Recentemente, secondo fonti vicine alla vicenda, Huawei sta reclutando personale per la ricerca e lo sviluppo di dispositivi di potenza, inclusi dispositivi di uso comune come IGBT, MOSFET, SiC e GaN. Si dice che il team conti attualmente centinaia di persone. Non è un segreto che Huawei sviluppi i propri dispositivi di potenza. Quindi, quale grande obiettivo sta perseguendo Huawei nella ricerca e sviluppo di questi dispositivi? (Il contenuto è riprodotto dall'account pubblico [Semiconductor Industry Observation] ID: icbank Autore: Du Qin DQ)

 

Perché prestare attenzione ai dispositivi di alimentazione?

Sappiamo tutti che Huawei è molto brava a produrre chip, e i suoi chip Kirin sono paragonabili o addirittura superiori a quelli di Qualcomm e Apple, ma in realtà anche i dispositivi di potenza rappresentano una parte molto importante dei semiconduttori. I dispositivi di potenza sono il cuore della conversione di energia e del controllo dei circuiti nei dispositivi elettronici. Sono i componenti principali che realizzano funzioni quali tensione, frequenza e conversione da corrente continua a corrente alternata. Comprendono principalmente diodi, tiristori, MOSFET e IGBT. Tuttavia, tecnologie come i diodi e i tiristori sono relativamente datate e sono state gradualmente abbandonate dai principali produttori. Soprattutto con lo sviluppo graduale dei dispositivi a semiconduttore di potenza verso alte tensioni e alte frequenze, i tradizionali dispositivi a semiconduttore di potenza a base di silicio e i relativi materiali si stanno avvicinando ai limiti fisici. Inoltre, i semiconduttori composti di seconda generazione non sono adatti in termini di costi e tossicità. I principali produttori internazionali hanno concentrato le proprie energie future del settore sui semiconduttori composti di terza generazione. Si può affermare che la terza generazione di semiconduttori rappresenta la direzione di sviluppo dei dispositivi di potenza del futuro. Le due sessioni nazionali si sono concluse da poco e i semiconduttori di terza generazione (GaN e SiC) sono tornati a essere uno dei temi chiave. Durante le due sessioni, Wang Wenyin, membro del Comitato nazionale della Conferenza consultiva politica del popolo cinese, ha dichiarato in un'intervista che, con l'estensione della portata dell'industria dei semiconduttori di terza generazione ad aree chiave come le stazioni base 5G, l'UHV, il trasporto ferroviario ad alta velocità interurbano e le colonnine di ricarica per le nuove energie, lo sviluppo dell'industria dei semiconduttori del mio Paese è giunto a compimento. Secondo le previsioni di TrendForce Consulting, nel 2021 il fatturato dei dispositivi di comunicazione e di potenza in GaN raggiungerà rispettivamente i 680 milioni di dollari e i 61 milioni di dollari, con un incremento annuo del 30.8% e del 90.6%; per i dispositivi in ​​SiC, si stima che il fatturato nel settore della potenza raggiungerà i 680 milioni di dollari nel 2021, con un incremento annuo del 32%. La Cina è il più grande consumatore al mondo di dispositivi energetici. Il tasso complessivo di autosufficienza degli apparecchi elettrici domestici è inferiore al 10%. Esiste un ampio margine per la sostituzione con componenti nazionali, soprattutto nei dispositivi di fascia alta. Vediamo quanto è caldo il GaN? Secondo quanto riportato dai media taiwanesi nel febbraio di quest'anno, TSMC ha acquistato 16 apparecchiature relative al GaN, un numero più che doppio rispetto alle 6 unità presenti nell'attuale stabilimento da sei pollici. Ciò equivale a un aumento della capacità produttiva di oltre 10,000 pezzi, il che dimostra quanto sia elevata la domanda da parte dei clienti. Nanosemiconductor, fornitore di GaN e importante cliente di TSMC, ha recentemente annunciato di aver raggiunto un nuovo record di spedizioni, consegnando con successo al mercato oltre 13 milioni di circuiti integrati di potenza in GaN, senza alcun tasso di guasti. Ciò dimostra che il mercato globale dell'elettronica di consumo mobile sta accelerando l'adozione dei chip GaN per consentire la ricarica rapida dei dispositivi mobili e delle relative apparecchiature. Nel febbraio 2020, durante la conferenza di lancio dello Xiaomi 10, il chip di potenza al nitruro di gallio GaNFast di Nanomicro è stato utilizzato per la prima volta nel caricabatterie al nitruro di gallio da 65 W di Xiaomi, e il GaN ha iniziato ad attirare l'attenzione del pubblico. Ora lo Xiaomi Mi 11 sta per essere lanciato sul mercato con una nuova versione di ricarica rapida GaN da 55W. Questo caricabatterie sarà incluso con gli smartphone Xiaomi Mi 11 al momento del loro lancio all'estero. Secondo Gene Sheridan, CEO e co-fondatore di Navitas, il caricabatterie standard da 55 W Nano GaNFast al nitruro di gallio dello Xiaomi Mi 11, destinato al mercato estero, è dotato di connettore CA a 2 pin standard europeo. Questo indica che i principali produttori di smartphone di fascia alta hanno iniziato ad adottare la tecnologia al nitruro di gallio e che il settore ha avviato la graduale eliminazione dei vecchi chip al silicio a bassa velocità.

