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第三代半導(dǎo)體加速爆發(fā)，SiC、GaN產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度如何？

已有14142次閱讀2022-09-13標(biāo)簽:
 
2009-2019年期間，全球共關(guān)閉了100座晶圓代工廠。恰逢最新一輪全球規(guī)模芯片缺貨潮，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)遭遇了前所未有的危機(jī)。堅(jiān)持IDM模式的廠商開始改變觀念，2021年英特爾決定把部分芯片外包給臺(tái)積電，這個(gè)變化被業(yè)內(nèi)視為委外代工已成趨勢(shì)，但在SiC和GaN領(lǐng)域，似乎有著不一樣的市場(chǎng)表現(xiàn)……


新冠疫情爆發(fā)后，第三代半導(dǎo)體的發(fā)展進(jìn)入到關(guān)鍵期。根據(jù)業(yè)內(nèi)的主流觀點(diǎn)，在過去一兩年里SiC和GaN已經(jīng)開啟商業(yè)化。今年年初，筆者對(duì)SiC(碳化硅)和GaN(氮化鎵)的競(jìng)爭(zhēng)格局、發(fā)展趨勢(shì)以及供應(yīng)商情況做過解讀，本文則再談?wù)凷iC、GaN的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度。

作為產(chǎn)業(yè)化最快的第三代半導(dǎo)體材料，SiC和GaN近兩年來(lái)的表現(xiàn)突出——2021年，SiC功率器件在特斯拉Model 3旗艦車型商用，標(biāo)志著SiC材料在電動(dòng)汽車領(lǐng)域正式批量應(yīng)用；2019年GaN在智能手機(jī)快充領(lǐng)域正式量產(chǎn)，到2021年年中出貨量突破了5000萬(wàn)只。

由于SiC、GaN是新材料，各國(guó)企業(yè)均處于同一起跑線，因此被視為“中國(guó)半導(dǎo)體企業(yè)彎道超車”的一大機(jī)遇。在此基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外的半導(dǎo)體企業(yè)和投資者嗅到了商機(jī)。到2022年下半年，SiC和GaN的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度如何？

SiC、GaN無(wú)需先進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備


被譽(yù)為“中國(guó)半導(dǎo)體教父”的張汝京曾公開表示，“第三代半導(dǎo)體的發(fā)展遵循的是‘后摩爾定律’，它的線寬都不是很小，設(shè)備也不是特別的貴，但是它的材料不容易做，設(shè)計(jì)上要有優(yōu)勢(shì)。”

眾所周知，“摩爾定律(Moore's Law)”的核心內(nèi)容是：集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目，在大約每經(jīng)過18個(gè)月到24個(gè)月便會(huì)增加一倍。也即是，大約每?jī)赡晏幚砥鞯男阅芊槐丁r(jià)格減少一半。在過去半個(gè)世紀(jì)里，半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展一直在遵循“摩爾定律”，在芯片尺寸越來(lái)越小的同時(shí)，工藝節(jié)點(diǎn)的演進(jìn)難度也呈指數(shù)增長(zhǎng)。

僅通過升級(jí)工藝來(lái)提升芯片性能的方法已無(wú)法滿足時(shí)代的需求，半導(dǎo)體行業(yè)逐步進(jìn)入“后摩爾定律”時(shí)代——不再追求更大效能的芯片，而是強(qiáng)調(diào)多元化和實(shí)用性原則。

當(dāng)然，張汝京說的“設(shè)備不是也特別的貴”，只是相對(duì)售價(jià)可高達(dá)數(shù)億美元的尖端半導(dǎo)體設(shè)備而言。采用成熟工藝產(chǎn)線即可生產(chǎn)第三代半導(dǎo)體功率器件，其產(chǎn)線投資與第一、二代半導(dǎo)體相比可以更低。半導(dǎo)體制造是重資產(chǎn)行業(yè)，就算成熟工藝產(chǎn)線的投入低于先進(jìn)工藝產(chǎn)線，也不意味著建設(shè)一個(gè)晶圓廠能有多“便宜”。

