최근 사정에 정통한 소식통에 따르면, 화웨이는 IGBT, MOSFET, SiC, GaN 등 주력 전력 소자를 포함한 전력 소자 연구 개발 부문에 인력을 대거 채용하고 있다고 합니다. 현재 팀 규모는 수백 명에 달하는 것으로 알려져 있습니다. 화웨이가 자체 전력 소자를 개발하고 있다는 것은 이미 잘 알려진 사실입니다. 그렇다면 화웨이는 이러한 전력 소자 연구 개발에 어떤 큰 전략을 펼치고 있는 것일까요? (본 내용은 공식 계정 [반도체산업관찰] ID: icbank, 작성자: 두친(DQ)의 글을 재수록한 것입니다.)

 

전력 소모가 많은 기기에 왜 관심을 가져야 할까요?

화웨이가 칩 제조에 매우 뛰어나고, 기린 칩이 퀄컴이나 애플의 칩과 견줄 만하거나 심지어 능가한다는 것은 우리 모두 알고 있습니다. 하지만 사실 반도체에서 전력 소자 또한 매우 중요한 부분입니다. Power devices are the core of power conversion and circuit control in electronic devices. 이것들은 전압, 주파수, 직류를 교류로 변환하는 기능 등을 구현하는 핵심 부품입니다. 주요 구성 요소로는 다이오드, 사이리스터, MOSFET 및 IGBT가 있습니다. However, technologies such as diodes and thyristors are relatively old and have gradually been abandoned by major manufacturers. 특히 고전압 및 고주파 방향으로 전력 반도체 소자가 점차 발전함에 따라 기존의 실리콘 기반 전력 반도체 소자와 그 재료는 물리적 한계에 다다르고 있습니다. 게다가 2세대 화합물 반도체는 비용과 독성 측면에서 적합하지 않습니다. Major international manufacturers have focused the future of the industry on third-generation compound semiconductors. 3세대 반도체는 향후 전력 소자의 발전 방향이라고 할 수 있다. 최근 전국인민대표대회와 전국정치협상회의가 막을 내렸는데, 3세대 반도체(GaN 및 SiC)가 이번 전당대회의 핵심 화두 중 하나로 다시 한번 떠올랐습니다. 양회 기간 동안 왕원인 중국인민정치협상회의 전국위원회 위원은 인터뷰에서 3세대 반도체 산업의 영향력이 5G 기지국, 초고압(UHV), 고속철도, 신에너지 충전소 등 핵심 분야로 확대됨에 따라 중국 반도체 산업의 발전이 정점에 달했다고 말했다. 트렌드포스 컨설팅의 예측에 따르면, 2021년 GaN 통신 및 전력 소자 매출은 각각 6억 8천만 달러와 6천 1백만 달러로, 전년 대비 30.8%와 90.6% 증가할 것으로 예상됩니다. SiC 소자의 경우, 전력 분야의 SiC 소자 매출은 2021년에 6억 8천만 달러에 달할 것으로 추정되며, 이는 전년 대비 32% 증가한 수치입니다. 중국은 세계 최대의 전력 기기 소비국입니다. 가정용 전력 기기의 전체 자립률은 10% 미만입니다. 특히 고가 기기 분야에서는 국내 생산품으로 대체할 수 있는 여지가 매우 큽니다. GaN이 얼마나 인기 있는지 한번 볼까요? According to Taiwan media reports in February this year, TSMC purchased 16 GaN-related equipment, which is more than twice the number of 6 units in the existing six-inch factory. 이는 생산 능력이 10,000만 개 이상으로 증가하는 것과 마찬가지이며, 고객 주문 수요가 얼마나 큰지를 보여줍니다. TSMC의 주요 고객사이기도 한 GaN 공급업체 나노세미컨덕터는 최근 출하량이 신기록을 경신했으며, 1,300만 개 이상의 GaN 전력 IC를 시장에 성공적으로 공급하여 불량률 0%를 달성했다고 발표했습니다. 이는 전 세계 모바일 가전 시장이 모바일 기기 및 관련 장비의 고속 충전을 가능하게 하기 위해 GaN 칩 도입을 가속화하고 있음을 반영합니다. 2020년 2월, 샤오미 10 출시 행사에서 나노마이크로의 GaNFast 질화갈륨 전력 칩이 샤오미의 65W 질화갈륨 충전기에 처음으로 사용되면서 GaN이 사람들의 주목을 받기 시작했습니다. 샤오미 미 11이 새로운 55W GaN 고속 충전 기능을 탑재하고 출시될 예정입니다. This charger will be included with Xiaomi Mi 11 smartphones when they are launched overseas. Navitas의 CEO이자 공동 창립자인 Gene SHERIDAN에 따르면, 샤오미 Mi 11의 해외 버전 표준 55W 나노 GaNFast 질화갈륨 충전기는 유럽 표준 2핀 AC 커넥터를 사용하는데, 이는 주류 1급 스마트폰 제조업체들이 질화갈륨 기술을 채택하기 시작했음을 의미하며, 또한 업계가 구형 저속 실리콘 칩을 단계적으로 퇴출시키기 시작했음을 시사합니다.

