低調的氮化鎵，如何成為AI繞不過的關鍵

氮化鎵技術崛起，EPC引領市場趨勢。

在過去幾年時間中，寬禁帶半導體成為市場熱點，與傳統的矽相比，基於氮化鎵和碳化矽等新材料的電晶體可以大幅提高電源轉換器的效率，具有更好的效能和可靠性，因而在包括電力電子、新能源汽車、光伏儲能、資料中心等領域受到了青睞。

碳化矽因近年來新能源汽車的迅速發展而受到矚目，但它更側重於高壓應用，尤其是新能源紛紛上馬的800V電壓平臺，成為了它最好的展示舞臺。

而氮化鎵相比之下就顯得低調許多了，此前大家瞭解到它，還是因為手機充電器的大範圍應用，但許多人並不知情的是，氮化鎵正在成為AI產品中的不可缺少一環，包括Chat-GPT在內的各路大模型背後，少不了氮化鎵的支撐。

關於這一點，半導體行業觀察此次專程採訪了宜普電源轉換公司（EPC）執行長兼聯合創始人Alex Lidow，作為20世紀70年代矽功率MOSFET技術的共同發明人，他又是如何看待如今氮化鎵市場的呢？

為何氮化鎵成為焦點？

氮化鎵是如何與AI產生聯絡的，這件事還要從它的特性說起。

前面提到的碳化矽固然能在800V以上的高壓平臺上大顯神通，但它也有自己的侷限性。首先就是成本難題，要在碳化矽製造領域站穩腳跟，需要專用於碳化矽的昂貴裝置：碳化矽晶圓的生長溫度超過 2700℃，生長速度至少比矽慢 200 倍，而且需要消耗大量能源。

形成鮮明對比的是，氮化鎵基本上可以使用與矽加工相同的裝置，其中氮化鎵外延晶片可以在其各自的基板上以 1000 至 1200℃ 的溫度生長——而這還不到碳化矽的一半。

除此之外，與碳化矽和矽相比，氮化鎵器件在相同的額定電壓下，每單位面積的導通電阻值要低得多，這也使得氮化鎵晶片和其封裝尺寸能夠做到更小。且由於氮化鎵器件開關快，因此在可實現更高的開關頻率、縮小無源元件的情況下，不需要依靠機械散熱，就可以實現更小更輕的解決方案。

總而言之，就是在效能不變的情況下，氮化鎵功率器件能夠更小更輕。

Alex Lidow也談到了氮化鎵的優良特性，他表示，不論是熱效率、整合度還是功率密度，氮化鎵都遠勝矽MOSFET，已是近兩年功率器件發展的一大趨勢。

而在許多廠商所顧忌的價格上，Alex Lidow以EPC的100V氮化鎵電晶體為例，“實際上，低壓氮化鎵器件的價格一直與矽 MOSFET 相差無幾，”他說到，“和具有類似導通電阻的矽MOSFET進行價格對比，它們的價格處在中游，由於它的優良效能，反而凸顯出了價效比。”

氮化鎵的這些特性讓它在擅長的領域中表現出了驚人潛力。Yole Group的報告指出，儘管 2023 年整個半導體行業下滑約 8.2%，但功率氮化鎵收入卻增長了 41%，其指出，這一增長勢頭將在 2024 年繼續，增幅達 45%，到 2025 年將加速至 65%，預計 2023-2029 年期間收入將以 46% 的複合年增長率 (CAGR) 增長。

值得一提的是，如此高的增長速度之下，氮化鎵的市場應用前景依舊非常廣闊。

從資料中心，到航天衛星

在談到氮化鎵的市場應用時，Alex Lidow提出了一個很有意思的觀點，即現在的氮化鎵正處於1988年MOSFET所處的位置，行業即將被顛覆的臨界點。

MOSFET當初是如何取代最早的雙極電晶體的，作為MOSFET技術的共同發明人，經歷了市場幾十年來變化的Alex Lidow，顯然是最有發言權的專家之一。

他回憶道，MOSFET 的第一個發展臨界點來自於臺式電腦，蘋果和 IBM 都採用了基於 MOSFET 的 AC-DC 電源，而後，用於高速繪圖儀的電機驅動器和防抱死制動系統也開始廣泛應用MOSFET，這些應用迅速推動了MOSFET的普及。

“1988年，得益於更高的產量和大量的資本投資，MOSFET 的生產成本已低於雙極電晶體，市場格局被徹底顛覆，”Alex Lidow說到，“MOSFET 正式達到了臨界點，而這也正是氮化鎵如今所處的位置。”

臺式電腦催生出了新的市場，最終推動了MOSFET取代雙極電晶體，而氮化鎵想要取代MOSFET，又可以從哪些應用方向著手呢？

首當其衝的當然是前文就已經提到過的AI，事實上，包括AI資料中心在內的基礎設施市場，有望成為未來幾年氮化鎵最重要的增長來源，原因很簡單，AI推動了對資料中心的發展，資料中心的規模迅速膨脹，從幾千張GPU到幾十萬張GPU，對電源方面的需求空前龐大。

