Według osób zaznajomionych ze sprawą, Huawei rekrutuje ostatnio osoby do działu badań i rozwoju urządzeń mocy, w tym popularnych urządzeń mocy, takich jak IGBT, MOSFET, SiC i GaN. Podobno zespół liczy obecnie setki osób. Nie jest tajemnicą, że Huawei opracowuje własne urządzenia mocy. W jakim więc kierunku zmierza Huawei w badaniach i rozwoju tych urządzeń mocy? (Treść pochodzi z publicznego konta [Semiconductor Industry Observation], ID: icbank, Autor: Du Qin DQ)

 

Dlaczego warto zwracać uwagę na urządzenia elektryczne?

Wszyscy wiemy, że Huawei jest bardzo dobry w produkcji układów scalonych, a ich układy Kirin są porównywalne, a nawet lepsze od układów Qualcomm i Apple, ale w rzeczywistości urządzenia zasilające są również bardzo ważną częścią półprzewodników. Urządzenia mocy stanowią podstawę przetwarzania energii i sterowania obwodami w urządzeniach elektronicznych. Są to główne komponenty realizujące takie funkcje, jak regulacja napięcia, częstotliwości i konwersja prądu stałego na prąd przemienny. Należą do nich głównie diody, tyrystory, tranzystory MOSFET i tranzystory IGBT. Jednakże technologie takie jak diody i tyrystory są stosunkowo stare i zostały stopniowo porzucone przez głównych producentów. W miarę jak urządzenia półprzewodnikowe mocy stopniowo ewoluują w kierunku wysokiego napięcia i wysokiej częstotliwości, tradycyjne urządzenia półprzewodnikowe mocy na bazie krzemu oraz materiały, z których są wykonane, zbliżają się do granic fizycznych. Ponadto półprzewodniki złożone drugiej generacji są nieodpowiednie ze względu na koszty i toksyczność. Duzi międzynarodowi producenci oparli przyszłość branży na półprzewodnikach złożonych trzeciej generacji. Można powiedzieć, że trzecia generacja półprzewodników stanowi kierunek rozwoju urządzeń mocy w przyszłości. Niedawno zakończyły się dwie sesje krajowe, a półprzewodniki trzeciej generacji (GaN i SiC) ponownie stały się jednym z kluczowych tematów obu sesji. Podczas obu sesji Wang Wenyin, członek Narodowego Komitetu Chińskiej Ludowej Politycznej Konferencji Konsultatywnej, powiedział w wywiadzie, że wraz z rozszerzaniem się zasięgu przemysłu półprzewodników trzeciej generacji na kluczowe obszary, takie jak stacje bazowe 5G, UHV, międzymiastowy transport kolejowy dużych prędkości i nowe stacje ładowania energii, nastąpił rozwój przemysłu półprzewodników w moim kraju. Według prognoz TrendForce Consulting przychody ze sprzedaży urządzeń komunikacyjnych i energetycznych GaN w 2021 r. wyniosą odpowiednio 680 mln USD i 61 mln USD, co oznacza wzrost o 30.8% i 90.6% w skali roku; w przypadku urządzeń SiC szacuje się, że przychody ze sprzedaży urządzeń SiC w dziedzinie zasilania osiągną 680 mln USD w 2021 r., co oznacza wzrost o 32% w skali roku. Chiny są największym konsumentem urządzeń elektrycznych na świecie. Ogólny wskaźnik samowystarczalności domowych urządzeń energetycznych wynosi mniej niż 10%. Istnieje ogromne pole do zastąpienia rodzimymi produktami, szczególnie w przypadku urządzeń najwyższej klasy. Sprawdźmy jak gorący jest GaN? Według doniesień tajwańskich mediów w lutym tego roku, TSMC zakupiło 16 urządzeń związanych z GaN, co stanowi ponad dwukrotność liczby 6 urządzeń znajdujących się w istniejącej fabryce produkującej sześciocalowe ekrany. Oznacza to zwiększenie mocy produkcyjnych do ponad 10 000 sztuk, co pokazuje, jak duże jest zapotrzebowanie na zamówienia klientów. Dostawca GaN, Nanosemiconductor, będący również głównym klientem TSMC, ogłosił niedawno, że jego dostawy ustanowiły nowy rekord i dostarczyły na rynek ponad 13 milionów układów scalonych mocy GaN, nie notując przy tym żadnej awarii produktu. Odzwierciedla to fakt, że światowy rynek elektroniki użytkowej przyspiesza adopcję układów GaN, które umożliwiają szybkie ładowanie urządzeń mobilnych i powiązanego sprzętu. W lutym 2020 r., podczas konferencji poświęconej premierze Xiaomi 10, po raz pierwszy w ładowarce Xiaomi o mocy 65 W wykonanej z azotku galu zastosowano układ zasilający GaNFast firmy Nanomicro, a GaN zaczął przyciągać uwagę opinii publicznej. Teraz na rynku pojawi się Xiaomi Mi 11 z nową wersją szybkiego ładowania GaN o mocy 55 W. Ładowarka ta będzie dołączana do smartfonów Xiaomi Mi 11, gdy tylko pojawią się one na rynkach zagranicznych. Według Gene'a SHERIDANA, dyrektora generalnego i współzałożyciela Navitas, zagraniczna wersja standardowej ładowarki Nano GaNFast o mocy 55 W, wykonanej z azotku galu, do Xiaomi Mi 11, ma europejski standard 2-pinowego złącza AC, co oznacza, że ​​najwięksi producenci smartfonów zaczęli wdrażać technologię azotku galu, a także oznacza, że ​​branża zaczęła wycofywać stare, wolnej prędkości układy krzemowe.

