從歡呼聲到質(zhì)疑聲,GaN(氮化鎵)近幾年在功率半導(dǎo)體市場并非一路坦途,中間呈現(xiàn)出些許“雷聲大雨點小”的態(tài)勢,但GaN巨大的應(yīng)用潛力一直毋庸置疑,用心挖掘其技術(shù)潛能并認(rèn)真耕耘市場的企業(yè)深知,GaN只是還沒到綻放的時機(jī)。而當(dāng)下多種跡象逐漸證明,GaN將迎來華麗轉(zhuǎn)身,如今的走向與當(dāng)初看似消極的局面相比已是云泥之別。
消費電子市場走向成熟,GaN初闖高功率市場受挫
GaN(氮化鎵)和SiC(碳化硅)同為性能優(yōu)異的寬禁帶半導(dǎo)體材料,二者在擊穿電場、高溫性能、高功率處理能力以及化學(xué)穩(wěn)定性等方面存在共同之處,但相比之下,GaN在開關(guān)頻率和能效上更加突出,因此更適合高頻應(yīng)用領(lǐng)域,有助于實現(xiàn)高效功率轉(zhuǎn)換、減少開關(guān)損耗、降低熱耗散、縮小元件尺寸等。
按應(yīng)用劃分,GaN主要面向光電子、射頻通訊、功率半導(dǎo)體三大應(yīng)用領(lǐng)域,對應(yīng)消費電子、無線通信、數(shù)據(jù)中心、汽車、航空航天、國防軍工等細(xì)分場景。其中,光電子是GaN最快普及的應(yīng)用,至今已有很多年的發(fā)展歷史,但GaN真正“火”起來是在近幾年的功率半導(dǎo)體市場,并首先崛起于消費電子快充應(yīng)用。
根據(jù)TrendForce集邦咨詢《2024全球GaN Power Device市場分析報告》數(shù)據(jù)顯示,2020年全球GaN功率半導(dǎo)體市場規(guī)模為0.5億美金,至2022年成長至1.8億美金,年復(fù)合增長率約53%。其中,2022年的市場規(guī)模相比2021年大幅增長了125%。
也就是在這一年,GaN高速滲透快充市場,并開始向家電、智能手機(jī)等其他消費場景拓展;與此同時,新能源汽車、光儲充、數(shù)據(jù)中心等產(chǎn)業(yè)的迭代升級,使得GaN作為更為符合新需求的理想材料之一亦被寄予了厚望。在此背景下,GaN廠商從低功率朝向高功率市場延伸便順理成章。
然而,據(jù)集邦化合物半導(dǎo)體觀察,一方面,快充、適配器等消費電子市場不斷成熟,可供廠商發(fā)揮的空間、可分的“蛋糕”持續(xù)縮小;另一方面,在汽車、數(shù)據(jù)中心等高功率應(yīng)用領(lǐng)域,由于技術(shù)可靠性、成本等問題,多數(shù)GaN廠商處于產(chǎn)品研發(fā)、驗證、送樣、項目合作階段,真正落地的案例鮮少,這也側(cè)面反映GaN打開高功率市場需更多的技術(shù)和時間沉淀。
GaN產(chǎn)業(yè)步入整合期,量到質(zhì)的改變開始顯現(xiàn)
為了突破高壓大功率市場,不少廠商開始嘗試新結(jié)構(gòu)、新工藝路線,其中包括有望全面解鎖GaN優(yōu)良特性的垂直GaN元件,但這條路并不好走。隨著時間的推移,各家廠商面臨前期大量投入難以兌現(xiàn)的壓力,而持續(xù)創(chuàng)新的研發(fā)投入需求則帶來了資金的壓力,多方面承壓之下,退場者隨之出現(xiàn)。據(jù)集邦化合物半導(dǎo)體不完全統(tǒng)計,今年1-3月,美國垂直GaN器件廠NexGen Power Systems與Odyssey Semiconductor相繼宣布倒閉、破產(chǎn)。
同樣地,GaN頭部廠商也面臨更進(jìn)一步發(fā)展以及長遠(yuǎn)立足的難題,于是有了GaN Systems并入功率半導(dǎo)體大廠英飛凌(Infineon),Transphorm并入全球半導(dǎo)體芯片大廠瑞薩電子(Renesas),Odyssey Semiconductor并入Power Integrations(PI)。
