搭上AI快車(chē),第三代半導體要起飛了?

作者 | 發(fā)布日期 2024 年 06 月 26 日 14:29 | 分類(lèi) 企業(yè)

第三代半導體功率器件主要以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表,具備高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射能力強等優(yōu)越性能。

其中,SiC功率器件應用領(lǐng)域廣泛,新能源汽車(chē)已成為其主要應用市場(chǎng)之一。與硅基器件相比,SiC功率器件能更好地滿(mǎn)足高壓快充需求,助力新能源汽車(chē)延長(cháng)續航里程、縮短充電時(shí)長(cháng)、提高電池容量、實(shí)現車(chē)身輕量化。

目前,特斯拉、比亞迪、理想、蔚來(lái)、小米等全球多家車(chē)企的熱門(mén)車(chē)型均已搭載使用SiC器件。隨著(zhù)SiC技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)能擴張,帶動(dòng)良率提升和成本下降,SiC功率器件有望在新能源汽車(chē)領(lǐng)域加速滲透,向高中低端車(chē)型普及應用。

除新能源汽車(chē)外,SiC的潛力應用市場(chǎng)還包括工業(yè)、光儲充、軌道交通等領(lǐng)域,并有望在相關(guān)領(lǐng)域內實(shí)現較快增長(cháng)。

GaN器件可以實(shí)現更高的系統效率、更少的功率損耗和更小的模塊體積,廣泛應用于低功率消費電子市場(chǎng),并正在逐步向汽車(chē)、高功率數據中心、光伏逆變器、通信電源等應用場(chǎng)景滲透。

整體來(lái)看,SiC、GaN具有光明的發(fā)展前景以及廣闊的應用空間。據TrendForce集邦咨詢(xún)研究,2023年全球SiC功率器件市場(chǎng)規模約30.4億美元,至2028年有望上升至91.7億美元,CAGR達25%;而全球GaN功率器件市場(chǎng)規模將從2022年的1.8億美金增長(cháng)到2026年的13.3億美金,CAGR高達65%。

而AI技術(shù)的持續突破,使其逐步從作為行業(yè)發(fā)展的有益補充,轉變?yōu)楫a(chǎn)業(yè)數字化智能化轉型的核心競爭力。未來(lái),AI有望像水和電一樣,賦能千行百業(yè),促進(jìn)社會(huì )的進(jìn)步與發(fā)展。

作為當前備受關(guān)注的兩大賽道,以SiC、GaN為代表的第三代半導體和AI將會(huì )碰撞出怎樣的火花?

01、AI賦能第三代半導體

近年來(lái),深度學(xué)習、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )等技術(shù)的廣泛應用使得AI在圖像識別、語(yǔ)音識別、自然語(yǔ)言處理等領(lǐng)域達到了甚至超越人類(lèi)的水平。目前,AI在諸如醫療、金融、教育等傳統行業(yè)的應用取得了顯著(zhù)成果。
那么,既然AI如此強大,能否將相關(guān)技術(shù)用于正在蓬勃發(fā)展的第三代半導體等前沿領(lǐng)域?答案是肯定的,事實(shí)上,業(yè)內很早就已開(kāi)始了相關(guān)探索。

早在2021年11月,日本名古屋大學(xué)的宇治原徹教授等人開(kāi)發(fā)出了利用AI高精度制造新一代半導體使用的SiC結晶的方法。這種方法能將結晶缺陷數量降至原來(lái)百分之一,提高了半導體生產(chǎn)的成品率。這一技術(shù)突破,在一定程度上顯示了AI在SiC產(chǎn)業(yè)的應用潛力。

既然如此,在SiC、GaN等第三代半導體產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節探索AI技術(shù)應用,也有望獲得相應的提升。
在半導體芯片設計過(guò)程中,AI技術(shù)能夠預測和解決設計流程中的問(wèn)題,有助于提高設計的精確性與效率,并縮短設計周期。對于SiC、GaN等第三代半導體而言,同樣可以進(jìn)行相關(guān)應用研究,以期在芯片設計方面獲得回報。

而在半導體生產(chǎn)領(lǐng)域,AI技術(shù)的滲透進(jìn)展較快。2021年,半導體設備企業(yè)AMAT便推出了基于大數據和AI的ExtractAI。據了解,由應用材料公司數據科學(xué)家開(kāi)發(fā)的ExtractAI技術(shù)解決了艱巨的晶圓檢測問(wèn)題。

在此基礎上,國內部分SiC檢測設備廠(chǎng)商也進(jìn)行了相關(guān)研究,并有成果產(chǎn)出。例如,大連創(chuàng )銳光譜科技有限公司(下文簡(jiǎn)稱(chēng)創(chuàng )銳光譜)在去年12月推出了SiC襯底晶圓位錯無(wú)損檢測專(zhuān)用設備SIC-SUB-9900。結合AI識別,可對襯底晶圓中的BPD、TSD、TED等缺陷實(shí)現精準的識別和分類(lèi)(以目前行業(yè)中廣泛應用的堿液腐蝕法的結果為參照,識別準確率達到90%以上)。

華工科技產(chǎn)業(yè)股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)華工科技)則將傳統算法與AI算法結合,使得SiC襯底外觀(guān)缺陷檢測智能裝備能夠檢測十余種常態(tài)/非常態(tài)缺陷,將缺陷成像清晰度較傳統方式提升25%,并且運算能力也提升了45%,在提升成像質(zhì)量的同時(shí)保證檢測速度不降速,讓缺陷更易識別。