泰科天潤(rùn)應(yīng)用測(cè)試中心主任高遠(yuǎn)大致估算了成熟工藝SiC晶圓廠的建廠成本。晶圓廠的建設(shè)需要經(jīng)過選址、廠房建設(shè)和廠務(wù)配套、設(shè)備導(dǎo)入/調(diào)試、工藝開發(fā)與驗(yàn)證、產(chǎn)能爬坡等流程，每一個(gè)環(huán)節(jié)都需投入大量資金。

晶圓廠要配置多臺(tái)設(shè)備來(lái)支撐產(chǎn)能，關(guān)鍵設(shè)備的單價(jià)就超過1000萬(wàn)人民幣。更別說，一個(gè)晶圓廠需200人以上的團(tuán)隊(duì)來(lái)運(yùn)作，每年還有巨大的損耗成本和固定的折舊、運(yùn)營(yíng)成本。經(jīng)粗略估算——滿足10K片/年產(chǎn)能規(guī)模的設(shè)備就算被閑置，每年也會(huì)產(chǎn)生約1000萬(wàn)人民幣的損耗成本。

晶圓廠還投資具有長(zhǎng)期性、穩(wěn)定性，元器件在大規(guī)模量產(chǎn)前還要通過可靠性驗(yàn)證，走完一輪產(chǎn)品驗(yàn)證和可靠性驗(yàn)證約耗時(shí)1000小時(shí)，完成兩輪驗(yàn)證總計(jì)需耗時(shí)幾個(gè)月。總的來(lái)看，從廠房開始動(dòng)工到全面滿產(chǎn)出貨，大致要耗費(fèi)3到5年的周期。據(jù)業(yè)內(nèi)統(tǒng)計(jì)，建設(shè)一條4英寸線需平均投入1億人民幣，6英寸線平均10億人民幣，8英寸線平均40億人民幣。12英寸線的投入是8英寸線的2倍左右或以上。

筆者查詢到幾家國(guó)外原廠投資12英寸的消息：2021年TI宣布將新建4座12英寸晶圓廠，投資總額約達(dá)300億美元；臺(tái)積電今年在日本熊本縣開建的12英寸晶圓廠投資86億美元（規(guī)劃產(chǎn)能5.5萬(wàn)片/月）；世創(chuàng)電子(Siltronic)去年動(dòng)工的新加坡JTC淡濱尼12英寸廠投資總額約20億歐元；環(huán)球晶圓在美國(guó)德州謝爾曼市的12英寸硅晶圓廠(2025年投產(chǎn))計(jì)劃投資50億美元。

目前，先進(jìn)制程的芯片(22nm及以內(nèi))和部分成熟制程芯片(90nm-28nm)采用12英寸晶圓來(lái)生產(chǎn)，90nm以上的成熟制程主要基于8英寸(0.5μm-90nm)和6英寸晶圓。無(wú)論從理論還是經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)看，在大尺寸晶圓上生產(chǎn)工藝更復(fù)雜、制程更小的芯片，比在小尺寸晶圓上造成的浪費(fèi)更少。

例如，同一工藝的芯片在12英寸晶圓上生產(chǎn)，會(huì)比在8英寸晶圓上生產(chǎn)多2.385倍芯片。現(xiàn)在，高端智能手機(jī)、高端顯卡等追求先進(jìn)工藝的芯片使用12英寸晶圓。

值得慶幸的是，SiC/GaN芯片采用成熟制程，無(wú)需太先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備。這也意味著，與第一、二代半導(dǎo)體相比，中國(guó)在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域有更大的發(fā)展空間，甚至可以說，在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“彎道超車”可能性也更大。相信這也是我國(guó)重視SiC、GaN項(xiàng)目的主要原因。

