اخیراً، به گفته افراد آشنا با این موضوع، هواوی در حال استخدام افرادی برای تحقیق و توسعه دستگاه‌های برق این شرکت، از جمله دستگاه‌های برق اصلی مانند IGBT، MOSFET، SiC و GaN است. گفته می‌شود که این تیم در حال حاضر صدها نفر را در خود جای داده است. این یک راز نیست که هواوی دستگاه‌های برق خود را توسعه می‌دهد. بنابراین هواوی در تحقیق و توسعه این دستگاه‌های برق چه بازی بزرگی را انجام می‌دهد؟ (مطالب از حساب عمومی [Semiconductor Industry Observation] با شناسه: icbank نویسنده: Du Qin DQ نقل شده است)

 

چرا باید به دستگاه‌های قدرت توجه کرد؟

همه ما می‌دانیم که هواوی در ساخت تراشه بسیار خوب عمل می‌کند و تراشه‌های Kirin آن با کوالکام و اپل قابل مقایسه یا حتی برتر هستند، اما در واقع، دستگاه‌های قدرت نیز بخش بسیار مهمی از نیمه‌هادی‌ها هستند. دستگاه‌های قدرت، هسته تبدیل توان و کنترل مدار در دستگاه‌های الکترونیکی هستند. آنها اجزای اصلی هستند که عملکردهایی مانند ولتاژ، فرکانس و تبدیل DC به AC را انجام می‌دهند. آنها عمدتاً شامل دیودها، تریستورها، MOSFETها و IGBTها هستند. با این حال، فناوری‌هایی مانند دیودها و تریستورها نسبتاً قدیمی هستند و به تدریج توسط تولیدکنندگان اصلی کنار گذاشته شده‌اند. به خصوص با توجه به اینکه دستگاه‌های نیمه‌هادی قدرت به تدریج به سمت ولتاژ و فرکانس بالا توسعه می‌یابند، دستگاه‌های نیمه‌هادی قدرت سنتی مبتنی بر سیلیکون و مواد آنها به محدودیت‌های فیزیکی نزدیک می‌شوند. علاوه بر این، نیمه هادی های مرکب نسل دوم از نظر هزینه و سمیت مناسب نیستند. تولیدکنندگان بزرگ بین‌المللی، آینده‌ی این صنعت را بر نیمه‌رساناهای مرکب نسل سوم متمرکز کرده‌اند. می‌توان گفت که نسل سوم نیمه‌هادی‌ها، جهت توسعه دستگاه‌های قدرت در آینده است. دو نشست ملی اخیراً به پایان رسیده است و نیمه‌رساناهای نسل سوم (GaN و SiC) بار دیگر به یکی از کلمات کلیدی این دو نشست تبدیل شده‌اند. در طول این دو جلسه، وانگ ونیین، عضو کمیته ملی کنفرانس مشورتی سیاسی خلق چین، در مصاحبه‌ای گفت که با گسترش صنعت نیمه‌هادی نسل سوم به حوزه‌های کلیدی مانند ایستگاه‌های پایه 5G، UHV، حمل و نقل ریلی پرسرعت بین شهری و شمع‌های شارژ انرژی جدید، توسعه صنعت نیمه‌هادی کشور من فرا رسیده است. طبق پیش‌بینی TrendForce