Recentemente, segundo fontes familiarizadas com o assunto, a Huawei está recrutando pessoas para a pesquisa e desenvolvimento de dispositivos de potência, incluindo dispositivos convencionais como IGBT, MOSFET, SiC e GaN. Diz-se que a equipe já conta com centenas de pessoas. Não é segredo que a Huawei desenvolve seus próprios dispositivos de potência. Então, que grande estratégia a Huawei está usando na pesquisa e desenvolvimento desses dispositivos? (Conteúdo reproduzido da conta pública [Semiconductor Industry Observation] ID: icbank Autor: Du Qin DQ)

 

Por que prestar atenção aos dispositivos de energia?

Todos sabemos que a Huawei é muito boa na fabricação de chips, e seus chips Kirin são comparáveis ​​ou até mesmo superiores aos da Qualcomm e da Apple, mas, na verdade, os dispositivos de potência também são uma parte muito importante dos semicondutores. Os dispositivos de potência são o núcleo da conversão de energia e do controle de circuitos em dispositivos eletrônicos. São os componentes principais que realizam funções como tensão, frequência e conversão de corrente contínua (CC) para corrente alternada (CA). Eles incluem principalmente diodos, tiristores, MOSFETs e IGBTs. No entanto, tecnologias como diodos e tiristores são relativamente antigas e foram gradualmente abandonadas pelos principais fabricantes. Especialmente à medida que os dispositivos semicondutores de potência evoluem gradualmente para alta tensão e alta frequência, os dispositivos semicondutores de potência tradicionais à base de silício e seus materiais estão se aproximando dos limites físicos. Além disso, os semicondutores compostos de segunda geração não são adequados em termos de custo e toxicidade. Os principais fabricantes internacionais têm concentrado o futuro da indústria em semicondutores compostos de terceira geração. Pode-se afirmar que a terceira geração de semicondutores é a direção de desenvolvimento dos dispositivos de potência no futuro. As duas sessões nacionais acabaram de ser concluídas e os semicondutores de terceira geração (GaN e SiC) voltaram a ser um dos temas principais. Durante as duas sessões, Wang Wenyin, membro do Comitê Nacional da Conferência Consultiva Política do Povo Chinês, afirmou em entrevista que, à medida que o alcance da indústria de semicondutores de terceira geração se estende a áreas-chave como estações base 5G, UHV (Ultra Alto Tensão), transporte ferroviário interurbano de alta velocidade e pontos de recarga de novas energias, o desenvolvimento da indústria de semicondutores do meu país atingiu seu ápice. Segundo a previsão da TrendForce Consulting, a receita de dispositivos de comunicação e energia em GaN em 2021 será de US$ 680 milhões e US$ 61 milhões, respectivamente, um aumento anual de 30.8% e 90.6%; para dispositivos de SiC, estima-se que a receita no setor de energia atingirá US$ 680 milhões em 2021, um aumento anual de 32%. A China é o maior consumidor mundial de dispositivos de energia. A taxa geral de autossuficiência em dispositivos de energia doméstica é inferior a 10%. Existe um enorme potencial para substituição por produtos nacionais, especialmente em dispositivos de alta gama. Vamos ver o quão quente é o GaN? Segundo relatos da mídia taiwanesa em fevereiro deste ano, a TSMC adquiriu 16 equipamentos relacionados ao GaN, mais que o dobro das 6 unidades existentes na fábrica de seis polegadas. Isso equivale a um aumento na capacidade de produção para mais de 10,000 peças, o que demonstra a grande demanda por encomendas dos clientes. A Nanosemiconductor, fornecedora de GaN e também importante cliente da TSMC, anunciou recentemente que seus embarques estabeleceram um novo recorde e que entregou com sucesso mais de 13 milhões de circuitos integrados de potência GaN ao mercado, alcançando zero falhas de produto. Isso reflete o fato de que o mercado global de eletrônicos de consumo móveis está acelerando a adoção de chips de GaN para permitir o carregamento rápido de dispositivos móveis e equipamentos relacionados. Em fevereiro de 2020, na conferência de lançamento do Xiaomi 10, o chip de potência de nitreto de gálio GaNFast da Nanomicro foi usado pela primeira vez no carregador de nitreto de gálio de 65 W da Xiaomi, e o GaN começou a chamar a atenção das pessoas. O Xiaomi Mi 11 está prestes a ser lançado no mercado com uma nova versão de carregamento rápido GaN de 55W. Este carregador virá incluído com os smartphones Xiaomi Mi 11 quando forem lançados no exterior. Segundo Gene Sheridan, CEO e cofundador da Navitas, a versão internacional do carregador padrão de 55W Nano GaNFast de nitreto de gálio do Xiaomi Mi 11 possui um conector CA de 2 pinos padrão europeu, o que indica que os principais fabricantes de smartphones de primeira linha começaram a adotar a tecnologia de nitreto de gálio e também que a indústria começou a eliminar gradualmente os antigos chips de silício de baixa velocidade.