伴隨企業(yè)融資并購(gòu)、廠商增資擴(kuò)產(chǎn)、新玩家不斷進(jìn)入，SiC、GaN行業(yè)欣欣向榮。據(jù)業(yè)內(nèi)媒體不完全統(tǒng)計(jì)，截至2021年7月，國(guó)內(nèi)SiC項(xiàng)目突破100個(gè)，GaN項(xiàng)目超過40個(gè)。

在今年年初，筆者統(tǒng)計(jì)了部分SiC和GaN廠商的融資信息，發(fā)現(xiàn)自2020年開始新增的融資數(shù)量明顯增多，其中同光晶體、天域半導(dǎo)體、世紀(jì)金光、南砂晶圓等SiC襯底廠均有獲得新融資，發(fā)力GaN的廠商比如GaN Systems、Transphorm、VisIC、氮矽科技、鎵未來(lái)、芯元基等也有新融資。

SiC、GaN的主流運(yùn)作模式


半導(dǎo)體行業(yè)主要的運(yùn)作模式包括IDM(垂直整合制造)、Fabless(無(wú)工廠芯片供應(yīng)商)、Foundry(晶圓代工廠)、Fab-lite（既有IDM又與Foundry有合作）。IDM從設(shè)計(jì)到制造、封測(cè)、銷售自有品牌IC一手包辦，代表廠商有英特爾、TI、英飛凌、onsemi、ST、三星、美光、SK海力士、華潤(rùn)微電子、士蘭微、英諾賽科等。


Fabless只負(fù)責(zé)芯片設(shè)計(jì)和銷售，無(wú)芯片制造工廠，代表廠商有高通、聯(lián)發(fā)科、博通、納微半導(dǎo)體等；Foundry只負(fù)責(zé)芯片制造，不做芯片設(shè)計(jì)，代表廠商有臺(tái)積電、聯(lián)電、中芯國(guó)際等；Fab-lite是輕晶圓模式，自己設(shè)計(jì)、銷售，既自己生產(chǎn)芯片，也外包部分芯片出去。


1987年純晶圓代工廠臺(tái)積電的成立，開創(chuàng)了半導(dǎo)體史上的新篇章。至此之后，F(xiàn)abless的數(shù)量逐年增加，同時(shí)也出現(xiàn)了更多Foundry廠商。2008年次貸危機(jī)之后，IDM廠開始加速關(guān)閉晶圓廠。

據(jù)IC Insights統(tǒng)計(jì)，2009-2019年期間，全球共關(guān)閉了100座晶圓代工廠，其中有24座8英寸晶圓廠，42座6英寸晶圓廠。由于關(guān)閉的晶圓廠數(shù)量較大，也導(dǎo)致最新一輪全球規(guī)模的芯片缺貨潮，給半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了前所未有的危機(jī)。

堅(jiān)持IDM模式的廠商開始改變觀念，2021年英特爾決定把部分芯片外包給臺(tái)積電，這個(gè)變化被業(yè)內(nèi)視為委外代工已成趨勢(shì)。而在SiC和GaN領(lǐng)域，似乎有著不一樣的市場(chǎng)表現(xiàn)。

SiC器件的技術(shù)難點(diǎn)主要在于襯底缺陷的控制，SiC晶圓要求在SiC材料上長(zhǎng)晶，只是SiC材料耐高溫、硬度高，制備和加工難度高、損耗大，各環(huán)節(jié)間需要密切配合，所以供應(yīng)商以IDM企業(yè)為主。

國(guó)外供應(yīng)商有Wolfspeed、II-VI、ST、onsemi、ROHM、Littelfuse、英飛凌、東芝、三菱電機(jī)、富士電機(jī)等，國(guó)內(nèi)供應(yīng)商有泰科天潤(rùn)、揚(yáng)杰科技、士蘭微、華潤(rùn)微、三安光電、基本半導(dǎo)體等。也正是因?yàn)镾iC工藝控制難度高，導(dǎo)致其良率偏低、市場(chǎng)價(jià)格高，目前主要應(yīng)用在汽車、工業(yè)領(lǐng)域。

