أفادت مصادر مطلعة أن شركة هواوي بدأت مؤخرًا بتوظيف كوادر لقسم أبحاث وتطوير أجهزة الطاقة، بما في ذلك أجهزة الطاقة الرئيسية مثل IGBT وMOSFET وSiC وGaN. ويُقال إن الفريق يضم حاليًا مئات الأشخاص. ومن المعروف أن هواوي تُطوّر أجهزة الطاقة الخاصة بها. فما هي استراتيجية هواوي في مجال البحث والتطوير لهذه الأجهزة؟ (مقتبس من حساب [Semiconductor Industry Observation]، المعرّف: icbank، بقلم: دو تشين DQ)

 

Why pay attention to power devices?

We all know that Huawei is very good at making chips, and its Kirin chips are comparable to or even surpassing Qualcomm and Apple, but in fact, power devices are also a very important part of semiconductors. تُعد أجهزة الطاقة جوهر عملية تحويل الطاقة والتحكم في الدوائر في الأجهزة الإلكترونية. إنها المكونات الأساسية التي تحقق وظائف مثل الجهد والتردد وتحويل التيار المستمر إلى تيار متردد. They mainly include diodes, thyristors, MOSFETs, and IGBTs. ومع ذلك، فإن التقنيات مثل الثنائيات والثايرستورات قديمة نسبياً وقد تم التخلي عنها تدريجياً من قبل الشركات المصنعة الكبرى. Especially as power semiconductor devices gradually develop toward high voltage and high frequency, traditional silicon-based power semiconductor devices and their materials are approaching physical limits. بالإضافة إلى ذلك، فإن أشباه الموصلات المركبة من الجيل الثاني غير مناسبة من حيث التكلفة والسمية. Major international manufacturers have focused the future of the industry on third-generation compound semiconductors. It can be said that the third generation of semiconductors is the development direction of power devices in the future. اختتمت الدورتان الوطنيتان مؤخراً، وأصبحت أشباه الموصلات من الجيل الثالث (GaN و SiC) مرة أخرى واحدة من الكلمات الرئيسية للدورتين. خلال الجلستين، قال وانغ وينين، عضو اللجنة الوطنية للمؤتمر الاستشاري السياسي للشعب الصيني، في مقابلة صحفية، إنه مع امتداد نطاق صناعة أشباه الموصلات من الجيل الثالث إلى مجالات رئيسية مثل محطات قاعدة الجيل الخامس، والجهد العالي الفائق، والنقل بالسكك الحديدية عالية السرعة بين المدن، ومحطات شحن الطاقة الجديدة، فقد وصل تطور صناعة أشباه الموصلات في بلادي إلى ذروته. According to TrendForce Consulting’s forecast, the revenue of GaN communication and power devices in 2021 will be US$680 million and US$61 million respectively, an annual increase of 30.8% and 90.6%; for SiC devices, it is estimated that the revenue of SiC devices in the power field will reach US$680 million in 2021, an annual increase of 32%. China is the world's largest consumer of power devices. معدل الاكتفاء الذاتي الإجمالي للأجهزة الكهربائية المنزلية أقل من 10%. هناك مجال واسع للاستبدال المحلي، خاصة في الأجهزة المتطورة. Let’s see how hot GaN is? وبحسب تقارير وسائل الإعلام التايوانية في فبراير من هذا العام، اشترت شركة TSMC 16 جهازًا متعلقًا بتقنية GaN، وهو ما يزيد عن ضعف عدد الوحدات الست الموجودة في مصنع الشاشتين الست بوصات الحالي. وهذا يعادل زيادة في الطاقة الإنتاجية إلى أكثر من 10,000 قطعة، مما يدل على حجم الطلب على طلبات العملاء. أعلنت شركة Nanosemiconductor، وهي مورد GaN وعميل رئيسي لشركة TSMC، مؤخرًا أن شحناتها قد حققت رقمًا قياسيًا جديدًا ونجحت في تسليم أكثر من 13 مليون دائرة متكاملة للطاقة GaN إلى السوق، محققة صفر فشل في المنتج. This reflects that the global mobile consumer electronics market is accelerating the adoption of GaN chips to enable fast charging of mobile devices and related equipment. In February 2020, at the Xiaomi 10 launch conference, Nanomicro's GaNFast gallium nitride power chip was used in Xiaomi's 65W gallium nitride charger for the first time, and GaN began to enter people's attention. الآن، سيتم إطلاق هاتف Xiaomi Mi 11 في السوق بإصدار جديد من تقنية الشحن السريع GaN بقوة 55 واط. This charger will be included with Xiaomi Mi 11 smartphones when they are launched overseas. According to Gene SHERIDAN, CEO and co-founder of Navitas, the overseas version of Xiaomi Mi 11’s standard 55W Nano GaNFast gallium nitride charger has European standard 2-pin AC, which marks that mainstream first-tier smartphone manufacturers have begun to adopt gallium nitride technology, and also marks that the industry has begun to phase out old low-speed silicon chips.