Adquira tanto o IGBT quanto o SiC.

Em relação aos IGBTs e ao SiC, sempre houve uma preocupação latente na indústria. À medida que os IGBTs se aproximam gradualmente do limite de desempenho do silício, o SiC, um semicondutor de terceira geração, é visto como um novo concorrente para os IGBTs em futuros veículos elétricos. No entanto, segundo análises de especialistas do setor, "o SiC é como um adolescente inteligente e determinado, com vantagens e desvantagens igualmente notáveis. O IGBT é mais como um jovem estável e maduro, capaz de suportar o peso dos dispositivos de potência". Portanto, considerando a diferente divisão de tarefas entre os dois, a abordagem dupla da Huawei, que combina IGBT e SiC, também se mostra uma escolha acertada. O primeiro dispositivo de potência que a Huawei supostamente fabricaria seria o IGBT. O IGBT é o componente central para conversão e transmissão de energia, comumente conhecido como a "CPU" dos dispositivos eletrônicos de potência. Como empresa líder em sistemas de alimentação ininterrupta (UPS), a Huawei detém a maior participação de mercado em data centers globais, sendo o IGBT o componente principal dos sistemas de alimentação ininterrupta da Huawei. Além disso, como uma indústria emergente estratégica nacional, o IGBT é amplamente utilizado em transporte ferroviário, redes inteligentes, aeroespacial, veículos elétricos e equipamentos de novas energias, entre outros campos. Com o desenvolvimento de veículos de novas energias, transporte ferroviário e redes inteligentes, a demanda por IGBTs tem experimentado um crescimento substancial. Os dispositivos de potência são um dos principais componentes eletrônicos no sistema de controle eletrônico de veículos de novas energias. O valor dos dispositivos de potência em veículos de novas energias é mais de cinco vezes maior do que em veículos a combustão tradicionais. Em particular, o IGBT representa cerca de 37% do custo do sistema de controle eletrônico de veículos de novas energias. Além do IGBT, sabe-se que a Huawei também está desenvolvendo SiC. Nos últimos dois anos, devido às características únicas e excelentes do SiC, as montadoras de automóveis começaram a introduzir dispositivos de SiC em seus veículos. Todos conhecem a atuação da Huawei no setor automotivo. A Huawei não fabrica carros, mas se concentra em tecnologia da informação e comunicação (TIC) para ajudar as montadoras a construir bons carros. A Huawei está comprometida em se tornar uma fornecedora de componentes adicionais para veículos inteligentes e conectados. A pesquisa e o desenvolvimento de IGBT e SiC também são uma direção para a Huawei se tornar uma fornecedora de autopeças. Por enquanto, os dispositivos semicondutores de potência para o setor automotivo ainda são dominados por IGBTs baseados em silício, enquanto os MOSFETs baseados em SiC representam o futuro devido ao seu desempenho superior. No entanto, o principal obstáculo à sua popularização atual é o alto custo. Contudo, à medida que as baterias dos veículos se tornam cada vez maiores e a potência máxima/torque de pico dos motores aumenta, as vantagens dos MOSFETs baseados em SiC se tornam cada vez mais significativas. Os dispositivos de potência em SiC também estão se integrando cada vez mais ao mercado de carregadores veiculares. Muitos fabricantes já lançaram dispositivos de potência em SiC para carregadores de veículos elétricos, como HEV/EV. Segundo dados da Yole, esse mercado pode manter uma taxa de crescimento de 44% até 2023.    

A evolução a longo prazo do SiC de potência (Fonte: Yole)Na área de investimentos, a Hubble Technology Investment Co., Ltd., subsidiária da Huawei, investiu no ano passado na Shandong Tianyue Advanced Materials Technology Co., Ltd., empresa líder na China em semicondutores de terceira geração à base de carbeto de silício, detendo uma participação de 10%. Em julho de 2020, a Huawei também investiu na Dongwei Semiconductor, que possui principalmente três séries de produtos: a série GreenMOS de alta tensão, a série SGTMOS de média e baixa tensão e a série IGBT, amplamente utilizadas em carregadores rápidos, estações de carregamento, fontes de alimentação chaveadas, acionadores de motores CC e inversores fotovoltaicos.    