Consulting، درآمد دستگاه‌های ارتباطی و قدرت GaN در سال 2021 به ترتیب 680 میلیون دلار آمریکا و 61 میلیون دلار آمریکا خواهد بود که افزایش سالانه 30.8٪ و 90.6٪ را نشان می‌دهد؛ برای دستگاه‌های SiC، تخمین زده می‌شود که درآمد دستگاه‌های SiC در حوزه قدرت در سال 2021 به 680 میلیون دلار آمریکا برسد که افزایش سالانه 32٪ را نشان می‌دهد. چین بزرگترین مصرف کننده دستگاه های قدرت در جهان است. نرخ خودکفایی کلی دستگاه‌های برق خانگی کمتر از ۱۰ درصد است. فضای زیادی برای جایگزینی داخلی، به خصوص در دستگاه‌های رده بالا، وجود دارد. بیایید ببینیم GaN چقدر داغ است؟ طبق گزارش رسانه‌های تایوان در فوریه امسال، TSMC تعداد ۱۶ دستگاه مرتبط با GaN خریداری کرده است که بیش از دو برابر تعداد ۶ دستگاه موجود در کارخانه شش اینچی موجود است. این معادل افزایش ظرفیت تولید به بیش از 10،000 قطعه است که نشان می‌دهد تقاضا برای سفارشات مشتری چقدر زیاد است. شرکت Nanosemiconductor، تأمین‌کننده‌ی GaN و همچنین یکی از مشتریان اصلی TSMC، اخیراً اعلام کرد که محموله‌هایش رکورد جدیدی را ثبت کرده و با موفقیت بیش از ۱۳ میلیون مدار مجتمع تغذیه‌ی GaN را به بازار عرضه کرده و به صفر درصد خرابی محصول دست یافته است. این نشان می‌دهد که بازار جهانی لوازم الکترونیکی مصرفی موبایل، در حال سرعت بخشیدن به پذیرش تراشه‌های GaN برای امکان شارژ سریع دستگاه‌های تلفن همراه و تجهیزات مرتبط است. در فوریه ۲۰۲۰، در کنفرانس رونمایی از شیائومی ۱۰، برای اولین بار از تراشه قدرت نیترید گالیم GaNFast شرکت نانومیکرو در شارژر نیترید گالیم ۶۵ واتی شیائومی استفاده شد و گالیم نیترید شروع به جلب توجه مردم کرد. اکنون شیائومی می ۱۱ قرار است با نسخه جدیدی از شارژ سریع ۵۵ واتی GaN به بازار عرضه شود. این شارژر به همراه گوشی‌های هوشمند شیائومی Mi 11 در بازارهای جهانی عرضه خواهد شد. به گفته جین شریدان، مدیرعامل و یکی از بنیانگذاران نویتاس، نسخه خارجی شارژر استاندارد ۵۵ واتی نانو GaNFast گالیوم نیترید شیائومی می ۱۱ دارای استاندارد اروپایی ۲ پین AC است که نشان می‌دهد تولیدکنندگان اصلی گوشی‌های هوشمند رده اول شروع به پذیرش فناوری گالیوم نیترید کرده‌اند و همچنین نشان می‌دهد که این صنعت شروع به کنار گذاشتن تراشه‌های سیلیکونی قدیمی کم‌سرعت کرده است.

