Recientemente, según fuentes cercanas al asunto, Huawei está reclutando personal para el departamento de investigación y desarrollo de dispositivos de potencia, incluyendo dispositivos de potencia convencionales como IGBT, MOSFET, SiC y GaN. Se dice que el equipo cuenta actualmente con cientos de personas. No es ningún secreto que Huawei desarrolla sus propios dispositivos de potencia. Entonces, ¿qué estrategia ambiciosa está siguiendo Huawei en la investigación y el desarrollo de estos dispositivos? (El contenido se reproduce de la cuenta pública [Semiconductor Industry Observation] ID: icbank Autor: Du Qin DQ)

 

¿Por qué prestar atención a los dispositivos de potencia?

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. Los dispositivos de potencia son el núcleo de la conversión de energía y el control de circuitos en los dispositivos electrónicos. Son los componentes principales que realizan funciones como la conversión de voltaje, frecuencia y corriente continua a corriente alterna. Principalmente incluyen diodos, tiristores, MOSFET e IGBT. Sin embargo, tecnologías como los diodos y los tiristores son relativamente antiguas y han sido gradualmente abandonadas por los principales fabricantes. Especialmente a medida que los dispositivos semiconductores de potencia evolucionan gradualmente hacia voltajes y frecuencias más altas, los dispositivos semiconductores de potencia tradicionales basados ​​en silicio y sus materiales se están acercando a los límites físicos. Además, los semiconductores compuestos de segunda generación no son adecuados en términos de coste y toxicidad. Los principales fabricantes internacionales han centrado el futuro de la industria en los semiconductores compuestos de tercera generación. Se puede afirmar que la tercera generación de semiconductores marca la dirección del desarrollo de los dispositivos de potencia en el futuro. Las dos sesiones nacionales acaban de concluir, y los semiconductores de tercera generación (GaN y SiC) se han convertido una vez más en una de las palabras clave de ambas sesiones. Durante las dos sesiones, Wang Wenyin, miembro del Comité Nacional de la Conferencia Consultiva Política del Pueblo Chino, afirmó en una entrevista que, a medida que el alcance de la industria de semiconductores de tercera generación se extiende a áreas clave como las estaciones base 5G, la ultra alta tensión, el transporte ferroviario interurbano de alta velocidad y los puntos de recarga de energías renovables, el desarrollo de la industria de semiconductores de mi país ha llegado a su fin. Según las previsiones de TrendForce Consulting, los ingresos de los dispositivos de comunicación y potencia de GaN en 2021 serán de 680 millones de dólares y 61 millones de dólares respectivamente, lo que supone un aumento anual del 30.8 % y del 90.6 %; en cuanto a los dispositivos de SiC, se estima que los ingresos de estos dispositivos en el sector de la potencia alcanzarán los 680 millones de dólares en 2021, lo que representa un aumento anual del 32 %. China es el mayor consumidor mundial de dispositivos eléctricos. El índice general de autosuficiencia de los dispositivos eléctricos domésticos es inferior al 10%. Existe un enorme margen para la sustitución de productos nacionales, especialmente en dispositivos de gama alta. ¿Veamos qué tan caliente está el GaN? Según informes de los medios de comunicación taiwaneses de febrero de este año, TSMC adquirió 16 equipos relacionados con GaN, lo que representa más del doble de las 6 unidades que posee la fábrica de seis pulgadas existente. Esto equivale a un aumento de la capacidad de producción a más de 10,000 unidades, lo que demuestra la gran demanda de pedidos por parte de los clientes. Nanosemiconductor, proveedor de GaN y también cliente importante de TSMC, anunció recientemente que sus envíos han establecido un nuevo récord y que ha entregado con éxito más de 13 millones de circuitos integrados de potencia de GaN al mercado, logrando cero fallos en los productos. Esto refleja que el mercado global de electrónica de consumo móvil está acelerando la adopción de chips de GaN para permitir la carga rápida de dispositivos móviles y equipos relacionados. En febrero de 2020, en la conferencia de lanzamiento del Xiaomi 10, el chip de potencia de nitruro de galio GaNFast de Nanomicro se utilizó por primera vez en el cargador de nitruro de galio de 65 W de Xiaomi, y el GaN comenzó a captar la atención del público. El Xiaomi Mi 11 está a punto de ser lanzado al mercado con una nueva versión de carga rápida GaN de 55W. Este cargador vendrá incluido con los smartphones Xiaomi Mi 11 cuando se lancen en el extranjero. Según Gene SHERIDAN, director ejecutivo y cofundador de Navitas, la versión para el mercado internacional del cargador estándar de nitruro de galio Nano GaNFast de 55 W del Xiaomi Mi 11 tiene un conector de CA de 2 pines estándar europeo, lo que indica que los principales fabricantes de teléfonos inteligentes de primer nivel han comenzado a adoptar la tecnología de nitruro de galio, y también que la industria ha comenzado a eliminar gradualmente los antiguos chips de silicio de baja velocidad.