GaN器件是HEMT(高電子遷移率晶體管)，能提供比Si/SiC器件更高的電子速度，所以GaN晶體管適用于高頻功率開關(guān)電路。GaN HEMT是平面導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，不依賴于襯底，可在藍(lán)寶石或者硅襯底上實(shí)現(xiàn)。GaN的難點(diǎn)體現(xiàn)在多個(gè)方面：

1.工藝方面，GaN材料面臨器件良率與一致性以及可靠性等問題的挑戰(zhàn)；

2.封裝方面，因?yàn)镚aN器件工作時(shí)電流大、功率高，溫度可達(dá)250℃，對(duì)封裝結(jié)構(gòu)的散熱設(shè)計(jì)要求非常高；

3.應(yīng)用方面，GaN顛覆了傳統(tǒng)的電源行業(yè)，對(duì)PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制芯片、變壓器廠商等提出更高的要求。

在GaN行，IDM和代工模式并存長(zhǎng)期共存。走IDM模式有英諾賽科、英飛凌、TI、安世半導(dǎo)體(聞泰科技旗下)、ST、onsemi、華潤(rùn)微電子等，走代工模式有納微半導(dǎo)體、GaN Systems、Power Integrations（簡(jiǎn)稱PI）、Transphrom、EPC、VisIC、GaN Power等。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，IDM模式更有利于降低生產(chǎn)成本、發(fā)揮設(shè)計(jì)、制造與封測(cè)的協(xié)同效應(yīng)。英諾賽科首席運(yùn)營(yíng)官馮雷表示，2020年-2021年，全球半導(dǎo)體市場(chǎng)嚴(yán)重缺貨，晶圓代工廠滿產(chǎn)也無(wú)法滿足訂單需求，F(xiàn)abless廠的產(chǎn)能受制于代工廠。

“這給了大家一個(gè)明確的信號(hào)——IDM模式在確保供應(yīng)穩(wěn)定性方面，比Fabless模式更具優(yōu)勢(shì)。又因功率半導(dǎo)體的工藝不依賴尺寸，它不追求7nm、5nm等先進(jìn)制程，相對(duì)于邏輯IC來(lái)說工藝技術(shù)難度低，也無(wú)需動(dòng)輒百億美金的產(chǎn)線資金投入。功率半導(dǎo)體能夠支持高電壓、大電流，在確定的線寬設(shè)計(jì)規(guī)則下，去調(diào)整所有的底層寄生參數(shù)，讓它最接近理想的開關(guān)，又能保證在不同QC(質(zhì)量控制)值上可靠應(yīng)用。”

馮雷表示，每家IDM廠商生產(chǎn)的功率器件具有不同的結(jié)構(gòu)，而代工模式生產(chǎn)出來(lái)的功率器件的參數(shù)基本上千篇一律。對(duì)此，他強(qiáng)調(diào)說：“并不是說這樣的方式(代工模式)不好，F(xiàn)abless通過穩(wěn)定的代工平臺(tái)，不用走那么多循環(huán)、不用調(diào)生產(chǎn)工藝，能極大縮短產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的周期。不過，歸根到底，大家都回避不掉兩個(gè)問題——一個(gè)是技術(shù)進(jìn)步，另一個(gè)是產(chǎn)能保障。”

英諾賽科走的是IDM模式。早在2017年，英諾賽科珠海研發(fā)生產(chǎn)基地就開始量產(chǎn)，到現(xiàn)在其GaN-on-Si(硅基氮化鎵)晶圓產(chǎn)能達(dá)4000片/月。2021年6月，英諾賽科蘇州工廠實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，其規(guī)劃產(chǎn)能是6.5萬(wàn)片/月，是珠海工廠的10-20倍。據(jù)馮雷介紹，珠海和蘇州工廠在滿產(chǎn)狀態(tài)下，能供應(yīng)全球50%以上的GaN產(chǎn)能。

SiC目前仍以6英寸為主


當(dāng)晶圓尺寸越大，其單片面積就越大、邊緣浪費(fèi)更小，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)出的襯底、外延更多，芯片的產(chǎn)能也就越大、單顆芯片成本也越低。