هم IGBT و هم SiC را بگیرید

در مورد IGBT و SiC، صنعت همیشه یک نگرانی پنهان داشته است. با نزدیک شدن تدریجی IGBT به حد عملکرد مواد سیلیکونی، ماده نیمه‌هادی نسل سوم SiC به عنوان رقیب جدیدی برای IGBT در وسایل نقلیه الکتریکی آینده در نظر گرفته می‌شود. با این حال، طبق تحلیل‌های افراد آگاه در صنعت، "SiC مانند یک نوجوان باهوش و با اراده با مزایای برجسته و به همان اندازه کاستی‌های برجسته است. IGBT بیشتر شبیه یک جوان باثبات و بالغ است که می‌تواند بار دستگاه‌های قدرت را به دوش بکشد." بنابراین، با توجه به تقسیم کار متفاوت بین این دو، رویکرد دوگانه هواوی به IGBT و SiC نیز انتخابی عاقلانه است. اولین دستگاه قدرتی که شایعه شده بود هواوی در حال ساخت آن است، IGBT بود. IGBT دستگاه اصلی برای تبدیل و انتقال انرژی است که معمولاً به عنوان "CPU" دستگاه‌های الکترونیکی قدرت شناخته می‌شود. هواوی به عنوان یک شرکت پیشرو در منبع تغذیه UPS، اولین سهم بازار را در مراکز داده جهانی اشغال می‌کند، بنابراین IGBT جزء اصلی منبع تغذیه UPS هواوی است. علاوه بر این، به عنوان یک صنعت نوظهور استراتژیک ملی، IGBT به طور گسترده در حمل و نقل ریلی، شبکه هوشمند، هوافضا، وسایل نقلیه الکتریکی و تجهیزات انرژی نو و سایر زمینه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. با توسعه وسایل نقلیه با انرژی نو، ترانزیت ریلی و شبکه‌های هوشمند، تقاضا برای IGBT ها رشد قابل توجهی داشته است. دستگاه‌های قدرت یکی از دستگاه‌های الکترونیکی اصلی در سیستم کنترل الکترونیکی وسایل نقلیه با انرژی نو هستند. ارزش دستگاه‌های قدرت در وسایل نقلیه با انرژی نو بیش از پنج برابر وسایل نقلیه با سوخت سنتی است. به طور خاص، IGBT حدود 37٪ از هزینه سیستم کنترل الکترونیکی وسایل نقلیه با انرژی نو را تشکیل می‌دهد. علاوه بر IGBT، مشخص است که هواوی نیز در حال توسعه SiC است. در دو سال گذشته، به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد و عالی SiC، تولیدکنندگان خودرو به طور متوالی شروع به معرفی دستگاه‌های SiC کرده‌اند. همه از طرح هواوی در خودروها اطلاع دارند. هواوی خودرو نمی‌سازد، اما بر فناوری ICT تمرکز دارد تا به شرکت‌های خودروسازی در ساخت خودروهای خوب کمک کند. هواوی متعهد است که به یک تأمین‌کننده قطعات افزایشی برای وسایل نقلیه متصل هوشمند تبدیل شود. تحقیق و توسعه IGBT و SiC نیز مسیری برای هواوی برای تبدیل شدن به یک تأمین‌کننده قطعات خودرو است. اما در حال حاضر، دستگاه‌های نیمه‌هادی قدرت خودرو هنوز تحت سلطه IGBT های مبتنی بر سیلیکون هستند، در حالی که MOSFET های مبتنی بر SiC به دلیل عملکرد قوی‌تر، آینده را نشان می‌دهند، اما بزرگترین مانع برای پیشرفت فعلی، هزینه بالای آنهاست. با این حال، با بزرگتر شدن باتری‌های خودرو و افزایش حداکثر توان/گشتاور اوج موتورها، مزایای MOSFET های مبتنی بر SiC بیشتر و بیشتر می‌شود. دستگاه‌های قدرت SiC همچنین ادغام خود را در زمینه شارژرهای خودرو تسریع می‌کنند. بسیاری از تولیدکنندگان، دستگاه‌های قدرت SiC را برای شارژرهای وسایل نقلیه الکتریکی مانند HEV/EV عرضه کرده‌اند. طبق آمار Yole، این بازار می‌تواند نرخ رشد ۴۴ درصدی را قبل از سال ۲۰۲۳ حفظ کند.    

تکامل بلندمدت SiC قدرت (منبع: Yole)در زمینه سرمایه‌گذاری، شرکت سرمایه‌گذاری فناوری هابل، زیرمجموعه هواوی، سال گذشته در شرکت فناوری مواد پیشرفته شاندونگ تیانوئه، شرکت پیشرو در تولید کاربید سیلیکون مواد نیمه‌هادی نسل سوم در چین، سرمایه‌گذاری کرد و 10 درصد از سهام آن را در اختیار داشت. در ژوئیه 2020، هواوی همچنین در شرکت نیمه‌هادی دونگ‌وی سرمایه‌گذاری کرد که عمدتاً دارای سه سری محصول است: سری GreenMOS ولتاژ بالا، سری SGTMOS ولتاژ متوسط ​​و پایین و سری IGBT که به طور گسترده در شارژرهای سریع، کاربردهای شارژ پیل، منابع تغذیه سوئیچینگ، درایوهای موتور DC و اینورترهای فتوولتائیک استفاده می‌شوند.    

برنامه‌ریزی برای GaN

طبق پیش‌بینی یول، گالیوم نیترید عمدتاً در لوازم الکترونیکی مصرفی، لوازم الکترونیکی خودرو، تأسیسات فناوری ارتباطات از راه دور و غیره مورد استفاده قرار خواهد گرفت. در زمینه نیترید گالیوم، روند اصلی در ادغام دستگاه‌های گالیوم نیترید، راه‌حل‌های سیستم در بسته یا سیستم روی تراشه است. در واقع، دستگاه‌های قدرت گالیوم نیترید عمدتاً به بازار الکترونیک فروخته می‌شوند. برای بازار مصرف، این یک روند فناوری آشکار است. رایج‌ترین آن شارژ سریع است. محصول سر شارژ سریع عمدتاً شامل دو جزء اصلی است، یکی تراشه IC مدیریت توان و دیگری دستگاه گسسته توان. الزامات شارژ سریع، چگالی توان و راندمان است. بنابراین شرکت‌ها باید واقعاً سیستم را فشرده کرده و قیمت هر توان را در این فاکتور فرم کاهش دهند.    

