نقاشات نهاية الأسبوع حول الأبحاث الميدانية--- تحليل بسيط لحصة السيليكون كربيد (SiC)، نيتريد الجاليوم (GaN) و MOSFET السيليكون في البنية التحتية الكبيرة لنظام الإلكترونيات الكهربائية المدعوم بالذكاء الاصطناعي

تعزيز بناء مراكز البيانات بالذكاء الاصطناعي يدفع لترقية شبكة الكهرباء بشكل كبير، مما يعيد إلى الساحة مجالًا طالما تم التقليل من شأنه: أشباه الموصلات ذات القدرة الكهربائية.
الجوهر في أنظمة الطاقة هو التحكم بكفاءة في التيار. وأهم جهاز للتحكم في التيار هو MOSFET (ترانزستور حقل التأثير ذو الأكسيد المعدني-أكسيد-السيليكون).
على مدى العقود الماضية، كانت معظم أجهزة القدرة العالمية تعتمد على MOSFET السيليكون. السيليكون رخيص، ناضج، وسلسلة التوريد مكتملة، لذلك حكمت على الصناعة لفترة طويلة. لكن مع ارتفاع استهلاك طاقة خوادم الذكاء الاصطناعي، ودخول السيارات الكهربائية إلى عصر 800 فولت، وتطور مراكز البيانات نحو الفولتية العالية، وارتفاع الطلب على مصادر الطاقة عالية التردد، بدأ السيليكون التقليدي يواجه حدودًا فيزيائية تدريجيًا. وهكذا، بدأ السيليكون كربيد (SiC) ونيتريد الجاليوم (GaN) في الظهور.
السيليكون كربيد يشبه مسار الصناعات الثقيلة. ميزته الأساسية هي القدرة على التعامل مع الفولتية العالية والطاقة الكبيرة. يمتلك SiC قدرة على الاختراق أعلى، وخصائص توصيل حرارية أقوى، ويتميز بكفاءة واضحة في ظروف الفولتية العالية والتيارات العالية مقارنة بـ IGBT السيليكون التقليدي. لذلك، في مجالات مثل عاكسات السيارات الكهربائية، العاكسات الشمسية، تخزين الطاقة، القيادة الصناعية عالية الفولتية، الشبكة الكهربائية، ومزودات الطاقة غير المنقطعة عالية الفولتية، يتم التحول بسرعة نحو SiC. خاصة منصة 800 فولت التي تدفعها تسلا، والتي تمثل نقطة تحول مهمة في انفجار صناعة SiC.
على مدى السنوات الماضية، كانت السيارات الجديدة أكبر قوة دافعة لـ SiC. شركات مثل Wolfspeed، onsemi، STMicroelectronics، Infineon Technologies، ROHM، Mitsubishi Electric، استفادت جميعها من هذه الدورة.
لكن SiC ليس مثاليًا. بالمقارنة مع GaN، غالبًا ما يكون أبطأ في التبديل، وQg أعلى، وأداء التردد العالي أضعف، وصعوبة تصغير الأجهزة المغناطيسية عند الترددات العالية. لذلك، اتجه GaN لمسار آخر.
الميزة الحقيقية لـ GaN هي التردد العالي. يمتلك GaN Qg أقل، وسعة خرج أقل، ومشكلة استرداد العكس تقريبًا غير موجودة، مما يجعله مثاليًا بشكل خاص للدوائر DC-DC عالية التردد، وتغذية خوادم الذكاء الاصطناعي، وVRM لوحدات معالجة الرسوميات، والشحن السريع للهواتف، ومصادر الطاقة عالية التردد، والطاقة الصغيرة الحجم.
قد يكون الذكاء الاصطناعي هو الدورة الكبرى الحقيقية لـ GaN. لأن مراكز البيانات المعتمدة على الذكاء الاصطناعي تدفع بنية التزويد بالطاقة نحو التردد العالي، والتيار العالي، والصغر، والكفاءة العالية. خاصة بعد بنية 48 فولت، بدأت العديد من مصادر DC-DC عالية التردد تصبح عنق الزجاجة الأساسية، وهو المجال الذي يتألق فيه GaN.
قد يكون رفوف الخوادم التقليدية فقط بين 5-10 كيلوواط، لكن الآن بدأت تتجه نحو 50 كيلوواط، 100 كيلوواط، وربما في المستقبل تقترب من مستوى الميغاواط.
مراكز البيانات المعتمدة على الذكاء الاصطناعي تتغير من مرافق تكنولوجيا المعلومات إلى "مرافق كهربائية". وبين شبكة الكهرباء ووحدة معالجة الرسوميات، هناك حاجة لتحويلات كهربائية كثيرة: نقل عالي الفولتية، محولات، UPS، مزودات الطاقة، AC/DC، DC/DC، VRM، وتغذية قريبة من GPU. كل عملية تحويل تفقد الطاقة. وعندما يبدأ حديقة ذكاء اصطناعي واحدة في استهلاك جيجاوات من الطاقة، فإن زيادة كفاءة بنسبة 1% يمكن أن تترجم إلى قيمة اقتصادية هائلة. لذلك، بدأت أشباه الموصلات ذات القدرة الكهربائية تتحول من دور ثانوي إلى عنق الزجاجة الرئيسي.
