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从欢呼声到质疑声，GaN（氮化镓）近几年在功率半导体市场并非一路坦途，中间呈现出些许“雷声大雨点小”的态势，但GaN巨大的应用潜力一直毋庸置疑，用心挖掘其技术潜能并认真耕耘市场的企业深知，GaN只是还没到绽放的时机。
而当下多种迹象逐渐证明，GaN将迎来华丽转身，如今的走向与当初看似消极的局面相比已是云泥之别。
01、消费电子市场走向成熟，GaN初闯高功率市场受挫
GaN（氮化镓）和SiC（碳化硅）同为性能优异的宽禁带半导体材料，二者在击穿电场、高温性能、高功率处理能力以及化学稳定性等方面存在共同之处，但相比之下，GaN在开关频率和能效上更加突出，因此更适合高频应用领域，有助于实现高效功率转换、减少开关损耗、降低热耗散、缩小元件尺寸等。
按应用划分，GaN主要面向光电子、射频通讯、功率半导体三大应用领域，对应消费电子、无线通信、数据中心、汽车、航空航天、国防军工等细分场景。其中，光电子是GaN最快普及的应用，至今已有很多年的发展历史，但GaN真正“火”起来是在近几年的功率半导体市场，并首先崛起于消费电子快充应用。
根据TrendForce集邦咨询《2024全球GaN Power Device市场分析》数据显示，2020年全球GaN功率半导体市场规模为0.5亿美金，至2022年成长至1.8亿美金，年复合增长率约53%。其中，2022年的市场规模相比2021年大幅增长了125%。
也就是在这一年，GaN高速渗透快充市场，并开始向家电、智能手机等其他消费场景拓展；与此同时，新能源汽车、光储充、数据中心等产业的迭代升级，使得GaN作为更为符合新需求的理想材料之一亦被寄予了厚望。在此背景下，GaN厂商从低功率朝向高功率市场延伸便顺理成章。
然而，据集邦化合物半导体观察，一方面，快充、适配器等消费电子市场不断成熟，可供厂商发挥的空间、可分的“蛋糕”持续缩小；另一方面，在汽车、数据中心等高功率应用领域，由于技术可靠性、成本等问题，多数GaN厂商处于产品研发、验证、送样、项目合作阶段，真正落地的案例鲜少，这也侧面反映GaN打开高功率市场需更多的技术和时间沉淀。
02、GaN产业步入整合期，量到质的改变开始显现
为了突破高压大功率市场，不少厂商开始尝试新结构、新工艺路线，其中包括有望全面解锁GaN优良特性的垂直GaN元件，但这条路并不好走。随着时间的推移，各家厂商面临前期大量投入难以兑现的压力，而持续创新的研发投入需求则带来了资金的压力，多方面承压之下，退场者随之出现。
据集邦化合物半导体不完全统计，今年1-3月，美国垂直GaN器件厂NexGen Power Systems与Odyssey Semiconductor相继宣布倒闭、破产。 同样地，GaN头部厂商也面临更进一步发展以及长远立足的难题，于是有了GaN Systems并入功率半导体大厂英飞凌（Infineon），Transphorm并入全球半导体芯片大厂瑞萨电子（Renesas），Odyssey Semiconductor并入Power Integrations（PI）。
虽然没有出现产能过剩或恶性价格战等现象，但GaN功率半导体市场显然也进入了一轮洗牌调整期。从并购、倒闭破产案可见，未来能够驰骋GaN“沙场”的定是具备过硬综合竞争力的厂商，这其实对于GaN产业而言利大于弊，因为优势资源的不断集中有利于推动技术加快产业化，实现量产应用。
在供应链资源大整合之际，厂商的技术沉淀与项目开发进展也到了一个新的阶段，随之而来的便是GaN技术逐步从量到质的改变。据集邦化合物半导体了解，经过几年的技术储备，GaN相关厂商目前在消费电子增量市场、电动汽车、光储充、数据中心等市场都取得了更多实质性的进展，并逐步收获成果。
以汽车和新能源应用为例，纳微半导体（Navitas）2023年针对车载OBC及路边充电桩场景引入新的GaNSafe™技术（配合其SiC技术），截至今年第二季度，纳微22kW车载充电机（OBC）方案已有15个客户项目在推进至评审阶段，其预计电动汽车领域将在2025年底获得首批由GaN技术带来的收入。
在太阳能/储能市场，纳微此前已打入美国前五大太阳能设备制造商中三家的供应链，截至今年第二季度，纳微已有6个相关的客户项目推进至评审阶段，预计将于明年在美国实现GaN基微型逆变器的量产。
国内厂商中，镓未来（GaNext）实现了国产GaN突破光伏微逆市场，其集成型Cascode 技术GaN功率器件设计已用在微型逆变器龙头厂商的2000W新型逆变器中；氮矽科技也与全球头部逆变器设计公司及知名制造商建立了战略合作关系，共同开发一款基于GaN技术的新一代微型逆变器。