Adquiera tanto IGBT como SiC.

En cuanto a IGBT y SiC, la industria siempre ha tenido una preocupación latente. A medida que IGBT se acerca gradualmente al límite de rendimiento del silicio, el semiconductor de tercera generación SiC se perfila como un nuevo competidor para IGBT en los vehículos eléctricos del futuro. Sin embargo, según análisis de expertos de la industria, "SiC es como un adolescente inteligente y decidido, con ventajas y desventajas igualmente notables. IGBT es más como un joven maduro y estable, capaz de asumir la responsabilidad de los dispositivos de potencia". Por lo tanto, dada la diferente división del trabajo entre ambos, el enfoque dual de Huawei hacia IGBT y SiC es una decisión acertada. El primer dispositivo de potencia que se rumoreaba que Huawei fabricaría era IGBT. El IGBT es el componente central para la conversión y transmisión de energía, comúnmente conocido como la "CPU" de los dispositivos electrónicos de potencia. Como empresa líder en sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS), Huawei ostenta la mayor cuota de mercado en centros de datos globales, por lo que el IGBT es el componente principal de sus sistemas UPS. Además, como industria estratégica emergente a nivel nacional, el IGBT se utiliza ampliamente en el transporte ferroviario, redes inteligentes, la industria aeroespacial, vehículos eléctricos y equipos de energías renovables, entre otros campos. Con el desarrollo de los vehículos de energías renovables, el transporte ferroviario y las redes inteligentes, la demanda de IGBT ha experimentado un crecimiento sustancial. Los dispositivos de potencia son uno de los componentes electrónicos centrales del sistema de control electrónico de los vehículos de energías renovables. El valor de estos dispositivos en dichos vehículos es más de cinco veces superior al de los vehículos de combustible tradicionales. En particular, el IGBT representa aproximadamente el 37% del coste del sistema de control electrónico de los vehículos de energías renovables. Además del IGBT, se sabe que Huawei también está desarrollando SiC. En los últimos dos años, debido a las características únicas y excelentes del SiC, los fabricantes de automóviles han comenzado a introducir dispositivos SiC. Es bien sabido que Huawei está incursionando en el sector automotriz. Huawei no fabrica automóviles, sino que se centra en la tecnología TIC para ayudar a las empresas automotrices a fabricar vehículos de alta calidad. Huawei está comprometida con convertirse en un proveedor de componentes incrementales para vehículos inteligentes conectados. La investigación y el desarrollo de IGBT y SiC también representan una estrategia para que Huawei se convierta en un proveedor de autopartes. Por ahora, los dispositivos semiconductores de potencia para automóviles siguen dominados por los IGBT basados ​​en silicio, mientras que los MOSFET basados ​​en SiC representan el futuro debido a su mayor rendimiento. Sin embargo, el principal obstáculo para su adopción actual es su elevado coste. No obstante, a medida que las baterías de los vehículos aumentan de tamaño y la potencia máxima/par máximo de los motores se incrementa, las ventajas de los MOSFET basados ​​en SiC se vuelven cada vez más significativas. Los dispositivos de potencia de SiC también están acelerando su integración en el campo de los cargadores de vehículos. Muchos fabricantes han lanzado dispositivos de potencia de SiC para cargadores de vehículos eléctricos, como los HEV/EV. Según las estadísticas de Yole, este mercado puede mantener una tasa de crecimiento del 44 % antes de 2023.    

La evolución a largo plazo del SiC de potencia (Fuente: Yole)En el ámbito de la inversión, Hubble Technology Investment Co., Ltd., filial de Huawei, invirtió el año pasado en Shandong Tianyue Advanced Materials Technology Co., Ltd., la empresa líder en China en la producción de carburo de silicio, un material semiconductor de tercera generación, adquiriendo una participación del 10%. En julio de 2020, Huawei también invirtió en Dongwei Semiconductor, que cuenta principalmente con tres series de productos: la serie GreenMOS de alto voltaje, la serie SGTMOS de voltaje medio y bajo, y la serie IGBT, ampliamente utilizadas en cargadores rápidos, estaciones de carga, fuentes de alimentación conmutadas, accionamientos de motores de CC e inversores fotovoltaicos.    