雖然沒有出現(xiàn)產(chǎn)能過?;驉盒詢r格戰(zhàn)等現(xiàn)象,但GaN功率半導(dǎo)體市場顯然也進(jìn)入了一輪洗牌調(diào)整期。從并購、倒閉破產(chǎn)案可見,未來能夠馳騁GaN“沙場”的定是具備過硬綜合競爭力的廠商,這其實對于GaN產(chǎn)業(yè)而言利大于弊,因為優(yōu)勢資源的不斷集中有利于推動技術(shù)加快產(chǎn)業(yè)化,實現(xiàn)量產(chǎn)應(yīng)用。
在供應(yīng)鏈資源大整合之際,廠商的技術(shù)沉淀與項目開發(fā)進(jìn)展也到了一個新的階段,隨之而來的便是GaN技術(shù)逐步從量到質(zhì)的改變。
據(jù)集邦化合物半導(dǎo)體了解,經(jīng)過幾年的技術(shù)儲備,GaN相關(guān)廠商目前在消費電子增量市場、電動汽車、光儲充、數(shù)據(jù)中心等市場都取得了更多實質(zhì)性的進(jìn)展,并逐步收獲成果。
以汽車和新能源應(yīng)用為例,納微半導(dǎo)體(Navitas)2023年針對車載OBC及路邊充電樁場景引入新的GaNSafe?技術(shù)(配合其SiC技術(shù)),截至今年第二季度,納微22kW車載充電機(jī)(OBC)方案已有15個客戶項目在推進(jìn)至評審階段,其預(yù)計電動汽車領(lǐng)域?qū)⒃?025年底獲得首批由GaN技術(shù)帶來的收入。
在太陽能/儲能市場,納微此前已打入美國前五大太陽能設(shè)備制造商中三家的供應(yīng)鏈,截至今年第二季度,納微已有6個相關(guān)的客戶項目推進(jìn)至評審階段,預(yù)計將于明年在美國實現(xiàn)GaN基微型逆變器的量產(chǎn)。
國內(nèi)廠商中,鎵未來(GaNext)實現(xiàn)了國產(chǎn)GaN突破光伏微逆市場,其集成型Cascode 技術(shù)GaN功率器件設(shè)計已用在微型逆變器龍頭廠商的2000W新型逆變器中;氮矽科技也與全球頭部逆變器設(shè)計公司及知名制造商建立了戰(zhàn)略合作關(guān)系,共同開發(fā)一款基于GaN技術(shù)的新一代微型逆變器。
汽車應(yīng)用方面,氮矽科技今年發(fā)布了一款超高開關(guān)頻率(>100MHz)驅(qū)動芯片,適用于高速汽車激光雷達(dá)系統(tǒng);同時,該公司正在推進(jìn)多款100V集成驅(qū)動產(chǎn)品的車規(guī)級驗證,這些產(chǎn)品主要適用于車載無線充和DC-DC;鎵未來目前也正在推進(jìn)產(chǎn)品的車規(guī)級認(rèn)證,同步與車廠展開相關(guān)項目研究;IDM廠商能華微則在推進(jìn)1200V產(chǎn)品的車規(guī)級認(rèn)證······
AI數(shù)據(jù)中心、人形機(jī)器人等引燃,GaN“上大分”
AI數(shù)據(jù)中心服務(wù)器
數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域也是近幾年GaN廠商重點耕耘的方向之一,從相關(guān)廠商的進(jìn)展可見,GaN在數(shù)據(jù)中心電源市場的應(yīng)用已經(jīng)邁出了一大步,而AI技術(shù)的興起為該市場再添了一把火。
在AI生態(tài)中,數(shù)據(jù)中心對高速運算和電力都有著龐大的需求。根據(jù)TrendForce集邦咨詢調(diào)查,NVIDIA(英偉達(dá)) Blackwell平臺將于2025年正式放量,取代既有的Hopper平臺,成為NVIDIA高端GPU(圖形處理器)主力方案,占整體高端產(chǎn)品近83%。在B200和GB200等追求高效能的AI Server機(jī)種,單顆GPU功耗可達(dá)1,000W以上。
