Недавно, по словам источников, знакомых с ситуацией, Huawei набирает сотрудников в отдел исследований и разработок силовых устройств, включая такие распространенные типы, как IGBT, MOSFET, SiC и GaN. Сообщается, что в настоящее время в команде работают сотни человек. Не секрет, что Huawei разрабатывает собственные силовые устройства. Так какую же масштабную игру ведет Huawei в исследованиях и разработках этих устройств? (Текст воспроизведен из публичного аккаунта [Semiconductor Industry Observation] ID: icbank Автор: Du Qin DQ)

 

Почему следует обращать внимание на электроприборы?

Всем известно, что Huawei очень хорошо производит чипы, и её чипы Kirin сопоставимы или даже превосходят чипы Qualcomm и Apple, но на самом деле силовые устройства также являются очень важной частью полупроводниковой промышленности. Силовые приборы являются основой преобразования энергии и управления цепями в электронных устройствах. Это основные компоненты, обеспечивающие такие функции, как регулирование напряжения, частоты и преобразование постоянного тока в переменный. В основном к ним относятся диоды, тиристоры, MOSFET-транзисторы и IGBT-транзисторы. Однако такие технологии, как диоды и тиристоры, относительно устарели и постепенно были заброшены крупными производителями. В частности, по мере постепенного развития силовых полупроводниковых приборов в направлении высоких напряжений и высоких частот, традиционные силовые полупроводниковые приборы на основе кремния и используемые в них материалы приближаются к физическим пределам. Кроме того, полупроводники второго поколения не подходят с точки зрения стоимости и токсичности. Крупнейшие международные производители сосредоточили свое будущее в отрасли на полупроводниках третьего поколения. Можно сказать, что третье поколение полупроводников — это направление развития силовых устройств в будущем. Недавно завершились две национальные сессии, и полупроводники третьего поколения (GaN и SiC) вновь стали одним из ключевых слов этих двух сессий. В ходе двух сессий Ван Вэньинь, член Национального комитета Всекитайского собрания народных представителей, заявил в интервью, что по мере распространения полупроводниковой промышленности третьего поколения на ключевые области, такие как базовые станции 5G, сверхвысоковольтные сети, междугородние высокоскоростные железнодорожные перевозки и зарядные станции для новых источников энергии, развитие полупроводниковой промышленности моей страны достигло зрелости. Согласно прогнозу консалтинговой компании TrendForce, выручка от продаж коммуникационных и силовых устройств на основе нитрида галлия (GaN) в 2021 году составит 680 миллионов долларов США и 61 миллион долларов США соответственно, что на 30.8% и 90.6% больше, чем годом ранее; что касается устройств на основе карбида кремния (SiC), то, по оценкам, выручка от продаж SiC-устройств в энергетическом секторе достигнет 680 миллионов долларов США в 2021 году, что на 32% больше, чем годом ранее. Китай является крупнейшим в мире потребителем электроприборов. Общий показатель самообеспеченности бытовых электроприборов составляет менее 10%. Существует огромный потенциал для замены отечественных устройств, особенно в сегменте высококачественной техники. Давайте посмотрим, насколько сильно нагревается GaN? Согласно сообщениям тайваньских СМИ в феврале этого года, компания TSMC приобрела 16 единиц оборудования, связанного с GaN, что более чем вдвое превышает количество единиц, имеющихся на существующем заводе по производству шестидюймовых плат (6 единиц). Это эквивалентно увеличению производственной мощности до более чем 10 000 единиц, что свидетельствует о высоком спросе на заказы клиентов. Компания Nanosemiconductor, поставщик GaN-технологий и крупный клиент TSMC, недавно объявила о том, что ее поставки установили новый рекорд, и на рынок было успешно поставлено более 13 миллионов GaN-микросхем питания, при этом ни одна микросхема не вышла из строя. Это свидетельствует о том, что мировой рынок мобильной потребительской электроники ускоряет внедрение чипов на основе нитрида галлия (GaN) для обеспечения быстрой зарядки мобильных устройств и сопутствующего оборудования. В феврале 2020 года на презентации Xiaomi 10 в зарядном устройстве Xiaomi мощностью 65 Вт на основе нитрида галлия был впервые использован чип GaNFast от Nanomicro, и GaN начал привлекать внимание общественности. Теперь Xiaomi Mi 11 готовится к выходу на рынок с новой версией быстрой зарядки GaN мощностью 55 Вт. Это зарядное устройство будет входить в комплект поставки смартфонов Xiaomi Mi 11 при их выходе на зарубежные рынки. По словам Джина Шеридана, генерального директора и соучредителя Navitas, зарубежная версия стандартного зарядного устройства Xiaomi Mi 11 мощностью 55 Вт Nano GaNFast на основе нитрида галлия имеет европейский стандартный 2-контактный разъем переменного тока, что свидетельствует о начале внедрения технологии нитрида галлия ведущими производителями смартфонов, а также о начале поэтапного отказа от устаревших низкоскоростных кремниевых чипов.

