模拟芯片，机会在哪里？

日前，美国一个博主nutty写一篇名为《The Future of Analog Circuit Design — Finding Opportunity in a Changing Landscape》的文章。在文章中，他探讨了模拟芯片的机会以及模拟芯片。

以下为文章正文：

大约十年前，我在一次博士生研讨会上向我的教授提出了一个问题。

我听说模拟电路设计已经基本不在美国做了，大部分都转移到了亚洲。这是真的吗？如果是真的，为什么呢？

他停顿了一下，问我叫什么名字。我觉得这并非因为这个问题展现了他什么独到的见解。或许只是因为这个问题在课堂上比较少见——大多数学生都不会问这种问题。但现在回想起来，那一刻标志着我长达十年观察这个领域悄然变革的开始。

十年过去了，模拟电路设计发生了翻天覆地的变化。但这种变化究竟代表“衰落”还是“重组”，则取决于你的视角。在本文中，我想探讨一下实际情况，并挖掘其中的机遇。

变革的现实

劳动力结构的转变

十年过去了，我可以肯定地说，模拟电路设计领域确实已经由亚裔和印度裔工程师主导。这并非我个人的看法。根据美国国家科学基金会 (NSF) 2024 年的报告，美国超过 55% 的博士级工程师是外国出生的，美国大学工程学博士生中超过 60% 是国际学生。STEM OPT 签证统计数据显示，印度籍申请人占 48%，中国籍申请人占 20%。

为什么会出现这种情况？最简单的答案是，年轻的美国工程师正在向高价值领域迁移。数据清晰地说明了这一点。模拟集成电路设计工程师的总薪酬约为 14.5 万至 22 万美元。这不算太差，但谷歌的高级软件工程师年薪 39 万美元，MetaML 工程师的平均年薪为 45.5 万美元，而 OpenAI 工程师的年薪中位数更是高达 78 万美元。当付出同样的努力和类似的智力才能在其他地方获得 2 到 4 倍的报酬时，理性的选择显而易见。

这种趋势始于大学。根据信息技术与创新基金会（ITIF）2023年的报告，1997年至2020年间，电气工程学位仅增长了37.5%，而其他所有领域的学位增长率高达81.1%。计算机科学的趋势尤为显著。在剩余的电气工程学生中，超过一半是国际学生。美国国家科学基金会（NSF）的统计数据显示，美国公民和永久居民仅占电气工程博士生的30%。外籍工程师一直在填补这一空缺。

有趣的是，回答我问题的教授并非专注于传统的模拟电路研究——他的实验室侧重于设计自动化工具，本质上就是软件。就连学术界也已经转变了方向。

结构因素

这种变化并非仅仅出于人气，背后还有结构性原因。

首先，模拟电路在芯片中的相对重要性已经降低。随着制程节点的缩小，数字电路的密度呈爆炸式增长。现代SoC中模拟模块所占的面积和功耗都在不断降低。即使将模拟模块的功耗或面积降低50%，对整个芯片的影响通常也微乎其微。这意味着：模拟电路的“稳定性”比模拟电路的“创新性”更为重要。目前普遍的理念是，只要避免模拟电路导致芯片重新设计就足够了。

其次，模拟电路不像数字电路那样能从工艺微缩中获益。对于数字电路而言，更小的晶体管意味着更快的速度和更低的功耗。摩尔定律功不可没。但模拟电路却截然不同。在先进的工艺节点上，噪声、失配和电压裕量问题会更加严重。晶体管的固有增益下降，电源电压降低，而变异性则会增加。要达到相同的性能，需要付出更多努力——这本身就是一个悖论。

第三，模拟电路设计本质上是劳动密集型的。在软件领域，一位杰出的工程师可以完成十位普通工程师的工作量。代码可以复制、模块化和复用。模拟电路则截然不同。每个电路都必须针对特定的工艺、温度和电压条件进行优化。据 Synopsys 公司称，模拟电路设计周期平均比数字电路慢 2-3 倍。这不是工具的问题，而是根本性的问题。佐治亚理工学院的分析表明，在一个 10% 模拟电路和 90% 数字电路的芯片中，这 10% 的模拟电路可能会消耗 90% 的总设计时间。在这种结构下，一位效率高得惊人的工程师根本无法生存。

验证重于创新的时代

这些结构性因素共同改变了模拟电路设计的范式。过去，研究重点在于开发具有更优功耗、性能和面积特性的全新架构。而如今，主流方法是将成熟可靠的IP有效地应用于各种应用场景。

硅验证电路至关重要。无论新架构在仿真中表现多么出色，一旦生产中出现良率问题，成本都将是天文数字。在这种环境下，转向模拟IP是顺理成章的。据IPnest的数据，半导体IP市场规模在2024年达到85亿美元，同比增长20%。模拟和混合信号IP预计将以每年超过15%的速度增长。