咨詢機(jī)構(gòu)PGC Consultancy預(yù)測(cè)稱：8英寸SiC的襯底價(jià)格、缺陷密度、芯片面積、芯片價(jià)格明顯呈下降的趨勢(shì)，隨著每一代芯片單位面積的減小，8英寸(200mm)和6英寸(150mm)的成本差距也越來(lái)越小。

集邦咨詢化合物半導(dǎo)體分析師龔瑞驕表示，現(xiàn)階段用于功率器件的N型SiC襯底仍以6英寸為主，SiC襯底從6英寸轉(zhuǎn)向8英寸短期內(nèi)不會(huì)完成。“4英寸N-Type的價(jià)格非常穩(wěn)定，主要應(yīng)用在二極管等低端器件市場(chǎng)，6英寸片也因技術(shù)不斷成熟價(jià)格逐漸穩(wěn)定，8英寸片剛剛推向市場(chǎng)，良率比較低、制造成本過高，短期內(nèi)不具備性價(jià)比，其價(jià)格下行空間相當(dāng)大。預(yù)計(jì)到2026年，8英寸片的市場(chǎng)份額將達(dá)15%。屆時(shí)，4英寸片會(huì)慢慢淡出市場(chǎng)，6英寸片將長(zhǎng)期作為市場(chǎng)主流。”

Wolfspeed財(cái)報(bào)說明數(shù)據(jù)顯示：?jiǎn)螐木A加工成本來(lái)看，從6英寸升級(jí)到8英寸晶圓成本是增加的，但8英寸晶圓的芯片產(chǎn)量更高、成本更低，它能獲得的優(yōu)良裸片數(shù)量提升了20%-30%。這也是近年來(lái)SiC晶圓廠積極往8英寸升級(jí)的重要原因。

ROHM、英飛凌、Wolfspeed、Soitec、ST等在內(nèi)的國(guó)際廠商在發(fā)力8英寸SiC晶圓。Wolfspeed的8英寸SiC晶圓在今年開始量產(chǎn)，Soitec在今年5月發(fā)布了首款8英寸SmartSiC™晶圓，ST在今年7月宣布瑞典北雪平工廠成功制造出了首批8英寸SiC晶圓片，ROHM、英飛凌的8英寸預(yù)計(jì)于2023量產(chǎn)。此外，今年3月初，國(guó)內(nèi)的爍科晶體宣布已具備8英寸N型SiC拋光片小批量生產(chǎn)能力,今年8月12日，晶盛機(jī)電宣布首顆8英寸N型SiC晶體出爐。

對(duì)此，高遠(yuǎn)表示，如今的SiC市場(chǎng)仍以6英寸為主，這種狀態(tài)將會(huì)持續(xù)好幾年。“國(guó)內(nèi)材料廠商可先積累8英寸SiC的技術(shù)，做好相關(guān)技術(shù)，開發(fā)出滿足生產(chǎn)需求的材料，器件廠需提前做好準(zhǔn)備，在材料成熟后再發(fā)力。”

據(jù)介紹，泰科天潤(rùn)的北京4英寸SiC線已于2012年量產(chǎn)，長(zhǎng)沙6英寸SiC線已于2021年Q3量產(chǎn)。其長(zhǎng)沙6英寸SiC晶圓廠在今年1-4月的訂單總金額突破1億元人民幣，一期產(chǎn)能達(dá)到6萬(wàn)片/年，二期將于2023年完成擴(kuò)產(chǎn)至10萬(wàn)片/年。

SiC已在車身的OBC(車載充電器)、DC-DC(直流-直流)轉(zhuǎn)換器取得應(yīng)用，相信在需求越來(lái)越迫切以后，800V的高壓系統(tǒng)中的SiC功率元器件會(huì)被進(jìn)一步放大，高壓直流充電樁SiC也將得到采納。軌道交通方面，日本的三菱、日立走到了行業(yè)前沿，中國(guó)大陸主要有中車時(shí)代電氣，其SiC MOSFET量產(chǎn)產(chǎn)品正在擴(kuò)展車用客戶。