Zdobądź zarówno IGBT, jak i SiC

W odniesieniu do IGBT i SiC, branża zawsze miała ukryte obawy. W miarę jak IGBT stopniowo zbliża się do granicy wydajności materiału krzemowego, materiał półprzewodnikowy trzeciej generacji, SiC, jest postrzegany jako nowy konkurent dla IGBT w przyszłych pojazdach elektrycznych. Jednak według analiz ekspertów branżowych, „SiC jest jak inteligentny i silny nastolatek z wyjątkowymi zaletami i równie wyjątkowymi wadami. IGBT jest raczej jak zrównoważony i dojrzały młody człowiek, który potrafi udźwignąć ciężar urządzeń zasilających”. Dlatego, biorąc pod uwagę odmienny podział pracy między nimi, dwutorowe podejście Huawei do IGBT i SiC jest również rozsądnym wyborem. Pierwszym urządzeniem zasilającym, które Huawei podobno miał produkować, był IGBT. IGBT to główny element przetwarzania i przesyłu energii, powszechnie znany jako „procesor” urządzeń energoelektronicznych. Jako wiodąca firma w dziedzinie zasilania UPS, Huawei zajmuje pierwsze miejsce na rynku globalnych centrów danych, więc IGBT jest głównym komponentem zasilania UPS Huawei. Ponadto, jako strategiczna, rozwijająca się branża o zasięgu krajowym, IGBT jest szeroko stosowany w transporcie kolejowym, inteligentnych sieciach elektroenergetycznych, lotnictwie i kosmonautyce, pojazdach elektrycznych, urządzeniach nowej energii i innych dziedzinach. Wraz z rozwojem pojazdów nowej energii, transportu kolejowego i inteligentnych sieci elektroenergetycznych, popyt na IGBT znacznie wzrósł. Urządzenia zasilające stanowią jeden z podstawowych elementów elektronicznych w elektronicznym systemie sterowania pojazdów nowej energii. Wartość urządzeń zasilających w pojazdach nowej energii jest ponad pięciokrotnie wyższa niż w pojazdach o tradycyjnym napędzie. W szczególności, IGBT stanowi około 37% kosztów elektronicznego systemu sterowania pojazdów nowej energii. Oprócz IGBT, Huawei rozwija również SiC. W ciągu ostatnich dwóch lat, dzięki unikalnym i doskonałym właściwościom SiC, producenci samochodów sukcesywnie zaczęli wprowadzać urządzenia SiC. Wszyscy znają układy scalone Huawei w samochodach. Huawei nie produkuje samochodów, ale koncentruje się na technologii ICT, aby pomóc producentom samochodów w tworzeniu dobrych pojazdów. Huawei dąży do stania się dostawcą komponentów do inteligentnych, połączonych pojazdów. Badania i rozwój IGBT i SiC to również kierunek, w którym Huawei zmierza, aby stać się dostawcą części samochodowych. Na razie w samochodowych półprzewodnikowych układach zasilania nadal dominują tranzystory IGBT na bazie krzemu, podczas gdy tranzystory MOSFET na bazie węglika krzemu (SiC) reprezentują przyszłość ze względu na lepszą wydajność. Największą przeszkodą w obecnej promocji jest jednak wysoki koszt. Jednak wraz ze wzrostem rozmiarów akumulatorów samochodowych i wzrostem mocy maksymalnej/szczytowego momentu obrotowego silników, zalety tranzystorów MOSFET na bazie węglika krzemu (SiC) stają się coraz bardziej znaczące. Układy zasilania SiC przyspieszają również swoją integrację z ładowarkami samochodowymi. Wielu producentów wprowadziło na rynek układy zasilania SiC do ładowarek pojazdów elektrycznych, takich jak HEV/EV. Według statystyk Yole, rynek ten może utrzymać tempo wzrostu na poziomie 44% do 2023 roku.    

