新型半導(dǎo)體技術(shù)可為人工智能提供動(dòng)力

為工業(yè)、汽車、計(jì)算機(jī)和消費(fèi)設(shè)備提供動(dòng)力的功率半導(dǎo)體并不像其他半導(dǎo)體那樣廣為人知。然而，它們約占半導(dǎo)體總收入的 10%，是一個(gè)價(jià)值 300 億美元的市場(chǎng)。

功率半導(dǎo)體，尤其是寬禁帶半導(dǎo)體，對(duì)于全球努力實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)至關(guān)重要。與其他芯片相比，寬禁帶器件可以在更高的電壓、頻率和溫度下工作，從而提高器件的效率。碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）這兩種材料尤為重要。這兩種材料并不新鮮，但迄今為止，對(duì)它們的需求一直受到成本，產(chǎn)能以及可靠性的擔(dān)憂。

不過，這種情況正在開始改變。越來越多的碳化硅和氮化鎵半導(dǎo)體被應(yīng)用于風(fēng)力渦輪機(jī)、光伏逆變器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及新能源汽車等設(shè)備中。目前，它們的市場(chǎng)增長速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過硅功率半導(dǎo)體的市場(chǎng)增長速度。我們預(yù)計(jì)其收入將繼續(xù)增長，從 2022 年占功率半導(dǎo)體市場(chǎng)的 3% 增長到 2027 年的 13.1%。

效率需求推動(dòng)增長

隨著各國努力實(shí)現(xiàn)能源安全，以及各行各業(yè)尋求提高能源效率和實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)，提高效率的動(dòng)力將繼續(xù)存在。許多行業(yè)將面臨進(jìn)一步的壓力，要求將能源消耗降至最低。這其中就包括數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心已經(jīng)是能源密集型行業(yè)，隨著人工智能（AI）的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的能源密集度可能會(huì)更高。 

人工智能需要強(qiáng)大的計(jì)算能力，而高性能數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營商則希望他們的設(shè)施能夠高效地運(yùn)行，這樣他們的能源成本和能源足跡就不會(huì)過多。電源是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵，而寬禁帶半導(dǎo)體，特別是氮化鎵，可以幫助運(yùn)營商在三個(gè)方面節(jié)省成本：能源損耗、數(shù)據(jù)中心的冷卻成本以及服務(wù)器所需的空間。

數(shù)據(jù)中心使用大量能源，但它們的工作電壓并不高，這意味著常用于筆記本電腦、平板電腦和手機(jī)充電器等設(shè)備的氮化鎵（GaN）半導(dǎo)體可能比針對(duì)電力傳輸和汽車等行業(yè)進(jìn)行優(yōu)化的碳化硅（SiC）半導(dǎo)體具有更大的優(yōu)勢(shì)。

氮化鎵器件可在主服務(wù)器電源中更高效地運(yùn)行，從而減少數(shù)據(jù)中心的能量損耗。基于氮化鎵的解決方案可實(shí)現(xiàn)出色的導(dǎo)通電阻和高開關(guān)速度，從而大大降低能量損耗。這不僅降低了服務(wù)器機(jī)架的能源需求，還減少了對(duì)數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的需求。 

能源損耗和冷卻需求的減少意味著能耗的降低。功率半導(dǎo)體公司英飛凌正在投資氮化鎵技術(shù)，并于去年年底完成了對(duì)氮化鎵系統(tǒng)公司的收購。英飛凌認(rèn)為，如果運(yùn)營商將硅電源轉(zhuǎn)換為基于氮化鎵的電源裝置，數(shù)據(jù)中心的能耗可減少 10%。該公司還表示，如果所有數(shù)據(jù)中心都改用氮化鎵技術(shù)，每年可節(jié)省 20TWh 的能源。

節(jié)省空間

最后，氮化鎵的使用使制造商能夠縮小電源的尺寸。在數(shù)據(jù)中心，空間的更有效利用為 CPU 和 GPU 創(chuàng)造了額外的空間，而 CPU 和 GPU 正是為運(yùn)營商創(chuàng)造收入的組件。這意味著他們可以從現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心獲得更多收益，或在新設(shè)施中提高效率。

開發(fā)認(rèn)證解決方案

盡管存在潛在優(yōu)勢(shì)，但 Omdia 并不希望運(yùn)營商立即升級(jí)其電源。相反，我們期望的是更漸進(jìn)的轉(zhuǎn)變。運(yùn)營商可能會(huì)等到其現(xiàn)有設(shè)備達(dá)到自然使用壽命，然后再考慮采用更高效的技術(shù)。制造商可能還需要讓運(yùn)營商相信，目前用于低成本、低利潤應(yīng)用的氮化鎵半導(dǎo)體在關(guān)鍵數(shù)據(jù)中心環(huán)境中足夠堅(jiān)固可靠。在數(shù)據(jù)中心，停機(jī)會(huì)對(duì)財(cái)務(wù)和聲譽(yù)造成重大影響，因此運(yùn)營商不太可能冒險(xiǎn)。 

不過，我們可以從新能源汽車市場(chǎng)吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。在混合動(dòng)力車和電動(dòng)車市場(chǎng)，SiC 半導(dǎo)體正越來越多地被用于延長汽車的續(xù)航里程和性能，特斯拉就是其中的佼佼者。最初人們對(duì)該技術(shù)的擔(dān)憂已經(jīng)得到解決，這些器件現(xiàn)在被認(rèn)為是高質(zhì)量和高價(jià)值的，制造商也在不斷投資改進(jìn)該技術(shù)并推出新功能。在數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)，氮化鎵半導(dǎo)體也有機(jī)會(huì)以同樣的方式發(fā)展。

成熟的設(shè)施和供應(yīng)鏈

半導(dǎo)體制造商具備良好的發(fā)展條件。氮化鎵器件的生產(chǎn)方式與硅芯片類似，因此現(xiàn)有的設(shè)施可以重新利用，而且有成熟的供應(yīng)鏈。然而，由于數(shù)據(jù)中心的建設(shè)仍在繼續(xù)，他們需要找到保持利潤和產(chǎn)能的方法。如果他們能應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，就有機(jī)會(huì)利用這些新技術(shù)最大限度地提高效率。

現(xiàn)在比以往任何時(shí)候都更需要限制我們對(duì)地球的影響，而寬禁帶半導(dǎo)體設(shè)備在實(shí)現(xiàn)效率水平方面提供了一個(gè)階躍變化。誰知道呢，假以時(shí)日，也許有機(jī)會(huì)利用人工智能產(chǎn)生更大的效益。