伴隨著(zhù)創(chuàng )銳光譜、華工科技等廠(chǎng)商SiC檢測設備的推廣應用,AI技術(shù)在SiC產(chǎn)業(yè)的影響力有望進(jìn)一步提升,并通過(guò)產(chǎn)生的增益效果帶動(dòng)更多廠(chǎng)商加入SiC產(chǎn)業(yè)甚至是整個(gè)第三代半導體產(chǎn)業(yè)鏈的AI應用研究行列。

綜合來(lái)看,AI可以用來(lái)增強化合物半導體企業(yè)內部的運營(yíng)與管理、客戶(hù)服務(wù)、辦公流程優(yōu)化等。同時(shí),AI在數據分析、機器學(xué)習等方面的強大能力,能夠加速化合物半導體新材料的篩選和設計過(guò)程,從而降低研發(fā)周期和成本。AI的應用,有望推動(dòng)化合物半導體產(chǎn)業(yè)智能化升級。

02、第三代半導體助推AI騰飛

在A(yíng)I技術(shù)推動(dòng)第三代半導體產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展的同時(shí),SiC、GaN的身影也越來(lái)越頻繁的出現在A(yíng)I領(lǐng)域。SiC、GaN材料適合制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件,能有效提高系統的效率,隨著(zhù)AI在功能、功耗等方面提出更高的要求,SiC、GaN的應用優(yōu)勢正在逐步顯現。

其中,伴隨著(zhù)AI的蓬勃發(fā)展,數據中心對電力的需求高速成長(cháng),激增的用電量促使數據中心運營(yíng)商亟需尋找創(chuàng )新電力解決方案。而SiC 、GaN功率器件能夠帶來(lái)更高的效率水平,效率提高意味著(zhù)能源損耗減少,設備也能減少過(guò)熱情形,進(jìn)而可以減少散熱設備投入,降低系統成本?;诖?,SiC 、GaN成為數據中心優(yōu)化能源效率的關(guān)鍵技術(shù)之一,SiC 、GaN功率器件在數據中心電力系統中的應用有望加速。

產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展方面,英飛凌近日擴展了其SiC MOSFET產(chǎn)品線(xiàn),推出電壓低于650V的新產(chǎn)品,以滿(mǎn)足AI服務(wù)器電源的需求。

納微半導體則在今年3月公布了其AI數據中心技術(shù)路線(xiàn)圖,為滿(mǎn)足預計在未來(lái)12-18月內增長(cháng)的AI處理器功率需求,路線(xiàn)圖中的產(chǎn)品功率將提高3倍。

據悉,類(lèi)似NVIDIA的“Grace Hopper”H100這樣的高性能AI處理器目前功率要求已達700W,下一代“Blackwell”B100和B200芯片預計將在明年增加到1000W或更高。

為了滿(mǎn)足AI處理器功率增長(cháng),納微正在開(kāi)發(fā)從3kW提升到10kW的服務(wù)器電源平臺。2023年8月,納微推出3.2kW數據中心電源平臺,采用最新的GaN技術(shù),功率密度超過(guò)100W/in3,效率超過(guò)96.5%?,F在,納微又發(fā)布了一個(gè)4.5kW平臺,該平臺由GaN和SiC相結合,可將功率密度提高到130W/in3以上,效率超過(guò)97%。

此外,很多AI應用都涉及到高速的實(shí)時(shí)數據通信,如智能交通、智能家居和智能港口等,針對這類(lèi)應用場(chǎng)景,基于GaN技術(shù)的通訊芯片有望獲得導入機會(huì ),進(jìn)而助推AI進(jìn)一步延伸應用領(lǐng)域。

目前來(lái)看,SiC、GaN在A(yíng)I服務(wù)器的應用有望率先獲得突破,進(jìn)而推動(dòng)包括AIGC在內的AI產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)一步發(fā)展。未來(lái),SiC、GaN有望在A(yíng)I領(lǐng)域內持續拓展應用場(chǎng)景。

03、總結

盡管AI技術(shù)在半導體領(lǐng)域的應用進(jìn)程仍然處于早期階段,產(chǎn)業(yè)化成果較少,但這些為數不多的進(jìn)展,已然能夠讓業(yè)界清晰地感知到AI有望成為半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一股強大動(dòng)力。

尤其是在SiC材料價(jià)格戰即將打響、行業(yè)聚焦降本增效的關(guān)鍵時(shí)刻,AI技術(shù)應用帶來(lái)的良率提升、成本下降等方面的積極意義將會(huì )體現的更加充分?;诖?,AI在SiC產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節的參與度將會(huì )持續提升,并向GaN領(lǐng)域延伸。

在A(yíng)I助推第三代半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時(shí),SiC和GaN也正在成為AI產(chǎn)業(yè)騰飛的雙翼。AI的飛速發(fā)展,對提供支撐的數據中心等設施性能要求越來(lái)越高,而SiC、GaN器件以其優(yōu)秀的表現,正在成為相關(guān)設施迭代升級的突破口,部分國際功率器件大廠(chǎng)正在為此積極努力,持續研發(fā)新一代產(chǎn)品,助推AI產(chǎn)業(yè)更加穩健地發(fā)展。

目前,以SiC、GaN為代表的第三代半導體和AI都在不斷拓展應用邊界,向更多領(lǐng)域滲透,二者將會(huì )有越來(lái)越多的交集,協(xié)同發(fā)展已是大勢所趨。(集邦化合物半導體Zac)

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