Długoterminowa ewolucja SiC (źródło: Yole)W obszarze inwestycji, Hubble Technology Investment Co., Ltd., spółka zależna Huawei, zainwestowała w zeszłym roku w Shandong Tianyue Advanced Materials Technology Co., Ltd., wiodącą w kraju firmę produkującą półprzewodniki trzeciej generacji z węglika krzemu, obejmując 10% udziałów. W lipcu 2020 roku Huawei zainwestował również w Dongwei Semiconductor, firmę oferującą głównie trzy serie produktów: wysokonapięciową serię GreenMOS, średnio- i niskonapięciową serię SGTMOS oraz serię IGBT, które są szeroko stosowane w szybkich ładowarkach, układach ładowania akumulatorów, zasilaczach impulsowych, napędach silników prądu stałego i falownikach fotowoltaicznych.    

Planowanie dla GaN

Według prognoz Yole'a, GaN będzie wykorzystywany głównie w elektronice użytkowej, elektronice samochodowej, urządzeniach telekomunikacyjnych itp. W dziedzinie azotku galu głównym trendem w integracji urządzeń GaN są rozwiązania system-in-package lub system-on-chip. W rzeczywistości urządzenia zasilające GaN są sprzedawane głównie na rynku elektronicznym. Dla rynku konsumenckiego jest to oczywisty trend technologiczny. Bardziej typowym jest szybkie ładowanie. Głowica szybkiego ładowania składa się głównie z dwóch głównych komponentów: układu scalonego zarządzania energią (IC) i dyskretnego elementu zasilania. Wymagania dotyczące szybkiego ładowania to gęstość mocy i wydajność. Dlatego firmy muszą znacznie zredukować rozmiar systemu i obniżyć cenę jednostkową mocy w tym formacie.    