IGBT와 SiC를 모두 잡으세요

Regarding IGBT and SiC, the industry has always had a hidden concern. As IGBT gradually approaches the performance limit of silicon material, the third-generation semiconductor material SiC is regarded as a new challenger to IGBT in future electric vehicles. However, according to analysis by industry insiders, "SiC is like a smart and strong-willed teenager with outstanding advantages and equally outstanding shortcomings. IGBT is more like a steady and mature young man who can shoulder the burden of power devices." Therefore, in view of the different division of labor between the two, Huawei's dual-pronged approach to IGBT and SiC is also a wise choice. The first power device that Huawei was rumored to be making was IGBT. IGBT is the core device for energy conversion and transmission, commonly known as the "CPU" of power electronic devices. As a leading company in UPS power supply, Huawei occupies the first market share in global data centers, so IGBT is the core component of Huawei's UPS power supply. In addition, as a national strategic emerging industry, IGBT is widely used in rail transportation, smart grid, aerospace, electric vehicles and new energy equipment and other fields. With the development of new energy vehicles, rail transit and smart grids, the demand for IGBTs has experienced substantial growth. Power devices are one of the core electronic devices in the electronic control system of new energy vehicles. The value of power devices in new energy vehicles is more than five times that of traditional fuel vehicles. In particular, IGBT accounts for about 37% of the cost of the electronic control system of new energy vehicles. In addition to IGBT, it is understood that Huawei is also developing SiC. In the past two years, due to the unique and excellent characteristics of SiC, car manufacturers have successively begun to introduce SiC devices. Everyone knows about Huawei's layout in cars. Huawei does not build cars, but focuses on ICT technology to help car companies build good cars. Huawei is committed to becoming an incremental component supplier for intelligent connected vehicles. Research and development of IGBT and SiC is also a direction for Huawei to become an automotive parts supplier. But for now, automotive power semiconductor devices are still dominated by silicon-based IGBTs, while SiC-based MOSFETs represent the future because they have stronger performance, but the biggest obstacle to current promotion is high cost. However, as vehicle power battery packs become larger and larger, and the maximum power/peak torque of motors becomes higher and higher, the advantages of SiC-based MOSFETs become more and more significant. SiC power devices are also accelerating their integration into the field of vehicle chargers. Many manufacturers have launched SiC power devices for chargers of electric vehicles such as HEV/EV. According to Yole statistics, this market can maintain a growth rate of 44% before 2023.    

전력용 SiC의 장기적인 발전 과정 (출처: Yole)투자 분야에서 화웨이의 자회사인 허블 테크놀로지 투자 유한회사는 지난해 국내 3세대 반도체 소재인 탄화규소(실리콘 카바이드) 분야를 선도하는 산둥 톈위에 첨단 소재 기술 유한회사에 투자하여 10%의 지분을 확보했습니다. 또한 2020년 7월에는 고전압 GreenMOS 시리즈, 중저전압 SGTMOS 시리즈, IGBT 시리즈 등 주요 제품군을 보유한 동웨이 반도체에도 투자했습니다. 이 제품들은 고속 충전기, 배터리, 스위칭 전원 공급 장치, DC 모터 드라이브, 태양광 인버터 등에 널리 사용됩니다.    

Planning for GaN

Yole의 예측에 따르면, GaN은 주로 소비자 가전, 자동차 전자제품, 통신 기술 설비 등에 사용될 것입니다. 질화갈륨 분야에서 GaN 소자 집적의 주요 추세는 시스템 온 패키지(SoP) 또는 시스템 온 칩(SOC) 솔루션입니다. 실제로 GaN 전력 소자는 주로 전자제품 시장에 판매됩니다. 소비자 시장에서 이는 분명한 기술 트렌드이며, 가장 대표적인 예는 고속 충전입니다. 고속 충전기 제품은 주로 전력 관리 IC 칩과 전력 개별 소자, 두 가지 핵심 부품으로 구성됩니다. 고속 충전에는 전력 밀도와 효율성이 요구되므로, 기업들은 시스템을 최대한 소형화하고 이러한 폼팩터에서 전력당 가격을 낮춰야 합니다.    

