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作者丨许子皓
编辑丨张心怡
美编丨马利亚
监制丨连晓东
近期，汽车芯片市场走势低迷引起宽禁带半导体市场震荡不断，持续高涨的AI市场成了宽禁带半导体企业的救命稻草。英飞凌、德州仪器、纳微、瑞萨、宜普等领军企业纷纷调整布局，将砝码投向AI数据中心。
英飞凌的员工展示其生产的300mm氮化镓功率半导体晶圆技术。
宽禁带半导体为AI增效
当前，AI对算力的需求持续高涨，除了不断提高数据中心中的AI服务器性能，更需要注意的是如何应对逐渐攀升的功耗。据了解，英伟达的H100功耗达到了700W，而之后将推出的B100功耗还会再增加40%，单颗GPU功耗可达1000W以上。有数据显示，未来数十年内，数据中心的能源消耗将会高速增长。到2050年，数据中心将成为能源消耗大户，所使用的能源预计将占全球总消耗的14%。“大型计算基础设施运行所需的电能日益增加，需要更高功率、更高能效的电力电子设备去支撑。给AI处理器供电最高效的选择就是氮化镓和碳化硅等宽禁带半导体。”深圳基本半导体有限公司总经理和巍巍告诉《中国电子报》记者。
纳微的AI数据中心电源路线图碳化硅和氮化镓作为宽禁带半导体的“门面”，具备宽禁带、高导热率、高击穿场强、高饱和电子迁移率的物理特性，能耐高压、高温、高频，满足高效率、小型化和轻量化的场景要求。随着技术的不断升级，宽禁带半导体的性能被进一步开发，二者已经不再局限于新能源汽车和消费电子市场，而是向AI数据中心领域强势“破圈”。
据了解，在氮化镓和碳化硅器件出现之前，电压转换都是由IGBT（绝缘栅双极型晶体管）和MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）硅基功率器件完成的。碳化硅和氮化镓更高效，降低了能源转换中的损耗，因此是满足AI数据中心日益增长的能源需求的理想选择。
宜普电源转换公司首席执行官兼联合创始人Alex Lidow在接受《中国电子报》专访时表示：“AI数据中心所消耗的能源逐月增加。为AI 处理器供电，需要将输入的高电压转换为低电压，中间要经过多个阶段，把电压从大约220伏一直降到0.5伏。碳化硅通常用于高电压场景。AI处理器供电第一阶段的电压转换，即从220伏到48伏，既用到了碳化硅器件，也用到了氮化镓器件。之后，将电压从48伏降至0.5伏这个阶段，则完全可以由氮化镓完成。”
碳化硅、氮化镓各有千秋
在AI数据中心领域，碳化硅和氮化镓都有自己的“舒适区”和降功耗的手段。碳化硅具有极小的反向恢复损耗，可以有效降低能耗，因此主要应用在AI服务器电源的PFC（功率因数校正）中，现在多数企业都在采用碳化硅二极管替代硅二极管，碳化硅MODFET替代硅MOSFET。而氮化镓主要得益于其栅极电容和输出电容对比硅更小，导通电阻较低，反向恢复电荷很小，因此开关损耗和导通损耗较低。所以氮化镓主要应用在服务器电源的PFC和高压DC/DC（直流转直流电源）部分，用氮化镓MOSFET替代硅MOSFET。
2021年-2027年(预测)碳化硅功率器件各细分领域市场占比
半导体行业专家张先扬向《中国电子报》记者介绍道：“根据不同的应用场景选用不同的方案，在AC/DC（交流转直流电源）部分，当工作频率高于200KHz，或者对轻载至半载效率有要求，则优先选用氮化镓；如果环境干扰比较大，则选择碳化硅更加合适。在DC/DC部分，在12~48V工作电压环境下，优先选用氮化镓，而在高压环境下，则选择碳化硅更合适。”特别是在服务器电源的PFC中，碳化硅MOSFET具有的高频特性，可以起到高效率、低功耗的效果，提升服务器电源的功率密度和效率，缩小数据中心的体积，降低数据中心的建设成本，同时实现更高的环保效率。据悉，如果全球数据中心的电源和散热系统均采用碳化硅 MODFET替代硅MOSFET，所节约下来的能源可以为纽约曼哈顿供电一整年。氮化镓在数据中心场景的低电压应用也在不断提升。近几年，氮化镓技术一直在突破，所带来的效率提升，有助于数据中心降低成本，大幅降低电费，达到碳中和、碳达峰的要求。
2021年—2027年（预测）氮化镓功率器件各细分领域市场营收数据
宜普公司认为，当前氮化镓在AI服务器市场的总规模约为10亿美元。在未来几年内，这一市场将以每年约40%的速度持续增长。各大厂商持续增资近期，受汽车市场影响，多家宽禁带半导体企业业绩遇冷，但随着AI数据中心市场的不断扩大，德州仪器、英飞凌、瑞萨、罗姆、宜普等企业并没有放弃对宽禁带半导体的投资，都宣布了最新进展。
英飞凌200毫米碳化硅功率半导体晶圆厂的效果图英飞凌在马来西亚启动其有史以来最大的功率芯片工厂的生产。若能在未来五年内达到满负荷生产，它将成为世界上最大的碳化硅工厂。英飞凌表示，公司正在关注可再生能源领域和AI数据中心等电气化应用的需求。
氮化镓的过渡期即将到来
英飞凌还公布了新的AI数据中心电源路线图，计划推出8kW和12kW的超高功率服务器电源解决方案，简化AI服务器的供电设计，以满足AI服务器对电力的强劲需求。
据了解，这两款电源均将混合使用硅、氮化镓、碳化硅三类晶体管开关，以实现100W/in³的高功率密度和97.5%的高转换效率。“宽禁带半导体在AI数据中心的主要应用是服务器电源模块，宽禁带技术将推动电力电子器件提高效率、提高密度、缩小尺寸、减轻重量、降低总成本，因此将在数据中心等应用场景中为能效提升作出贡献。”英飞凌科技电源与传感事业部大中华区应用市场总监程文涛向《中国电子报》记者指出。
罗姆一直致力于在中等耐压范围开发具有高频工作性能的氮化镓器件，为各种应用提供更广泛的电源解决方案。罗姆半导体（北京）有限公司技术中心总经理水原德健向《中国电子报》记者表示，目前，罗姆已确立150V耐压氮化镓产品的量产体系，适用于基站、数据中心等工业设备和各种物联网通信设备的电源电路。
纳微则采用其GaNSafe和Gen-3 Fast碳化硅技术，发布了最新的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%。纳微表示，其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，例如亚马逊云、微软云、谷歌等头部厂商，预计将在2025年为纳微带来数百万美元的营收增长，预计用于AI数据中心的电源方案有望于年底实现小批量生产。
台积电也十分看好氮化镓的发展前景，台积电研发资深处长段孝勤表示，台积电在化合物半导体领域专注于氮化镓相关开发，历经长期的发展，氮化镓已逐渐被市场接受，预计未来十年将有更多应用场景。据了解，台积电在氮化镓的五个主要应用场景包含数据中心、快充、太阳能电力转换器、48V DC/DC以及电动车OBC/转换器。