Rysunek 2: Rynek GaN w energetyce (źródło: Yole)  
W miarę rozwoju technologii GaN może ona umożliwiać produkcję opływowych komponentów o mniejszych rozmiarach, mniejszej wadze itd. poprzez przemyślany projekt. Ponadto, w porównaniu do zwykłych komponentów na bazie krzemu, komponenty GaN przełączają się 10 razy szybciej i mogą pracować w wyższych temperaturach. Dlatego też zastosowanie GaN w dziedzinie szybkiego ładowania USB PD stało się bardzo powszechne. 8 kwietnia 2020 r., podczas premiery nowego produktu Huawei na wiosnę 2020 r., Huawei wypuściło na rynek pojedynczą ładowarkę — dwuportową ładowarkę GaN (azotek galu) o mocy 65 W. Wówczas krążyły pogłoski, że Huawei pracuje nad tym rozwiązaniem samodzielnie, ale faktyczna sytuacja nie została jeszcze zbadana. Jednak osoby znające łańcuch dostaw Huawei zauważyły, że Huawei ma ugruntowaną pozycję w obszarze GaN. Obecnie na rynku działa wielu producentów, którzy wdrażają technologię szybkiego ładowania GaN, m.in. Power Integration, Inc., Navitas i Innoscience – trzej główni dostawcy. Oprócz Huawei HiSilicon, wiele krajowych firm, w tym Haite High-tech, Hailu Heavy Industry, Suzhou Jingzhan, Jiangsu Huagong, Chongqing China Resources Micro i Hangzhou Silan Micro, aktywnie wdraża półprzewodniki trzeciej generacji. Oczekuje się, że wraz ze wzrostem zapotrzebowania użytkowników na mobilność, globalny rynek szybkiego ładowania GaN osiągnie wartość ponad 60 miliardów juanów w 2025 r., a jednocześnie przyspieszy zastępowanie produktów na bazie krzemu układami GaN w innych rozwijających się dziedzinach. Urządzenia dyskretne oparte na GaN sprawdzają się nie tylko w szybkim ładowaniu urządzeń elektronicznych powszechnego użytku, ale również w zastosowaniach wymagających dużej mocy, np. w centrach danych lub zasilaczach stacji bazowych. W czerwcu 2020 roku Huawei ogłosiło, że utworzy w Wielkiej Brytanii bazę badawczo-rozwojową i produkcyjną w zakresie optoelektroniki. Pierwsza faza projektu będzie skupiona na pracach badawczo-rozwojowych i produkcji urządzeń optycznych oraz modułów optycznych. Integrując funkcje badawczo-rozwojowe i produkcyjne, możemy przyspieszyć procesy rozwoju i komercjalizacji produktów oraz sprawniej wprowadzać produkty na rynek. Technologia optoelektroniczna jest kluczową technologią dla systemów komunikacji światłowodowej, a duża inwestycja Huawei w Wielkiej Brytanii ma na celu promowanie stosowania powiązanych technologii w globalnych centrach danych i infrastrukturze sieciowej. Jeśli chodzi o dziedzinę optoelektroniki, niskie zużycie energii i wysoka wydajność świetlna GaN sprawdzają się w diodach LED i laserach ultrafioletowych. Głębokie ultrafioletowe diody elektroluminescencyjne (LED) bazujące na półprzewodnikach GaN stanowią główny kierunek rozwoju źródeł światła ultrafioletowego do dezynfekcji. Ich źródła światła są niewielkie, wydajne i trwałe. Moduł chipowy wielkości nasadki kciuka może emitować silniejsze światło ultrafioletowe niż lampa rtęciowa. W dziedzinie częstotliwości radiowych GaN firma Huawei kilka lat temu zastosowała wzmacniacze mocy wykonane z azotku galu w swoich stacjach bazowych 4G LTE. Następnie, wraz z pojawieniem się technologii 5G, GaN zyskuje coraz większy potencjał, ponieważ przy wysokich częstotliwościach gęstość mocy GaN jest nadal doskonała w porównaniu z LDMOS, a wydajność dodawania mocy również wzrasta. Zgodnie z prognozą danych Yole'a (rysunek 2) wdrażanie technologii GaN w centrach danych rozwija się powoli. Ezgi Dogmus, analityk technologii i rynku w Yole, powiedział, że wynika to z braku regulacji. Jeśli rząd zaostrzy nadzór nad centrami danych w celu ograniczenia zużycia energii, wskaźnik penetracji GaN w centrach danych będzie wyższy. W miarę jak rosną wymagania dotyczące wysokiej wydajności, azotek galu odgrywa ważniejszą rolę niż krzem, który nadal spełnia obecne wymagania. W branży motoryzacyjnej, wraz z coraz większą liczbą komponentów stosowanych w samochodach, rola GaN staje się coraz ważniejsza. 11 sierpnia 2020 r. podczas 12. Automotive Blue Book Forum Wang Jun, prezes Huawei Smart Car Solutions BU, ujawnił, że Huawei rozwija obecnie technologię lidarową. Postępy w dziedzinie tranzystorów GaN okazały się kluczowe dla rozwoju precyzyjnych systemów lidarowych. Systemy LiDAR emitują impulsy światła z laserów powierzchniowo-emisyjnych z pionową wnęką rezonansową (VCSEL), które wymagają sterowania elektrycznego o dużej mocy i są bardzo szybkie, z krótkimi czasami narastania i opadania. To jeden z powodów, dla których azotek galu jest korzystny dla systemów lidarowych. Azotek galu przełącza znacznie szybciej niż krzemowe tranzystory FET, co pozwala na uzyskanie krótkich szerokości impulsów przy dużych natężeniach prądu. Ta właściwość jest kluczowa dla lidaru, ponieważ krótsze szerokości impulsów pozwalają na większą rozdzielczość, a wysokie prądy impulsów pozwalają systemom lidarowym widzieć dalej.

Ogólna sytuacja krajowych półprzewodników mocy

Na koniec, przyjrzyjmy się systematycznie sytuacji w łańcuchu przemysłowym krajowych półprzewodników mocy, głównie IGBT, SiC i GaN. Najpierw przyjrzyjmy się całemu łańcuchowi przemysłowemu IGBT. Krajowe IGBT zostały zasadniczo uwzględnione w całym łańcuchu przemysłowym, takim jak projektowanie układów scalonych, produkcja płytek półprzewodnikowych i pakowanie modułów, ale są one dopiero na etapie wstępnym. W szczególności, produkcja płytek półprzewodnikowych, pocienianie płyt tylnych i procesy pakowania stanowią główne trudności w technologii produkcji IGBT, a pod tym względem istnieje duża luka w stosunku do rynków zagranicznych.