احصل على كل من IGBT و SiC

لطالما كان هناك قلقٌ خفيٌّ في قطاع صناعة الإلكترونيات بشأن تقنيتي IGBT وSiC. فمع اقتراب IGBT تدريجيًا من حدود أداء السيليكون، يُنظر إلى SiC، وهو مادة أشباه موصلات من الجيل الثالث، كمنافسٍ جديدٍ لـ IGBT في مستقبل السيارات الكهربائية. ومع ذلك، ووفقًا لتحليلات خبراء الصناعة، فإن "SiC أشبه بمراهقٍ ذكيٍّ قويّ الإرادة، يتمتع بمزايا وعيوب بارزة. أما IGBT فهو أشبه بشابٍّ ناضجٍ وثابتٍ قادرٍ على تحمّل عبء أجهزة الطاقة". لذا، ونظرًا لاختلاف توزيع العمل بينهما، يُعدّ نهج هواوي المزدوج تجاه IGBT وSiC خيارًا حكيمًا. وكانت أولى أجهزة الطاقة التي ترددت شائعاتٌ عن نية هواوي تصنيعها هي IGBT. يُعدّ IGBT الجهاز الأساسي لتحويل الطاقة ونقلها، ويُعرف باسم "وحدة المعالجة المركزية" لأجهزة إلكترونيات الطاقة. وبصفتها شركةً رائدةً في مجال أنظمة تزويد الطاقة غير المنقطعة (UPS)، تستحوذ هواوي على الحصة السوقية الأولى في مراكز البيانات العالمية، لذا يُعدّ IGBT المكوّن الأساسي لأنظمة تزويد الطاقة غير المنقطعة (UPS) من هواوي. بالإضافة إلى ذلك، وباعتبارها صناعة استراتيجية ناشئة على المستوى الوطني، تُستخدم تقنية IGBT على نطاق واسع في النقل بالسكك الحديدية، والشبكات الذكية، والفضاء، والمركبات الكهربائية، ومعدات الطاقة الجديدة، وغيرها من المجالات. ومع تطور مركبات الطاقة الجديدة، والنقل بالسكك الحديدية، والشبكات الذكية، شهد الطلب على تقنية IGBT نموًا ملحوظًا. تُعدّ أجهزة الطاقة من الأجهزة الإلكترونية الأساسية في نظام التحكم الإلكتروني لمركبات الطاقة الجديدة، حيث تزيد قيمتها عن خمسة أضعاف قيمتها في مركبات الوقود التقليدية. وعلى وجه الخصوص، تُشكّل تقنية IGBT حوالي 37% من تكلفة نظام التحكم الإلكتروني لمركبات الطاقة الجديدة. وإلى جانب تقنية IGBT، من المعروف أن هواوي تعمل أيضًا على تطوير كربيد السيليكون (SiC). ففي العامين الماضيين، ونظرًا لخصائص SiC الفريدة والممتازة، بدأت شركات تصنيع السيارات تباعًا في استخدام أجهزة SiC. ومن المعروف أيضًا أن هواوي لا تُصنّع السيارات، بل تُركّز على تكنولوجيا المعلومات والاتصالات لمساعدة شركات السيارات على إنتاج سيارات عالية الجودة. وتلتزم هواوي بأن تصبح موردًا أساسيًا للمكونات الإضافية للمركبات الذكية المتصلة. يُعدّ البحث والتطوير في مجال ترانزستورات IGBT وكربيد السيليكون (SiC) اتجاهًا هامًا لشركة هواوي لتصبح موردًا لقطع غيار السيارات. لكن في الوقت الراهن، لا تزال أجهزة أشباه الموصلات المستخدمة في طاقة السيارات تعتمد بشكل أساسي على ترانزستورات IGBT المصنوعة من السيليكون، بينما تمثل ترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون مستقبل هذا المجال نظرًا لأدائها المتميز، إلا أن ارتفاع تكلفتها يُعدّ العائق الأكبر أمام انتشارها حاليًا. مع ذلك، ومع ازدياد حجم بطاريات السيارات الكهربائية، وارتفاع القدرة القصوى/عزم الدوران الأقصى للمحركات، تزداد أهمية مزايا ترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون. كما تشهد أجهزة طاقة كربيد السيليكون تسارعًا في دمجها في مجال شواحن السيارات. وقد طرح العديد من المصنّعين أجهزة طاقة كربيد السيليكون لشواحن السيارات الكهربائية، مثل السيارات الهجينة والكهربائية. وتشير إحصائيات Yole إلى أن هذا السوق سيحافظ على معدل نمو يبلغ 44% حتى عام 2023.    

