搭上AI快車，第三代半導(dǎo)體要起飛了？

第三代半導(dǎo)體功率器件主要以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表，具備高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)越性能。其中，SiC功率器件應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，新能源汽車已成為其主要應(yīng)用市場(chǎng)之一。與硅基器件相比，SiC功率器件能更好地滿足高壓快充需求，助力新能源汽車延長(zhǎng)續(xù)航里程、縮短充電時(shí)長(zhǎng)、提高電池容量、實(shí)現(xiàn)車身輕量化。

目前，特斯拉、比亞迪、理想、蔚來(lái)、小米等全球多家車企的熱門車型均已搭載使用SiC器件。隨著SiC技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)能擴(kuò)張，帶動(dòng)良率提升和成本下降，SiC功率器件有望在新能源汽車領(lǐng)域加速滲透，向高中低端車型普及應(yīng)用。

除新能源汽車外，SiC的潛力應(yīng)用市場(chǎng)還包括工業(yè)、光儲(chǔ)充、軌道交通等領(lǐng)域，并有望在相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)較快增長(zhǎng)。GaN器件可以實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)效率、更少的功率損耗和更小的模塊體積，廣泛應(yīng)用于低功率消費(fèi)電子市場(chǎng)，并正在逐步向汽車、高功率數(shù)據(jù)中心、光伏逆變器、通信電源等應(yīng)用場(chǎng)景滲透。整體來(lái)看，SiC、GaN具有光明的發(fā)展前景以及廣闊的應(yīng)用空間。

據(jù)TrendForce集邦咨詢研究，2023年全球SiC功率器件市場(chǎng)規(guī)模約30.4億美元，至2028年有望上升至91.7億美元，CAGR達(dá)25%；而全球GaN功率器件市場(chǎng)規(guī)模將從2022年的1.8億美金增長(zhǎng)到2026年的13.3億美金，CAGR高達(dá)65%。而AI技術(shù)的持續(xù)突破，使其逐步從作為行業(yè)發(fā)展的有益補(bǔ)充，轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)業(yè)數(shù)字化智能化轉(zhuǎn)型的核心競(jìng)爭(zhēng)力。未來(lái)，AI有望像水和電一樣，賦能千行百業(yè)，促進(jìn)社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展。作為當(dāng)前備受關(guān)注的兩大賽道，以SiC、GaN為代表的第三代半導(dǎo)體和AI將會(huì)碰撞出怎樣的火花？

01、AI賦能第三代半導(dǎo)體

近年來(lái)，深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得AI在圖像識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、自然語(yǔ)言處理等領(lǐng)域達(dá)到了甚至超越人類的水平。目前，AI在諸如醫(yī)療、金融、教育等傳統(tǒng)行業(yè)的應(yīng)用取得了顯著成果。那么，既然AI如此強(qiáng)大，能否將相關(guān)技術(shù)用于正在蓬勃發(fā)展的第三代半導(dǎo)體等前沿領(lǐng)域？答案是肯定的，事實(shí)上，業(yè)內(nèi)很早就已開(kāi)始了相關(guān)探索。早在2021年11月，日本名古屋大學(xué)的宇治原徹教授等人開(kāi)發(fā)出了利用AI高精度制造新一代半導(dǎo)體使用的SiC結(jié)晶的方法。

這種方法能將結(jié)晶缺陷數(shù)量降至原來(lái)百分之一，提高了半導(dǎo)體生產(chǎn)的成品率。這一技術(shù)突破，在一定程度上顯示了AI在SiC產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用潛力。既然如此，在SiC、GaN等第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)探索AI技術(shù)應(yīng)用，也有望獲得相應(yīng)的提升。在半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)過(guò)程中，AI技術(shù)能夠預(yù)測(cè)和解決設(shè)計(jì)流程中的問(wèn)題，有助于提高設(shè)計(jì)的精確性與效率，并縮短設(shè)計(jì)周期。對(duì)于SiC、GaN等第三代半導(dǎo)體而言，同樣可以進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用研究，以期在芯片設(shè)計(jì)方面獲得回報(bào)。