但说实话，数字级IP标准化还遥遥无期。模拟电路对工艺、温度和电压的变化非常敏感，而且与周围电路的交互也十分复杂。即使是“硅验证”的IP，在针对不同环境进行修改后，其有效性也往往会丧失。方向是对的，但要完全实现还需要时间。

仍在扩张的领域

读到这里，你可能会认为模拟电路即将消亡。但这只是故事的一半。真正失去市场份额的是通用模拟电路，而不是整个模拟电路市场。据《财富商业洞察》报道，2024年模拟集成电路市场规模约为760亿美元，预计到2032年将超过1240亿美元。推动市场增长的并非通用模块，而是专业应用。

高速接口

串行器/解串器 (SerDes) 是模拟电路领域最具活力的分支。数据中心互连、人工智能加速器链路、高速网络——SerDes 都是各处的瓶颈。预计该市场规模将从 2024 年的约 7.5 亿至 8.5 亿美元增长到 2032 年的 24 亿美元，年复合增长率 (CAGR) 为 13% 至 14%。

112G PAM4 目前是主流，向 224G 的过渡正在进行中。这一领域对技术规格要求极高：56GHz 频率下的信号完整性、低于 50 飞秒的抖动以及对 45dB 以上信道损耗的补偿。现成的 IP 无法满足这些要求。

由于物理极限性能无法作为通用商品购买，Marvell、Broadcom、Credo 和 Alphawave 等公司维持着高价策略。数字辅助模拟（基于 ADC 的接收器、DSP 均衡）正成为核心技术，模拟和数字的界限也开始模糊。高速接口与人工智能基础设施的扩展息息相关。对数据传输速度的需求将持续增长，而能够突破物理极限的设计专长仍然稀缺。

汽车半导体

电动汽车转型和自动驾驶技术正推动汽车半导体市场爆发式增长。电池管理系统 (BMS) 集成电路是核心模拟电路，用于监测电池的电压、温度和荷电状态。据 Global Market Insights 预测，汽车 BMS 市场规模预计将从 2025 年的 49 亿美元增长到 2035 年的 260 亿美元，复合年增长率超过 18%。栅极驱动器集成电路市场规模也相当可观，2024 年达到 16 亿美元，其中汽车领域占比 14 亿美元，并保持稳步增长。随着自动驾驶水平的提高，对激光雷达、雷达和超声波传感器等模拟前端的需求也在不断增长。

汽车半导体行业的独特之处在于其极高的准入门槛。企业必须满足AEC-Q100认证（工作温度范围为-40°C至+150°C）和ISO 26262功能安全标准（ASIL等级）。开发周期延长18个月以上，成本增加30%至50%。这使得英飞凌、恩智浦、德州仪器、安森美半导体和意法半导体等现有企业占据优势。但高门槛也是一把双刃剑——一旦进入市场，就很难被取代。

图像传感器

CMOS图像传感器（CIS）是模拟技术与数字技术完美融合的典范。智能手机摄像头、自动驾驶汽车视觉传感器、医疗成像、安防摄像头——图像传感器的应用范围不断扩大。据Yole Group预测，2024年CIS市场规模为232亿美元，预计到2030年将超过300亿美元。索尼占据市场主导地位，市场份额约为50%，三星紧随其后，约为15%。

该领域的核心是像素级模拟电路。它在每个像素点将光信号转换为电信号，最大限度地降低噪声，并实现高速读取。堆叠结构、背照式照明和全局快门等技术不断进步。除了简单的“拍照”之外，该领域正在向3D传感、飞行时间（ToF）和事件相机等领域发展。随着AR/VR设备、自动驾驶汽车和机器人视觉等领域新应用的涌现，专业的传感器设计知识变得越来越重要。

功率半导体

功率半导体是模拟电路的另一大增长支柱。电动汽车充电、数据中心电源管理、可再生能源转换、智能电网——各领域对电源转换效率的需求都在不断增长。据Yole Group预测，电力电子市场规模将从2024年的262亿美元增长到2030年的433亿美元，年复合增长率达8.7%。

尤其值得关注的是氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 等宽带隙材料。它们能够实现超越硅材料的效率和功率密度。据 Yole Group 预测，到 2030 年，GaN 市场预计将以 42% 的复合年增长率 (CAGR) 实现爆炸式增长，而 SiC 市场规模到 2030 年将超过 110 亿美元。

2023 年，28% 的纯电动汽车 (BEV) 逆变器采用 SiC，预计到 2027 年这一比例将超过 50%。随着能效法规的日益严格和电池供电设备的普及，提高功率效率的价值也在不断增长。基于 GaN/SiC 的设计是一个相对较新的领域，目前经验丰富的专业人才短缺。

传感及其他专业领域

传感器接口和精密测量也是重要的模拟领域。生物传感器（血糖、心电图、血氧饱和度）、环境传感器（温度、湿度、空气质量、气体检测）、工业传感器（振动、压力、流量、位置）——物联网设备的爆炸式增长和医疗保健数字化持续推动着传感器需求。超低功耗、高精度和高信噪比是必需的，而且通常在特殊的运行环境中使用，这需要采用与通用设计不同的方法。