面對高漲的功率需求,每個數(shù)據(jù)中心機(jī)柜的功率規(guī)格將從30-40kW推高至100kW,對于數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)來說挑戰(zhàn)極大,而GaN與液冷技術(shù)的結(jié)合,將成為提升AI 數(shù)據(jù)中心能效的關(guān)鍵。
芯片功耗的大幅上升需要服務(wù)器擁有更高的功率密度和效能,GaN能夠降低損耗、提高功率密度,已被視為AI數(shù)據(jù)中心優(yōu)化能源效率的關(guān)鍵技術(shù)之一,吸引了英飛凌、德州儀器(TI)、納微、英諾賽科、Transphorm、能華微、氮矽科技、鎵未來等大批GaN玩家加入布局陣列。其中,納微和英飛凌均公布了AI數(shù)據(jù)中心電源技術(shù)路線圖,表明搶占該市場制高點的決心。
英飛凌AI數(shù)據(jù)中心電源路線圖
英飛凌融合Si、SiC以及GaN的獨特優(yōu)勢,已推出輸出功率為3 kW和3.3 kW的PSU,8 kW PSU預(yù)計將于2025年第一季度上市,全新8 kW PSU支持最高輸出功率達(dá)300 kW或以上的AI機(jī)架。與3 kW PSU的32 W/in3 相比,其效率和功率密度提升至100 W/in3,進(jìn)一步縮小了系統(tǒng)尺寸并節(jié)省了運營商的成本。
以GaN技術(shù)來看,英飛凌的CoolGaN? 解決方案可為PFC拓?fù)涮峁┏^99%的系統(tǒng)效率。此外,英飛凌收購的GaN Systems則早在2022年就發(fā)布了3.2kW AI服務(wù)器電源供應(yīng)器,并于2023年推出第四代GaN平臺,效率超過鈦金級能效標(biāo)準(zhǔn),功率密度從100W/in3提升至120W/in3。因此,雙方結(jié)合后在GaN領(lǐng)域產(chǎn)生的效應(yīng)備受看好。
納微去年全新GaNSafe?和Gen-3 Fast碳化硅技術(shù)以及納微專用設(shè)計中心已設(shè)計完成4.5kW CRPS,實現(xiàn)傳統(tǒng)硅解決方案兩倍以上功率密度。在此基礎(chǔ)上,納微7月發(fā)布全新的CRPS185 4.5kW AI數(shù)據(jù)中心服務(wù)器電源方案,功率密度達(dá)137W/in3,效率超97%。
納微AI數(shù)據(jù)中心電源路線圖
納微透露,3.2kW和4.5kW電源方案已有超過60個數(shù)據(jù)中心客戶項目正在研發(fā)中,預(yù)計將在2024-2025年間為納微GaN和SiC的營收帶來數(shù)百萬美元的增長。據(jù)集邦化合物半導(dǎo)體進(jìn)一步了解,納微預(yù)計用于AI數(shù)據(jù)中心電源方案有望于年底實現(xiàn)小批量生產(chǎn)。
面對AI服務(wù)器興起創(chuàng)造的商機(jī),GaN廠商顯然加快了步伐。除了英飛凌和納微之外,其他廠商也在通過各自的發(fā)展路線悶聲謀大事,如TI、EPC(宜普電源轉(zhuǎn)換)、能華微、鎵未來、氮矽科技等。
TI早在2021年便與全球最大的服務(wù)器電源供應(yīng)商臺達(dá)(市占率近5成)就數(shù)據(jù)中心服務(wù)器電源達(dá)成合作,基于其GaN技術(shù)和C2000? MCU實時控制解決方案,為數(shù)據(jù)中心開發(fā)設(shè)計高效、高功率的企業(yè)用服務(wù)器電源供應(yīng)器(PSU)。基于長期的合作伙伴關(guān)系,雙方在AI服務(wù)器電源市場的合作成果將備受期待。
