Вихідні дослідження на вихідних --- Аналіз частки SiC, GaN та силіційних MOSFET у великій інфраструктурі систем електроніки, що рухається за допомогою ШІ

Божевільне будівництво дата-центрів з використанням ШІ сприяє масштабному оновленню електромережі, що повертає на сцену ще одну довго недооцінювану галузь: силові напівпровідники.
Ядро електричної системи полягає у ефективному контролі струму.
Найважливішим компонентом для контролю струму є MOSFET (метало-оксид-напівпровідниковий польовий транзистор).
За останні десятиліття майже всі глобальні силові компоненти базувалися на силіційних MOSFET.
Силіцій дешевий, зрілий, з повною ланцюгом виробництва, тому довгий час домінував у галузі.
Але з ростом потужності серверів ШІ, входженням EV у епоху 800V, розвитком дата-центрів у напрямку високої напруги, зростанням високочастотних джерел живлення, традиційний силіцій починає стикатися з фізичними обмеженнями.
Тому почали з’являтися SiC (карбід кремнію) та GaN (нітрид gallium).
SiC більше схожий на важку промисловість.
Його основні переваги — високий напір і велика потужність.
SiC має вищу пробивну напругу, кращу теплопровідність, і в сценаріях високої напруги та високого струму його ефективність значно перевищує традиційний силіційний IGBT.
Тому у сферах, таких як головний інвертор EV, фотогальванічний інвертор, зберігання енергії, промисловий високовольтний привід, електромережі, високовольтний UPS, швидко переходять на SiC.
Особливо платформа 800V, яку просуває Tesla, є важливим поворотним моментом для вибуху всього сектору SiC.
За останні роки, нові енергетичні автомобілі залишаються найбільшим драйвером для SiC.
Компанії, такі як Wolfspeed, onsemi, STMicroelectronics, Infineon Technologies, ROHM, Mitsubishi Electric, отримують вигоду від цього циклу.
Але SiC не ідеальний.
Порівняно з GaN, він зазвичай має повільнішу швидкість переключення, вищий Qg, слабшу високочастотну продуктивність, і магнітні компоненти на високих частотах важко зменшити.
Тому GaN йде іншим шляхом.
Головна сила GaN — у високих частотах.
GaN має нижчий Qg, меншу вихідну ємність і майже відсутню проблему з реверсним відновленням, тому особливо підходить для високочастотних DC-DC, живлення серверів ШІ, VRM GPU, швидкого заряджання мобільних пристроїв, високочастотних блоків живлення, мініатюрних джерел живлення.
ШІ може стати справжнім великим циклом для GaN.
Оскільки дата-центри ШІ сприяють переходу систем живлення до високих частот, високого струму, мініатюризації, високої ефективності.
Особливо після архітектури 48V, багато високочастотних DC-DC перетворювачів стають ключовими вузлами, і саме тут GaN має свої переваги.
Традиційні серверні стійки мають потужність лише 5-10 кВт, тоді як у дата-центрах вже починають використовувати 50 кВт, 100 кВт, і в майбутньому можливо навіть мега-ваги.
Дата-центри ШІ поступово перетворюються з IT-інфраструктури у "електроінфраструктуру".
Між мережею та GPU потрібно багато перетворень електроенергії: високовольтне передавання, трансформатори, UPS, PSU, AC/DC, DC/DC, VRM, живлення близько GPU.
Кожне перетворення втрачає енергію.
Коли один AI-парк починає споживати гігавати електроенергії, 1% підвищення ефективності може мати величезну економічну цінність.
Тому силові напівпровідники починають перетворюватися з допоміжних компонентів у ключові вузли.
GaN активно входить у PSU серверів ШІ, високочастотні DC-DC, VRM GPU, модулі живлення.
Багато систем навіть починають використовувати "комбінацію SiC + GaN".
Високовольтний магістральний сегмент — SiC, високочастотний — GaN.
У дата-центрах високовольтна частина мережі більше підходить для SiC.
Внутрішнє високочастотне живлення серверних стійок — для GaN.
Майбутня структура силових напівпровідників може складатися з трьох рівнів:
низьковольтний, низькозатратний — силіційний MOSFET;
високочастотний, високоефективний — GaN;
високовольтний, високопотужний — SiC.
Приблизно 650V — це зона прямої конкуренції між GaN і SiC.
Нижче 650V — явна перевага GaN.
Вищі за 650V — перевага SiC стає все більш очевидною.
Але поблизу 650V обидва можуть застосовуватися.
Також через те, що багато ключових систем у світі працюють у діапазоні 400V~800V DC шини.
Зазвичай 650V-місткі компоненти використовуються для:
після 400V AC випрямлення, HVDC 380V, верхівка архітектури 48V, PSU дата-центрів, промислових джерел живлення, фотогальваніки, OBC, живлення серверів ШІ.
Це один із найважливіших діапазонів напруги у сучасній промисловості та дата-центрах.
Тому конкуренція переходить від просто параметрів компонентів до системних витрат, EMI, складності драйвера, тепловідведення, рівня вихідної продуктивності, надійності, довговічності, теплових циклів, ppm-мікроразрядів та здатності довгострокового постачання.
Саме тому галузь силових напівпровідників має дуже глибоку захисну зону.
Особливо SiC.
Справжні труднощі SiC — не лише у проектуванні компонентів, а й у вирощуванні кристалів, зовнішньому напиленні, контролі дефектів, рівнях вихідної продуктивності, високотемпературній надійності.
Ці навички вимагають довгострокової технологічної підготовки.
Тому найуспішнішими гравцями у галузі зазвичай є компанії з понад десятирічним досвідом.
Різні компанії мають свої сильні сторони:
Wolfspeed — у матеріалах,
STM — у EV,
Infineon — у модулях та системах,
onsemi — у автомобільних клієнтах,
Rohm — у надійності.
Світ GaN ще не досяг повної зрілості.
Зараз Texas Instruments, Navitas Semiconductor, Infineon Technologies, Efficient Power Conversion просувають GaN у різних напрямках.
Можливо, TI довго недооцінювали ринок, оскільки найбільші клієнти цінують не лише параметри PPT, а й надійність, кваліфікацію та довгострокове постачання, що є сильними сторонами TI.
Загалом, ШІ підвищує "вміст" силових напівпровідників у системах.
Майбутня конкуренція у інфраструктурі ШІ може стати не лише змаганням обчислювальної потужності, а й електроенергії, розподілу, тепловідведення, ефективності джерел живлення.
Раніше ядром напівпровідникової галузі було обчислення.
У наступні десять років контроль потужності може стати одним із нових ключових вузлів.
Застереження: я володію активами, згаданими у статті, мої погляди є суб’єктивними, це не інвестиційна порада, dyor.