Planificación para GaN

Según las previsiones de Yole, el GaN se utilizará principalmente en electrónica de consumo, electrónica automotriz, instalaciones de tecnología de telecomunicaciones, etc. En el campo del nitruro de galio, la principal tendencia en la integración de dispositivos GaN son las soluciones de sistema en paquete o sistema en chip. De hecho, los dispositivos de potencia de GaN se venden principalmente al mercado electrónico. Para el mercado de consumo, esta es una tendencia tecnológica evidente. La aplicación más típica es la carga rápida. El producto de cabezal de carga rápida incluye principalmente dos componentes principales: un chip IC de gestión de energía y un dispositivo discreto de potencia. Los requisitos para la carga rápida son la densidad de potencia y la eficiencia. Por lo tanto, las empresas deben comprimir el sistema y reducir el precio por unidad de potencia en este formato.    

Figura 2: Mercado de GaN de potencia (Fuente: Yole)  
A medida que la tecnología GaN madura, permite que los componentes optimizados logren un mejor tamaño, peso, etc. mediante un diseño inteligente. Además, en comparación con los componentes convencionales basados ​​en silicio, los componentes de GaN conmutan 10 veces más rápido y pueden funcionar a temperaturas más elevadas. Por lo tanto, la aplicación de GaN en el campo de la carga rápida USB PD ha sido muy común. El 8 de abril de 2020, durante la presentación de los nuevos productos de primavera de Huawei de 2020, Huawei lanzó un único producto: un cargador de doble puerto de 65 W con tecnología GaN (nitruro de galio). En aquel momento, circulaban rumores de que Huawei lo estaba desarrollando por su cuenta, pero la situación real aún no se ha investigado. Sin embargo, personas familiarizadas con la cadena de suministro de Huawei señalaron que Huawei tiene una profunda presencia en el campo del GaN. En la actualidad, existen muchos fabricantes en el mercado que utilizan la carga rápida GaN, como Power Integration, Inc., Navitas e Innoscience, los tres principales proveedores. Además de Huawei HiSilicon, muchas empresas nacionales, entre ellas Haite High-tech, Hailu Heavy Industry, Suzhou Jingzhan, Jiangsu Huagong, Chongqing China Resources Micro y Hangzhou Silan Micro, han desplegado activamente semiconductores de tercera generación. Se prevé que, a medida que aumente la demanda de portabilidad por parte de los usuarios, el mercado mundial de carga rápida de GaN alcance más de 60 millones de yuanes en 2025, al tiempo que acelera la sustitución de productos basados ​​en silicio por chips de GaN en otros campos emergentes. Además de la carga rápida en el campo de la electrónica de consumo, los dispositivos discretos basados ​​en GaN también son más adecuados para aplicaciones de alta potencia, como centros de datos o fuentes de alimentación para estaciones base. En junio de 2020, Huawei anunció que establecería una base de I+D y fabricación de optoelectrónica en el Reino Unido. La primera fase del proyecto se centrará en la investigación, el desarrollo y la fabricación de dispositivos y módulos ópticos. Al integrar las funciones de I+D y fabricación, podemos acelerar los procesos de desarrollo y comercialización de productos y llevarlos al mercado de forma más eficiente. La tecnología optoelectrónica es una tecnología clave para los sistemas de comunicación por fibra óptica, y la importante inversión de Huawei en el Reino Unido tiene como objetivo promover la aplicación de tecnologías relacionadas en los centros de datos y la infraestructura de red globales. En el campo de la optoelectrónica, el bajo consumo de energía y la alta eficiencia luminosa del GaN son beneficiosos para los LED y los láseres ultravioleta. Los diodos emisores de luz ultravioleta profunda (LED) basados ​​en semiconductores de GaN representan la principal línea de desarrollo de las fuentes de luz ultravioleta para la desinfección. Sus fuentes de luz son de tamaño reducido, muy eficientes y de larga duración. Un módulo de chip del tamaño de la tapa de un pulgar puede emitir una luz ultravioleta más potente que una lámpara de mercurio. En el campo de la radiofrecuencia GaN, Huawei utilizó amplificadores de potencia de nitruro de galio en sus estaciones base 4G LTE hace algunos años. Posteriormente, con la llegada del 5G, el GaN tiene cada vez más potencial porque, a altas frecuencias, la densidad de potencia del GaN sigue siendo excelente en comparación con el LDMOS, y la eficiencia de potencia añadida también aumenta. Según las previsiones de datos de Yole (Figura 2), la adopción de GaN en los centros de datos está creciendo lentamente. Ezgi Dogmus, analista de tecnología y mercado de Yole, afirmó que esto se debe a la falta de regulación. Si el gobierno refuerza la supervisión estricta de los centros de datos para reducir el consumo de energía, la tasa de penetración de GaN en los centros de datos será mayor. A medida que aumentan los requisitos de alta eficiencia, el nitruro de galio desempeña un papel importante frente al silicio, que aún cumple con los requisitos actuales. En el sector de la automoción, a medida que se utilizan más y más componentes en los coches, el papel del GaN se vuelve cada vez más importante. El 11 de agosto de 2020, en el 12º Foro del Libro Azul de la Automoción, Wang Jun, presidente de la unidad de negocio de Soluciones para Automóviles Inteligentes de Huawei, reveló que Huawei está desarrollando actualmente tecnología lidar. Los avances en los transistores de GaN han demostrado ser fundamentales para el desarrollo de sistemas lidar de alta precisión. Los sistemas LiDAR emiten pulsos de luz a partir de láseres de emisión superficial de cavidad vertical (VCSEL), que requieren un control eléctrico de alta potencia y son muy rápidos, con tiempos de subida y bajada cortos. Esta es una de las razones por las que el nitruro de galio resulta beneficioso para los sistemas lidar. Los transistores de nitruro de galio conmutan mucho más rápido que los transistores FET de silicio, lo que permite anchos de pulso cortos a altas corrientes. Esta propiedad es fundamental para el lidar, ya que los anchos de pulso más cortos permiten una mayor resolución, y las altas corrientes de pulso permiten que los sistemas lidar vean más lejos.