Приобретайте как IGBT, так и SiC.

Что касается IGBT и SiC, то в отрасли всегда существовала скрытая обеспокоенность. Поскольку IGBT постепенно приближаются к пределу производительности кремниевых материалов, полупроводниковый материал третьего поколения SiC рассматривается как новый конкурент IGBT в будущих электромобилях. Однако, по мнению экспертов отрасли, «SiC подобен умному и целеустремленному подростку с выдающимися преимуществами и столь же выдающимися недостатками. IGBT же больше похож на уравновешенного и зрелого молодого человека, способного нести бремя силовых устройств». Поэтому, учитывая различное разделение труда между ними, двойной подход Huawei к IGBT и SiC также является мудрым выбором. Первым силовым устройством, которое, по слухам, планировала производить Huawei, был IGBT. IGBT — это ключевой компонент для преобразования и передачи энергии, обычно известный как «процессор» силовых электронных устройств. Будучи ведущей компанией в области источников бесперебойного питания (ИБП), Huawei занимает первое место по доле рынка в глобальных центрах обработки данных, поэтому IGBT является ключевым компонентом источников бесперебойного питания Huawei. Кроме того, как национальная стратегически важная развивающаяся отрасль, IGBT широко используется в железнодорожном транспорте, интеллектуальных энергосетях, аэрокосмической отрасли, электромобилях, оборудовании для возобновляемой энергетики и других областях. С развитием возобновляемых источников энергии, железнодорожного транспорта и интеллектуальных энергосетей спрос на IGBT значительно вырос. Силовые устройства являются одними из основных электронных компонентов в электронных системах управления транспортных средств на возобновляемых источниках энергии. Стоимость силовых устройств в таких транспортных средствах более чем в пять раз превышает стоимость устройств в традиционных автомобилях с двигателями внутреннего сгорания. В частности, на IGBT приходится около 37% стоимости электронных систем управления транспортных средств на возобновляемых источниках энергии. Помимо IGBT, известно, что Huawei также разрабатывает SiC. За последние два года, благодаря уникальным и превосходным характеристикам SiC, автопроизводители начали последовательно внедрять устройства на основе SiC. Всем известна стратегия Huawei в автомобильной отрасли. Huawei не занимается производством автомобилей, а фокусируется на ИКТ-технологиях, помогая автомобильным компаниям создавать качественные автомобили. Huawei стремится стать поставщиком компонентов для интеллектуальных подключенных транспортных средств. Исследования и разработки IGBT и SiC также являются направлением для Huawei в стремлении стать поставщиком автомобильных комплектующих. Однако на данный момент в автомобильной силовой полупроводниковой технике по-прежнему доминируют кремниевые IGBT-транзисторы, в то время как кремниевые MOSFET-транзисторы представляют собой будущее, поскольку они обладают более высокими характеристиками, но самым большим препятствием для их продвижения является высокая стоимость. Тем не менее, по мере увеличения размеров автомобильных аккумуляторных батарей и повышения максимальной мощности/пикового крутящего момента двигателей, преимущества кремниевых MOSFET-транзисторов становятся все более значительными. Кремниевые силовые устройства также все активнее интегрируются в область автомобильных зарядных устройств. Многие производители выпустили кремниевые силовые устройства для зарядных устройств электромобилей, таких как HEV/EV. Согласно статистике Yole, этот рынок может поддерживать темпы роста в 44% до 2023 года.    

