Cuối tuần nghiên cứu thị trường---Phân tích sơ bộ về thị phần SiC, GaN và MOSFET silicon trong xây dựng hạ tầng lớn dựa trên AI

Việc xây dựng dữ liệu trung tâm AI điên cuồng thúc đẩy nâng cấp lưới điện lớn, đang làm cho một lĩnh vực lâu dài bị đánh giá thấp khác trở lại sân khấu trung tâm: bán dẫn công suất.
Hệ thống điện lực cốt lõi là kiểm soát dòng điện hiệu quả. Và thiết bị cốt lõi để kiểm soát dòng điện chính là MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) transistor trường hiệu ứng kim loại-oxit-bán dẫn.
Trong vài thập kỷ qua, hầu hết các thiết bị công suất toàn cầu đều dựa trên MOSFET silicon. Silicon rẻ, trưởng thành, chuỗi cung ứng hoàn chỉnh, do đó thống trị ngành công nghiệp trong thời gian dài. Nhưng cùng với việc công suất máy chủ AI tăng vọt, EV bước vào kỷ nguyên 800V, trung tâm dữ liệu tiến hóa theo hướng điện áp cao, nhu cầu nguồn điện tần số cao tăng, silicon truyền thống bắt đầu gặp giới hạn vật lý. Vì vậy, SiC (silic carbide) và GaN (Gallium Nitride) bắt đầu nổi lên.
SiC giống như hướng công nghiệp nặng. Ưu điểm cốt lõi của nó là điện áp cao và công suất lớn. SiC có điện breakdown cao hơn, khả năng dẫn nhiệt mạnh hơn, trong các kịch bản điện áp cao, dòng cao, hiệu quả rõ rệt vượt trội so với IGBT silicon truyền thống. Do đó, trong các lĩnh vực như biến tần chính cho EV, biến tần quang điện, lưu trữ năng lượng, điều khiển điện công nghiệp cao áp, lưới điện, UPS cao áp, SiC đang phát triển nhanh chóng. Đặc biệt, nền tảng 800V do Tesla thúc đẩy, về bản chất là bước ngoặt quan trọng cho sự bùng nổ của ngành SiC. Trong vài năm qua, xe mới năng lượng là động lực lớn nhất của SiC. Wolfspeed, onsemi, STMicroelectronics, Infineon Technologies, ROHM, Mitsubishi Electric và các công ty khác đều hưởng lợi trong chu kỳ này.
Tuy nhiên, SiC không hoàn hảo. So với GaN, nó thường có tốc độ chuyển đổi chậm hơn, Qg cao hơn, hiệu suất cao tần kém hơn, các thiết bị từ tính ở tần số cao khó thu nhỏ hơn nữa. Vì vậy, GaN đi theo một hướng khác. Điểm mạnh thực sự của GaN là tần số cao. GaN có Qg thấp hơn, dung lượng đầu ra thấp hơn, gần như không gặp vấn đề reverse recovery, do đó đặc biệt phù hợp cho DC-DC tần số cao, cấp nguồn AI, VRM GPU, sạc nhanh điện thoại, nguồn điện tần số cao, nguồn nhỏ gọn.
AI có thể là chu kỳ lớn thực sự của GaN. Bởi vì trung tâm dữ liệu AI đang thúc đẩy toàn bộ kiến trúc cấp nguồn tiến hóa theo hướng tần số cao, dòng điện cao, kích thước nhỏ gọn, hiệu quả cao. Đặc biệt sau kiến trúc 48V, nhiều bộ chuyển đổi DC-DC tần số cao bắt đầu trở thành điểm nghẽn cốt lõi, và đây chính là lĩnh vực GaN tỏa sáng.
Khung máy chủ truyền thống có thể chỉ 5-10kW, giờ đây khung AI đã bắt đầu đạt 50kW, 100kW, và trong tương lai có thể gần đến mức MW.
Trung tâm dữ liệu AI đang dần chuyển từ cơ sở hạ tầng CNTT sang “cơ sở hạ tầng điện lực”. Và từ lưới điện đến GPU, cần trải qua nhiều quá trình chuyển đổi điện năng: truyền tải cao áp, biến áp, UPS, PSU, AC/DC, DC/DC, VRM, cấp nguồn gần GPU. Mỗi lần chuyển đổi đều mất năng lượng. Khi một khu vực AI bắt đầu tiêu thụ điện năng ở cấp GW, việc nâng cao hiệu suất 1% có thể mang lại giá trị kinh tế lớn. Vì vậy, bán dẫn công suất bắt đầu từ vai phụ trở thành điểm nghẽn cốt lõi.