لذلك، بدأ GaN يدخل بكميات كبيرة في مزودات طاقة خوادم الذكاء الاصطناعي، وDC/DC عالية التردد، وVRM لوحدات معالجة الرسوميات، ووحدات الطاقة. وحتى أن بعض الأنظمة بدأت تظهر مزيجًا من SiC + GaN. يستخدم SiC في الخطوط الرئيسية عالية الفولتية، وGaN في النهاية عالية التردد.
في مراكز البيانات، الجزء عالي القدرة من الشبكة الكهربائية هو الأنسب لـ SiC، بينما التزويد عالي التردد داخل الخادم هو الأنسب لـ GaN.
قد تتشكل بنية أشباه الموصلات ذات القدرة الكهربائية في المستقبل إلى ثلاث طبقات:
- منخفضة الفولتية ومنخفضة التكلفة: MOSFET السيليكون
- عالية التردد وكفاءة عالية: GaN
- عالية الفولتية والطاقة الكبيرة: SiC
بالقرب من 650 فولت، تتنافس GaN و SiC بشكل مباشر.
أقل من 650 فولت، تتفوق GaN بشكل واضح.
أكثر من 650 فولت، تزداد قوة SiC تدريجيًا.
وفي المنطقة حول 650 فولت، يمكن تصنيع كلاهما.
وفي الوقت نفسه، تعمل العديد من الأنظمة الحيوية حول العالم ضمن نطاق خطوط التيار المستمر 400-800 فولت.
عادةً، تتوافق أجهزة 650 فولت مع تصحيح التيار المتردد 400 فولت، و HVDC 380 فولت، وبنية 48 فولت في الأعلى، ومزودات الطاقة في مراكز البيانات، والطاقة الصناعية، والطاقة الشمسية، وOBC، ومزودات طاقة خوادم الذكاء الاصطناعي.
هذه واحدة من أهم المناطق ذات الجهد في الصناعة الحديثة ومراكز البيانات.
لذا، بدأ التنافس يتحول من مجرد معايير الأجهزة إلى تكلفة النظام، والتداخل الكهرومغناطيسي، وتعقيد التشغيل، والتبريد، ومعدل الإنتاجية، والموثوقية، والتحقق من العملاء، وعمر الاستخدام، والدورات الحرارية، ومعدل الفشل ppm، والقدرة على التوريد على المدى الطويل.
وهذا هو السبب في أن صناعة أشباه الموصلات ذات القدرة الكهربائية تتمتع بحصن منيع عميق، خاصة SiC.
الصعوبة الحقيقية في SiC ليست فقط في تصميم الأجهزة، بل في نمو الرقائق، والتطعيم، والسيطرة على العيوب، ومعدلات الإنتاج، والموثوقية عند درجات حرارة عالية.
هذه القدرات تتطلب تراكمًا طويل الأمد في العمليات.
لذلك، غالبًا ما تكون الشركات القوية في الصناعة هي تلك التي تراكمت خبراتها على مدى أكثر من عشر سنوات.
وتختلف نقاط القوة بين الشركات.
Wolfspeed قوية في المواد.
STM قوية في السيارات الكهربائية.
Infineon قوية في الوحدات والنظام.
onsemi قوية في عملاء السيارات.
Rohm قوية في الموثوقية.
أما GaN، فهي لا تزال في مرحلة النضوج الكامل.
حاليًا، تعمل شركات مثل Texas Instruments، Navitas Semiconductor، Infineon Technologies، Efficient Power Conversion على دفع GaN في اتجاهات مختلفة.
ربما يُقلل السوق من قيمة TI على المدى الطويل، لأن العملاء الكبار يهتمون أكثر بالموثوقية، والتأهيل، والقدرة على التوريد على المدى الطويل، وهذه من نقاط قوة TI.
بشكل عام، الذكاء الاصطناعي يعزز بشكل كبير محتوى أشباه الموصلات في الأنظمة.
مستقبل بنية التزويد بالطاقة لمراكز البيانات المعتمدة على الذكاء الاصطناعي قد لا يقتصر على المنافسة في القدرة الحسابية فقط، بل سيمتد ليشمل المنافسة في الكهرباء، والتوزيع، والتبريد، وكفاءة مصادر الطاقة.
في الماضي، كانت صناعة أشباه الموصلات تركز على الحوسبة.
أما في العشر سنوات القادمة، فقد يصبح التحكم في القدرة الكهربائية أحد العوائق الرئيسية الجديدة.
إخلاء المسؤولية: أنا أمتلك الأصول المذكورة في المقال، والآراء قد تكون متحيزة، وليست نصيحة استثمارية، dyor