受益于車用市場(chǎng)的繁榮，SiC市場(chǎng)開始大規(guī)模放量，只是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈還未完全成熟。當(dāng)前，上汽、北汽、廣汽、吉利等車企正在擲重金投資本土SiC，泰科天潤(rùn)、華潤(rùn)微電子等SiC供應(yīng)商已經(jīng)取得不錯(cuò)的成績(jī)。車用模塊方面，比亞迪、斯達(dá)半導(dǎo)有豐富的經(jīng)驗(yàn)，相信切換到SiC賽道也會(huì)有不錯(cuò)的表現(xiàn)。

GaN產(chǎn)業(yè)化速度比SiC稍慢


GaN產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)度要比SiC慢，其晶圓正處于4英寸向6英寸過渡的階段。GaN材料的熔點(diǎn)高且需要高壓環(huán)境，很難采用熔融的結(jié)晶技術(shù)來(lái)制作GaN襯底，所以目前主要是使用GaN以外的基板。




表1：不同GaN外延片的特點(diǎn)


日本京都大學(xué)研究生院工學(xué)研究院電子工學(xué)專業(yè)副教授須田淳曾發(fā)文介紹了GaN的研究歷史。筆者根據(jù)他的觀點(diǎn)做了簡(jiǎn)化——GaN晶體的生長(zhǎng)利用氨氣相法，生長(zhǎng)溫度在1000℃以上，單晶藍(lán)寶石(AI2O3)在高溫氨氣下的特性穩(wěn)定。

不過，GaN與藍(lán)寶石的化學(xué)性質(zhì)、熱膨脹系數(shù)和晶格常數(shù)相差較大，藍(lán)寶石基板上生長(zhǎng)的GaN晶體粗糙且缺陷多。后來(lái)，科研人員通過低溫堆積緩沖層技術(shù)，在藍(lán)寶石基板與GaN外延層之間設(shè)置低溫堆積的緩沖層，成功獲得了平坦的GaN晶體。

直到21世紀(jì)前后，AIGaN/GaN HEMT開始用于功率元器件。起初，研究人員分別在藍(lán)寶石基板上和SiC基板上制作了GaN功率元器件，由于SiC基板和藍(lán)寶石基板的成本高昂，為了更加經(jīng)濟(jì)，科研人員著手研究?jī)r(jià)格低、口徑大的Si基板。低溫堆積緩沖層技術(shù)也可用于Si基板，該類基板能實(shí)現(xiàn)與藍(lán)寶石基板上的GaN基本相同的晶體缺陷密度。

GaN與Si的熱膨脹系數(shù)差較大，在生長(zhǎng)GaN后進(jìn)行冷卻時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，熱膨脹系數(shù)差會(huì)導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。之后，研究人員又開發(fā)出了形變控制技術(shù)，通過提前使GaN層發(fā)生反向形變，來(lái)抵消高溫生長(zhǎng)晶體后再降溫時(shí)所產(chǎn)生的形變。

GaN晶圓尺寸的進(jìn)一步升級(jí)，面臨著諸多困難。如今，基于6英寸Si基板的GaN功率元件實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化，想要進(jìn)一步降低價(jià)格就必須擴(kuò)大口徑，在8英寸Si基板產(chǎn)業(yè)化路上還面臨更多的挑戰(zhàn)，許多機(jī)構(gòu)和企業(yè)正在積極展開研究。而GaN同質(zhì)外延片(GaN單晶襯底)適合用于藍(lán)/綠激光器、功率領(lǐng)域，但因工藝、成本問題，還未大規(guī)模商用。

2020年，納微半導(dǎo)體的GaN功率器件滲透到智能手機(jī)快速充電器上，在消費(fèi)類快充領(lǐng)域的批量商用讓GaN功率市場(chǎng)成長(zhǎng)了幾倍，也在2020年年底全球GaN器件出貨量超過1000萬(wàn)。