그림 2: 전력 GaN 시장 (출처: Yole)  
GaN 기술이 성숙해짐에 따라, GaN 기술을 통해 더욱 간소화된 부품으로 크기와 무게 등을 개선할 수 있게 될 것입니다. 뛰어난 디자인을 통해. 또한, 일반 실리콘 기반 부품에 비해 GaN 부품은 스위칭 속도가 10배 더 빠르고 더 높은 온도에서 작동할 수 있습니다. 따라서 GaN은 USB PD 고속 충전 분야에 널리 적용되고 있습니다. 2020년 4월 8일, 화웨이는 2020년 봄 신제품 발표회에서 65W GaN(질화갈륨) 듀얼 포트 충전기 단일 제품을 공개했습니다. 당시 화웨이가 자체 개발 중이라는 소문이 있었지만, 실제 상황은 아직 조사되지 않았다. 하지만 화웨이의 공급망에 정통한 관계자들은 화웨이가 GaN 분야에서 매우 강력한 입지를 구축하고 있다고 지적했습니다. 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. 화웨이 하이실리콘 외에도 하이테 하이테크, 하이루 중공업, 쑤저우 징잔, 장쑤 화공, 충칭 차이나 리소스 마이크로, 항저우 실란 마이크로 등 많은 국내 기업들이 3세대 반도체를 적극적으로 도입하고 있다. 휴대성에 대한 사용자 수요가 증가함에 따라 전 세계 GaN 고속 충전 시장은 2025년에 60억 위안 이상에 달할 것으로 예상되며, 이는 다른 신흥 분야에서도 실리콘 기반 제품을 GaN 칩으로 대체하는 속도를 가속화할 것입니다. 소비자 가전 분야의 고속 충전 외에도, GaN 기반 개별 소자는 데이터 센터나 기지국 전원 공급 장치와 같은 고출력 애플리케이션에 더욱 적합합니다. 화웨이는 2020년 6월 영국에 광전자 연구개발 및 제조 기지를 설립할 것이라고 발표했습니다. 프로젝트의 첫 번째 단계는 광학 장치 및 광학 모듈의 연구 개발 및 제조에 중점을 둘 것입니다. 연구 개발과 제조 기능을 통합함으로써 제품 개발 및 상용화 프로세스를 가속화하고 제품을 더욱 효율적으로 시장에 출시할 수 있습니다. 광전자 기술은 광섬유 통신 시스템의 핵심 기술이며, 화웨이의 영국 대규모 투자는 관련 기술의 글로벌 데이터 센터 및 네트워크 인프라 적용을 촉진하는 것을 목표로 합니다. 광전자 분야에서 GaN의 낮은 전력 소비와 높은 발광 효율은 LED와 자외선 레이저에 도움이 됩니다. GaN 반도체를 기반으로 하는 심자외선 발광 다이오드(LED)는 자외선 소독 광원의 주류 개발 방향입니다. 이러한 광원은 크기가 작고 효율이 높으며 수명이 깁니다. 엄지 모자 크기의 칩 모듈은 수은 램프보다 더 강력한 자외선을 방출할 수 있습니다. 무선 주파수 GaN 분야에서 화웨이는 몇 년 전부터 4G LTE 기지국에 질화갈륨 전력 증폭기를 사용해왔습니다. 그리고 5G 시대가 도래하면서 GaN은 더욱 큰 잠재력을 갖게 되었습니다. 고주파수에서 GaN의 전력 밀도는 LDMOS에 비해 여전히 우수하며, 전력 효율 또한 향상되기 때문입니다. Yole의 데이터 예측(그림 2)에 따르면 데이터 센터에서 GaN의 도입은 느리게 증가하고 있습니다. Yole의 기술 및 시장 분석가인 에즈기 도그무스는 이러한 현상이 규제 부족 때문이라고 말했습니다. If the government strengthens strict supervision of data centers to reduce power consumption, the penetration rate of GaN in data centers will be higher. 고효율 요구 사항이 증가함에 따라, 현재의 요구 사항을 여전히 충족하는 실리콘 대신 질화갈륨이 중요한 역할을 하고 있습니다. In the automotive field, as more and more components are used in cars, the role of GaN is becoming more and more prominent. 2020년 8월 11일, 제12회 자동차 블루북 포럼에서 화웨이 스마트카 솔루션 사업부 사장인 왕쥔은 화웨이가 현재 라이다 기술을 개발 중이라고 밝혔습니다. GaN 트랜지스터의 발전은 고정밀 라이다 시스템 개발에 필수적인 요소임이 입증되었습니다. LiDAR 시스템은 수직 공진 표면 방출 레이저(VCSEL)에서 광 펄스를 방출하는데, 이는 고출력 전기 제어가 필요하며 상승 및 하강 시간이 짧아 매우 빠른 속도를 나타냅니다. 이것이 바로 질화갈륨이 라이다 시스템에 유리한 이유 중 하나입니다. 질화갈륨은 실리콘 FET보다 훨씬 빠른 스위칭 속도를 제공하여 높은 전류에서 짧은 펄스 폭을 구현할 수 있습니다. 이 특성은 라이다에 매우 중요합니다. 펄스 폭이 짧을수록 해상도가 높아지고, 펄스 전류가 높을수록 라이다 시스템이 더 멀리 볼 수 있기 때문입니다.

