Fim de semana de pesquisa de mercado---Análise superficial da participação de SiC, GaN e MOSFET de silício na grande infraestrutura de sistemas eletrônicos de potência impulsionados por IA

A rápida construção de data centers de IA está impulsionando uma grande atualização na rede elétrica, trazendo de volta ao centro do palco um outro campo que foi subestimado por muito tempo: os semicondutores de potência.
O núcleo do sistema de energia está em controlar a corrente de forma eficiente.
E o dispositivo mais central para controlar a corrente é o MOSFET (Transistor de Efeito de Campo de Óxido de Metal) de silício.
Nas últimas décadas, quase todos os dispositivos de potência globais foram baseados em MOSFET de silício.
O silício é barato, maduro e possui uma cadeia de produção completa, dominando o setor por muito tempo.
Mas, com o aumento explosivo de potência dos servidores de IA, a entrada dos veículos elétricos na era de 800V, a evolução dos data centers para alta tensão, e a demanda por fontes de alimentação de alta frequência, o silício tradicional começou a atingir seus limites físicos.
Assim, o SiC (carboneto de silício) e o GaN (nitreto de gálio) começaram a emergir.
O SiC é mais parecido com uma rota de indústria pesada.
Sua vantagem central está na alta tensão e grande potência.
O SiC possui uma tensão de ruptura mais alta e uma capacidade de condução de calor mais forte, sendo significativamente mais eficiente do que o IGBT de silício tradicional em cenários de alta tensão e alta corrente.
Portanto, áreas como inversores principais de veículos elétricos, inversores fotovoltaicos, armazenamento de energia, acionamentos industriais de alta tensão, redes elétricas e UPS de alta tensão estão se tornando rapidamente SiC.
Especialmente a plataforma de 800V impulsionada pela Tesla, que é essencialmente um ponto de virada importante para a explosão da indústria de SiC.
Nos últimos anos, os veículos de nova energia têm sido o maior motor do SiC.
Empresas como Wolfspeed, onsemi, STMicroelectronics, Infineon Technologies, ROHM, Mitsubishi Electric, entre outras, têm se beneficiado nesta rodada de ciclo.
Mas o SiC não é perfeito.
Em comparação com o GaN, ele geralmente tem uma velocidade de comutação mais lenta, Qg mais alto, desempenho de alta frequência mais fraco, e dispositivos magnéticos em alta frequência têm dificuldade de serem ainda menores.
Assim, o GaN seguiu uma rota diferente.
A verdadeira força do GaN está na alta frequência.
O GaN possui Qg mais baixo, menor capacitância de saída e quase nenhum problema de recuperação reversa, tornando-o especialmente adequado para fontes de alimentação DC-DC de alta frequência, fornecimento de energia para servidores de IA, VRM de GPUs, carregamento rápido de celulares, fontes de alimentação de alta frequência e fontes de energia compactas.
A IA pode ser o grande ciclo do GaN.
Porque os data centers de IA estão impulsionando toda a arquitetura de fornecimento de energia para se tornar mais de alta frequência, alta corrente, compacta e eficiente.
Especialmente após a arquitetura de 48V, uma grande quantidade de conversores DC-DC de alta frequência começou a se tornar um gargalo central, e esse é exatamente o ponto forte do GaN.
Os racks de servidores tradicionais podem ter apenas 5-10kW, mas agora os racks de IA já estão entrando na faixa de 50kW, 100kW, e no futuro podem até atingir níveis de MW.
Os data centers de IA estão se transformando de instalações de TI para se tornarem “instalações de energia”.
E, do grid até as GPUs, há uma grande quantidade de conversões de energia necessárias: transmissão de alta tensão, transformadores, UPS, fontes de alimentação, AC/DC, DC/DC, VRM, fornecimento próximo de energia para GPUs.
Cada conversão causa perdas de energia.
Quando um único parque de IA começa a consumir energia na escala de GW, um aumento de 1% na eficiência pode representar um valor econômico enorme.
Assim, os semicondutores de potência estão deixando de ser coadjuvantes para se tornarem o gargalo central.
O GaN, portanto, começou a entrar massivamente em fontes de alimentação de servidores de IA, DC/DC de alta frequência, VRM de GPUs, módulos de energia.
Muitos sistemas até começaram a usar combinações de “SiC + GaN”.
A rede de alta tensão usa SiC, enquanto a parte de alta frequência usa GaN.
Nos data centers, a parte de alta potência de alta tensão da rede é mais adequada para SiC.
Já a alimentação de alta frequência dentro dos racks de servidores é mais adequada para GaN.
No futuro, toda a estrutura de semicondutores de potência pode formar uma estrutura de três camadas:
Baixo custo e baixa tensão: MOSFET de silício.
Alta frequência e alta eficiência: GaN.
Alta tensão e grande potência: SiC.
Por volta de 650V, ocorre uma competição direta entre GaN e SiC.
Abaixo de 650V, o vantagem do GaN é evidente.
Acima de 650V, o SiC se torna cada vez mais forte.
E, na faixa de 650V, ambos podem ser utilizados.
Ao mesmo tempo, muitos sistemas críticos globais operam na proximidade de linhas de 400V~800V DC.
Dispositivos de 650V geralmente correspondem a retificadores de 400V AC, HVDC de 380V, arquitetura de 48V, fontes de alimentação de data centers, fontes industriais, fotovoltaico, OBC, fontes de servidores de IA.
Este é um dos intervalos de tensão mais centrais na indústria moderna e nos data centers.
Assim, a competição começou a evoluir de parâmetros de dispositivos para custos de sistema, EMI, complexidade de acionamento, dissipação de calor, taxa de rendimento, confiabilidade, validação do cliente, vida útil, ciclos térmicos, taxa de falhas ppm, e capacidade de fornecimento a longo prazo.
Essa é também a razão de o setor de semicondutores de potência possuir uma barreira de proteção extremamente profunda, especialmente o SiC.
O verdadeiro desafio do SiC não é apenas o design do dispositivo, mas o crescimento de wafers, epitaxia, controle de defeitos, rendimento, confiabilidade em altas temperaturas.
Essas capacidades exigem uma acumulação de processos a longo prazo.
Portanto, os players realmente fortes do setor geralmente são empresas com mais de dez anos de experiência consolidada.
As forças de diferentes empresas também variam: Wolfspeed é forte em materiais, STM em EV, Infineon em módulos e sistemas, onsemi em clientes automotivos, Rohm em confiabilidade.
O mundo do GaN ainda não atingiu totalmente a fase de maturidade.
Atualmente, Texas Instruments, Navitas Semiconductor, Infineon Technologies e Efficient Power Conversion estão promovendo o GaN em diferentes direções.
Entre eles, a TI pode ser subestimada a longo prazo, pois os maiores clientes geralmente se preocupam mais com confiabilidade, qualificação e fornecimento a longo prazo, que são justamente os pontos fortes da TI.
Em resumo, a IA está aumentando o “conteúdo de semicondutores de potência” em todo o sistema.
No futuro, a competição na infraestrutura de IA pode não ser apenas de capacidade de processamento, mas também de energia, componentes, dissipação de calor e eficiência de fontes de alimentação.
No passado, o núcleo da indústria de semicondutores era o cálculo.
Nos próximos dez anos, o controle de potência pode se tornar uma das novas principais restrições.
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