Prendi sia IGBT che SiC

Per quanto riguarda IGBT e SiC, il settore ha sempre nutrito una preoccupazione latente. Poiché gli IGBT si stanno gradualmente avvicinando al limite prestazionale del silicio, il SiC, materiale semiconduttore di terza generazione, è considerato un nuovo sfidante per gli IGBT nei futuri veicoli elettrici. Tuttavia, secondo le analisi degli esperti del settore, "il SiC è come un adolescente intelligente e determinato, con vantaggi eccezionali e altrettanto notevoli svantaggi. L'IGBT è più simile a un giovane uomo solido e maturo, in grado di assumersi la responsabilità dei dispositivi di potenza". Pertanto, considerando la diversa divisione del lavoro tra i due, l'approccio a doppio binario di Huawei, che punta su IGBT e SiC, si rivela una scelta saggia. Il primo dispositivo di potenza di cui si vociferava che Huawei stesse lavorando era proprio l'IGBT. L'IGBT è il componente chiave per la conversione e la trasmissione di energia, comunemente noto come la "CPU" dei dispositivi elettronici di potenza. Essendo un'azienda leader nel settore degli alimentatori UPS, Huawei detiene la quota di mercato maggiore nei data center globali, quindi l'IGBT è il componente principale degli alimentatori UPS di Huawei. Inoltre, in quanto settore strategico emergente a livello nazionale, gli IGBT sono ampiamente utilizzati nel trasporto ferroviario, nelle reti intelligenti, nell'industria aerospaziale, nei veicoli elettrici e nelle apparecchiature per le energie rinnovabili, nonché in altri campi. Con lo sviluppo dei veicoli a energia rinnovabile, del trasporto ferroviario e delle reti intelligenti, la domanda di IGBT ha registrato una crescita sostanziale. I dispositivi di potenza sono tra i componenti elettronici fondamentali del sistema di controllo elettronico dei veicoli a energia rinnovabile. Il valore dei dispositivi di potenza in questi veicoli è più di cinque volte superiore a quello dei veicoli tradizionali a carburante. In particolare, gli IGBT rappresentano circa il 37% del costo del sistema di controllo elettronico dei veicoli a energia rinnovabile. Oltre agli IGBT, è noto che Huawei sta sviluppando anche il SiC. Negli ultimi due anni, grazie alle caratteristiche uniche ed eccellenti del SiC, le case automobilistiche hanno iniziato a introdurre progressivamente dispositivi in ​​SiC. Tutti conoscono il ruolo di Huawei nel settore automobilistico. Huawei non produce automobili, ma si concentra sulla tecnologia ICT per aiutare le case automobilistiche a costruire auto di qualità. Huawei si impegna a diventare un fornitore di componenti incrementali per veicoli intelligenti e connessi. La ricerca e lo sviluppo di IGBT e SiC rappresentano anche una direzione per Huawei per diventare un fornitore di componenti per l'industria automobilistica. Attualmente, i dispositivi semiconduttori di potenza per il settore automobilistico sono ancora dominati dagli IGBT a base di silicio, mentre i MOSFET a base di SiC rappresentano il futuro grazie alle loro prestazioni superiori. Tuttavia, il principale ostacolo alla loro diffusione è rappresentato dagli alti costi. Con l'aumento delle dimensioni dei pacchi batteria dei veicoli e della potenza/coppia di picco dei motori, i vantaggi dei MOSFET a base di SiC diventano sempre più significativi. I dispositivi di potenza in SiC stanno inoltre accelerando la loro integrazione nel settore dei caricabatterie per veicoli. Molti produttori hanno già lanciato sul mercato dispositivi di potenza in SiC per i caricabatterie di veicoli elettrici, come ibridi ed elettrici. Secondo le statistiche di Yole, questo mercato potrebbe mantenere un tasso di crescita del 44% entro il 2023.    