Planejamento para GaN

De acordo com as previsões da Yole, o GaN será usado principalmente em eletrônicos de consumo, eletrônicos automotivos, instalações de tecnologia de telecomunicações, etc. No campo do nitreto de gálio, a principal tendência na integração de dispositivos GaN são as soluções System-in-Package (SI) ou System-on-Chip (SOC). De fato, os dispositivos de potência GaN são vendidos principalmente para o mercado de eletrônicos. Para o mercado de consumo, essa é uma tendência tecnológica óbvia. O exemplo mais típico é o carregamento rápido. O produto de carregamento rápido inclui principalmente dois componentes principais: um chip CI de gerenciamento de energia e um dispositivo discreto de potência. Os requisitos para carregamento rápido são alta densidade de potência e eficiência. Portanto, as empresas precisam compactar bastante o sistema e reduzir o custo por unidade de potência nesse formato.    

Figura 2: Mercado de GaN de potência (Fonte: Yole)  
À medida que a tecnologia GaN amadurece, ela permite que componentes simplificados alcancem melhor tamanho, peso, etc. por meio de um design inteligente. Além disso, em comparação com componentes comuns à base de silício, os componentes de GaN comutam 10 vezes mais rápido e podem operar em temperaturas mais altas. Portanto, a aplicação de GaN no campo do carregamento rápido USB PD tem sido muito comum. Em 8 de abril de 2020, durante o lançamento dos novos produtos da primavera de 2020 da Huawei, a empresa apresentou um único carregador: um carregador de porta dupla de 65 W com tecnologia GaN (nitreto de gálio). Naquela época, havia rumores de que a Huawei estava desenvolvendo o sistema por conta própria, mas a situação real ainda precisa ser investigada. No entanto, pessoas familiarizadas com a cadeia de suprimentos da Huawei apontaram que a empresa tem uma forte presença no setor de GaN. Atualmente, existem muitos fabricantes no mercado que utilizam a tecnologia de carregamento rápido GaN, como a Power Integration, Inc., a Navitas e a Innoscience, os três principais fornecedores. Além da Huawei HiSilicon, muitas empresas nacionais, incluindo Haite High-tech, Hailu Heavy Industry, Suzhou Jingzhan, Jiangsu Huagong, Chongqing China Resources Micro e Hangzhou Silan Micro, têm implementado ativamente semicondutores de terceira geração. Prevê-se que, com o aumento da procura por portabilidade por parte dos utilizadores, o mercado global de carregamento rápido GaN deverá atingir mais de 60 mil milhões de yuans em 2025, acelerando simultaneamente a substituição de produtos baseados em silício por chips GaN noutros campos emergentes. Além do carregamento rápido no campo da eletrônica de consumo, os dispositivos discretos baseados em GaN também são mais adequados para aplicações de alta potência, como data centers ou fontes de alimentação para estações base. Em junho de 2020, a Huawei anunciou que iria estabelecer uma base de pesquisa e desenvolvimento e de fabricação de optoeletrônica no Reino Unido. A primeira fase do projeto se concentrará na pesquisa e desenvolvimento e na fabricação de dispositivos ópticos e módulos ópticos. Ao integrar as funções de P&D e de produção, podemos acelerar os processos de desenvolvimento e comercialização de produtos e lançá-los no mercado com mais eficiência. A tecnologia optoeletrônica é fundamental para os sistemas de comunicação por fibra óptica, e o grande investimento da Huawei no Reino Unido visa promover a aplicação de tecnologias relacionadas em centros de dados e infraestrutura de rede globais. No campo da optoeletrônica, o baixo consumo de energia e a alta eficiência luminosa do GaN são vantagens para LEDs e lasers ultravioleta. Diodos emissores de luz ultravioleta profunda (LEDs) baseados em semicondutores de GaN são a principal direção de desenvolvimento de fontes de luz ultravioleta para desinfecção. Suas fontes de luz são de tamanho reduzido, alta eficiência e longa vida útil. Um módulo de chip do tamanho da tampa de um polegar pode emitir luz ultravioleta mais forte do que uma lâmpada de mercúrio. No campo da radiofrequência GaN, a Huawei já utiliza amplificadores de potência de nitreto de gálio em suas estações base 4G LTE há alguns anos. Then, with the advent of 5G, GaN has more and more potential because at high frequencies, the power density of GaN is still excellent compared to LDMOS, and the power-added efficiency also increases. De acordo com a previsão de dados da Yole (Figura 2), a adoção de GaN em centros de dados está crescendo lentamente. Ezgi Dogmus, analista de tecnologia e mercado da Yole, afirmou que isso se deve à falta de regulamentação. Se o governo reforçar a supervisão rigorosa dos centros de dados para reduzir o consumo de energia, a taxa de penetração do GaN nesses centros será maior. Com o aumento das exigências de alta eficiência, o nitreto de gálio desempenha um papel importante em relação ao silício, que ainda atende aos requisitos atuais. No setor automotivo, com o uso crescente de componentes em carros, o papel do GaN está se tornando cada vez mais importante. Em 11 de agosto de 2020, durante o 12º Fórum Automotivo Blue Book, Wang Jun, presidente da Unidade de Negócios de Soluções para Carros Inteligentes da Huawei, revelou que a Huawei está atualmente desenvolvendo a tecnologia lidar. Os avanços nos transistores de GaN provaram ser essenciais para o desenvolvimento de sistemas lidar de alta precisão. Os sistemas LiDAR emitem pulsos de luz a partir de lasers de emissão de superfície de cavidade vertical (VCSELs), que requerem controle elétrico de alta potência e são muito rápidos, com tempos de subida e descida curtos. Essa é uma das razões pelas quais o nitreto de gálio beneficia os sistemas lidar. Os comutadores de nitreto de gálio são muito mais rápidos que os FETs de silício, permitindo pulsos de curta duração com altas correntes. Essa propriedade é crucial para o lidar, pois pulsos mais curtos permitem maior resolução, e pulsos de alta corrente permitem que os sistemas lidar enxerguem mais longe.