鎵未來已與知名院校達(dá)成合作,由其提供理論依據(jù)和技術(shù)支持,共同完成 3.5kW 無風(fēng)扇服務(wù)器電源的開發(fā),通過兩相交錯圖騰柱 PFC及 LLC實現(xiàn)高效率和高功率密度48V電源方案。鎵未來指出,AI 服務(wù)器與傳統(tǒng)服務(wù)器相比具有功率等級高且長時間滿載工作的特性,對于電源的轉(zhuǎn)換效率要求更高,因此采用GaN器件的圖騰柱PFC拓?fù)鋵⑹亲顑?yōu)選擇。
產(chǎn)品開發(fā)方面,EPC將在本月底的PCIM Asia展會展示最新一代GaN FET和IC,涵蓋包括AI服務(wù)器、機(jī)器人等在內(nèi)的各種實際應(yīng)用;氮矽科技多款相關(guān)產(chǎn)品已送樣國內(nèi)頭部知名企業(yè),并完成了相關(guān)的可靠性測試;能華微1200V GaN產(chǎn)品也已經(jīng)送樣知名服務(wù)器電源廠,正在進(jìn)行可靠性評估。
人形機(jī)器人
事實上,不止AI數(shù)據(jù)中心服務(wù)器,更多新興市場正在為GaN產(chǎn)業(yè)注入活力,如今年發(fā)展一樣如火如荼的人形機(jī)器人等電機(jī)驅(qū)動產(chǎn)業(yè)。
人形機(jī)器人的系統(tǒng)主要由傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)以及電池系統(tǒng)四部分構(gòu)成,而GaN的“用武之地”包括激光雷達(dá)系統(tǒng)、電機(jī)控制器、DC-DC轉(zhuǎn)換器及電池BMS。其中,電機(jī)驅(qū)動扮演關(guān)鍵角色。
TrendForce集邦咨詢研究顯示,由于自由度急劇上升,人形機(jī)器人對電機(jī)驅(qū)動器的需求量大幅增加,為了獲得更高的爆發(fā)力,需要配置高功率密度、高效率、高響應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動器,而GaN能夠滿足這些需求,還可以在熱管理、緊湊設(shè)計等方面提高人形機(jī)器人的整體性能,優(yōu)化整體設(shè)計。
據(jù)悉,西門子、安川電機(jī)、Elmo等已經(jīng)在機(jī)器人電機(jī)中導(dǎo)入了GaN技術(shù),而GaN產(chǎn)業(yè)鏈也正摩拳擦掌。據(jù)集邦化合物半導(dǎo)體了解,TI、EPC、Transphorm、英諾賽科、納微、能華微等正在推動GaN于電機(jī)驅(qū)動領(lǐng)域的應(yīng)用。其中,Transphorm已為安川電機(jī)的新型伺服電機(jī)提供了GaN FET 產(chǎn)品。
TrendForce集邦咨詢表示,未來的機(jī)器人定會超乎想象,而精確、快速和強(qiáng)大的運動能力是其中之關(guān)鍵,驅(qū)動其運動所需的電機(jī)也勢必隨之進(jìn)步,GaN將因此受益。
綜合當(dāng)前廠商頻繁的動作來看,AI數(shù)據(jù)中心、人形機(jī)器人等新興產(chǎn)業(yè)無疑引燃了GaN市場,相關(guān)廠商多年的儲備和積累可望加快變現(xiàn)。譬如,英飛凌預(yù)估來自AI電源領(lǐng)域的營收將在2025財年實現(xiàn)同比翻番,同時將在2-3年內(nèi)突破10億歐元。
GaN功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)提速,誰將占據(jù)龍頭寶座?