شکل 2: بازار GaN قدرت (منبع: Yole)  
با بلوغ فناوری GaN، فناوری GaN می‌تواند به اجزای ساده‌تر اجازه دهد تا به اندازه، وزن و غیره بهتری دست یابند. از طریق طراحی هوشمندانه. علاوه بر این، در مقایسه با اجزای مبتنی بر سیلیکون معمولی، اجزای GaN ده برابر سریع‌تر سوئیچ می‌کنند و می‌توانند در دماهای بالاتر کار کنند. بنابراین، کاربرد GaN در زمینه شارژ سریع USB PD بسیار رایج بوده است. در ۸ آوریل ۲۰۲۰، در مراسم رونمایی از محصولات جدید بهاری ۲۰۲۰ هواوی، این شرکت از یک شارژر تک پورت - یک شارژر دو پورت ۶۵ واتی GaN (گالیوم نیترید) - رونمایی کرد. در آن زمان، شایعاتی مبنی بر اینکه هواوی به تنهایی در حال توسعه آن است، وجود داشت، اما وضعیت واقعی هنوز بررسی نشده است. با این حال، افرادی که با زنجیره تأمین هواوی آشنا هستند، خاطرنشان کردند که هواوی حضور پررنگی در حوزه GaN دارد. در حال حاضر، تولیدکنندگان زیادی در بازار وجود دارند که شارژ سریع GaN را به کار می‌گیرند، مانند Power Integration, Inc.، Navitas و Innoscience، که سه تأمین‌کننده اصلی هستند. علاوه بر هواوی های‌سیلیکون، بسیاری از شرکت‌های داخلی، از جمله هایت های‌تک، هایلو هوی اینداستریز، سوژو جینگژان، جیانگسو هواگونگ، چونگ‌کینگ چاینا ریسورسز میکرو و هانگژو سیلان میکرو، به‌طور فعال نیمه‌هادی‌های نسل سوم را به‌کار گرفته‌اند. انتظار می‌رود با افزایش تقاضای کاربران برای قابلیت حمل، بازار جهانی شارژ سریع GaN در سال 2025 به بیش از 60 میلیارد یوان برسد، ضمن اینکه جایگزینی محصولات مبتنی بر سیلیکون با تراشه‌های GaN در سایر زمینه‌های نوظهور را تسریع می‌کند. علاوه بر شارژ سریع در حوزه لوازم الکترونیکی مصرفی، دستگاه‌های گسسته مبتنی بر GaN برای کاربردهای پرمصرف مانند مراکز داده یا منبع تغذیه ایستگاه‌های پایه نیز مناسب‌تر هستند. در ژوئن ۲۰۲۰، هواوی اعلام کرد که یک پایگاه تحقیق و توسعه و تولید اپتوالکترونیک در بریتانیا تأسیس خواهد کرد. فاز اول این پروژه بر تحقیق و توسعه و تولید دستگاه‌های نوری و ماژول‌های نوری تمرکز خواهد داشت. با ادغام بخش‌های تحقیق و توسعه و تولید، می‌توانیم فرآیندهای توسعه و تجاری‌سازی محصول را تسریع کنیم و محصولات را با کارایی بیشتری به بازار عرضه کنیم. فناوری اپتوالکترونیک یک فناوری کلیدی برای سیستم‌های ارتباطی فیبر نوری است و سرمایه‌گذاری عمده هواوی در بریتانیا با هدف ترویج کاربرد