汽车应用方面，氮矽科技今年发布了一款超高开关频率（>100MHz）驱动芯片，适用于高速汽车激光雷达系统；同时，该公司正在推进多款100V集成驱动产品的车规级验证，这些产品主要适用于车载无线充和DC-DC；镓未来目前也正在推进产品的车规级认证，同步与车厂展开相关项目研究；IDM厂商能华微则在推进1200V产品的车规级认证······
03、AI数据中心、人形机器人等引燃，GaN“上大分”
数据中心领域也是近几年GaN厂商重点耕耘的方向之一，从相关厂商的进展可见，GaN在数据中心电源市场的应用已经迈出了一大步，而AI技术的兴起为该市场再添了一把火。
在AI生态中，数据中心对高速运算和电力都有着庞大的需求。根据TrendForce集邦咨询调查，NVIDIA（英伟达）Blackwell平台将于2025年正式放量，取代既有的Hopper平台，成为NVIDIA高端GPU（图形处理器）主力方案，占整体高端产品近83%。在B200和GB200等追求高效能的AI Server机种，单颗GPU功耗可达1,000W以上。
面对高涨的功率需求，每个数据中心机柜的功率规格将从30-40kW推高至100kW，对于数据中心电源系统来说挑战极大，而GaN与液冷技术的结合，将成为提升AI 数据中心能效的关键。芯片功耗的大幅上升需要服务器拥有更高的功率密度和效能，GaN能够降低损耗、提高功率密度，已被视为AI数据中心优化能源效率的关键技术之一，吸引了英飞凌、德州仪器（TI）、纳微、英诺赛科、Transphorm、能华微、氮矽科技、镓未来等大批GaN玩家加入布局阵列。其中，纳微和英飞凌均公布了AI数据中心电源技术路线图，表明抢占该市场制高点的决心。
英飞凌AI数据中心电源路线图英飞凌融合Si、SiC以及GaN的独特优势，已推出输出功率为3 kW和3.3 kW的PSU，8 kW PSU预计将于2025年第一季度上市，全新8 kW PSU支持最高输出功率达300 kW或以上的AI机架。与3 kW PSU的32 W/in³ 相比，其效率和功率密度提升至100 W/in³，进一步缩小了系统尺寸并节省了运营商的成本。以GaN技术来看，英飞凌的CoolGaN™ 解决方案可为PFC拓扑提供超过99%的系统效率。
此外，英飞凌收购的GaN Systems则早在2022年就发布了3.2kW AI服务器电源供应器，并于2023年推出第四代GaN平台，效率超过钛金级能效标准，功率密度从100W/in3提升至120W/in3。因此，双方结合后在GaN领域产生的效应备受看好。纳微去年全新GaNSafe™和Gen-3 Fast碳化硅技术以及纳微专用设计中心已设计完成4.5kW CRPS，实现传统硅解决方案两倍以上功率密度。在此基础上，纳微7月发布全新的CRPS185 4.5kW AI数据中心服务器电源方案，功率密度达137W/in³，效率超97%。
纳微AI数据中心电源路线图纳微透露，3.2kW和4.5kW电源方案已有超过60个数据中心客户项目正在研发中，预计将在2024-2025年间为纳微GaN和SiC的营收带来数百万美元的增长。据集邦化合物半导体进一步了解，纳微预计用于AI数据中心电源方案有望于年底实现小批量生产。面对AI服务器兴起创造的商机，GaN厂商显然加快了步伐。
除了英飞凌和纳微之外，其他厂商也在通过各自的发展路线闷声谋大事，如TI、EPC（宜普电源转换）、能华微、镓未来、氮矽科技等。 TI早在2021年便与全球最大的服务器电源供应商台达（市占率近5成）就数据中心服务器电源达成合作，基于其GaN技术和C2000™ MCU实时控制解决方案，为数据中心开发设计高效、高功率的企业用服务器电源供应器（PSU）。基于长期的合作伙伴关系，双方在AI服务器电源市场的合作成果将备受期待。
镓未来已与知名院校达成合作，由其提供理论依据和技术支持，共同完成 3.5kW 无风扇服务器电源的开发,通过两相交错图腾柱 PFC及 LLC实现高效率和高功率密度48V电源方案。镓未来指出，AI 服务器与传统服务器相比具有功率等级高且长时间满载工作的特性，对于电源的转换效率要求更高，因此采用GaN器件的图腾柱PFC拓扑将是最优选择。
产品开发方面，EPC将在本月底的PCIM Asia展会展示最新一代GaN FET和IC，涵盖包括AI服务器、机器人等在内的各种实际应用；氮矽科技多款相关产品已送样国内头部知名企业，并完成了相关的可靠性测试；能华微1200V GaN产品也已经送样知名服务器电源厂，正在进行可靠性评估。
事实上，不止AI数据中心服务器，更多新兴市场正在为GaN产业注入活力，如今年发展一样如火如荼的人形机器人等电机驱动产业。人形机器人的系统主要由传感系统、控制系统、电机系统以及电池系统四部分构成，而GaN的“用武之地”包括激光雷达系统、电机控制器、DC-DC转换器及电池BMS。其中，电机驱动扮演关键角色。TrendForce集邦咨询研究显示，由于自由度急剧上升，人形机器人对电机驱动器的需求量大幅增加，为了获得更高的爆发力，需要配置高功率密度、高效率、高响应的电机驱动器，而GaN能够满足这些需求，还可以在热管理、紧凑设计等方面提高人形机器人的整体性能，优化整体设计。
