В то же время, исследования на ранних стадиях разработки полупроводниковых материалов следующего поколения — сверхширокополосных (UWBG) полупроводников — грозят еще больше революционизировать этот сектор. IDTechEx прогнозирует, что рынок силовой электроники вырастет до 65,2 млрд долларов США к 2036 году, что будет представлять собой среднегодовой темп роста (CAGR) в 10% в течение прогнозируемого периода. Отчет IDTechEx «Рынок силовой электроники 2026-2036: центры обработки данных, электромобили и возобновляемые источники энергии» содержит подробный сравнительный анализ кремниевых, широкополосных и сверхширокополосных полупроводников, а также анализ цепочки поставок (включая ключевые выводы из обсуждений с ведущими китайскими производителями SiC) и оценку каждого материала в секторах центров обработки данных, электромобилей и возобновляемой энергетики.

Различие в материалах: ключевые свойства, отличающие Si, SiC, GaN и UWBG

Наиболее очевидное различие между Si, SiC, GaN и UWBG на уровне материалов заключается в их ширине запрещенной зоны. Это напрямую влияет на критически важные свойства материалов, такие как критическое поле пробоя, которое определяет максимальное напряжение, при котором силовые полупроводники могут безопасно работать. Более высокое критическое поле пробоя позволяет работать при более высоком напряжении или, наоборот, позволяет работать при том же напряжении с меньшим дрейфовым слоем, минимизируя форм-фактор и сопротивление в открытом состоянии. Однако при оценке полупроводниковых материалов важны и другие параметры. Подвижность электронов и скорость дрейфа влияют на характеристики переключения устройства, что, в свою очередь, влияет на частоты переключения, которые может достичь силовой транзистор. Следует отметить, однако, что архитектура устройства также играет ключевую роль в этом отношении. Например, транзисторы с высокой подвижностью электронов на основе GaN (HEMT) обеспечивают высокие частоты переключения порядка МГц.
Поскольку управление тепловыми процессами играет решающую роль в проектировании системы, тепловые свойства полупроводниковых материалов также являются важным фактором, который необходимо учитывать. С учетом материальных и технических характеристик, SiC хорошо подходит для дополнения кремния в высоковольтных приложениях, в то время как GaN особенно хорошо подходит для маломощных приложений с быстрым переключением. Свойства некоторых материалов со сверхширокой запрещенной зоной (UWBG) представляют большой интерес. В частности, алмаз, благодаря своей большой ширине запрещенной зоны, высокой эффективности переключения и исключительной теплопроводности, имеет потенциал стать «идеальным» силовым полупроводником, по крайней мере, в теории.

Центры обработки данных стимулируют инновации в широкополосных материалах, а возобновляемая энергия способствует увеличению срока службы кремния

Одно из наиболее ожидаемых в последнее время применений силовой электроники — это центры обработки данных, особенно для обучения ИИ, где следующее поколение серверов требует перепроектирования архитектуры питания. Это включает в себя переход от преобразования переменного тока в постоянный на уровне стойки к архитектуре «sidecar», которая подает 800 В постоянного тока в стойку. В конечном итоге это будет заменено «собственной» архитектурой 800 В постоянного тока, в которой напряжение сети понижается до 800 В постоянного тока с помощью твердотельных трансформаторов, а затем распределяется по всему центру обработки данных. Хотя ожидается, что это приведет к значительному повышению эффективности, основная причина носит практический характер: существующая архитектура питания просто не может обеспечить необходимое питание для серверов Nvidia Vera Rubin Ultra и более поздних моделей. Подробный анализ перехода на 800 В постоянного тока включен в отчет «Рынок силовой электроники 2026-2036: центры обработки данных, электромобили и возобновляемые источники энергии».
В электромобилях переход на силовую установку с напряжением 800 В стал ключевым фактором инноваций в области широкополосных материалов, где преимущества SiC перед существующей кремниевой технологией стали очевидны и оправдали более высокую стоимость во многих высокопроизводительных моделях. В центрах обработки данных аналогичные факторы стимулируют инновации в широкополосных технологиях, особенно в области GaN. В низковольтной области (снижение постоянного напряжения 800 В до 50 В, 12 В или 6 В) эффективность и миниатюризация имеют решающее значение. Сверхбыстрое переключение GaN уменьшает размер пассивных компонентов (индукторов, конденсаторов и т. д.) и, следовательно, общую площадь устройства. С целью сохранения как можно большего пространства для вычислительных задач, размер устройства является жизненно важным параметром, определяющим коммерциализацию GaN. В высоковольтной области твердотельные трансформаторы, вероятно, будут основаны на технологии SiC, где отдельные MOSFET-транзисторы уже способны работать при напряжении 10 кВ.

Углерод кремния (SiC) и наноматериалы на основе кремния (GaN) безусловно привлекают к себе внимание, хотя пока еще не доминируют на всем рынке (IDTechEx прогнозирует, что SiC станет доминирующим материалом для силовых полупроводников к 2036 году). Однако сохраняется устойчивый и стабильный рынок силовых полупроводников на основе кремния. Одним из примеров, где участники отрасли проявляют большую осторожность в переходе на широкополосные полупроводники, является возобновляемая энергетика, в частности, ветроэнергетика. Это особенно актуально для морского сектора, где затраты на ремонт в случае выхода из строя компонентов будут очень высокими. Преимущества миниатюризации также относительно менее значительны по сравнению с другими секторами. Наконец, ветроэнергетика очень чувствительна к затратам; во многих случаях дополнительные затраты, связанные с SiC, слишком высоки. В целом это привело к гораздо более медленному переходу от доминирующей кремниевой технологии. Однако начинают появляться первые примеры сотрудничества, такие как сотрудничество между Wolfspeed и Hopewind, что свидетельствует о том, что технология SiC достигла достаточной зрелости для использования даже в этих более осторожных секторах. Этот рост был в значительной степени обусловлен научно-исследовательскими разработками в секторе электромобилей, что подчеркивает междисциплинарный характер рынка силовой электроники.

Автор: Мэтью Фолл — технологический аналитик, IDTechEx