而在半導(dǎo)體生產(chǎn)領(lǐng)域，AI技術(shù)的滲透進(jìn)展較快。2021年，半導(dǎo)體設(shè)備企業(yè)AMAT便推出了基于大數(shù)據(jù)和AI的ExtractAI。據(jù)了解，由應(yīng)用材料公司數(shù)據(jù)科學(xué)家開(kāi)發(fā)的ExtractAI技術(shù)解決了艱巨的晶圓檢測(cè)問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)部分SiC檢測(cè)設(shè)備廠商也進(jìn)行了相關(guān)研究，并有成果產(chǎn)出。例如，大連創(chuàng)銳光譜科技有限公司（下文簡(jiǎn)稱創(chuàng)銳光譜）在去年12月推出了SiC襯底晶圓位錯(cuò)無(wú)損檢測(cè)專用設(shè)備SIC-SUB-9900。

結(jié)合AI識(shí)別，可對(duì)襯底晶圓中的BPD、TSD、TED等缺陷實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的識(shí)別和分類（以目前行業(yè)中廣泛應(yīng)用的堿液腐蝕法的結(jié)果為參照，識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上）。華工科技產(chǎn)業(yè)股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱華工科技）則將傳統(tǒng)算法與AI算法結(jié)合，使得SiC襯底外觀缺陷檢測(cè)智能裝備能夠檢測(cè)十余種常態(tài)/非常態(tài)缺陷，將缺陷成像清晰度較傳統(tǒng)方式提升25%，并且運(yùn)算能力也提升了45%，在提升成像質(zhì)量的同時(shí)保證檢測(cè)速度不降速，讓缺陷更易識(shí)別。

伴隨著創(chuàng)銳光譜、華工科技等廠商SiC檢測(cè)設(shè)備的推廣應(yīng)用，AI技術(shù)在SiC產(chǎn)業(yè)的影響力有望進(jìn)一步提升，并通過(guò)產(chǎn)生的增益效果帶動(dòng)更多廠商加入SiC產(chǎn)業(yè)甚至是整個(gè)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的AI應(yīng)用研究行列。綜合來(lái)看，AI可以用來(lái)增強(qiáng)化合物半導(dǎo)體企業(yè)內(nèi)部的運(yùn)營(yíng)與管理、客戶服務(wù)、辦公流程優(yōu)化等。同時(shí)，AI在數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等方面的強(qiáng)大能力，能夠加速化合物半導(dǎo)體新材料的篩選和設(shè)計(jì)過(guò)程，從而降低研發(fā)周期和成本。AI的應(yīng)用，有望推動(dòng)化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)智能化升級(jí)。

02、第三代半導(dǎo)體助推AI騰飛

在AI技術(shù)推動(dòng)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展的同時(shí)，SiC、GaN的身影也越來(lái)越頻繁的出現(xiàn)在AI領(lǐng)域。SiC、GaN材料適合制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件，能有效提高系統(tǒng)的效率，隨著AI在功能、功耗等方面提出更高的要求，SiC、GaN的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)正在逐步顯現(xiàn)。其中，伴隨著AI的蓬勃發(fā)展，數(shù)據(jù)中心對(duì)電力的需求高速成長(zhǎng)，激增的用電量促使數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商亟需尋找創(chuàng)新電力解決方案。

而SiC 、GaN功率器件能夠帶來(lái)更高的效率水平，效率提高意味著能源損耗減少，設(shè)備也能減少過(guò)熱情形，進(jìn)而可以減少散熱設(shè)備投入，降低系統(tǒng)成本?；诖?，SiC 、GaN成為數(shù)據(jù)中心優(yōu)化能源效率的關(guān)鍵技術(shù)之一，SiC 、GaN功率器件在數(shù)據(jù)中心電力系統(tǒng)中的應(yīng)用有望加速。