Долгосрочная эволюция силовых SiC (Источник: Yole)В сфере инвестиций компания Hubble Technology Investment Co., Ltd., дочернее предприятие Huawei, в прошлом году инвестировала в Shandong Tianyue Advanced Materials Technology Co., Ltd., ведущего в стране производителя полупроводниковых материалов третьего поколения на основе карбида кремния, получив 10% акций. В июле 2020 года Huawei также инвестировала в Dongwei Semiconductor, которая выпускает три основные серии продукции: высоковольтные GreenMOS-транзисторы, средне- и низковольтные SGTMOS-транзисторы и IGBT-транзисторы, широко используемые в быстрых зарядных устройствах, зарядных станциях, импульсных источниках питания, приводах двигателей постоянного тока и фотоэлектрических инверторах.    

Планирование для GaN

Согласно прогнозу Yole, нитрид галлия (GaN) будет в основном использоваться в бытовой электронике, автомобильной электронике, телекоммуникационной технике и т. д. В области нитрида галлия основной тенденцией в интеграции GaN-устройств являются решения типа «система в корпусе» или «система на кристалле». Фактически, силовые GaN-устройства в основном продаются на рынке электроники. Для потребительского рынка это очевидная технологическая тенденция. Наиболее типичной является быстрая зарядка. Устройство быстрой зарядки в основном включает два основных компонента: микросхему управления питанием и дискретный силовой компонент. Требования к быстрой зарядке — это плотность мощности и эффективность. Поэтому компаниям необходимо действительно уменьшить размеры системы и снизить цену за единицу мощности в этом форм-факторе.    