فناوری‌های مرتبط در مراکز داده جهانی و زیرساخت‌های شبکه انجام می‌شود. وقتی صحبت از حوزه اپتوالکترونیک می‌شود، مصرف کم انرژی و راندمان بالای نور GaN به LEDها و لیزرهای فرابنفش کمک می‌کند. دیودهای ساطع کننده نور فرابنفش عمیق (LED) مبتنی بر نیمه هادی‌های GaN، جهت اصلی توسعه منابع نوری ضدعفونی کننده فرابنفش هستند. منابع نوری آنها کوچک، با راندمان بالا و طول عمر بالا هستند. یک ماژول تراشه به اندازه کلاهک انگشت شست می‌تواند نور فرابنفش قوی‌تری نسبت به یک لامپ جیوه‌ای ساطع کند. در زمینه GaN فرکانس رادیویی، هواوی چند سال پیش از تقویت‌کننده‌های قدرت نیترید گالیوم در ایستگاه‌های پایه 4G LTE خود استفاده کرده است. سپس، با ظهور 5G، GaN پتانسیل بیشتری پیدا می‌کند زیرا در فرکانس‌های بالا، چگالی توان GaN در مقایسه با LDMOS هنوز عالی است و راندمان توان افزوده نیز افزایش می‌یابد. طبق پیش‌بینی داده‌های یول (شکل 2)، پذیرش GaN در مراکز داده به آرامی در حال رشد است. ازگی دوگموس، تحلیلگر فناوری و بازار در یول، گفت که این به دلیل فقدان مقررات است. اگر دولت نظارت دقیق بر مراکز داده را برای کاهش مصرف برق تقویت کند، میزان نفوذ GaN در مراکز داده بیشتر خواهد شد. با افزایش الزامات راندمان بالا، نیترید گالیوم نقش مهمی نسبت به سیلیکون ایفا می‌کند که هنوز هم الزامات فعلی را برآورده می‌کند. در حوزه خودرو، با افزایش استفاده از قطعات در خودروها، نقش GaN بیش از پیش برجسته می‌شود. در ۱۱ آگوست ۲۰۲۰، در دوازدهمین انجمن کتاب آبی خودرو، وانگ جون، رئیس واحد راهکارهای هوشمند خودرو هواوی، فاش کرد که هواوی در حال حاضر در حال توسعه فناوری لیدار است. پیشرفت در ترانزیستورهای GaN برای توسعه سیستم‌های لیدار با دقت بالا ضروری بوده است. سیستم‌های لیدار پالس‌های نوری را از لیزرهای ساطع‌کننده سطح با حفره عمودی (VCSEL) ساطع می‌کنند که به کنترل الکتریکی پرقدرت نیاز دارند و با زمان‌های صعود و سقوط کوتاه، بسیار سریع هستند. این یکی از دلایلی است که نیترید گالیوم برای سیستم‌های لیدار مفید است. نیترید گالیوم بسیار سریع‌تر از FET های سیلیکونی سوئیچ می‌کند و امکان پهنای پالس کوتاه در جریان‌های بالا را فراهم می‌کند. این ویژگی برای لیدار بسیار مهم است زیرا پهنای پالس کوتاه‌تر امکان وضوح بالاتر را فراهم می‌کند و جریان‌های پالس بالا به سیستم‌های لیدار اجازه می‌دهد تا فواصل دورتری را ببینند.