大家對(duì)GaN在汽車電子領(lǐng)域的應(yīng)用也充滿期待，盡管TI、GaN Systems、安世半導(dǎo)體等廠商陸續(xù)推出了車規(guī)級(jí)GaN器件，并與整車企業(yè)展開了深入合作，預(yù)估近幾年內(nèi)GaN也只會(huì)小批量滲透到車載OBC和DC-DC中。到了2022年，GaN器件供應(yīng)商加大力度推廣數(shù)據(jù)中心應(yīng)用方案。據(jù)悉，現(xiàn)在的GaN功率器件主要用于數(shù)據(jù)中心的PSU(電源供應(yīng)單元)。

隨著CPU、GPU、內(nèi)存等器件的升級(jí)迭代，數(shù)據(jù)中心的功耗也顯著增加。中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院2019年披露的《綠色數(shù)據(jù)中心白皮書》顯示：預(yù)計(jì)到2023年，中國(guó)數(shù)據(jù)中心耗電量將突破2500億千瓦時(shí)。參考官方統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2020、2021年三峽水電站年發(fā)電量均為1000億千瓦時(shí)出頭，這意味著2023年中國(guó)數(shù)據(jù)中心的年耗電量約為2.5個(gè)三峽水電站的發(fā)電量。

GaN Systems曾公開表示，50%負(fù)載下新電源模塊的能源效率大約為98%，僅此一項(xiàng)就可節(jié)省數(shù)據(jù)中心10%總能耗，再配合推進(jìn)數(shù)據(jù)中心UPS電源及制冷系統(tǒng)的電源替代，最終節(jié)能效果有望達(dá)20%。同時(shí)，數(shù)據(jù)中心對(duì)算力的需求也有極大提升，高速運(yùn)算對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求更高，這就給供電系統(tǒng)帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。

現(xiàn)在，國(guó)家要求新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心的PUE(電能使用效率值)達(dá)到1.4以下。PUE是評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心能源效率的指標(biāo)，PUE=數(shù)據(jù)中心總能耗/IT設(shè)備能耗，其值大于1，越接近1，表明非IT設(shè)備耗能越少，即能效水平越好。

數(shù)據(jù)中心總能耗由IT設(shè)備、制冷設(shè)備、供配電系統(tǒng)和照明等其他設(shè)備所產(chǎn)生的能耗組成。國(guó)內(nèi)外有許多企業(yè)和機(jī)構(gòu)針對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗構(gòu)成做了諸多研究和調(diào)查，雖然具體比例不同，但是能耗構(gòu)成和排序基本類似。筆者引用一組典型的數(shù)據(jù)：制冷設(shè)備能耗約占45%，IT設(shè)備能耗占30%，供配電系統(tǒng)能耗占24%，照明及其他設(shè)備能耗約占1%。

除了服務(wù)器電源之外，GaN功率器件還適用于電動(dòng)汽車逆變器。受益于800V汽車市場(chǎng)的推動(dòng)，SiC“上車”的時(shí)機(jī)已非常成熟，而GaN在“上車”方面還處于早期階段，盡管Tier1和OEM廠商頗有興趣，但GaN仍受供應(yīng)鏈生態(tài)、產(chǎn)能、技術(shù)不成熟限制。

再看GaN-on-Si的供應(yīng)情況，EPC集中在低壓市場(chǎng)并有望成為48V的領(lǐng)導(dǎo)者；納微半導(dǎo)體覆蓋中壓市場(chǎng)；ROHM覆蓋低壓和中高壓市場(chǎng)；Transphorm、華潤(rùn)微電子、潤(rùn)芯微則已經(jīng)推出900V的產(chǎn)品。不過，大部分廠商的產(chǎn)品集中在600V-650V區(qū)間，比如TI的GaN FET器件系列(600V/650V)、ST的STDRIVE 600V柵極驅(qū)動(dòng)器和GaN HEMT(600V)等。
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