航天和国防半导体市场规模虽小但十分稳定。2024年，抗辐射加固半导体市场规模约为16亿至18亿美元，年增长率约为5%。SpaceX的星链计划以及类似的大规模卫星星座部署正在推动航天组件的需求。由于需要进行极端环境认证、研发周期长且供应商有限，该细分市场的价格溢价高达其他产品的10至100倍。尽管市场规模较小，但利润率高且稳定。

职业前景

生产与研发

即使在“模拟电路设计”领域内，工作性质也会因你是在生产机构还是在研究机构而完全不同。

生产团队注重运用统计方法分析缺陷和提高良率。蒙特卡罗分析、角点模拟、失效机制分析——他们投入大量时间研究现有设计失效的原因，而不是创建新设计。你需要苦苦思索诸如“为什么这个电路只在某些晶圆上失效？”或“为什么在-40°C时裕量会缩小？”之类的问题。研发团队则探索新的架构和方法。阅读论文、提出想法、进行模拟、流片。一个项目可能要投入数月甚至数年的时间。在这种环境下，即使是失败也能让你有所收获。

两者并无绝对优劣之分。它们各自培养的是不同的专业技能。无论你走到哪里，生产经验都是一笔宝贵的财富。拥有制造真正有效产品、解决良率问题的经验——这是无可替代的。在面试中，如果你能说“我们遇到了这个生产问题，我是这样解决的”，这将是一项极具说服力的资历。随着资历的增长，这种价值也会增加；那些只从事研究的人并不了解生产的实际情况。另一方面，研究能力在最困难的时刻显得尤为重要。面对前所未有的难题，能够从根本原理出发进行思考的能力至关重要。能够阅读论文并应用新思路的能力也同样重要。这些能力仅靠生产经验是无法获得的。当公司进入新领域或遇到现有方法无法满足的规范时，具备研究能力的人就能脱颖而出。

通用型与专用型

正如我们所见，模拟电路市场正在分化为通用模块的商品化和专业领域的高端化。通用模拟电路（标准运算放大器、低压差线性稳压器、通用模数转换器/数模转换器）的知识产权化程度越来越高，价格竞争也日益激烈。中国企业正在迅速占领这一市场。在这个市场竞争中，成本效益是核心竞争力，单凭设计能力不足以脱颖而出。与此同时，高速接口、汽车电路、图像传感器、电源和传感等专业领域仍然需要深厚的专业知识，存在准入门槛，并且需要保持利润空间。

为了保持长期价值，似乎更重要的是在特定领域建立专业知识，而不仅仅是“能够设计模拟电路”。“我是一名模拟工程师”比“我是高速串行器/解串器专家”或“我从事汽车电池管理系统设计已有10年”更不容易被取代。

不变的事

技术和市场瞬息万变，但有些东西却始终不变。晶体管工作原理、反馈理论、噪声分析和稳定性分析等基本原理，无论你进入哪个领域都适用。流行的工具和流程会不断变化，但电路的本质却始终如一。工程师的本质是解决问题。当仿真和测量结果不一致时，找到根本原因；在满足规格要求的前提下，找到切实可行的解决方案——这些能力只能通过经验积累。仅仅具备设计技能是不够的。从市场营销部门了解客户需求，与布局工程师协作，与测试团队协调规格，向高管解释技术上的权衡取舍——随着资历的提升，这些能力变得愈发重要。

解读变革中的机遇

让我们回到起点。

模拟电路设计的“变革”显而易见。通用模块正在商品化，纯粹的模拟电路研究已不复往昔，美国国内的模拟电路人才储备也日渐萎缩。但仅仅将其视为“衰落”则是一种片面的看法。

整体模拟半导体市场仍在增长。高速接口、汽车、图像传感器、电源、传感等领域比以往任何时候都更加活跃。人工智能、电动汽车、物联网和自动驾驶等大趋势正在创造对模拟半导体的新需求。在劳动力方面，美国半导体行业协会 (SIA) 和牛津经济研究院预测，到 2030 年，美国将面临超过 67,000 名半导体工人的缺口。麦肯锡的分析表明，这一缺口可能在 59,000 到 146,000 之间。需求旺盛，但供应不足。拥有真正专业知识的人才仍然至关重要。

最终重要的是你的定位。你是会在商品化的通用领域以成本优势取胜，还是会在专业领域打造不可替代的专长？你是会培养生产的实用性，还是会追求研究的创造力？这些选择最终会塑造你的职业生涯。

十年前我提出这个问题时，只是好奇这个领域未来的发展方向。十年后，我已经能看出大致轮廓。变革既是危机也是机遇。模拟电路不会消失。只要它们仍然是连接物理世界和数字世界的桥梁，就需要有人从事这项工作。但它的形式会不断变化。对于那些能够洞察变化并适应的人来说，机遇将始终存在。

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本文来自微信公众号“半导体行业观察”（ID：icbank），作者：nutty，36氪经授权发布。