据悉，西门子、安川电机、Elmo等已经在机器人电机中导入了GaN技术，而GaN产业链也正摩拳擦掌。据集邦化合物半导体了解，TI、EPC、Transphorm、英诺赛科、纳微、能华微等正在推动GaN于电机驱动领域的应用。其中，Transphorm已为安川电机的新型伺服电机提供了GaN FET 产品。TrendForce集邦咨询表示，未来的机器人定会超乎想象，而精确、快速和强大的运动能力是其中之关键，驱动其运动所需的电机也势必随之进步，GaN将因此受益。
综合当前厂商频繁的动作来看，AI数据中心、人形机器人等新兴产业无疑引燃了GaN市场，相关厂商多年的储备和积累可望加快变现。譬如，英飞凌预估来自AI电源领域的营收将在2025财年实现同比翻番，同时将在2-3年内突破10亿欧元。
04、GaN功率半导体产业提速，谁将占据龙头宝座？
短期而言，消费电子市场仍将是功率GaN的主舞台，并且，家电、智能手机等更多消费电子应用正在为GaN提供新的发展空间。但长期而言，电动汽车、数据中心等将成为GaN更重要的增长引擎。
据TrendForce集邦咨询最新报告《2024全球GaN Power Device市场分析》显示，长远来看，GaN功率半导体市场的主要动力将来自电动汽车、数据中心、电机驱动等场景，受此驱动，全球GaN功率元件市场规模预估从2023年的2.71亿美金左右上升至2030年的43.76亿美金，年复合年增长率（CAGR）高达49%。其中，非消费类应用的比例预计将从2023年的23%上升至2030年的48%。
足见，电动汽车、数据中心、电机驱动等应用动能强劲，GaN功率半导体市场未来可期，这也侧面解释了英特尔（Intel）、台积电（TSMC）等集成电路赛道的大厂同样青睐GaN的原因。其中，英特尔去年底就透露已集成CMOS硅晶体管与GaN功率晶体管，用于高度集成的48V设备。从区域市场层面观察，GaN正在吸引更多的战略投资。
以中国香港为例，该地在7月底启动了首条超高真空GaN外延片中试线，由香港科技园公司与GaN外延技术商麻省光子技术(香港)有限公司联合于7月底举行了启动仪式，麻省光子技术预计将在香港投资至少2亿港元，带动当地化合物半导体产业发展。可以预见，未来会有更多玩家和资金涌入GaN功率半导体领域，而市场竞争也将逐步激烈化。
然而，市场格局目前扑朔迷离，未来谁能占据龙头宝座仍是未知数。TrendForce集邦咨询指出，从产业发展进程来看，Fabless（无晶圆厂）公司在过去一段时间里表现较为活跃，但随着产业不断整合以及应用市场逐步打开，未来传统IDM大厂的话语权有望显著上升，为产业格局的未来图景带来新的重大变数。当前，从商业模式划分，GaN玩家包括英飞凌、瑞萨（Transphorm）等传统综合型的IDM（集成器件制造）大厂，PI、纳微、EPC等Fabless设计厂，英诺赛科、能华微等专业型IDM厂。
在消费电子应用仍占大比重的背景下，英诺赛科占据较大的市场份额，加上其努力推广工业应用，整体市占率位居前列。据TrendForce集邦咨询数据显示，2023年GaN功率半导体市占率前五大厂商分别是英诺赛科、PI、纳微、EPC、英飞凌。而数据中心、电机驱动、电动汽车、光伏逆变器等更高功率的应用对厂商的集成整合能力以及产业链协同效应等各方面提出了更高的要求，因此，英飞凌、瑞萨、TI等传统IDM厂商，以及TI等在这方面的优势将逐步显现。
据集邦化合物半导体观察，作为全球最大的功率半导体以及车用半导体厂商，目前英飞凌正在充分发挥和融合Si、SiC以及GaN的独有优势，技术创新与集成能力以及综合成本优势有望逐步凸显。Fabless厂商中，纳微也在发挥其在SiC、GaN以及驱动技术的集成能力和协同优势，筑高自身的竞争壁垒。而英诺赛科、能华微等专业型厂商技术专注度高、创新速度快、决策链条短、市场灵活性高，能够以深厚的技术积累，适时调整产品线和业务战略，快速响应GaN市场新需求。
综合而言，不同模式下的厂商实力与水平各有千秋，布局策略和发展路线也有所不同，目前在新兴应用赛道上各方都处于前期起跑蓄力阶段，胜负未分。不过，英飞凌、TI等厂商今年明显向GaN倾注了更多资源，均展现出勇夺龙头宝座之势。
未来，GaN功率半导体的“天平”将倾向哪一方？答案或许将随之市场的打开逐步揭晓。
集邦化合物半导体 陈佳纯
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