Situação geral dos semicondutores de potência nacionais

Finalmente, vamos analisar sistematicamente a situação da cadeia industrial de semicondutores de potência nacionais, principalmente IGBT, SiC e GaN. Primeiramente, vamos examinar toda a cadeia industrial de IGBT. Os IGBTs nacionais já estão basicamente implementados em toda a cadeia industrial, como projeto de chips, fabricação de wafers e encapsulamento de módulos, mas ainda estão em estágio inicial. Em particular, a fabricação de wafers, o adelgaçamento do backplane e os processos de encapsulamento representam as principais dificuldades na tecnologia de fabricação de IGBT, havendo uma grande lacuna em relação aos países estrangeiros nesse aspecto.

Organizando toda a cadeia produtiva nacional de IGBTs (Tabela: Observações da Indústria de Semicondutores)  
Em todo o campo do SiC, em termos de substrato e epitaxia, a China ainda domina os produtos de 4 polegadas, e os produtos de 6 polegadas foram desenvolvidos e fornecidos em pequenos lotes. De modo geral, em comparação com outros países, existem lacunas em todos os elos da cadeia de valor da indústria nacional de carbeto de silício, e a diferença geral de nível pode ser de cerca de 5 anos. Em comparação com o nível mais avançado estrangeiro, os diodos de SiC nacionais estão cerca de uma geração atrás, cerca de 2 a 3 anos atrasados. A diferença não é particularmente grande e é perfeitamente possível alcançar o nível dos países mais avançados em um futuro próximo. Mas isso requer esforços simultâneos de todos os elos da cadeia de valor nacional para que haja progresso.

Organizando toda a cadeia produtiva nacional de SiC (Tabela: Observação da Indústria de Semicondutores)De acordo com o relatório "Previsão Global do Mercado de Dispositivos Semicondutores de Nitreto de Gálio para 2023", divulgado pela RESEARCH AND MARKETS, o mercado de dispositivos de nitreto de gálio deverá crescer de US$ 16.5 bilhões em 2016 para US$ 22.47 bilhões em 2023, com uma taxa de crescimento anual composta de 4.51%. A cadeia produtiva do GaN inclui materiais a montante (substrato e epitaxia), dispositivos e módulos intermediários e sistemas e aplicações a jusante. Impulsionado pela expansão gradual do mercado doméstico de GaN, um grande número de fabricantes começou a surgir em todos os elos da cadeia produtiva, desde os materiais a montante até os intermediários e a jusante.  
 

Organizando toda a cadeia produtiva nacional de GaN (Tabela: Observações da Indústria de Semicondutores)     

Conclusão

De modo geral, no contexto internacional atual, os negócios da Huawei no exterior têm sido prejudicados, e o setor automotivo emergente tornou-se um ponto de virada para a Huawei em sua busca por crescimento, sendo cada vez mais importante em seu segmento de negócios. A entrada no mercado de dispositivos de potência, sejam IGBTs, SiCs ou GaNs, é fundamental para consolidar sua posição como fornecedora de peças automotivas. Assim, com base nas características superiores desses dispositivos, a Huawei poderá desenvolver equipamentos próprios, como fontes de alimentação para estações base, carregadores rápidos, pesquisa e desenvolvimento em optoeletrônica e outras aplicações.    

Atualmente, no campo dos dispositivos semicondutores de potência de terceira geração, estamos em uma posição favorável em termos do nível de desenvolvimento das tecnologias nacionais e estrangeiras e da atenção que o país recebe. A maioria dos especialistas nacionais também demonstra uma atitude positiva em relação ao desenvolvimento dos semicondutores de terceira geração no país. Os materiais semicondutores de terceira geração podem representar uma excelente oportunidade para superarmos a situação de dependência dos circuitos integrados e alcançarmos e ultrapassarmos a tecnologia de chips. Uma empresa competente como a Huawei deve assumir a liderança e impulsionar o crescimento dos semicondutores nacionais!

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