Рисунок 2: Рынок силовых GaN-транзисторов (Источник: Yole)  
По мере развития технологии GaN, она позволяет создавать компоненты с улучшенными габаритами, весом и т.д. благодаря продуманному дизайну. Кроме того, по сравнению с обычными кремниевыми компонентами, компоненты на основе нитрида галлия (GaN) переключаются в 10 раз быстрее и могут работать при более высоких температурах. Поэтому применение нитрида галлия (GaN) в области быстрой зарядки USB PD стало очень распространенным явлением. 8 апреля 2020 года на презентации весенних новинок Huawei представила единственное зарядное устройство — двухпортовое зарядное устройство на основе нитрида галлия (GaN) мощностью 65 Вт. В то время ходили слухи, что Huawei разрабатывает его самостоятельно, но реальная ситуация еще не была расследована. Однако источники, знакомые с цепочкой поставок Huawei, отметили, что компания занимает прочные позиции в области GaN-технологий. В настоящее время на рынке представлено множество производителей, использующих технологию быстрой зарядки на основе нитрида галлия (GaN), таких как Power Integration, Inc., Navitas и Innoscience — три крупнейших поставщика. Помимо Huawei HiSilicon, многие отечественные компании, включая Haite High-tech, Hailu Heavy Industry, Suzhou Jingzhan, Jiangsu Huagong, Chongqing China Resources Micro и Hangzhou Silan Micro, активно внедряют полупроводники третьего поколения. Ожидается, что по мере роста спроса пользователей на портативность, мировой рынок быстрой зарядки на основе нитрида галлия (GaN) к 2025 году превысит 60 миллиардов юаней, что ускорит замену кремниевых продуктов на чипы GaN в других развивающихся областях. Помимо быстрой зарядки в сфере бытовой электроники, дискретные устройства на основе нитрида галлия (GaN) также лучше подходят для мощных приложений, таких как центры обработки данных или источники питания базовых станций. В июне 2020 года компания Huawei объявила о создании в Великобритании научно-исследовательской и производственной базы по производству оптоэлектронных устройств. Первый этап проекта будет сосредоточен на исследованиях и разработках, а также на производстве оптических устройств и оптических модулей. Интеграция научно-исследовательских и производственных функций позволяет нам ускорить процессы разработки и коммерциализации продукции, а также более эффективно выводить ее на рынок. Оптоэлектронные технологии являются ключевыми технологиями для систем оптоволоконной связи, и крупные инвестиции Huawei в Великобританию направлены на содействие применению соответствующих технологий в глобальных центрах обработки данных и сетевой инфраструктуре. В области оптоэлектроники низкое энергопотребление и высокая световая эффективность GaN помогают в разработке светодиодов и ультрафиолетовых лазеров. Светодиоды глубокого ультрафиолетового излучения (LED) на основе полупроводников GaN являются основным направлением развития источников ультрафиолетового обеззараживания. Их источники света отличаются малыми размерами, высокой эффективностью и длительным сроком службы. Микросхема размером с колпачок большого пальца может излучать ультрафиолетовый свет сильнее, чем ртутная лампа. В области радиочастотных GaN компания Huawei несколько лет назад использовала усилители мощности на основе нитрида галлия в своих базовых станциях 4G LTE. Затем, с появлением 5G, потенциал GaN значительно возрос, поскольку на высоких частотах плотность мощности GaN по-прежнему превосходна по сравнению с LDMOS, а также повышается коэффициент полезного действия. Согласно прогнозу компании Yole (рисунок 2), внедрение GaN в центрах обработки данных растет медленно. Эзги Догмус, аналитик по технологиям и рынкам в компании Yole, заявила, что это происходит из-за отсутствия регулирования. Если правительство усилит строгий контроль за центрами обработки данных для снижения энергопотребления, то доля GaN-технологий в центрах обработки данных возрастет. По мере роста требований к высокой эффективности нитрид галлия играет важную роль по сравнению с кремнием, который по-прежнему отвечает современным требованиям. В автомобильной промышленности, по мере того как в автомобилях используется все больше компонентов, роль нитрида галлия (GaN) становится все более важной. 11 августа 2020 года на 12-м форуме Automotive Blue Book президент подразделения Smart Car Solutions компании Huawei Ван Цзюнь сообщил, что Huawei в настоящее время разрабатывает технологию лидара. Достижения в области транзисторов на основе нитрида галлия (GaN) оказались крайне важными для разработки высокоточных лидарных систем. Системы LiDAR излучают световые импульсы с помощью лазеров с вертикальным резонатором и поверхностным излучением (VCSEL), которые требуют мощного электрического управления и отличаются очень высокой скоростью с коротким временем нарастания и спада. Это одна из причин, почему нитрид галлия полезен в лидарных системах. Нитрид галлия переключается значительно быстрее, чем кремниевые полевые транзисторы, что позволяет получать короткие импульсы при высоких токах. Это свойство имеет решающее значение для лидара, поскольку меньшая длительность импульса позволяет достичь более высокого разрешения, а высокие импульсные токи позволяют лидарным системам видеть дальше.

Общая ситуация на рынке силовых полупроводников в стране.

Наконец, давайте систематически рассмотрим ситуацию в производственной цепочке отечественных силовых полупроводников, в основном IGBT, SiC и GaN. Для начала рассмотрим всю производственную цепочку IGBT. Отечественные IGBT в основном уже интегрированы во всю производственную цепочку, включая проектирование микросхем, производство кремниевых пластин и упаковку модулей, но находятся лишь на предварительной стадии. В частности, производство кремниевых пластин, истончение подложек и процессы упаковки являются основными трудностями в технологии производства IGBT, и в этом отношении существует большой разрыв с зарубежными странами.