L'evoluzione a lungo termine del SiC di potenza (Fonte: Yole)Nel campo degli investimenti, Hubble Technology Investment Co., Ltd., una sussidiaria di Huawei, ha investito lo scorso anno in Shandong Tianyue Advanced Materials Technology Co., Ltd., azienda leader in Cina nel settore dei semiconduttori di terza generazione a base di carburo di silicio, acquisendo una partecipazione del 10%. Nel luglio 2020, Huawei ha inoltre investito in Dongwei Semiconductor, che produce principalmente tre serie di prodotti: la serie GreenMOS ad alta tensione, la serie SGTMOS a media e bassa tensione e la serie IGBT, ampiamente utilizzate in caricabatterie rapidi, colonnine di ricarica, alimentatori switching, azionamenti per motori CC e inverter fotovoltaici.    

Pianificazione per GaN

Secondo le previsioni di Yole, il GaN sarà utilizzato principalmente nell'elettronica di consumo, nell'elettronica automobilistica, nelle infrastrutture per le telecomunicazioni, ecc. Nel campo del nitruro di gallio, la tendenza principale nell'integrazione dei dispositivi GaN è rappresentata dalle soluzioni system-in-package o system-on-chip. Di fatto, i dispositivi di potenza GaN sono venduti principalmente al mercato dell'elettronica. Per il mercato consumer, questa è una tendenza tecnologica evidente. Un esempio tipico è la ricarica rapida. Il prodotto per la ricarica rapida comprende principalmente due componenti principali: un circuito integrato di gestione dell'alimentazione e un dispositivo di potenza discreto. I requisiti per la ricarica rapida sono densità di potenza ed efficienza. Pertanto, le aziende devono comprimere il sistema e ridurre il costo per unità di potenza in questo formato.    

