寬禁帶半導(dǎo)體挺進(jìn)AI數(shù)據(jù)中心

作者丨許子皓

編輯丨張心怡

美編丨馬利亞

監(jiān)制丨連曉東

近期，汽車芯片市場(chǎng)走勢(shì)低迷引起寬禁帶半導(dǎo)體市場(chǎng)震蕩不斷，持續(xù)高漲的AI市場(chǎng)成了寬禁帶半導(dǎo)體企業(yè)的救命稻草。英飛凌、德州儀器、納微、瑞薩、宜普等領(lǐng)軍企業(yè)紛紛調(diào)整布局，將砝碼投向AI數(shù)據(jù)中心。

英飛凌的員工展示其生產(chǎn)的300mm氮化鎵功率半導(dǎo)體晶圓技術(shù)。

寬禁帶半導(dǎo)體為AI增效

當(dāng)前，AI對(duì)算力的需求持續(xù)高漲，除了不斷提高數(shù)據(jù)中心中的AI服務(wù)器性能，更需要注意的是如何應(yīng)對(duì)逐漸攀升的功耗。據(jù)了解，英偉達(dá)的H100功耗達(dá)到了700W，而之后將推出的B100功耗還會(huì)再增加40%，單顆GPU功耗可達(dá)1000W以上。有數(shù)據(jù)顯示，未來數(shù)十年內(nèi)，數(shù)據(jù)中心的能源消耗將會(huì)高速增長(zhǎng)。到2050年，數(shù)據(jù)中心將成為能源消耗大戶，所使用的能源預(yù)計(jì)將占全球總消耗的14%?！按笮陀?jì)算基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行所需的電能日益增加，需要更高功率、更高能效的電力電子設(shè)備去支撐。給AI處理器供電最高效的選擇就是氮化鎵和碳化硅等寬禁帶半導(dǎo)體?！鄙钲诨景雽?dǎo)體有限公司總經(jīng)理和巍巍告訴《中國(guó)電子報(bào)》記者。

納微的AI數(shù)據(jù)中心電源路線圖碳化硅和氮化鎵作為寬禁帶半導(dǎo)體的“門面”，具備寬禁帶、高導(dǎo)熱率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子遷移率的物理特性，能耐高壓、高溫、高頻，滿足高效率、小型化和輕量化的場(chǎng)景要求。隨著技術(shù)的不斷升級(jí)，寬禁帶半導(dǎo)體的性能被進(jìn)一步開發(fā)，二者已經(jīng)不再局限于新能源汽車和消費(fèi)電子市場(chǎng)，而是向AI數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域強(qiáng)勢(shì)“破圈”。

據(jù)了解，在氮化鎵和碳化硅器件出現(xiàn)之前，電壓轉(zhuǎn)換都是由IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）和MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）硅基功率器件完成的。碳化硅和氮化鎵更高效，降低了能源轉(zhuǎn)換中的損耗，因此是滿足AI數(shù)據(jù)中心日益增長(zhǎng)的能源需求的理想選擇。

宜普電源轉(zhuǎn)換公司首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人Alex Lidow在接受《中國(guó)電子報(bào)》專訪時(shí)表示：“AI數(shù)據(jù)中心所消耗的能源逐月增加。為AI 處理器供電，需要將輸入的高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓，中間要經(jīng)過多個(gè)階段，把電壓從大約220伏一直降到0.5伏。碳化硅通常用于高電壓場(chǎng)景。AI處理器供電第一階段的電壓轉(zhuǎn)換，即從220伏到48伏，既用到了碳化硅器件，也用到了氮化鎵器件。之后，將電壓從48伏降至0.5伏這個(gè)階段，則完全可以由氮化鎵完成?！?/p>

碳化硅、氮化鎵各有千秋

在AI數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，碳化硅和氮化鎵都有自己的“舒適區(qū)”和降功耗的手段。碳化硅具有極小的反向恢復(fù)損耗，可以有效降低能耗，因此主要應(yīng)用在AI服務(wù)器電源的PFC（功率因數(shù)校正）中，現(xiàn)在多數(shù)企業(yè)都在采用碳化硅二極管替代硅二極管，碳化硅MODFET替代硅MOSFET。而氮化鎵主要得益于其柵極電容和輸出電容對(duì)比硅更小，導(dǎo)通電阻較低，反向恢復(fù)電荷很小，因此開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗較低。所以氮化鎵主要應(yīng)用在服務(wù)器電源的PFC和高壓DC/DC（直流轉(zhuǎn)直流電源）部分，用氮化鎵MOSFET替代硅MOSFET。

