再生能源轉(zhuǎn)換、智能電網(wǎng)——各領(lǐng)域?qū)﹄娫崔D(zhuǎn)換效率的需求都在不斷增長。據(jù)Yole Group預測，電力電子市場規(guī)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(guān)注的是氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 等寬帶隙材料。它們能夠?qū)崿F(xiàn)超越硅材料的效率和功率密度。據(jù) 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(xiàn)爆炸式增長，而 SiC 市場規(guī)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(guī)的日益嚴格和電池供電設(shè)備的普及，提高功率效率的價值也在不斷增長?；?GaN/SiC 的設(shè)計是一個相對較新的領(lǐng)域，目前經(jīng)驗豐富的專業(yè)人才短缺。

傳感及其他專業(yè)領(lǐng)域

傳感器接口和精密測量也是重要的模擬領(lǐng)域。生物傳感器（血糖、心電圖、血氧飽和度）、環(huán)境傳感器（溫度、濕度、空氣質(zhì)量、氣體檢測）、工業(yè)傳感器（振動、壓力、流量、位置）——物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的爆炸式增長和醫(yī)療保健數(shù)字化持續(xù)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(huán)境中使用，這需要采用與通用設(shè)計不同的方法。

航天和國防半導體市場規(guī)模雖小但十分穩(wěn)定。2024年，抗輻射加固半導體市場規(guī)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(guī)模衛(wèi)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(huán)境認證、研發(fā)周期長且供應(yīng)商有限，該細分市場的價格溢價高達其他產(chǎn)品的10至100倍。盡管市場規(guī)模較小，但利潤率高且穩(wěn)定。

職業(yè)前景

生產(chǎn)與研發(fā)

即使在“模擬電路設(shè)計”領(lǐng)域內(nèi)，工作性質(zhì)也會因你是在生產(chǎn)機構(gòu)還是在研究機構(gòu)而完全不同。

生產(chǎn)團隊注重運用統(tǒng)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(xiàn)有設(shè)計失效的原因，而不是創(chuàng)建新設(shè)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??？”之類的問題。研發(fā)團隊則探索新的架構(gòu)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(shù)月甚至數(shù)年的時間。在這種環(huán)境下，即使是失敗也能讓你有所收獲。

兩者并無絕對優(yōu)劣之分。它們各自培養(yǎng)的是不同的專業(yè)技能。無論你走到哪里，生產(chǎn)經(jīng)驗都是一筆寶貴的財富。擁有制造真正有效產(chǎn)品、解決良率問題的經(jīng)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(chǎn)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(chǎn)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(fā)進行思考的能力至關(guān)重要。能夠閱讀論文并應(yīng)用新思路的能力也同樣重要。這些能力僅靠生產(chǎn)經(jīng)驗是無法獲得的。當公司進入新領(lǐng)域或遇到現(xiàn)有方法無法滿足的規(guī)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(yè)領(lǐng)域的高端化。通用模擬電路（標準運算放大器、低壓差線性穩(wěn)壓器、通用模數(shù)轉(zhuǎn)換器/數(shù)模轉(zhuǎn)換器）的知識產(chǎn)權(quán)化程度越來越高，價格競爭也日益激烈。中國企業(yè)正在迅速占領(lǐng)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(shè)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(yè)領(lǐng)域仍然需要深厚的專業(yè)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(lǐng)域建立專業(yè)知識，而不僅僅是“能夠設(shè)計模擬電路”。“我是一名模擬工程師”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(tǒng)設(shè)計已有10年”更不容易被取代。

不變的事

技術(shù)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(wěn)定性分析等基本原理，無論你進入哪個領(lǐng)域都適用。流行的工具和流程會不斷變化，但電路的本質(zhì)卻始終如一。工程師的本質(zhì)是解決問題。當仿真和測量結(jié)果不一致時，找到根本原因；在滿足規(guī)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(jīng)驗積累。僅僅具備設(shè)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(xié)作，與測試團隊協(xié)調(diào)規(guī)格，向高管解釋技術(shù)上的權(quán)衡取舍——隨著資歷的提升，這些能力變得愈發(fā)重要。

解讀變革中的機遇

讓我們回到起點。

模擬電路設(shè)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(nèi)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(lǐng)域比以往任何時候都更加活躍。人工智能、電動汽車、物聯(lián)網(wǎng)和自動駕駛等大趨勢正在創(chuàng)造對模擬半導體的新需求。在勞動力方面，美國半導體行業(yè)協(xié)會 (SIA) 和牛津經(jīng)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(yīng)不足。擁有真正專業(yè)知識的人才仍然至關(guān)重要。

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

十年前我提出這個問題時，只是好奇這個領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。十年后，我已經(jīng)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?nèi)匀皇沁B接物理世界和數(shù)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(yīng)的人來說，機遇將始終存在。

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

今天是《半導體行業(yè)觀察》為您分享的第4324期內(nèi)容，歡迎關(guān)注。

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