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半导体

“双碳”风口,宽禁带半导体“飞”进数据中心

编者按:6月13日至19日是第32个全国节能宣传周,今年活动主题是“绿色低碳,节能先行”。为响应国家号召,《中国电子报》在宣传周持续发表了绿色数据中心、绿色新基建等相关文章,本文要探讨的是芯片对绿色新基建所能发挥的作用及趋势。

云计算、人工智能、物联网等高计算领域的爆发式发展,对数据中心的计算、存储、数据通信、光传输等方面有了更高的需求。随之而来,数据中心对电力的需求也愈发高涨,耗电量不断攀升,在“双碳”目标的引领下,如何降低数据中心的耗电量和碳排放成了各企业争相突破的新方向。

在后摩尔时代,具有先天性能优势的宽禁带半导体材料脱颖而出,以碳化硅和氮化镓为代表的宽禁带半导体,凭借其大幅降低电力传输中能源消耗的显著优势,在数据中心的作用逐渐放大,成为全球半导体行业的研究热点。

宽禁带半导体将成数据中心节能小帮手

有数据显示,未来数十年内,数据中心的能源消耗将会疯涨。到2050年,数据中心所使用的能源预计将占全球总消耗的14%,成为能源消耗大户。

宽禁带半导体主要的市场在电力电子领域,在功率器件方面发挥重大作用。由于宽禁带半导体在导通损耗和开关损耗方面的卓越性能,可以大大降低电力电子方面应用的能耗。创道投资咨询总经理步日欣向《中国电子报》记者表示,在数据中心的主要应用是服务器电源模块,宽禁带功率器件在数据中心的主要应用是服务器电源模块,其耐高压、耐高温、低功耗等特性,可显示出竞争优势。

“宽禁带半导体的出现将引导技术转向新的高功率密度和效率、高耐热性能的解决方案,以减少导通损耗和碳排放。在整个能源转换链中,宽禁带半导体的节能潜力可为实现长期的全球节能目标作出贡献。宽禁带技术将推动电力电子器件提高效率、提高密度、缩小尺寸、减轻重量、降低总成本,因此将在数据中心等应用场景中为能效提升作出贡献。”英飞凌科技电源与传感事业部大中华区应用市场总监程文涛向《中国电子报》记者指出。

半导体行业专家池宪念对记者表示,在服务器电源中使用宽禁带半导体功率器件,可以提升服务器电源的功率密度和效率。此外,还可以整体上缩小数据中心的体积,降低数据中心整体建设成本,同时也更加环保。

碳化硅、氮化镓各有节能方向

目前,由于数据中心、新能源汽车等应用场景仍在高速成长,宽禁带半导体的需求也将逐渐攀升。据Yole 预测,从2021年到2026年,碳化硅需求有望从10亿美元增长至35亿美元,氮化镓需求从不到1亿美元有望增长至21亿美元。

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来源:罗姆

在数据中心领域,碳化硅因为具有极小的反向恢复损耗,所以可以有效降低能耗。氮化镓主要得益于其栅极电容和输出电容对比于硅更小,导通电阻较低,反向恢复电荷很小,因此开关损耗和导通损耗较低。

碳化硅主要应用在服务器电源的PFC中,多采用碳化硅二极管替代硅二极管,碳化硅MODFET替代硅MOSFET。氮化镓主要应用在服务器电源的PFC和高压DC/DC部分,用氮化镓 MOSFET替代硅MOSFET。“根据不同的应用场景选用不同的方案,在AC/DC部分,当工作频率高于200KHz,或者对轻载至半载效率有要求,则优先选用氮化镓;而如果环境干扰比较大,则选择碳化硅更加合适。在DC/DC部分,在12~48V工作电压环境下,优先选用氮化镓,而在高压环境下,则选择碳化硅更合适。”芯谋研究分析师张先扬向记者介绍道。

2021年-2027 年(预测)碳化硅功率器件各细分领域市场占比 

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数据来源:YOLE

特别是在服务器电源的PFC中,碳化硅MOSFET具有的高频特性,可以起到高效率、低功耗的效果,提升服务器电源的功率密度和效率,缩小数据中心的体积,降低数据中心的建设成本,同时实现更高的环保效率。

据悉,如果数据中心的电源和散热系统均采用碳化硅 MODFET替代硅MOSFET,所节约下来的能源可以为曼哈顿供电一整年。

氮化镓则在数据中心中的低电压应用不断提升。近几年,氮化镓技术一直在突破,所带来的效率提升,有助于数据中心降低成本,大幅降低电费,达到碳中和、碳达峰的要求。如果全球的数据中心都能使用氮化镓代替硅,有望节省15T瓦以上的电量,其价值可达到十几亿美元。

2021年-2027年(预测)氮化镓功率器件各细分领域市场营收

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数据来源:YOLE

Yole 预计,氮化镓在数据中心中的渗透率会持续增加,越来越多的电源供应商已经在其系统中使用了氮化镓。德州仪器、英飞凌、罗姆等氮化镓龙头企业都宣布了最新进展。

罗姆半导体(北京)有限公司技术中心总经理水原德健向《中国电子报》记者表示,罗姆一直致力于在中等耐压范围具有出色的高频工作性能的氮化镓器件的开发,旨在为各种应用提供更广泛的电源解决方案。目前,已确立150V耐压GaN HEMT“GNE10xxTB系列 (GNE1040TB)”的量产体系,该系列产品非常适用于基站、数据中心等工业设备和各种物联网通信设备的电源电路。

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来源:英飞凌

相较于碳化硅,全球晶圆代工龙头企业台积电更看好氮化镓快充、轻薄、效率高的特性,台积电研发资深处长段孝勤曾表示,台积电在化合物半导体领域专注在氮化镓相关开发,历经长期的发展氮化镓已逐渐开始被市场接受,预计未来十年将有更多应用场景。台积电在氮化镓的五个主要应用场景包含数据中心、快充、太阳能电力转换器、48V DC/DC以及电动车OBC/转换器。

责任编辑:赵强


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