Akhir Pekan Riset Lapangan---Analisis Singkat Pangsa SiC, GaN, dan MOSFET Silikon dalam Infrastruktur Besar Sistem Elektronik Daya yang Didorong AI

Pembangunan pusat data AI yang gila-gilaan mendorong peningkatan besar jaringan listrik, sedang membuat bidang lain yang lama diremehkan kembali ke panggung utama: semikonduktor daya.
Inti dari sistem listrik adalah mengontrol arus secara efisien. Sedangkan perangkat paling inti untuk mengontrol arus adalah MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor).
Dalam beberapa dekade terakhir, hampir semua perangkat daya global dibangun di atas MOSFET silikon. Silikon murah, matang, dan rantai industri lengkap, sehingga menguasai seluruh industri dalam jangka panjang. Tetapi seiring lonjakan daya server AI, masuknya EV ke era 800V, evolusi pusat data menuju tegangan tinggi, dan meningkatnya permintaan sumber daya frekuensi tinggi, silikon tradisional mulai mencapai batas fisik. Maka, SiC (karbida silikon) dan GaN (nitrogen gallium) mulai bangkit.
SiC lebih mirip jalur industri berat. Keunggulan utamanya adalah tegangan tinggi dan daya besar. SiC memiliki tegangan tembus lebih tinggi, kemampuan konduksi panas yang lebih kuat, dan efisiensi yang jelas lebih baik dalam skenario tegangan tinggi dan arus tinggi dibandingkan IGBT silikon tradisional. Oleh karena itu, inverter penggerak utama EV, inverter fotovoltaik, penyimpanan energi, penggerak tegangan tinggi industri, jaringan listrik, dan UPS tegangan tinggi, sedang dengan cepat beralih ke SiC. Terutama platform 800V yang didorong Tesla, secara esensial merupakan titik balik penting dalam ledakan industri SiC secara keseluruhan. Beberapa tahun terakhir, kendaraan energi baru (NEV) selalu menjadi kekuatan pendorong terbesar SiC. Wolfspeed, onsemi, STMicroelectronics, Infineon Technologies, ROHM, Mitsubishi Electric, dan perusahaan lain, semuanya mendapatkan manfaat dari siklus ini.
Namun, SiC tidak sempurna. Dibandingkan GaN, biasanya kecepatan switching-nya lebih lambat, Qg lebih tinggi, performa frekuensi tinggi lebih lemah, dan perangkat magnetik di frekuensi tinggi sulit diperkecil lebih jauh. Maka, GaN mengambil jalur lain. Keunggulan utama GaN adalah frekuensi tinggi. GaN memiliki Qg yang lebih rendah, kapasitas output yang lebih rendah, dan hampir tidak ada masalah pemulihan balik (reverse recovery), sehingga sangat cocok untuk DC-DC frekuensi tinggi, pasokan daya server AI, VRM GPU, pengisian cepat ponsel, PSU frekuensi tinggi, dan sumber daya kecil.
AI mungkin adalah siklus besar GaN yang sesungguhnya. Karena pusat data AI mendorong seluruh arsitektur pasokan daya menuju frekuensi tinggi, arus tinggi, miniaturisasi, dan efisiensi tinggi. Terutama setelah arsitektur 48V, banyak DC-DC frekuensi tinggi mulai menjadi hambatan utama, dan ini adalah area favorit GaN.
Rangkaian server tradisional mungkin hanya 5-10kW, tetapi rack AI sudah mulai mencapai 50kW, 100kW, dan di masa depan bahkan bisa mendekati tingkat MW.
Pusat data AI sedang bertransformasi dari fasilitas TI menjadi “fasilitas listrik”. Dari jaringan listrik ke GPU, diperlukan banyak konversi daya: transmisi tegangan tinggi, transformator, UPS, PSU, AC/DC, DC/DC, VRM, pasokan daya dekat GPU. Setiap konversi akan kehilangan energi. Ketika satu taman AI mulai mengkonsumsi daya GW, peningkatan efisiensi 1% bisa bernilai ekonomi besar. Maka, semikonduktor daya mulai beralih dari peran pendukung menjadi hambatan utama.