Анализ всей производственной цепочки IGBT-транзисторов в стране (Таблица: Наблюдение за полупроводниковой промышленностью)  
В целом, в области карбида кремния (SiC), как в отношении SiC-подложек, так и эпитаксии, Китай по-прежнему доминирует в производстве 4-дюймовых изделий, а 6-дюймовые разрабатываются и поставляются небольшими партиями. В целом, по сравнению с зарубежными странами, в отечественной индустрии карбида кремния существуют разрывы на всех звеньях всей цепочки создания стоимости, и общий разрыв в уровне может составлять около 5 лет. По сравнению с наиболее передовыми зарубежными разработками, отечественные SiC-диоды отстают примерно на одно поколение, на 2-3 года. Разрыв не особенно велик, и в обозримом будущем вполне возможно наверстать упущенное. Но для этого необходимы одновременные усилия всех участников отечественной цепочки создания стоимости.

Анализ всей цепочки поставок в отечественной кремнийкарбидной промышленности (Таблица: Наблюдение за полупроводниковой промышленностью)Согласно прогнозу рынка полупроводниковых приборов на основе нитрида галлия на 2023 год, опубликованному компанией RESEARCH AND MARKETS, ожидается, что рынок приборов на основе нитрида галлия вырастет с 16.5 млрд долларов США в 2016 году до 22.47 млрд долларов США в 2023 году, при среднегодовом темпе роста в 4.51%. Цепочка поставок GaN включает в себя исходные материалы (подложка и эпитаксия), устройства и модули среднего уровня, а также системы и приложения нижнего уровня. Благодаря постепенному расширению внутреннего рынка GaN, на всех звеньях цепочки поставок – от исходных материалов до средних и конечных – начало появляться большое количество производителей.  
 

Анализ всей цепочки поставок в отечественной индустрии GaN (Таблица: Обзор полупроводниковой промышленности)     

Заключение

В целом, в нынешней международной ситуации зарубежный бизнес Huawei испытывает трудности, и развивающийся автомобильный бизнес стал для компании прорывным направлением в стремлении к росту, приобретая все большее значение в бизнес-секторе Huawei. Выход на рынок силовых устройств, будь то IGBT, SiC или GaN, является важным элементом для формирования имиджа компании как поставщика автомобильных комплектующих. Затем, благодаря превосходным характеристикам этих силовых устройств, они могут использоваться для питания собственного оборудования, такого как базовые станции, системы быстрой зарядки, оптоэлектронные исследования и разработки и другие приложения.    

В настоящее время в области полупроводниковых силовых устройств третьего поколения мы занимаем хорошие позиции с точки зрения уровня развития отечественных и зарубежных технологий, а также внимания со стороны страны. Большинство отечественных экспертов также положительно относятся к развитию полупроводников третьего поколения в нашей стране. Полупроводниковые материалы третьего поколения могут стать хорошей возможностью для нас избавиться от пассивного состояния интегральных схем и добиться догоняющего развития и превосходства в технологиях производства чипов. Такая компетентная компания, как Huawei, должна взять на себя ведущую роль и возглавить развитие отечественной полупроводниковой отрасли!

Предупреждение: Данная статья воспроизведена из материалов «Альянса исследований и разработок в области энергетики», который поддерживает защиту прав интеллектуальной собственности. Пожалуйста, укажите первоисточник и автора перепечатки. В случае обнаружения каких-либо нарушений, пожалуйста, свяжитесь с нами для удаления публикации.

Номер телефона компании: +86-0755-83044319
Факс: +86-0755-83975897
Почта: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Менеджер Ли

QQ: 332496225 Менеджер Цю

Адрес: Комната 809, корпус C, технологический корпус Чжаньтао, проспект Миньчжи, 1079, новый район Лунхуа, Шэньчжэнь.