Figura 2: Mercato del GaN di potenza (Fonte: Yole)  
Con la maturazione della tecnologia GaN, sarà possibile realizzare componenti più compatti, ottimizzando dimensioni, peso e altre caratteristiche. grazie a un design intelligente. Inoltre, rispetto ai componenti tradizionali a base di silicio, i componenti GaN commutano 10 volte più velocemente e possono funzionare a temperature più elevate. Pertanto, l'applicazione del GaN nel campo della ricarica rapida USB PD è diventata molto comune. L'8 aprile 2020, in occasione del lancio dei nuovi prodotti primaverili 2020 di Huawei, l'azienda ha presentato un unico caricabatterie: un caricabatterie a doppia porta GaN (nitruro di gallio) da 65 W. All'epoca circolavano voci secondo cui Huawei lo stesse sviluppando internamente, ma la situazione reale deve ancora essere verificata. Tuttavia, fonti vicine alla catena di fornitura di Huawei hanno sottolineato la forte presenza dell'azienda nel settore del nitruro di gallio (GaN). Attualmente, sul mercato sono presenti numerosi produttori che implementano la tecnologia di ricarica rapida GaN, tra cui Power Integration, Inc., Navitas e Innoscience, i tre principali fornitori. Oltre a Huawei HiSilicon, molte aziende nazionali, tra cui Haite High-tech, Hailu Heavy Industry, Suzhou Jingzhan, Jiangsu Huagong, Chongqing China Resources Micro e Hangzhou Silan Micro, hanno implementato attivamente i semiconduttori di terza generazione. Si prevede che, con l'aumento della domanda di portabilità da parte degli utenti, il mercato globale della ricarica rapida GaN raggiungerà oltre 60 miliardi di yuan nel 2025, accelerando al contempo la sostituzione dei prodotti a base di silicio con chip GaN in altri settori emergenti. Oltre alla ricarica rapida nel settore dell'elettronica di consumo, i dispositivi discreti basati su GaN sono più adatti anche ad applicazioni ad alta potenza, come i data center o gli alimentatori delle stazioni base. Nel giugno 2020, Huawei ha annunciato l'intenzione di istituire una base di ricerca e sviluppo e di produzione di optoelettronica nel Regno Unito. La prima fase del progetto si concentrerà sulla ricerca e sviluppo e sulla produzione di dispositivi e moduli ottici. Integrando le funzioni di ricerca e sviluppo e di produzione, possiamo accelerare i processi di sviluppo e commercializzazione dei prodotti e immettere i prodotti sul mercato in modo più efficiente. La tecnologia optoelettronica è fondamentale per i sistemi di comunicazione in fibra ottica e il consistente investimento di Huawei nel Regno Unito mira a promuovere l'applicazione delle tecnologie correlate nei data center e nelle infrastrutture di rete globali. Nel campo dell'optoelettronica, il basso consumo energetico e l'elevata efficienza luminosa del GaN sono di grande aiuto per i LED e i laser ultravioletti. I diodi a emissione di luce ultravioletta profonda (LED) basati su semiconduttori GaN rappresentano la principale direzione di sviluppo per le sorgenti luminose di disinfezione a raggi ultravioletti. Le loro sorgenti luminose sono di piccole dimensioni, altamente efficienti e di lunga durata. Un modulo a chip delle dimensioni di un cappuccio per pollice può emettere una luce ultravioletta più potente di una lampada al mercurio. Nel campo delle radiofrequenze GaN, Huawei ha utilizzato amplificatori di potenza al nitruro di gallio nelle sue stazioni base 4G LTE alcuni anni fa. Successivamente, con l'avvento del 5G, il GaN ha acquisito sempre più potenziale perché, alle alte frequenze, la densità di potenza del GaN rimane eccellente rispetto all'LDMOS, e anche l'efficienza di conversione di potenza aumenta. Secondo le previsioni di Yole (Figura 2), l'adozione del GaN nei data center sta crescendo lentamente. Ezgi Dogmus, analista di mercato e tecnologia presso Yole, ha affermato che ciò è dovuto alla mancanza di regolamentazione. Se il governo intensificherà la supervisione dei data center per ridurre il consumo energetico, il tasso di diffusione del GaN nei data center aumenterà. Con l'aumento dei requisiti di elevata efficienza, il nitruro di gallio sta assumendo un ruolo importante rispetto al silicio, che comunque soddisfa ancora i requisiti attuali. Nel settore automobilistico, con l'utilizzo di un numero sempre maggiore di componenti nelle automobili, il ruolo del GaN sta diventando sempre più rilevante. L'11 agosto 2020, in occasione del 12° Automotive Blue Book Forum, Wang Jun, Presidente della Business Unit Smart Car Solutions di Huawei, ha rivelato che Huawei sta attualmente sviluppando la tecnologia lidar. I progressi nei transistor GaN si sono rivelati fondamentali per lo sviluppo di sistemi lidar ad alta precisione. I sistemi LiDAR emettono impulsi luminosi da laser a emissione superficiale a cavità verticale (VCSEL), che richiedono un controllo elettrico ad alta potenza e sono molto veloci, con tempi di salita e discesa brevi. Questo è uno dei motivi per cui il nitruro di gallio è vantaggioso per i sistemi lidar. Il nitruro di gallio commuta molto più velocemente dei FET al silicio, consentendo impulsi di breve durata ad alte correnti. Questa proprietà è fondamentale per il lidar perché impulsi di durata inferiore consentono una risoluzione più elevata, e correnti di impulso elevate permettono ai sistemi lidar di vedere più lontano.

