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新型半导体技术可为人工智能提供动力
2024-04-25 来源:互联网
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关键词: 半导体技术 人工智能

为工业、汽车、计算机和消费设备提供动力的功率半导体并不像其他半导体那样广为人知。然而,它们约占半导体总收入的 10%,是一个价值 300 亿美元的市场。

功率半导体,尤其是宽禁带半导体,对于全球努力实现可持续发展目标至关重要。与其他芯片相比,宽禁带器件可以在更高的电压、频率和温度下工作,从而提高器件的效率。碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)这两种材料尤为重要。这两种材料并不新鲜,但迄今为止,对它们的需求一直受到成本,产能以及可靠性的担忧。

不过,这种情况正在开始改变。越来越多的碳化硅和氮化镓半导体被应用于风力涡轮机、光伏逆变器、电机驱动器以及新能源汽车等设备中。目前,它们的市场增长速度远远超过硅功率半导体的市场增长速度。我们预计其收入将继续增长,从 2022 年占功率半导体市场的 3% 增长到 2027 年的 13.1%。


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效率需求推动增长

随着各国努力实现能源安全,以及各行各业寻求提高能源效率和实现碳减排目标,提高效率的动力将继续存在。许多行业将面临进一步的压力,要求将能源消耗降至最低。这其中就包括数据中心,数据中心已经是能源密集型行业,随着人工智能(AI)的发展,数据中心的能源密集度可能会更高。 

人工智能需要强大的计算能力,而高性能数据中心的运营商则希望他们的设施能够高效地运行,这样他们的能源成本和能源足迹就不会过多。电源是实现这一目标的关键,而宽禁带半导体,特别是氮化镓,可以帮助运营商在三个方面节省成本:能源损耗、数据中心的冷却成本以及服务器所需的空间。

数据中心使用大量能源,但它们的工作电压并不高,这意味着常用于笔记本电脑、平板电脑和手机充电器等设备的氮化镓(GaN)半导体可能比针对电力传输和汽车等行业进行优化的碳化硅(SiC)半导体具有更大的优势。

氮化镓器件可在主服务器电源中更高效地运行,从而减少数据中心的能量损耗。基于氮化镓的解决方案可实现出色的导通电阻和高开关速度,从而大大降低能量损耗。这不仅降低了服务器机架的能源需求,还减少了对数据中心冷却系统的需求。 

能源损耗和冷却需求的减少意味着能耗的降低。功率半导体公司英飞凌正在投资氮化镓技术,并于去年年底完成了对氮化镓系统公司的收购。英飞凌认为,如果运营商将硅电源转换为基于氮化镓的电源装置,数据中心的能耗可减少 10%。该公司还表示,如果所有数据中心都改用氮化镓技术,每年可节省 20TWh 的能源。

节省空间

最后,氮化镓的使用使制造商能够缩小电源的尺寸。在数据中心,空间的更有效利用为 CPU 和 GPU 创造了额外的空间,而 CPU 和 GPU 正是为运营商创造收入的组件。这意味着他们可以从现有数据中心获得更多收益,或在新设施中提高效率。

开发认证解决方案

尽管存在潜在优势,但 Omdia 并不希望运营商立即升级其电源。相反,我们期望的是更渐进的转变。运营商可能会等到其现有设备达到自然使用寿命,然后再考虑采用更高效的技术。制造商可能还需要让运营商相信,目前用于低成本、低利润应用的氮化镓半导体在关键数据中心环境中足够坚固可靠。在数据中心,停机会对财务和声誉造成重大影响,因此运营商不太可能冒险。 

不过,我们可以从新能源汽车市场吸取经验教训。在混合动力车和电动车市场,SiC 半导体正越来越多地被用于延长汽车的续航里程和性能,特斯拉就是其中的佼佼者。最初人们对该技术的担忧已经得到解决,这些器件现在被认为是高质量和高价值的,制造商也在不断投资改进该技术并推出新功能。在数据中心市场,氮化镓半导体也有机会以同样的方式发展。

成熟的设施和供应链

半导体制造商具备良好的发展条件。氮化镓器件的生产方式与硅芯片类似,因此现有的设施可以重新利用,而且有成熟的供应链。然而,由于数据中心的建设仍在继续,他们需要找到保持利润和产能的方法。如果他们能应对这一挑战,就有机会利用这些新技术最大限度地提高效率。

现在比以往任何时候都更需要限制我们对地球的影响,而宽禁带半导体设备在实现效率水平方面提供了一个阶跃变化。谁知道呢,假以时日,也许有机会利用人工智能产生更大的效益。