在過(guò)去幾年時(shí)間中,，寬禁帶半導(dǎo)體成為市場(chǎng)熱點(diǎn),，與傳統(tǒng)的硅相比,，基于氮化鎵和碳化硅等新材料的晶體管可以大幅提高電源轉(zhuǎn)換器的效率,，具有更好的性能和可靠性,，因而在包括電力電子,、新能源汽車,、光伏儲(chǔ)能,、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域受到了青睞,。
碳化硅因近年來(lái)新能源汽車的迅速發(fā)展而受到矚目，但它更側(cè)重于高壓應(yīng)用,，尤其是新能源紛紛上馬的800V電壓平臺(tái),，成為了它最好的展示舞臺(tái)。
而氮化鎵相比之下就顯得低調(diào)許多了,，此前大家了解到它,，還是因?yàn)槭謾C(jī)充電器的大范圍應(yīng)用，但許多人并不知情的是，氮化鎵正在成為AI產(chǎn)品中的不可缺少一環(huán),，包括Chat-GPT在內(nèi)的各路大模型背后,，少不了氮化鎵的支撐。
關(guān)于這一點(diǎn),，半導(dǎo)體行業(yè)觀察此次專程采訪了宜普電源轉(zhuǎn)換公司（EPC）首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人Alex Lidow,，作為20世紀(jì)70年代硅功率MOSFET技術(shù)的共同發(fā)明人，他又是如何看待如今氮化鎵市場(chǎng)的呢,？
為何氮化鎵成為焦點(diǎn),？
氮化鎵是如何與AI產(chǎn)生聯(lián)系的，這件事還要從它的特性說(shuō)起,。
前面提到的碳化硅固然能在800V以上的高壓平臺(tái)上大顯神通,，但它也有自己的局限性。首先就是成本難題,，要在碳化硅制造領(lǐng)域站穩(wěn)腳跟,，需要專用于碳化硅的昂貴設(shè)備：碳化硅晶圓的生長(zhǎng)溫度超過(guò) 2700℃，生長(zhǎng)速度至少比硅慢 200 倍,，而且需要消耗大量能源,。
形成鮮明對(duì)比的是，氮化鎵基本上可以使用與硅加工相同的設(shè)備,，其中氮化鎵外延晶片可以在其各自的基板上以 1000 至 1200℃ 的溫度生長(zhǎng)——而這還不到碳化硅的一半,。
除此之外，與碳化硅和硅相比,，氮化鎵器件在相同的額定電壓下,，每單位面積的導(dǎo)通電阻值要低得多，這也使得氮化鎵芯片和其封裝尺寸能夠做到更小,。且由于氮化鎵器件開(kāi)關(guān)快,，因此在可實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)頻率、縮小無(wú)源元件的情況下,，不需要依靠機(jī)械散熱,，就可以實(shí)現(xiàn)更小更輕的解決方案。
總而言之,，就是在性能不變的情況下,，氮化鎵功率器件能夠更小更輕。
Alex Lidow也談到了氮化鎵的優(yōu)良特性,，他表示,，不論是熱效率、集成度還是功率密度,，氮化鎵都遠(yuǎn)勝硅MOSFET,，已是近兩年功率器件發(fā)展的一大趨勢(shì),。
而在許多廠商所顧忌的價(jià)格上,，Alex Lidow以EPC的100V氮化鎵晶體管為例,，“實(shí)際上，低壓氮化鎵器件的價(jià)格一直與硅 MOSFET 相差無(wú)幾,，”他說(shuō)到,，“和具有類似導(dǎo)通電阻的硅MOSFET進(jìn)行價(jià)格對(duì)比，它們的價(jià)格處在中游,，由于它的優(yōu)良性能,，反而凸顯出了性價(jià)比?！?/p>
氮化鎵的這些特性讓它在擅長(zhǎng)的領(lǐng)域中表現(xiàn)出了驚人潛力,。Yole Group的報(bào)告指出，盡管 2023 年整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)下滑約 8.2%,，但功率氮化鎵收入?yún)s增長(zhǎng)了 41%,，其指出，這一增長(zhǎng)勢(shì)頭將在 2024 年繼續(xù),，增幅達(dá) 45%,，到 2025 年將加速至 65%，預(yù)計(jì) 2023-2029 年期間收入將以 46% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率 (CAGR) 增長(zhǎng),。
值得一提的是,，如此高的增長(zhǎng)速度之下，氮化鎵的市場(chǎng)應(yīng)用前景依舊非常廣闊,。
從數(shù)據(jù)中心,，到航天衛(wèi)星
在談到氮化鎵的市場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，Alex Lidow提出了一個(gè)很有意思的觀點(diǎn),，即現(xiàn)在的氮化鎵正處于1988年MOSFET所處的位置,，行業(yè)即將被顛覆的臨界點(diǎn)。
