新型半導(dǎo)體技術(shù)可能有助于推動(dòng)人工智能

用于工業(yè)、汽車、計(jì)算和消費(fèi)設(shè)備的半導(dǎo)體并不像使其他應(yīng)用成為可能的硅芯片那樣為人所熟知。然而，它們占據(jù)了整體半導(dǎo)體收入的約10%，使其成為一個(gè)價(jià)值300億美元的市場(chǎng)。

功率半導(dǎo)體，特別是寬禁帶半導(dǎo)體，對(duì)于世界實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)至關(guān)重要。寬禁帶器件可以在比其他芯片更高的電壓、頻率和溫度下工作，從而提高設(shè)備的效率。兩種材料，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），尤其重要。它們并不新，但到目前為止，對(duì)它們的需求受到了對(duì)其應(yīng)用、成本和可靠性的擔(dān)憂或可用容量的限制。

然而，情況開始發(fā)生變化。越來(lái)越多的SiC和GaN半導(dǎo)體正在被部署在諸如風(fēng)力渦輪機(jī)、光伏逆變器、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車等設(shè)備中。它們的市場(chǎng)現(xiàn)在增長(zhǎng)速度比硅功率半導(dǎo)體市場(chǎng)快得多。我們預(yù)計(jì)，從2022年的功率半導(dǎo)體市場(chǎng)的3%增長(zhǎng)到2027年的13.1%。

需要效率推動(dòng)增長(zhǎng)

追求效率的動(dòng)力將繼續(xù)存在，因?yàn)楦鲊?guó)努力實(shí)現(xiàn)更大的能源安全性，企業(yè)和行業(yè)尋求提高能源效率并實(shí)現(xiàn)減碳目標(biāo)。許多行業(yè)將面臨進(jìn)一步減少其影響的壓力。其中包括數(shù)據(jù)中心，這些數(shù)據(jù)中心已經(jīng)消耗大量能源，而且由于人工智能（AI）的進(jìn)展可能會(huì)變得更加能源密集。

人工智能需要大量的計(jì)算能力，使這種計(jì)算水平成為可能的高性能數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)商將希望確保他們的設(shè)施能夠有效地處理工作負(fù)載，以便他們的能源成本和足跡不會(huì)過(guò)多。電源是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵，寬禁帶半導(dǎo)體，特別是GaN，可以幫助運(yùn)營(yíng)商在三個(gè)方面節(jié)省費(fèi)用：能源損耗、數(shù)據(jù)中心冷卻成本以及服務(wù)器所需的空間。

數(shù)據(jù)中心消耗大量能源，但它們不以高電壓運(yùn)行，這意味著通常用于筆記本電腦、平板電腦和手機(jī)充電器等設(shè)備中的GaN半導(dǎo)體可能比用于電力傳輸和汽車等行業(yè)的SiC半導(dǎo)體提供更大的好處。

GaN器件通過(guò)在主服務(wù)器電源供應(yīng)器中更高效地運(yùn)行來(lái)減少數(shù)據(jù)中心中的能源損耗。在基于GaN的解決方案中，可實(shí)現(xiàn)的優(yōu)異導(dǎo)通電阻和高開關(guān)速度大大降低了能源損失。這減少了服務(wù)器機(jī)架的能源需求，還可以減少數(shù)據(jù)中心內(nèi)的冷卻系統(tǒng)對(duì)能源的需求。

通過(guò)減少能源損耗和冷卻要求，能源消耗可能會(huì)降低。功率半導(dǎo)體公司英飛凌正在投資于GaN技術(shù)，并于去年底完成了對(duì)GaN Systems的收購(gòu)。它認(rèn)為，如果運(yùn)營(yíng)商從硅轉(zhuǎn)換為基于GaN的電源單元，數(shù)據(jù)中心中使用的能源量可以減少10%。它繼續(xù)說(shuō)，如果所有數(shù)據(jù)中心都轉(zhuǎn)換了，將每年節(jié)省20TWh的能源。

節(jié)省空間

最后，使用GaN可以使制造商減小電源的尺寸。在數(shù)據(jù)中心中，更有效地利用空間為CPU和GPU創(chuàng)造了額外的空間，這些是為運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)收入的組件。這意味著他們可以從現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心中獲得更多收入，或者在新設(shè)施中構(gòu)建效率。

開發(fā)認(rèn)證解決方案

盡管潛在的好處很多，但Omdia并不指望運(yùn)營(yíng)商立即升級(jí)他們的電源。相反，我們預(yù)計(jì)將會(huì)有一個(gè)更漸進(jìn)的轉(zhuǎn)變。運(yùn)營(yíng)商可能會(huì)等到現(xiàn)有設(shè)備達(dá)到其自然壽命的盡頭，然后考慮更高效的技術(shù)。制造商還可能需要說(shuō)服運(yùn)營(yíng)商，目前在低成本和低利潤(rùn)應(yīng)用中使用的GaN半導(dǎo)體對(duì)于關(guān)鍵的數(shù)據(jù)中心環(huán)境來(lái)說(shuō)是足夠強(qiáng)大和可靠的。在數(shù)據(jù)中心中，停機(jī)時(shí)間可能會(huì)對(duì)財(cái)務(wù)和聲譽(yù)產(chǎn)生重大影響，因此運(yùn)營(yíng)商不太可能冒險(xiǎn)。

然而，從混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車市場(chǎng)可以吸取教訓(xùn)。在那里，SiC半導(dǎo)體越來(lái)越多地被用來(lái)延長(zhǎng)車輛的續(xù)航里程和性能，領(lǐng)先采用者是特斯拉。最初對(duì)技術(shù)的擔(dān)憂已經(jīng)得到了解決，這些設(shè)備現(xiàn)在被認(rèn)為是高質(zhì)量和高價(jià)值的，并且制造商不斷投資于不斷改進(jìn)技術(shù)和引入新功能。GaN半導(dǎo)體在數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)也有機(jī)會(huì)以同樣的方式發(fā)展。

已建立的設(shè)施和供應(yīng)鏈

半導(dǎo)體制造商處于增長(zhǎng)的有利位置。GaN器件的生產(chǎn)方式與硅芯片類似，因此現(xiàn)有設(shè)施可以重新用途，而且已經(jīng)建立了供應(yīng)鏈。但是，他們將需要找到一種方法來(lái)保持他們的利潤(rùn)和產(chǎn)能，因?yàn)樵絹?lái)越多的數(shù)據(jù)中心繼續(xù)建設(shè)。如果他們能夠應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，那么利用這些新技術(shù)將有機(jī)會(huì)最大程度地提高他們的效率。

我們有必要限制我們對(duì)地球的影響從未如此重要，而寬禁帶器件提供了一個(gè)效率水平的飛躍。誰(shuí)知道，在未來(lái)，也許有機(jī)會(huì)利用它們來(lái)實(shí)現(xiàn)更大的好處。