Do đó, GaN bắt đầu được sử dụng rộng rãi trong PSU máy chủ AI, DC/DC tần số cao, VRM GPU, mô-đun nguồn. Nhiều hệ thống thậm chí bắt đầu xuất hiện “kết hợp SiC + GaN”. Đường truyền cao áp dùng SiC, phần cuối tần số cao dùng GaN. Trong trung tâm dữ liệu, phần cao áp lớn từ lưới điện đến trung tâm phù hợp hơn với SiC. Cấp nguồn nội bộ của máy chủ phù hợp hơn với GaN.
Trong tương lai, toàn bộ bán dẫn công suất có thể hình thành cấu trúc ba lớp. Thấp áp, chi phí thấp: MOSFET silicon. Tần số cao, hiệu quả cao: GaN. Cao áp, công suất lớn: SiC.
Khoảng 650V là khu vực cạnh tranh trực diện giữa GaN và SiC. Dưới 650V, GaN có lợi thế rõ ràng. Trên 650V, SiC ngày càng mạnh hơn. Và gần 650V, cả hai đều có thể làm.
Ngoài ra, vì nhiều hệ thống quan trọng toàn cầu hoạt động trong phạm vi gần 400V~800V DC bus.
Thiết bị 650V thường phù hợp với sau chỉnh lưu AC 400V, HVDC 380V, kiến trúc 48V phía trên, PSU trung tâm dữ liệu, nguồn công nghiệp, quang điện, OBC, nguồn AI máy chủ.
Đây là một trong những vùng điện áp cốt lõi nhất của công nghiệp hiện đại và trung tâm dữ liệu.
Vì vậy, cuộc cạnh tranh bắt đầu từ tham số thiết bị đơn thuần, chuyển sang chi phí hệ thống, EMI, độ phức tạp của mạch điều khiển, tản nhiệt, tỷ lệ thành phẩm, độ tin cậy, xác nhận khách hàng, tuổi thọ sử dụng, chu trình nhiệt, tỷ lệ lỗi ppm, và khả năng cung cấp lâu dài.
Đây cũng là lý do vì sao ngành bán dẫn công suất có hàng rào bảo vệ rất sâu. Đặc biệt là SiC. Thật sự khó của SiC không chỉ là thiết kế thiết bị, mà còn là phát triển wafer, ngoại vi, kiểm soát khuyết tật, tỷ lệ thành phẩm, độ tin cậy ở nhiệt độ cao. Những khả năng này đòi hỏi tích lũy quy trình lâu dài. Vì vậy, các công ty thực sự mạnh trong ngành thường là những công ty có hơn mười năm tích lũy. Các công ty khác nhau có điểm mạnh riêng. Wolfspeed mạnh về vật liệu. STM mạnh về EV. Infineon mạnh về khả năng module và hệ thống. onsemi mạnh về khách hàng ô tô. Rohm mạnh về độ tin cậy.
Thế giới GaN vẫn chưa hoàn toàn bước vào giai đoạn trưởng thành. Hiện tại, Texas Instruments, Navitas Semiconductor, Infineon Technologies, Efficient Power Conversion đều đang thúc đẩy GaN theo các hướng khác nhau. Trong đó TI có thể bị thị trường đánh giá thấp lâu dài, vì khách hàng lớn thực sự quan tâm không chỉ là tham số PPT, mà còn là độ tin cậy, chứng nhận và khả năng cung cấp lâu dài, và chính những điểm này TI mạnh nhất.
Tổng thể, AI đang nâng cao “tỷ lệ bán dẫn công suất” trong toàn hệ thống. Trong tương lai, cạnh tranh hạ tầng AI có thể không chỉ là cạnh tranh về sức mạnh tính toán, mà còn là cạnh tranh về điện năng, thiết bị phân phối, tản nhiệt, hiệu suất nguồn điện.
Ngành bán dẫn truyền thống tập trung vào tính toán. Trong mười năm tới, kiểm soát công suất có thể trở thành một trong những điểm nghẽn cốt lõi mới.