국내 전력 반도체의 전반적인 상황

마지막으로, 국내 전력 반도체, 특히 IGBT, SiC, GaN의 산업 사슬 현황을 체계적으로 살펴보겠습니다. 먼저 IGBT 산업 사슬 전체를 살펴보겠습니다. 국내 IGBT 산업은 칩 설계, 웨이퍼 제조, 모듈 패키징 등 산업 사슬 전반에 걸쳐 기본적인 틀은 갖춰져 있지만, 아직 초기 단계에 머물러 있습니다. 특히 웨이퍼 제조, 백플레인 박막화, 패키징 공정은 IGBT 제조 기술의 주요 난제이며, 이 부분에서 해외와 큰 격차가 존재합니다.

국내 IGBT 산업 공급망 전체 정리 (표: 반도체 산업 관찰)  
In the entire SiC field, in terms of SiC substrate and epitaxy, China is still dominated by 4-inch products, and 6-inch products have been developed and supplied in small batches. Generally speaking, compared with foreign countries, there are gaps in all links of the entire value chain of the domestic silicon carbide industry, and the overall level gap may be about 5 years. Compared with the most advanced foreign level, domestic SiC diodes are about one generation behind, about 2 to 3 years behind. The gap is not particularly large, and it is completely possible to catch up in the foreseeable future. But this requires simultaneous efforts from upstream and downstream of the entire domestic value chain to make progress.

국내 SiC 산업 전체 공급망 정리 (표: 반도체 산업 관찰)리서치앤마켓(RESEARCH AND MARKETS)이 발표한 "2023년 글로벌 질화갈륨 반도체 소자 시장 전망"에 따르면, 질화갈륨(GaN) 소자 시장은 2016년 16.5억 달러에서 2023년 224억 7천만 달러로 연평균 4.51% 성장할 것으로 예상됩니다. GaN 산업 사슬은 상류 원자재(기판 및 에피택시), 중류 소자 및 모듈, 하류 시스템 및 응용 분야로 구성됩니다. 국내 GaN 시장의 점진적인 확장에 힘입어 상류, 중류, 하류의 모든 단계에서 많은 제조업체가 등장하고 있습니다.  
 

Sorting out the entire domestic GaN industry chain (Tabulation: Semiconductor Industry Observation)     

맺음말

전반적으로 현재의 국제 정세 속에서 화웨이의 해외 사업은 어려움을 겪고 있으며, 자동차 사업은 화웨이의 성장 동력으로 떠오르고 있습니다. 자동차 사업은 화웨이 사업 부문에서 점점 더 중요한 위치를 차지하고 있습니다. IGBT, SiC, GaN과 같은 전력 소자 분야 진출은 화웨이가 자동차 부품 공급업체로서의 입지를 다지는 데 중요한 발판이 될 것입니다. 나아가 이러한 전력 소자의 우수한 특성을 바탕으로 기지국 전원 공급, 고속 충전, 광전자 연구 개발 등 화웨이 자체 장비의 다양한 응용 분야에 활용할 수 있을 것입니다.    

At present, in the field of third-generation semiconductor power devices, we are in a good position in terms of the development level of domestic and foreign technologies and the country's attention. Most domestic experts also have a positive attitude towards the development of my country's third-generation semiconductors. The third-generation semiconductor materials may be a good opportunity for us to get rid of the passive situation of integrated circuits and achieve chip technology catch-up and overtaking. A capable company like Huawei should take the lead and lead the rise of domestic semiconductors!

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