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(chē)、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(chē)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(lèi)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(xiāo)售價(jià)格 (ASP) 將高于消費(fèi)設(shè)備的平均銷(xiāo)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。”他說(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(chē)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(chē)熱潮及其對(duì)車(chē)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(chē)市場(chǎng)。
據(jù)了解，汽車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)，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。“我們于 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(chē)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)的接受速度非常快?！?/p>
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)。