Sortowanie całego krajowego łańcucha przemysłowego IGBT (Tabela: Semiconductor Industry Observation)  
W całym sektorze SiC, pod względem podłoża SiC i epitaksji, Chiny nadal dominują w produktach 4-calowych, a produkty 6-calowe są opracowywane i dostarczane w małych partiach. Ogólnie rzecz biorąc, w porównaniu z innymi krajami, istnieją luki we wszystkich ogniwach całego łańcucha wartości krajowego przemysłu węglika krzemu, a ogólna luka może wynosić około 5 lat. W porównaniu z najbardziej zaawansowanym poziomem zagranicznym, krajowe diody SiC są opóźnione o około jedną generację, czyli o około 2 do 3 lat. Luka ta nie jest szczególnie duża i jest całkowicie możliwa do nadrobienia w dającej się przewidzieć przyszłości. Wymaga to jednak równoczesnych wysiłków na wszystkich etapach łańcucha wartości w całym krajowym łańcuchu wartości.

Sortowanie całego krajowego łańcucha przemysłu SiC (Tabela: Semiconductor Industry Observation)Według raportu „Gallium Nitride Semiconductor Device Market 2023 Global Forecast” opublikowanego przez RESEARCH AND MARKETS, rynek urządzeń półprzewodnikowych z azotku galu ma wzrosnąć z 16.5 mld USD w 2016 r. do 22.47 mld USD w 2023 r., ze średnioroczną stopą wzrostu na poziomie 4.51%. Łańcuch przemysłowy GaN obejmuje materiały upstream (podłoża i epitaksja), urządzenia i moduły midstream oraz systemy i aplikacje downstream. W związku ze stopniową ekspansją krajowego rynku GaN, wielu producentów zaczęło pojawiać się we wszystkich ogniwach upstream, midstream i downstream.  
 

Sortowanie całego krajowego łańcucha przemysłowego GaN (Tabela: Obserwacje przemysłu półprzewodników)     

Wniosek

Ogólnie rzecz biorąc, w obecnej sytuacji międzynarodowej działalność Huawei za granicą została zahamowana, a rozwijający się sektor motoryzacyjny stał się dla Huawei przełomem w dążeniu do rozwoju i zyskuje coraz większe znaczenie w sektorze biznesowym Huawei. Wejście na rynek urządzeń zasilających, zarówno IGBT, SiC, jak i GaN, stanowi fundament tożsamości firmy jako dostawcy części samochodowych. Dzięki doskonałym właściwościom tych urządzeń zasilających, mogą one obsługiwać własne urządzenia, takie jak zasilanie stacji bazowych, szybkie ładowanie, badania i rozwój optoelektroniki oraz inne zastosowania.    

Obecnie, w dziedzinie półprzewodnikowych urządzeń mocy trzeciej generacji, znajdujemy się w dobrej sytuacji pod względem poziomu rozwoju technologii krajowych i zagranicznych oraz zainteresowania kraju. Większość krajowych ekspertów również pozytywnie odnosi się do rozwoju półprzewodników trzeciej generacji w moim kraju. Materiały półprzewodnikowe trzeciej generacji mogą być dla nas dobrą okazją do pozbycia się pasywnej sytuacji układów scalonych i osiągnięcia przewagi w technologii chipów. Firma, która ma takie kompetencje jak Huawei, powinna przejąć inicjatywę i przewodzić rozwojowi krajowych półprzewodników!

Zastrzeżenie: Niniejszy artykuł pochodzi ze strony „Power R&D Alliance”, organizacji wspierającej ochronę praw własności intelektualnej. Prosimy o podanie oryginalnego źródła i autora przedruku. W przypadku naruszenia prosimy o kontakt w celu usunięcia przedruku.

Numer telefonu firmy: +86-0755-83044319
Faks/FAKS: +86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Menedżer Li

QQ: 332496225 Menedżer Qiu

Adres: Pokój 809, Budynek C, Budynek Technologii Zhantao, nr 1079 Minzhi Avenue, Nowa Dzielnica Longhua, Shenzhen