而更好的訊息是，包括資料中心在內的基礎設施市場所需器件的平均銷售價格 (ASP) 將高於消費裝置的平均銷售價格，未來有望進一步拉高氮化鎵市場的收入。

Alex Lidow表示，目前全球各地正處於AI市場快速發展的初期階段，特別是在AI電源供應方面，每塊英偉達GPU都需要一個氮化鎵電源模組，光是今年，EPC就已經生產了超過100萬個AI電源模組。

“這僅僅是開始，不止是英偉達，AMD、阿里巴巴、谷歌、微軟、亞馬遜和Meta等公司都在建設AI伺服器，AI技術發展越快，氮化鎵應用的市場前景就越廣闊。”他說道。

除了AI市場以外，還有兩個氮化鎵應用的重要領域，分別是是新能源汽車和人形機器人。

儘管目前在700V以上的市場，碳化矽的使用更加主流，但在700V之下，氮化鎵幾乎成了最優解，尤其是受電動汽車熱潮及其對車載充電器和 DC-DC 轉換器的需求推動，氮化鎵技術也有望大批次進入汽車市場。

據瞭解，汽車廠商已經在鐳射雷達中使用氮化鎵，預計未來需求將繼續擴大，Yole Group 預測，到 2029 年，汽車和移動出行領域的氮化鎵收入可能超過 7.5 億美元。

Alex Lidow在採訪中提到，目前宜普的氮化鎵技術被廣泛應用於自動駕駛汽車的鐳射雷達感測器中，同樣也用於人形機器人的鐳射雷達感測器。此外，人形機器人中的電機數量可達40個，這些電機也依賴於宜普的氮化鎵技術。

“在人形機器人中，我們的氮化鎵技術無處不在，例如機器人的眼睛是鐳射雷達系統，而鐳射雷達幾乎都使用氮化鎵，除此之外，機器人的電機也需要高扭矩和高效率，而氮化鎵技術也可以提供更高的效率。” Alex Lidow說道。

目前鐳射雷達技術已不再僅限於自動駕駛汽車，還擴充套件到了無人機、智慧城市和倉庫等多個領域，在可預見的未來，每一個鐳射雷達背後都意味著一個氮化鎵電源模組，其市場之廣闊可見一斑。

除了以上幾大應用之外，消費電子領域仍然是氮化鎵最大的應用市場之一，採用氮化鎵技術的快速充電器已經成為了相當成熟的一種產品，氮化鎵在這一市場中，正在逐步擴充套件至家用電器電源和智慧手機的過壓保護裝置之中。

不難發現，與近一年來屢次受挫的碳化矽相比，氮化鎵擁有著更高的增長潛力，我們相信，伴隨著技術的繼續發展，氮化鎵的應用也會愈發廣闊，能在在寬禁帶半導體這一領域中拿下更多市場份額。

未來可期的氮化鎵

如今，我們談及氮化鎵發展時，已經繞不開由Alex Lidow所創辦的宜普，作為氮化鎵功率器件廠商中的翹楚，不僅在技術上佔據著先發優勢，也在市場中表現出了強大的競爭力。

“GaN 正成為那些渴望保持領先地位公司的首選技術，” Alex Lidow 在接受採訪時表示。“我們於 2010 年 3 月開始量產首批氮化鎵系列器件，比該領域的其他公司都要早，還率先在2014年推出了增強型技術和氮化鎵功率 IC。”

而在市場方面，從收入結構看，截至2024年第三季度，宜普有約50%收入來自DC-DC（電源轉換），30%來自雷達，20%來自電機；從應用市場看，宜普約25%收入來自AI伺服器、25%來自航空航天、30%來自汽車電子，剩下20%則涵蓋消費電子、工業等應用。

值得一提的是，由於近年來中國對於各種新技術的應用程度非常快，其中許多新產品都用到了氮化鎵器件，因而中國市場在宜普的發展規劃中也佔據了非常重要的地位。Alex Lidow表示：“從區域來看，我們在美國和中國的業務規模相當大，中國市場對我們尤為重要，因為它對新技術的接受速度非常快。”

儘管氮化鎵技術才剛剛起步，僅在過去幾年才開始投入商業化，但它對比傳統的矽器件已經表現出了無可爭議的優越性，其未來一片光明，宜普作為這一市場的最早參與者之一，勢必要爭一爭鰲頭。

Alex Lidow對此表現得非常自信，“EPC的氮化鎵器件擁有市場上最高的效能，沒有競爭對手能夠與我們的效率匹敵，”他說到，“我們每年都在改進產品，並且改進速度比競爭對手快得多，只要技術保持領先，那麼我們能保證競爭中的優勢。