La situazione generale dei semiconduttori di potenza nazionali

Infine, analizziamo sistematicamente la situazione della catena industriale dei semiconduttori di potenza nazionali, principalmente IGBT, SiC e GaN. In primo luogo, esaminiamo l'intera catena industriale degli IGBT. Gli IGBT nazionali sono sostanzialmente già operativi in ​​tutte le fasi della catena industriale, dalla progettazione dei chip alla produzione di wafer e al packaging dei moduli, ma si trovano ancora in una fase preliminare. In particolare, la produzione di wafer, l'assottigliamento del backplane e i processi di packaging rappresentano le principali difficoltà nella tecnologia di produzione degli IGBT, e in questo ambito esiste un notevole divario con i paesi stranieri.

Analisi dell'intera filiera produttiva nazionale degli IGBT (Tabella: Osservazioni sul settore dei semiconduttori)  
Nell'intero settore del SiC, in termini di substrati e epitassia, la Cina è ancora dominata dai prodotti da 4 pollici, mentre i prodotti da 6 pollici sono stati sviluppati e forniti in piccoli lotti. In generale, rispetto ai paesi stranieri, si riscontrano lacune in tutti gli anelli dell'intera catena del valore dell'industria nazionale del carburo di silicio, con un divario complessivo di circa 5 anni. Rispetto ai livelli più avanzati a livello estero, i diodi SiC cinesi sono indietro di circa una generazione, ovvero di 2-3 anni. Il divario non è particolarmente ampio ed è assolutamente possibile recuperarlo in un futuro prevedibile. Tuttavia, ciò richiede sforzi simultanei a monte e a valle dell'intera catena del valore nazionale per compiere progressi.

Analisi dell'intera filiera produttiva nazionale del SiC (Tabella: Osservazioni sull'industria dei semiconduttori)Secondo il rapporto "Gallium Nitride Semiconductor Device Market 2023 Global Forecast" pubblicato da RESEARCH AND MARKETS, si prevede che il mercato dei dispositivi a nitruro di gallio crescerà da 16.5 miliardi di dollari nel 2016 a 22.47 miliardi di dollari nel 2023, con un tasso di crescita annuo composto del 4.51%. La filiera del GaN comprende materiali a monte (substrato ed epitassia), dispositivi e moduli intermedi e sistemi e applicazioni a valle. Spinta dalla graduale espansione del mercato interno del GaN, un gran numero di produttori ha iniziato a comparire in tutti gli anelli della filiera, a monte, intermedia e a valle.  
 

Analisi dell'intera filiera produttiva nazionale del GaN (Tabella: Osservazioni sull'industria dei semiconduttori)     

Conclusione

Nel complesso, nell'attuale contesto internazionale, le attività di Huawei all'estero sono state ostacolate, e il settore automobilistico emergente si è rivelato una svolta fondamentale per la crescita dell'azienda, rivestendo un'importanza crescente. L'ingresso nel mercato dei dispositivi di potenza, siano essi IGBT, SiC o GaN, rappresenta un elemento chiave per consolidare la sua identità di fornitore di componenti per il settore automobilistico. Grazie alle caratteristiche superiori di questi dispositivi, Huawei può sviluppare apparecchiature come alimentatori per stazioni base, sistemi di ricarica rapida, ricerca e sviluppo optoelettronico e altre applicazioni.    

Attualmente, nel campo dei dispositivi di potenza a semiconduttore di terza generazione, ci troviamo in una buona posizione in termini di livello di sviluppo delle tecnologie nazionali ed estere e di attenzione da parte del Paese. Anche la maggior parte degli esperti nazionali ha un atteggiamento positivo nei confronti dello sviluppo dei semiconduttori di terza generazione nel nostro Paese. I materiali semiconduttori di terza generazione potrebbero rappresentare un'ottima opportunità per superare la situazione di stallo dei circuiti integrati e raggiungere e superare la tecnologia dei chip. Un'azienda capace come Huawei dovrebbe assumere la leadership e guidare l'ascesa dei semiconduttori nazionali!

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