MOSFET當(dāng)初是如何取代最早的雙極晶體管的,，作為MOSFET技術(shù)的共同發(fā)明人,，經(jīng)歷了市場(chǎng)幾十年來(lái)變化的Alex Lidow，顯然是最有發(fā)言權(quán)的專家之一,。
他回憶道,，MOSFET 的第一個(gè)發(fā)展臨界點(diǎn)來(lái)自于臺(tái)式電腦，蘋(píng)果和 IBM 都采用了基于 MOSFET 的 AC-DC 電源,，而后,，用于高速繪圖儀的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和防抱死制動(dòng)系統(tǒng)也開(kāi)始廣泛應(yīng)用MOSFET，這些應(yīng)用迅速推動(dòng)了MOSFET的普及,。
“1988年,，得益于更高的產(chǎn)量和大量的資本投資，MOSFET 的生產(chǎn)成本已低于雙極晶體管，市場(chǎng)格局被徹底顛覆,，”Alex Lidow說(shuō)到,，“MOSFET 正式達(dá)到了臨界點(diǎn)，而這也正是氮化鎵如今所處的位置,?！?/p>
臺(tái)式電腦催生出了新的市場(chǎng)，最終推動(dòng)了MOSFET取代雙極晶體管,，而氮化鎵想要取代MOSFET,，又可以從哪些應(yīng)用方向著手呢？
首當(dāng)其沖的當(dāng)然是前文就已經(jīng)提到過(guò)的AI,，事實(shí)上,，包括AI數(shù)據(jù)中心在內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)，有望成為未來(lái)幾年氮化鎵最重要的增長(zhǎng)來(lái)源,，原因很簡(jiǎn)單,，AI推動(dòng)了對(duì)數(shù)據(jù)中心的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模迅速膨脹,，從幾千張GPU到幾十萬(wàn)張GPU,，對(duì)電源方面的需求空前龐大。
而更好的消息是,，包括數(shù)據(jù)中心在內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)所需器件的平均銷售價(jià)格 (ASP) 將高于消費(fèi)設(shè)備的平均銷售價(jià)格,，未來(lái)有望進(jìn)一步拉高氮化鎵市場(chǎng)的收入。
Alex Lidow表示,，目前全球各地正處于AI市場(chǎng)快速發(fā)展的初期階段,，特別是在AI電源供應(yīng)方面，每塊英偉達(dá)GPU都需要一個(gè)氮化鎵電源模塊,，光是今年,，EPC就已經(jīng)生產(chǎn)了超過(guò)100萬(wàn)個(gè)AI電源模塊。
“這僅僅是開(kāi)始,，不止是英偉達(dá),，AMD、阿里巴巴,、谷歌,、微軟、亞馬遜和Meta等公司都在建設(shè)AI服務(wù)器,，AI技術(shù)發(fā)展越快,，氮化鎵應(yīng)用的市場(chǎng)前景就越廣闊?！彼f(shuō)道,。
除了AI市場(chǎng)以外,，還有兩個(gè)氮化鎵應(yīng)用的重要領(lǐng)域，分別是是新能源汽車和人形機(jī)器人,。
盡管目前在700V以上的市場(chǎng),，碳化硅的使用更加主流，但在700V之下,，氮化鎵幾乎成了最優(yōu)解,，尤其是受電動(dòng)汽車熱潮及其對(duì)車載充電器和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的需求推動(dòng),，氮化鎵技術(shù)也有望大批量進(jìn)入汽車市場(chǎng),。
據(jù)了解，汽車廠商已經(jīng)在激光雷達(dá)中使用氮化鎵,，預(yù)計(jì)未來(lái)需求將繼續(xù)擴(kuò)大,，Yole Group 預(yù)測(cè)，到 2029 年,，汽車和移動(dòng)出行領(lǐng)域的氮化鎵收入可能超過(guò) 7.5 億美元,。
Alex Lidow在采訪中提到，目前宜普的氮化鎵技術(shù)被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)駕駛汽車的激光雷達(dá)傳感器中,，同樣也用于人形機(jī)器人的激光雷達(dá)傳感器,。此外，人形機(jī)器人中的電機(jī)數(shù)量可達(dá)40個(gè),，這些電機(jī)也依賴于宜普的氮化鎵技術(shù),。