2021年-2027年(預(yù)測(cè))碳化硅功率器件各細(xì)分領(lǐng)域市場(chǎng)占比

半導(dǎo)體行業(yè)專家張先揚(yáng)向《中國(guó)電子報(bào)》記者介紹道：“根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景選用不同的方案，在AC/DC（交流轉(zhuǎn)直流電源）部分，當(dāng)工作頻率高于200KHz，或者對(duì)輕載至半載效率有要求，則優(yōu)先選用氮化鎵；如果環(huán)境干擾比較大，則選擇碳化硅更加合適。在DC/DC部分，在12~48V工作電壓環(huán)境下，優(yōu)先選用氮化鎵，而在高壓環(huán)境下，則選擇碳化硅更合適?！碧貏e是在服務(wù)器電源的PFC中，碳化硅MOSFET具有的高頻特性，可以起到高效率、低功耗的效果，提升服務(wù)器電源的功率密度和效率，縮小數(shù)據(jù)中心的體積，降低數(shù)據(jù)中心的建設(shè)成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的環(huán)保效率。據(jù)悉，如果全球數(shù)據(jù)中心的電源和散熱系統(tǒng)均采用碳化硅 MODFET替代硅MOSFET，所節(jié)約下來的能源可以為紐約曼哈頓供電一整年。氮化鎵在數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景的低電壓應(yīng)用也在不斷提升。近幾年，氮化鎵技術(shù)一直在突破，所帶來的效率提升，有助于數(shù)據(jù)中心降低成本，大幅降低電費(fèi)，達(dá)到碳中和、碳達(dá)峰的要求。

2021年—2027年（預(yù)測(cè)）氮化鎵功率器件各細(xì)分領(lǐng)域市場(chǎng)營(yíng)收數(shù)據(jù)

宜普公司認(rèn)為，當(dāng)前氮化鎵在AI服務(wù)器市場(chǎng)的總規(guī)模約為10億美元。在未來幾年內(nèi)，這一市場(chǎng)將以每年約40%的速度持續(xù)增長(zhǎng)。各大廠商持續(xù)增資近期，受汽車市場(chǎng)影響，多家寬禁帶半導(dǎo)體企業(yè)業(yè)績(jī)遇冷，但隨著AI數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，德州儀器、英飛凌、瑞薩、羅姆、宜普等企業(yè)并沒有放棄對(duì)寬禁帶半導(dǎo)體的投資，都宣布了最新進(jìn)展。

英飛凌200毫米碳化硅功率半導(dǎo)體晶圓廠的效果圖英飛凌在馬來西亞啟動(dòng)其有史以來最大的功率芯片工廠的生產(chǎn)。若能在未來五年內(nèi)達(dá)到滿負(fù)荷生產(chǎn)，它將成為世界上最大的碳化硅工廠。英飛凌表示，公司正在關(guān)注可再生能源領(lǐng)域和AI數(shù)據(jù)中心等電氣化應(yīng)用的需求。

氮化鎵的過渡期即將到來

英飛凌還公布了新的AI數(shù)據(jù)中心電源路線圖，計(jì)劃推出8kW和12kW的超高功率服務(wù)器電源解決方案，簡(jiǎn)化AI服務(wù)器的供電設(shè)計(jì)，以滿足AI服務(wù)器對(duì)電力的強(qiáng)勁需求。

據(jù)了解，這兩款電源均將混合使用硅、氮化鎵、碳化硅三類晶體管開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)100W/in3的高功率密度和97.5%的高轉(zhuǎn)換效率?！皩捊麕О雽?dǎo)體在AI數(shù)據(jù)中心的主要應(yīng)用是服務(wù)器電源模塊，寬禁帶技術(shù)將推動(dòng)電力電子器件提高效率、提高密度、縮小尺寸、減輕重量、降低總成本，因此將在數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用場(chǎng)景中為能效提升作出貢獻(xiàn)。”英飛凌科技電源與傳感事業(yè)部大中華區(qū)應(yīng)用市場(chǎng)總監(jiān)程文濤向《中國(guó)電子報(bào)》記者指出。

羅姆一直致力于在中等耐壓范圍開發(fā)具有高頻工作性能的氮化鎵器件，為各種應(yīng)用提供更廣泛的電源解決方案。羅姆半導(dǎo)體（北京）有限公司技術(shù)中心總經(jīng)理水原德健向《中國(guó)電子報(bào)》記者表示，目前，羅姆已確立150V耐壓氮化鎵產(chǎn)品的量產(chǎn)體系，適用于基站、數(shù)據(jù)中心等工業(yè)設(shè)備和各種物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備的電源電路。

納微則采用其GaNSafe和Gen-3 Fast碳化硅技術(shù)，發(fā)布了最新的CRPS185 4.5kW AI數(shù)據(jù)中心服務(wù)器電源方案，功率密度達(dá)137W/in3，效率超97%。納微表示，其3.2kW和4.5kW電源方案已有超過60個(gè)數(shù)據(jù)中心客戶項(xiàng)目正在研發(fā)中，例如亞馬遜云、微軟云、谷歌等頭部廠商，預(yù)計(jì)將在2025年為納微帶來數(shù)百萬(wàn)美元的營(yíng)收增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)用于AI數(shù)據(jù)中心的電源方案有望于年底實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)。

臺(tái)積電也十分看好氮化鎵的發(fā)展前景，臺(tái)積電研發(fā)資深處長(zhǎng)段孝勤表示，臺(tái)積電在化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)Ｗ⒂诘壪嚓P(guān)開發(fā)，歷經(jīng)長(zhǎng)期的發(fā)展，氮化鎵已逐漸被市場(chǎng)接受，預(yù)計(jì)未來十年將有更多應(yīng)用場(chǎng)景。據(jù)了解，臺(tái)積電在氮化鎵的五個(gè)主要應(yīng)用場(chǎng)景包含數(shù)據(jù)中心、快充、太陽(yáng)能電力轉(zhuǎn)換器、48V DC/DC以及電動(dòng)車OBC/轉(zhuǎn)換器。