وضعیت کلی نیمه هادی های برق خانگی

در نهایت، بیایید نگاهی سیستماتیک به وضعیت زنجیره صنعتی نیمه‌هادی‌های قدرت داخلی، عمدتاً IGBT، SiC و GaN، بیندازیم. ابتدا، بیایید به کل زنجیره صنعت IGBT نگاهی بیندازیم. IGBT های داخلی اساساً در کل زنجیره صنعت مانند طراحی تراشه، تولید ویفر و بسته‌بندی ماژول قرار گرفته‌اند، اما آنها فقط در مرحله مقدماتی هستند. به طور خاص، تولید ویفر، نازک‌سازی صفحه پشتی و فرآیندهای بسته‌بندی از مشکلات اصلی در فناوری تولید IGBT هستند و در این زمینه شکاف زیادی با کشورهای خارجی وجود دارد.

مرتب‌سازی کل زنجیره صنعت داخلی IGBT (جدول‌بندی: رصد صنعت نیمه‌هادی)  
در کل حوزه SiC، از نظر زیرلایه SiC و اپیتاکسی، چین هنوز تحت سلطه محصولات ۴ اینچی است و محصولات ۶ اینچی در دسته‌های کوچک توسعه یافته و عرضه شده‌اند. به طور کلی، در مقایسه با کشورهای خارجی، در تمام حلقه‌های کل زنجیره ارزش صنعت کاربید سیلیکون داخلی شکاف‌هایی وجود دارد و شکاف سطح کلی ممکن است حدود ۵ سال باشد. در مقایسه با پیشرفته‌ترین سطح خارجی، دیودهای SiC داخلی حدود یک نسل عقب‌تر هستند، حدود ۲ تا ۳ سال. این شکاف به طور خاص بزرگ نیست و جبران آن در آینده قابل پیش‌بینی کاملاً امکان‌پذیر است. اما این امر مستلزم تلاش‌های همزمان از بالادست و پایین‌دست کل زنجیره ارزش داخلی برای پیشرفت است.

مرتب‌سازی کل زنجیره صنعت SiC داخلی (جدول‌بندی: مشاهده صنعت نیمه‌هادی)طبق «پیش‌بینی جهانی بازار دستگاه‌های نیمه‌هادی گالیوم نیترید ۲۰۲۳» که توسط RESEARCH AND MARKETS منتشر شده است، انتظار می‌رود بازار دستگاه‌های گالیوم نیترید از ۱۶.۵ میلیارد دلار آمریکا در سال ۲۰۱۶ به ۲۲.۴۷ میلیارد دلار آمریکا در سال ۲۰۲۳ افزایش یابد و نرخ رشد مرکب سالانه آن ۴.۵۱ درصد باشد. زنجیره صنعت GaN شامل مواد بالادستی (زیرلایه و اپیتاکسی)، دستگاه‌ها و ماژول‌های میان‌دستی و سیستم‌ها و کاربردهای پایین‌دستی است. با گسترش تدریجی بازار داخلی GaN، تعداد زیادی از تولیدکنندگان در تمام بخش‌های بالادستی، میان‌دستی و پایین‌دستی شروع به فعالیت کرده‌اند.  
 

مرتب‌سازی کل زنجیره صنعت داخلی GaN (جدول‌بندی: رصد صنعت نیمه‌هادی)     

نتیجه

به طور کلی، در شرایط بین‌المللی فعلی، تجارت خارجی هواوی با مشکل مواجه شده است و تجارت نوظهور خودرو به یک پیشرفت برای هواوی در جهت رشد تبدیل شده است و اهمیت فزاینده‌ای در بخش تجاری هواوی دارد. ورود به دستگاه‌های قدرت، چه IGBT، SiC یا GaN، سنگ بنای هویت آن به عنوان یک تأمین‌کننده قطعات خودرو است. سپس، بر اساس ویژگی‌های برتر این دستگاه‌های قدرت، می‌توانند تجهیزات خود مانند منبع تغذیه ایستگاه پایه، شارژ سریع، تحقیق و توسعه الکترونیک نوری و سایر کاربردها را ارائه دهند.    

در حال حاضر، در زمینه دستگاه‌های قدرت نیمه‌هادی نسل سوم، از نظر سطح توسعه فناوری‌های داخلی و خارجی و توجه کشور، در موقعیت خوبی قرار داریم. اکثر متخصصان داخلی نیز نسبت به توسعه نیمه‌هادی‌های نسل سوم کشور من نگرش مثبتی دارند. مواد نیمه‌هادی نسل سوم ممکن است فرصت خوبی برای ما باشد تا از وضعیت منفعل مدارهای مجتمع خلاص شویم و به جبران عقب‌ماندگی و سبقت در فناوری تراشه دست یابیم. یک شرکت توانمند مانند هواوی باید رهبری را به دست بگیرد و رهبری ظهور نیمه‌هادی‌های داخلی را بر عهده بگیرد!

سلب مسئولیت: این مقاله از "اتحادیه تحقیق و توسعه برق" که از حمایت از حقوق مالکیت معنوی حمایت می‌کند، کپی شده است. لطفاً منبع اصلی و نویسنده بازنشر را ذکر کنید. در صورت وجود هرگونه نقض، لطفاً برای حذف آن با ما تماس بگیرید.

شماره تلفن شرکت: +86-0755-83044319
فکس/فکس: +86-0755-83975897
ایمیل: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 مدیر لی

QQ: 332496225 مدیر کیو

آدرس: اتاق ۸۰۹، ساختمان C، ساختمان فناوری ژانتائو، پلاک ۱۰۷۹ خیابان مینزی، منطقه جدید لونگهوا، شنژن