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 grande atualização da rede elétrica impulsionada pela construção frenética de data centers de IA está fazendo outro campo, há muito subestimado, voltar ao centro do palco: 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 metal-óxido-semiconductor.
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 suprimentos 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 alta frequência, o silício tradicional começou a atingir limites físicos.
Assim, SiC (carboneto de silício) e GaN (nitreto de gálio) começaram a emergir.
SiC é mais parecido com uma rota de indústria pesada.
Sua vantagem central está em alta tensão e alta potência.
O SiC possui uma tensão de ruptura mais alta e maior capacidade de condução de calor, 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 EV, 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 a maior força motriz do SiC.
Empresas como Wolfspeed, onsemi, STMicroelectronics, Infineon Technologies, ROHM e Mitsubishi Electric têm se beneficiado nesta rodada de ciclo.
Mas o SiC não é perfeito.
Em comparação com GaN, geralmente tem velocidade de comutação mais lenta, Qg mais alto, desempenho em alta frequência mais fraco, e dispositivos magnéticos em alta frequência ainda difíceis de miniaturizar.
Assim, GaN seguiu uma rota diferente.
O ponto forte do GaN é a alta frequência.
Ele possui Qg mais baixo, menor capacitância de saída e quase nenhum problema de recuperação reversa, tornando-o especialmente adequado para fontes de energia DC-DC de alta frequência, alimentação de servidores de IA, VRMs de GPUs, carregamento rápido de celulares, fontes de alimentação de alta frequência e fontes 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, muitas fontes de energia DC-DC de alta frequência começaram a se tornar um gargalo central, e essa é a área de destaque 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 a GPU, há muitas conversões de energia necessárias: transmissão de alta tensão, transformadores, UPS, fontes de alimentação, AC/DC, DC/DC, VRM, fornecimento de energia próximo à GPU.
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 e se tornando o gargalo central.
Por isso, o GaN começou a entrar massivamente em fontes de alimentação de servidores de IA, DC/DC de alta frequência, VRMs de GPU e módulos de energia.
Muitos sistemas até começaram a usar combinações de “SiC + GaN”.
Alta tensão na linha principal com SiC, alta frequência na ponta final com GaN.
Nos data centers, a parte de alta potência de alta tensão da rede elétrica é mais adequada para SiC.
A alimentação de alta frequência dentro do servidor é mais adequada para GaN.
No futuro, toda a estrutura de semicondutores de potência pode formar uma estrutura de três camadas:
Baixo voltagem e baixo custo: MOSFET de silício.
Alta frequência e alta eficiência: GaN.
Alta tensão e alta potência: SiC.
Por volta de 650V, é a região de 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, perto de 650V, ambos podem ser utilizados.
Ao mesmo tempo, muitos sistemas críticos globais operam na proximidade de linhas de bus DC de 400V a 800V.
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 voltagem mais centrais na indústria moderna e nos data centers.
Assim, a competição começou a ir além dos parâmetros do dispositivo, passando para custos do sistema, EMI, complexidade de acionamento, dissipação de calor, taxa de rendimento, confiabilidade, validação do cliente, vida útil, ciclos térmicos, taxa de falha ppm e capacidade de fornecimento a longo prazo.
Essa é a razão de o setor de semicondutores de potência ter 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.
No geral, 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 por poder de processamento, mas também por energia, distribuição, 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 um dos novos gargalos centrais.
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