近期，汽車芯片市場走勢低迷引起寬禁帶半導體市場震蕩不斷，持續(xù)高漲的AI市場成了寬禁帶半導體企業(yè)的救命稻草。英飛凌、德州儀器、納微、瑞薩、宜普等領軍企業(yè)紛紛調整布局，將砝碼投向AI數(shù)據(jù)中心。

寬禁帶半導體為AI增效

當前，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服務器性能，更需要注意的是如何應對逐漸攀升的功耗。據(jù)了解，英偉達的H100功耗達到了700W，而之后將推出的B100功耗還會再增加40%，單顆GPU功耗可達1000W以上。有數(shù)據(jù)顯示，未來數(shù)十年內，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，所使用的能源預計將占全球總消耗的14%。

“大型計算基礎設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體。”深圳基本半導體有限公司總經(jīng)理和巍巍告訴《中國電子報》記者。

碳化硅和氮化鎵作為寬禁帶半導體的“門面”，具備寬禁帶、高導熱率、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。隨著技術的不斷升級，寬禁帶半導體的性能被進一步開發(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，電壓轉換都是由IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）和MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）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。”

碳化硅、氮化鎵各有千秋

在AI數(shù)據(jù)中心領域，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損耗，可以有效降低能耗，因此主要應用在AI服務器電源的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，導通電阻較低，反向恢復電荷很小，因此開關損耗和導通損耗較低。所以氮化鎵主要應用在服務器電源的PFC和高壓DC/DC（直流轉直流電源）部分，用氮化鎵MOSFET替代硅MOSFET。

半導體行業(yè)專家張先揚向《中國電子報》記者介紹道：“根據(jù)不同的應用場景選用不同的方案，在AC/DC（交流轉直流電源）部分，當工作頻率高于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用也在不斷提升。近幾年，氮化鎵技術一直在突破，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，達到碳中和、碳達峰的要求。

宜普公司認為，當前氮化鎵在AI服務器市場的總規(guī)模約為10億美元。在未來幾年內，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體的投資，都宣布了最新進展。

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)。若能在未來五年內達到滿負荷生產(chǎn)，它將成為世界上最大的碳化硅工廠。英飛凌表示，公司正在關注可再生能源領域和AI數(shù)據(jù)中心等電氣化應用的需求。

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的超高功率服務器電源解決方案，簡化AI服務器的供電設計，以滿足AI服務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，以實現(xiàn)100W/in?的高功率密度和97.5%的高轉換效率。

“寬禁帶半導體在AI數(shù)據(jù)中心的主要應用是服務器電源模塊，寬禁帶技術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)中心等應用場景中為能效提升作出貢獻。”英飛凌科技電源與傳感事業(yè)部大中華區(qū)應用市場總監(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，為各種應用提供更廣泛的電源解決方案。羅姆半導體（北京）有限公司技術中心總經(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)設備和各種物聯(lián)網(wǎng)通信設備的電源電路。

納微則采用其GaNSafe和Gen-3 Fast碳化硅技術，發(fā)布了最新的CRPS185 4.5kW AI數(shù)據(jù)中心服務器電源方案，功率密度達137W/in?，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，預計將在2025年為納微帶來數(shù)百萬美元的營收增長，預計用于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體領域專注于氮化鎵相關開發(fā)，歷經(jīng)長期的發(fā)展，氮化鎵已逐漸被市場接受，預計未來十年將有更多應用場景。據(jù)了解，臺積電在氮化鎵的五個主要應用場景包含數(shù)據(jù)中心、快充、太陽能電力轉換器、48V DC/DC以及電動車OBC/轉換器。