التطور طويل الأمد لتقنية SiC للطاقة (المصدر: Yole)في مجال الاستثمار، استثمرت شركة هابل تكنولوجي إنفستمنت المحدودة، التابعة لشركة هواوي، العام الماضي في شركة شاندونغ تيانيوي لتكنولوجيا المواد المتقدمة المحدودة، الشركة الرائدة في الصين في مجال مواد أشباه الموصلات من الجيل الثالث، وتحديدًا كربيد السيليكون، بحصة تبلغ 10%. وفي يوليو 2020، استثمرت هواوي أيضًا في شركة دونغوي لأشباه الموصلات، التي تُنتج بشكل رئيسي ثلاث سلاسل من المنتجات: سلسلة GreenMOS عالية الجهد، وسلسلة SGTMOS متوسطة ومنخفضة الجهد، وسلسلة IGBT، والتي تُستخدم على نطاق واسع في أجهزة الشحن السريع، وتطبيقات محطات الشحن، ومصادر الطاقة التبديلية، ومحركات التيار المستمر، ومحولات الطاقة الشمسية.    

التخطيط لشبكة GaN

بحسب توقعات شركة Yole، سيُستخدم نتريد الغاليوم (GaN) بشكل رئيسي في الإلكترونيات الاستهلاكية، وإلكترونيات السيارات، ومرافق تكنولوجيا الاتصالات، وغيرها. وفي مجال نتريد الغاليوم، يتمثل الاتجاه السائد في تكامل أجهزة GaN في حلول النظام المتكامل (System-in-package) أو النظام على شريحة (SoC). في الواقع، تُباع أجهزة طاقة GaN بشكل أساسي في سوق الإلكترونيات. بالنسبة لسوق المستهلكين، يُعد هذا توجهاً تقنياً واضحاً، وأبرز مثال عليه هو الشحن السريع. يتكون رأس الشحن السريع بشكل أساسي من مكونين رئيسيين: شريحة IC لإدارة الطاقة، وجهاز طاقة منفصل. تتطلب متطلبات الشحن السريع كثافة طاقة وكفاءة عاليتين، لذا يتعين على الشركات تصغير حجم النظام وخفض سعر الطاقة في هذا الحجم.    