“在人形機(jī)器人中，我們的氮化鎵技術(shù)無(wú)處不在,，例如機(jī)器人的眼睛是激光雷達(dá)系統(tǒng),，而激光雷達(dá)幾乎都使用氮化鎵，除此之外,，機(jī)器人的電機(jī)也需要高扭矩和高效率,，而氮化鎵技術(shù)也可以提供更高的效率?！?Alex Lidow說(shuō)道,。
目前激光雷達(dá)技術(shù)已不再僅限于自動(dòng)駕駛汽車，還擴(kuò)展到了無(wú)人機(jī),、智能城市和倉(cāng)庫(kù)等多個(gè)領(lǐng)域,，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，每一個(gè)激光雷達(dá)背后都意味著一個(gè)氮化鎵電源模塊,，其市場(chǎng)之廣闊可見(jiàn)一斑,。
除了以上幾大應(yīng)用之外，消費(fèi)電子領(lǐng)域仍然是氮化鎵最大的應(yīng)用市場(chǎng)之一,，采用氮化鎵技術(shù)的快速充電器已經(jīng)成為了相當(dāng)成熟的一種產(chǎn)品,，氮化鎵在這一市場(chǎng)中,，正在逐步擴(kuò)展至家用電器電源和智能手機(jī)的過(guò)壓保護(hù)裝置之中。
不難發(fā)現(xiàn),，與近一年來(lái)屢次受挫的碳化硅相比,，氮化鎵擁有著更高的增長(zhǎng)潛力，我們相信,，伴隨著技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展,，氮化鎵的應(yīng)用也會(huì)愈發(fā)廣闊，能在在寬禁帶半導(dǎo)體這一領(lǐng)域中拿下更多市場(chǎng)份額,。
未來(lái)可期的氮化鎵
如今,，我們談及氮化鎵發(fā)展時(shí)，已經(jīng)繞不開(kāi)由Alex Lidow所創(chuàng)辦的宜普,，作為氮化鎵功率器件廠商中的翹楚,，不僅在技術(shù)上占據(jù)著先發(fā)優(yōu)勢(shì)，也在市場(chǎng)中表現(xiàn)出了強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力,。
“GaN 正成為那些渴望保持領(lǐng)先地位公司的首選技術(shù),，” Alex Lidow 在接受采訪時(shí)表示?！拔覀冇?2010 年 3 月開(kāi)始量產(chǎn)首批氮化鎵系列器件,，比該領(lǐng)域的其他公司都要早，還率先在2014年推出了增強(qiáng)型技術(shù)和氮化鎵功率 IC,?！?/p>
而在市場(chǎng)方面，從收入結(jié)構(gòu)看,，截至2024年第三季度,，宜普有約50%收入來(lái)自DC-DC（電源轉(zhuǎn)換），30%來(lái)自雷達(dá),，20%來(lái)自電機(jī),；從應(yīng)用市場(chǎng)看，宜普約25%收入來(lái)自AI服務(wù)器,、25%來(lái)自航空航天,、30%來(lái)自汽車電子，剩下20%則涵蓋消費(fèi)電子,、工業(yè)等應(yīng)用,。
值得一提的是，由于近年來(lái)中國(guó)對(duì)于各種新技術(shù)的應(yīng)用程度非?？?，其中許多新產(chǎn)品都用到了氮化鎵器件，因而中國(guó)市場(chǎng)在宜普的發(fā)展規(guī)劃中也占據(jù)了非常重要的地位,。Alex Lidow表示：“從區(qū)域來(lái)看,，我們?cè)诿绹?guó)和中國(guó)的業(yè)務(wù)規(guī)模相當(dāng)大,，中國(guó)市場(chǎng)對(duì)我們尤為重要，因?yàn)樗鼘?duì)新技術(shù)的接受速度非?？?。”
盡管氮化鎵技術(shù)才剛剛起步,，僅在過(guò)去幾年才開(kāi)始投入商業(yè)化,，但它對(duì)比傳統(tǒng)的硅器件已經(jīng)表現(xiàn)出了無(wú)可爭(zhēng)議的優(yōu)越性，其未來(lái)一片光明,，宜普作為這一市場(chǎng)的最早參與者之一,，勢(shì)必要爭(zhēng)一爭(zhēng)鰲頭。
Alex Lidow對(duì)此表現(xiàn)得非常自信,，“EPC的氮化鎵器件擁有市場(chǎng)上最高的性能,，沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手能夠與我們的效率匹敵，”他說(shuō)到,，“我們每年都在改進(jìn)產(chǎn)品，并且改進(jìn)速度比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手快得多,，只要技術(shù)保持領(lǐng)先,，那么我們能保證競(jìng)爭(zhēng)中的優(yōu)勢(shì)。