La situación general de los semiconductores de potencia nacionales

Finalmente, analicemos sistemáticamente la situación de la cadena de producción de semiconductores de potencia nacionales, principalmente IGBT, SiC y GaN. En primer lugar, examinemos la cadena de producción completa de IGBT. Si bien los IGBT nacionales ya cuentan con una amplia gama de etapas en la cadena de producción, como el diseño de chips, la fabricación de obleas y el empaquetado de módulos, aún se encuentran en una fase preliminar. En particular, la fabricación de obleas, el adelgazamiento de la placa base y los procesos de empaquetado representan las principales dificultades en la tecnología de fabricación de IGBT, y existe una gran brecha con respecto a otros países en este aspecto.

Sorting out the entire domestic IGBT industry chain (Tabulation: Semiconductor Industry Observation)  
En todo el sector del carburo de silicio (SiC), en lo que respecta a sustratos y epitaxia, China sigue dominada por los productos de 4 pulgadas, y los de 6 pulgadas se han desarrollado y suministrado en pequeñas cantidades. En general, en comparación con otros países, existen brechas en todos los eslabones de la cadena de valor de la industria nacional del carburo de silicio, y la diferencia de nivel general puede ser de aproximadamente 5 años. En comparación con el nivel más avanzado de otros países, los diodos SiC nacionales están aproximadamente una generación por detrás, con un retraso de entre 2 y 3 años. La brecha no es particularmente grande, y es totalmente posible ponerse al día en un futuro próximo. Sin embargo, esto requiere esfuerzos simultáneos de todos los eslabones de la cadena de valor nacional para lograr avances.

Análisis de toda la cadena de valor de la industria nacional de SiC (Tabla: Observación de la industria de semiconductores)Según el informe "Gallium Nitrude Semiconductor Device Market 2023 Global Forecast" publicado por RESEARCH AND MARKETS, se espera que el mercado de dispositivos de nitruro de galio crezca de 16.5 millones de dólares en 2016 a 22.47 millones de dólares en 2023, con una tasa de crecimiento anual compuesta del 4.51%. La cadena de valor de la industria del GaN incluye materiales de partida (sustrato y epitaxia), dispositivos y módulos de producción, y sistemas y aplicaciones de producción. Impulsado por la expansión gradual del mercado nacional de GaN, ha surgido un gran número de fabricantes en todos los eslabones de la cadena de valor: desde los materiales de partida hasta los de producción.  
 

Análisis de toda la cadena de valor de la industria nacional del GaN (Tabla: Observación de la industria de semiconductores)     

Conclusión

En general, bajo la situación internacional actual, el negocio de Huawei en el extranjero se ha visto obstaculizado, y el emergente sector automotriz se ha convertido en un punto de inflexión para su crecimiento, adquiriendo cada vez mayor importancia dentro de su sector. La incursión en los dispositivos de potencia, ya sean IGBT, SiC o GaN, es fundamental para consolidar su identidad como proveedor de componentes para la industria automotriz. Gracias a las características superiores de estos dispositivos, puede utilizarlos en sus propios equipos, como fuentes de alimentación para estaciones base, carga rápida, investigación y desarrollo optoelectrónico, entre otras aplicaciones.    

Actualmente, en el campo de los dispositivos semiconductores de tercera generación, nos encontramos en una buena posición en cuanto al nivel de desarrollo de tecnologías nacionales e internacionales y la atención que recibe el país. La mayoría de los expertos nacionales también tienen una actitud positiva hacia el desarrollo de los semiconductores de tercera generación en nuestro país. Los materiales semiconductores de tercera generación pueden representar una excelente oportunidad para superar la situación de pasividad de los circuitos integrados y lograr la convergencia e incluso la superación en tecnología de chips. ¡Una empresa capaz como Huawei debería tomar la iniciativa e impulsar el auge de los semiconductores nacionales!

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