الشكل 2: سوق GaN للطاقة (المصدر: Yole)  
مع نضوج تقنية GaN، يمكن لهذه التقنية أن تسمح للمكونات المبسطة بتحقيق حجم ووزن أفضل، وما إلى ذلك. من خلال تصميم ذكي. بالإضافة إلى ذلك، بالمقارنة مع المكونات العادية القائمة على السيليكون، فإن مكونات GaN تعمل بشكل أسرع بعشر مرات ويمكنها العمل في درجات حرارة أعلى. Therefore, the application of GaN in the field of USB PD fast charging has been very common. On April 8, 2020, at Huawei's 2020 spring new product launch, Huawei released a single charger product - a 65W GaN (gallium nitride) dual-port charger. At that time, there were rumors that Huawei was developing it on its own, but the actual situation has yet to be investigated. However, people familiar with Huawei's supply chain pointed out that Huawei has a deep presence in the GaN field. At present, there are many manufacturers on the market deploying GaN fast charging, such as Power Integration, Inc., Navitas, and Innoscience, the three major suppliers. بالإضافة إلى شركة هواوي هاي سيليكون، قامت العديد من الشركات المحلية، بما في ذلك شركة هايتي للتكنولوجيا العالية، وشركة هايلو للصناعات الثقيلة، وشركة سوتشو جينغزهان، وشركة جيانغسو هواغونغ، وشركة تشونغتشينغ تشاينا ريسورسز مايكرو، وشركة هانغتشو سيلان مايكرو، بنشر أشباه الموصلات من الجيل الثالث بشكل فعال. It is expected that as users' demand for portability increases, the global GaN fast charging market is expected to reach more than 60 billion yuan in 2025, while accelerating the replacement of silicon-based products by GaN chips in other emerging fields. بالإضافة إلى الشحن السريع في مجال الإلكترونيات الاستهلاكية، فإن الأجهزة المنفصلة القائمة على GaN هي أيضًا أكثر ملاءمة لتطبيقات الطاقة العالية، مثل مراكز البيانات أو مصادر الطاقة لمحطات القاعدة. In June 2020, Huawei announced that it would establish an optoelectronics R&D and manufacturing base in the UK. The first phase of the project will focus on the R&D and manufacturing of optical devices and optical modules. من خلال دمج وظائف البحث والتطوير والتصنيع، يمكننا تسريع عمليات تطوير المنتجات وتسويقها وطرح المنتجات في السوق بكفاءة أكبر. تُعد تقنية الإلكترونيات الضوئية تقنية أساسية لأنظمة الاتصالات بالألياف الضوئية، ويهدف استثمار هواوي الكبير في المملكة المتحدة إلى تعزيز تطبيق التقنيات ذات الصلة في مراكز البيانات العالمية والبنية التحتية للشبكات. عندما يتعلق الأمر بمجال الإلكترونيات الضوئية، فإن انخفاض استهلاك الطاقة وكفاءة الإضاءة العالية لـ GaN تساعد مصابيح LED وأشعة الليزر فوق البنفسجية. تعتبر الثنائيات الباعثة للضوء فوق البنفسجي العميق (LEDs) القائمة على أشباه الموصلات GaN هي الاتجاه الرئيسي لتطوير مصادر ضوء التطهير بالأشعة فوق البنفسجية. مصادر الضوء الخاصة بهم صغيرة الحجم، وعالية الكفاءة، وطويلة العمر. يمكن لوحدة رقاقة بحجم غطاء الإبهام أن تصدر ضوءًا فوق بنفسجيًا أقوى من مصباح الزئبق. في مجال ترددات الراديو GaN، استخدمت هواوي مضخمات طاقة نتريد الغاليوم في محطات قاعدة 4G LTE الخاصة بها قبل بضع سنوات. Then, with the advent of 5G, GaN has more and more potential because at high frequencies, the power density of GaN is still excellent compared to LDMOS, and the power-added efficiency also increases. وفقًا لتوقعات بيانات Yole (الشكل 2)، فإن اعتماد GaN في مراكز البيانات ينمو ببطء. وقالت إزجي دوغموس، محللة التكنولوجيا والسوق في شركة Yole، إن هذا يرجع إلى نقص التنظيم. If the government strengthens strict supervision of data centers to reduce power consumption, the penetration rate of GaN in data centers will be higher. مع ازدياد متطلبات الكفاءة العالية، يلعب نتريد الغاليوم دورًا مهمًا مقارنةً بالسيليكون الذي لا يزال يفي بالمتطلبات الحالية. في مجال السيارات، ومع ازدياد استخدام المكونات في السيارات، أصبح دور GaN أكثر بروزاً. في 11 أغسطس 2020، وفي منتدى الكتاب الأزرق الثاني عشر للسيارات، كشف وانغ جون، رئيس وحدة حلول السيارات الذكية في هواوي، أن هواوي تعمل حاليًا على تطوير تقنية الليدار. أثبتت التطورات في ترانزستورات GaN أنها أساسية لتطوير أنظمة الليدار عالية الدقة. LiDAR systems emit light pulses from vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs), which require high-power electrical control and are very fast with short rise and fall times. This is one of the reasons why gallium nitride benefits lidar systems. تتميز مفاتيح نتريد الغاليوم بسرعة أكبر بكثير من ترانزستورات السيليكون ذات التأثير الحقلي، مما يتيح عرض نبضات قصيرة عند تيارات عالية. تُعد هذه الخاصية بالغة الأهمية لتقنية الليدار لأن عرض النبضات الأقصر يسمح بدقة أعلى، كما أن تيارات النبضات العالية تسمح لأنظمة الليدار بالرؤية لمسافات أبعد.

الوضع العام لأشباه الموصلات الكهربائية المحلية

أخيرًا، دعونا نلقي نظرة منهجية على وضع سلسلة التوريد لأشباه الموصلات الكهربائية المحلية، ولا سيما ترانزستورات IGBT وكربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN). بدايةً، دعونا نستعرض سلسلة التوريد الكاملة لتقنية IGBT. لقد تم بالفعل وضع أسس تقنية IGBT المحلية في جميع مراحل سلسلة التوريد، بدءًا من تصميم الرقائق وتصنيع الرقاقات وصولًا إلى تغليف الوحدات، إلا أنها لا تزال في مراحلها الأولية. وعلى وجه الخصوص، يُعد تصنيع الرقاقات وترقيق الطبقة الخلفية وعمليات التغليف من أبرز التحديات التي تواجه تقنية تصنيع IGBT، وهناك فجوة كبيرة بينها وبين الدول الأجنبية في هذا الصدد.