產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展方面，英飛凌近日擴(kuò)展了其SiC MOSFET產(chǎn)品線，推出電壓低于650V的新產(chǎn)品，以滿足AI服務(wù)器電源的需求。納微半導(dǎo)體則在今年3月公布了其AI數(shù)據(jù)中心技術(shù)路線圖，為滿足預(yù)計(jì)在未來(lái)12-18月內(nèi)增長(zhǎng)的AI處理器功率需求，路線圖中的產(chǎn)品功率將提高3倍。

據(jù)悉，類似NVIDIA的“Grace Hopper”H100這樣的高性能AI處理器目前功率要求已達(dá)700W，下一代“Blackwell”B100和B200芯片預(yù)計(jì)將在明年增加到1000W或更高。為了滿足AI處理器功率增長(zhǎng)，納微正在開(kāi)發(fā)從3kW提升到10kW的服務(wù)器電源平臺(tái)。

2023年8月，納微推出3.2kW數(shù)據(jù)中心電源平臺(tái)，采用最新的GaN技術(shù)，功率密度超過(guò)100W/in3，效率超過(guò)96.5%?，F(xiàn)在，納微又發(fā)布了一個(gè)4.5kW平臺(tái)，該平臺(tái)由GaN和SiC相結(jié)合，可將功率密度提高到130W/in3以上，效率超過(guò)97%。此外，很多AI應(yīng)用都涉及到高速的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，如智能交通、智能家居和智能港口等，針對(duì)這類應(yīng)用場(chǎng)景，基于GaN技術(shù)的通訊芯片有望獲得導(dǎo)入機(jī)會(huì)，進(jìn)而助推AI進(jìn)一步延伸應(yīng)用領(lǐng)域。目前來(lái)看，SiC、GaN在AI服務(wù)器的應(yīng)用有望率先獲得突破，進(jìn)而推動(dòng)包括AIGC在內(nèi)的AI產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)一步發(fā)展。未來(lái)，SiC、GaN有望在AI領(lǐng)域內(nèi)持續(xù)拓展應(yīng)用場(chǎng)景。

03、總結(jié)

盡管AI技術(shù)在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)程仍然處于早期階段，產(chǎn)業(yè)化成果較少，但這些為數(shù)不多的進(jìn)展，已然能夠讓業(yè)界清晰地感知到AI有望成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一股強(qiáng)大動(dòng)力。尤其是在SiC材料價(jià)格戰(zhàn)即將打響、行業(yè)聚焦降本增效的關(guān)鍵時(shí)刻，AI技術(shù)應(yīng)用帶來(lái)的良率提升、成本下降等方面的積極意義將會(huì)體現(xiàn)的更加充分?；诖?，AI在SiC產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)的參與度將會(huì)持續(xù)提升，并向GaN領(lǐng)域延伸。

在AI助推第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時(shí)，SiC和GaN也正在成為AI產(chǎn)業(yè)騰飛的雙翼。AI的飛速發(fā)展，對(duì)提供支撐的數(shù)據(jù)中心等設(shè)施性能要求越來(lái)越高，而SiC、GaN器件以其優(yōu)秀的表現(xiàn)，正在成為相關(guān)設(shè)施迭代升級(jí)的突破口，部分國(guó)際功率器件大廠正在為此積極努力，持續(xù)研發(fā)新一代產(chǎn)品，助推AI產(chǎn)業(yè)更加穩(wěn)健地發(fā)展。目前，以SiC、GaN為代表的第三代半導(dǎo)體和AI都在不斷拓展應(yīng)用邊界，向更多領(lǐng)域滲透，二者將會(huì)有越來(lái)越多的交集，協(xié)同發(fā)展已是大勢(shì)所趨。

集邦化合物半導(dǎo)體Zac