GaN oleh karena itu mulai banyak digunakan dalam PSU server AI, DC/DC frekuensi tinggi, VRM GPU, dan modul daya. Banyak sistem bahkan mulai menggabungkan “SiC + GaN”. Tegangan tinggi utama menggunakan SiC, bagian frekuensi tinggi menggunakan GaN. Di pusat data, bagian tegangan tinggi dari jaringan listrik ke pusat data lebih cocok menggunakan SiC. Sedangkan pasokan daya frekuensi tinggi di dalam server lebih cocok menggunakan GaN.
Di masa depan, seluruh semikonduktor daya mungkin akan membentuk struktur tiga lapis. Tegangan rendah dan biaya rendah: MOSFET silikon. Frekuensi tinggi dan efisiensi tinggi: GaN. Tegangan tinggi dan daya besar: SiC.
Sekitar 650V adalah wilayah kompetisi langsung antara GaN dan SiC. Di bawah 650V, keunggulan GaN sangat jelas. Di atas 650V, keunggulan SiC semakin kuat. Dan di sekitar 650V, keduanya bisa diproduksi.
Selain itu, karena banyak sistem kunci global beroperasi di dekat bus DC 400V~800V.
Perangkat 650V biasanya terkait dengan penyearah AC 400V, HVDC 380V, arsitektur 48V hulu, PSU pusat data, sumber daya industri, fotovoltaik, OBC, dan sumber daya server AI.
Ini adalah salah satu rentang tegangan paling inti dalam industri modern dan pusat data.
Maka, kompetisi mulai beralih dari parameter perangkat semata menjadi biaya sistem, EMI, kompleksitas penggerak, pendinginan, yield, keandalan, verifikasi pelanggan, umur pakai, siklus panas, tingkat kegagalan ppm, dan kemampuan pasokan jangka panjang.
Inilah sebabnya mengapa industri semikonduktor daya memiliki benteng perlindungan yang sangat dalam. Terutama SiC. Kesulitan utama SiC bukan hanya desain perangkat, tetapi juga pertumbuhan wafer, epitaxy, kontrol cacat, yield, keandalan suhu tinggi. Kemampuan ini membutuhkan akumulasi proses jangka panjang. Oleh karena itu, pemain yang benar-benar kuat di industri ini biasanya adalah perusahaan yang sudah berumur lebih dari sepuluh tahun. Keunggulan perusahaan berbeda-beda. Wolfspeed unggul dalam bahan. STM unggul dalam EV. Infineon unggul dalam modul dan kemampuan sistem. onsemi unggul dalam pelanggan otomotif. Rohm unggul dalam keandalan.
Dunia GaN belum sepenuhnya memasuki tahap matang. Saat ini Texas Instruments, Navitas Semiconductor, Infineon Technologies, dan Efficient Power Conversion sedang mendorong GaN dari berbagai arah. Mungkin TI secara jangka panjang diremehkan pasar, karena pelanggan utama yang benar-benar peduli biasanya bukan parameter PPT, tetapi keandalan, kualifikasi, dan kemampuan pasokan jangka panjang, yang justru menjadi kekuatan TI.
Secara keseluruhan, AI sedang meningkatkan “kandungan semikonduktor daya” dalam seluruh sistem. Kompetisi infrastruktur AI di masa depan mungkin tidak hanya kompetisi daya komputasi, tetapi juga kompetisi listrik, kompetisi pengaturan daya, kompetisi pendinginan, dan kompetisi efisiensi sumber daya.
Dahulu, inti industri semikonduktor adalah komputasi. Sepuluh tahun ke depan, kontrol daya sendiri mungkin menjadi salah satu hambatan inti yang baru.
Penafian: Saya memegang aset yang disebutkan dalam artikel ini, pandangan penuh bias, bukan saran investasi, dyor