فرز سلسلة صناعة IGBT المحلية بأكملها (جدول: ملاحظات صناعة أشباه الموصلات)  
في مجال كربيد السيليكون (SiC) برمته، لا تزال الصين تهيمن على منتجات 4 بوصات، بينما تُطوّر وتُورّد منتجات 6 بوصات بكميات محدودة. وبشكل عام، بالمقارنة مع الدول الأجنبية، توجد فجوات في جميع حلقات سلسلة القيمة لصناعة كربيد السيليكون المحلية، وقد تصل الفجوة الإجمالية إلى حوالي 5 سنوات. وبالمقارنة مع أحدث التقنيات الأجنبية، فإن ثنائيات كربيد السيليكون المحلية متأخرة بجيل كامل، أي ما بين سنتين إلى ثلاث سنوات. هذه الفجوة ليست كبيرة، ومن الممكن تمامًا اللحاق بالركب في المستقبل القريب. لكن هذا يتطلب جهودًا متزامنة من جميع مراحل سلسلة القيمة المحلية لتحقيق التقدم.

فرز سلسلة صناعة كربيد السيليكون المحلية بأكملها (جدول: ملاحظات صناعة أشباه الموصلات)According to the "Gallium Nitride Semiconductor Device Market 2023 Global Forecast" released by RESEARCH AND MARKETS, the gallium nitride device market is expected to grow from US$16.5 billion in 2016 to US$22.47 billion in 2023, with a compound annual growth rate of 4.51%. The GaN industry chain includes upstream materials (substrate and epitaxy), midstream devices and modules, and downstream systems and applications. Driven by the gradual expansion of the domestic GaN market, a large number of manufacturers have begun to appear in all links of upstream, midstream and downstream.  
 

فرز سلسلة صناعة GaN المحلية بأكملها (جدول: ملاحظات صناعة أشباه الموصلات)     

خاتمة

في ظل الوضع الدولي الراهن، واجهت أعمال هواوي الخارجية صعوبات، إلا أن دخولها قطاع السيارات الناشئ شكّل نقطة تحول حاسمة في مسيرة نموها، وأصبح ذا أهمية متزايدة في قطاع أعمالها. ويُعدّ دخولها مجال أجهزة الطاقة، سواءً كانت IGBT أو SiC أو GaN، ركيزة أساسية لترسيخ مكانتها كمورد لقطع غيار السيارات. وبفضل الخصائص المتميزة لهذه الأجهزة، يُمكنها خدمة معداتها الخاصة، مثل تزويد محطات الطاقة بالطاقة، والشحن السريع، وأبحاث وتطوير الإلكترونيات الضوئية، وغيرها من التطبيقات.    

في الوقت الراهن، نتمتع بمكانة جيدة في مجال أجهزة الطاقة لأشباه الموصلات من الجيل الثالث، وذلك بفضل مستوى التطور التكنولوجي المحلي والأجنبي، فضلاً عن الاهتمام الوطني الكبير الذي تحظى به هذه التقنية. كما أن معظم الخبراء المحليين ينظرون بإيجابية إلى تطوير أشباه الموصلات من الجيل الثالث في بلادنا. قد تُمثل مواد أشباه الموصلات من الجيل الثالث فرصة سانحة لنا لتجاوز حالة الجمود التي كانت سائدة في مجال الدوائر المتكاملة، وتحقيق اللحاق بركب تكنولوجيا الرقائق الإلكترونية، بل وتجاوزها. لذا، ينبغي لشركة رائدة مثل هواوي أن تتبوأ الصدارة وتقود مسيرة نهضة صناعة أشباه الموصلات المحلية!

تنويه: هذه المقالة مُعاد نشرها من "تحالف البحث والتطوير في مجال الطاقة"، الذي يدعم حماية حقوق الملكية الفكرية. يُرجى ذكر المصدر الأصلي ومؤلف إعادة النشر. في حال وجود أي انتهاك، يُرجى التواصل معنا لحذفها.

رقم هاتف الشركة: +86-0755-83044319
فاكس: +86-0755-83975897
بريد إلكتروني: 1615456225@qq.com
س: 3518641314 مدير لي

ف ف: 332496225 مدير تشيو

العنوان: الغرفة 809، المبنى ج، مبنى زانتاو للتكنولوجيا، رقم 1079 شارع مينزي، منطقة لونغهوا الجديدة، شنتشن