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，汽車芯片市場走勢低迷引起寬禁帶半導(dǎo)體市場震蕩不斷，持續(xù)高漲的AI市場成了寬禁帶半導(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高速增長。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)計將占全球總消耗的14%?！按笮陀嬎慊A(chǔ)設(shè)施運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《中國電子報》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、高擊穿場強、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景要求。隨著技術(shù)的不斷升級，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電子市場，而是向AI數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域強勢“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《中國電子報》專訪時表示：“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)碳化硅功率器件各細(xì)分領(lǐng)域市場占比

半導(dǎo)體行業(yè)專家張先揚向《中國電子報》記者介紹道：“根據(jù)不同的應(yīng)用場景選用不同的方案，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。”特別是在服務(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，同時實現(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，達(dá)到碳中和、碳達(dá)峰的要求。

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

宜普公司認(rèn)為，當(dāng)前氮化鎵在AI服務(wù)器市場的總規(guī)模約為10億美元。在未來幾年內(nèi)，這一市場將以每年約40%的速度持續(xù)增長。各大廠商持續(xù)增資近期，受汽車市場影響，多家寬禁帶半導(dǎo)體企業(yè)業(yè)績遇冷，但隨著AI數(shù)據(jù)中心市場的不斷擴大，德州儀器、英飛凌、瑞薩、羅姆、宜普等企業(yè)并沒有放棄對寬禁帶半導(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，計劃推出8kW和12kW的超高功率服務(wù)器電源解決方案，簡化AI服務(wù)器的供電設(shè)計，以滿足AI服務(wù)器對電力的強勁需求。

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)，以實現(xiàn)100W/in3的高功率密度和97.5%的高轉(zhuǎn)換效率。“寬禁帶半導(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)用場景中為能效提升作出貢獻(xiàn)?！庇w凌科技電源與傳感事業(yè)部大中華區(qū)應(yīng)用市場總監(jiān)程文濤向《中國電子報》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《中國電子報》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個數(shù)據(jù)中心客戶項目正在研發(fā)中，例如亞馬遜云、微軟云、谷歌等頭部廠商，預(yù)計將在2025年為納微帶來數(shù)百萬美元的營收增長，預(yù)計用于AI數(shù)據(jù)中心的電源方案有望于年底實現(xiàn)小批量生產(chǎn)。

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