短期而言,消費電子市場仍將是功率GaN的主舞臺,并且,家電、智能手機(jī)等更多消費電子應(yīng)用正在為GaN提供新的發(fā)展空間。但長期而言,電動汽車、數(shù)據(jù)中心等將成為GaN更重要的增長引擎。
據(jù)TrendForce集邦咨詢最新報告《2024全球GaN Power Device市場分析》顯示,長遠(yuǎn)來看,GaN功率半導(dǎo)體市場的主要動力將來自電動汽車、數(shù)據(jù)中心、電機(jī)驅(qū)動等場景,受此驅(qū)動,全球GaN功率元件市場規(guī)模預(yù)估從2023年的2.71億美金左右上升至2030年的43.76億美金,年復(fù)合年增長率(CAGR)高達(dá)49%。其中,非消費類應(yīng)用的比例預(yù)計將從2023年的23%上升至2030年的48%。
足見,電動汽車、數(shù)據(jù)中心、電機(jī)驅(qū)動等應(yīng)用動能強(qiáng)勁,GaN功率半導(dǎo)體市場未來可期,這也側(cè)面解釋了英特爾(Intel)、臺積電(TSMC)等集成電路賽道的大廠同樣青睞GaN的原因。其中,英特爾去年底就透露已集成CMOS硅晶體管與GaN功率晶體管,用于高度集成的48V設(shè)備。
從區(qū)域市場層面觀察,GaN正在吸引更多的戰(zhàn)略投資。以中國香港為例,該地在7月底啟動了首條超高真空GaN外延片中試線,由香港科技園公司與GaN外延技術(shù)商麻省光子技術(shù)(香港)有限公司聯(lián)合于7月底舉行了啟動儀式,麻省光子技術(shù)預(yù)計將在香港投資至少2億港元,帶動當(dāng)?shù)鼗衔锇雽?dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
可以預(yù)見,未來會有更多玩家和資金涌入GaN功率半導(dǎo)體領(lǐng)域,而市場競爭也將逐步激烈化。然而,市場格局目前撲朔迷離,未來誰能占據(jù)龍頭寶座仍是未知數(shù)。
TrendForce集邦咨詢指出,從產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)程來看,F(xiàn)abless(無晶圓廠)公司在過去一段時間里表現(xiàn)較為活躍,但隨著產(chǎn)業(yè)不斷整合以及應(yīng)用市場逐步打開,未來傳統(tǒng)IDM大廠的話語權(quán)有望顯著上升,為產(chǎn)業(yè)格局的未來圖景帶來新的重大變數(shù)。
當(dāng)前,從商業(yè)模式劃分,GaN玩家包括英飛凌、瑞薩(Transphorm)等傳統(tǒng)綜合型的IDM(集成器件制造)大廠,PI、納微、EPC等Fabless設(shè)計廠,英諾賽科、能華微等專業(yè)型IDM廠。
在消費電子應(yīng)用仍占大比重的背景下,英諾賽科占據(jù)較大的市場份額,加上其努力推廣工業(yè)應(yīng)用,整體市占率位居前列。據(jù)TrendForce集邦咨詢數(shù)據(jù)顯示,2023年GaN功率半導(dǎo)體市占率前五大廠商分別是英諾賽科、PI、納微、EPC、英飛凌。
而數(shù)據(jù)中心、電機(jī)驅(qū)動、電動汽車、光伏逆變器等更高功率的應(yīng)用對廠商的集成整合能力以及產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同效應(yīng)等各方面提出了更高的要求,因此,英飛凌、瑞薩、TI等傳統(tǒng)IDM廠商,以及TI等在這方面的優(yōu)勢將逐步顯現(xiàn)。
據(jù)集邦化合物半導(dǎo)體觀察,作為全球最大的功率半導(dǎo)體以及車用半導(dǎo)體廠商,目前英飛凌正在充分發(fā)揮和融合Si、SiC以及GaN的獨有優(yōu)勢,技術(shù)創(chuàng)新與集成能力以及綜合成本優(yōu)勢有望逐步凸顯。Fabless廠商中,納微也在發(fā)揮其在SiC、GaN以及驅(qū)動技術(shù)的集成能力和協(xié)同優(yōu)勢,筑高自身的競爭壁壘。
而英諾賽科、能華微等專業(yè)型廠商技術(shù)專注度高、創(chuàng)新速度快、決策鏈條短、市場靈活性高,能夠以深厚的技術(shù)積累,適時調(diào)整產(chǎn)品線和業(yè)務(wù)戰(zhàn)略,快速響應(yīng)GaN市場新需求。
綜合而言,不同模式下的廠商實力與水平各有千秋,布局策略和發(fā)展路線也有所不同,目前在新興應(yīng)用賽道上各方都處于前期起跑蓄力階段,勝負(fù)未分。不過,英飛凌、TI等廠商今年明顯向GaN傾注了更多資源,均展現(xiàn)出勇奪龍頭寶座之勢。未來,GaN功率半導(dǎo)體的“天平”將傾向哪一方?答案或許將隨之市場的打開逐步揭曉。(文:集邦化合物半導(dǎo)體 陳佳純)
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