Gần đây, theo nguồn tin thân cận, Huawei đang tuyển dụng nhân sự cho bộ phận nghiên cứu và phát triển linh kiện điện tử công suất của công ty, bao gồm các linh kiện chủ lực như IGBT, MOSFET, SiC và GaN. Được biết, hiện tại đội ngũ này có hàng trăm người. Việc Huawei tự phát triển các linh kiện điện tử công suất của riêng mình là điều không phải bí mật. Vậy Huawei đang thực hiện chiến lược lớn nào trong việc nghiên cứu và phát triển các linh kiện điện tử công suất này? (Nội dung được sao chép từ tài khoản công khai [Quan sát ngành công nghiệp bán dẫn] ID: icbank Tác giả: Du Qin DQ)

 

Tại sao cần chú ý đến các thiết bị điện?

Chúng ta đều biết rằng Huawei rất giỏi trong việc sản xuất chip, và chip Kirin của hãng có thể so sánh hoặc thậm chí vượt trội so với Qualcomm và Apple, nhưng trên thực tế, các thiết bị nguồn cũng là một phần rất quan trọng của ngành bán dẫn. Các thiết bị điện tử công suất là cốt lõi của quá trình chuyển đổi năng lượng và điều khiển mạch trong các thiết bị điện tử. Chúng là các thành phần cốt lõi thực hiện các chức năng như điện áp, tần số và chuyển đổi dòng điện một chiều sang dòng điện xoay chiều. Chúng chủ yếu bao gồm điốt, thyristor, MOSFET và IGBT. Tuy nhiên, các công nghệ như điốt và thyristor tương đối cũ và đã dần bị các nhà sản xuất lớn loại bỏ. Đặc biệt khi các thiết bị bán dẫn công suất dần phát triển theo hướng điện áp và tần số cao, các thiết bị bán dẫn công suất dựa trên silicon truyền thống và vật liệu của chúng đang tiến gần đến giới hạn vật lý. Ngoài ra, các chất bán dẫn phức hợp thế hệ thứ hai không phù hợp về mặt chi phí và độc tính. Các nhà sản xuất quốc tế lớn đang tập trung vào tương lai của ngành công nghiệp này vào các chất bán dẫn phức hợp thế hệ thứ ba. Có thể nói rằng thế hệ bán dẫn thứ ba là hướng phát triển của các thiết bị điện trong tương lai. Kỳ họp Lưỡng hội Quốc gia vừa kết thúc gần đây, và chất bán dẫn thế hệ thứ ba (GaN và SiC) một lần nữa trở thành một trong những chủ đề trọng tâm của kỳ họp này. Trong hai phiên họp, ông Wang Wenyin, một thành viên của Ủy ban Toàn quốc Hội nghị Hiệp thương Chính trị Nhân dân Trung Quốc, cho biết trong một cuộc phỏng vấn rằng khi phạm vi của ngành công nghiệp bán dẫn thế hệ thứ ba mở rộng đến các lĩnh vực trọng điểm như trạm gốc 5G, UHV, vận tải đường sắt cao tốc liên tỉnh và các trạm sạc năng lượng mới, sự phát triển của ngành công nghiệp bán dẫn nước ta đã đến. Theo dự báo của TrendForce Consulting, doanh thu của các thiết bị truyền thông và thiết bị điện GaN năm 2021 sẽ đạt lần lượt 680 triệu USD và 61 triệu USD, tăng 30.8% và 90.6% so với năm trước; đối với các thiết bị SiC, ước tính doanh thu của các thiết bị SiC trong lĩnh vực điện năng sẽ đạt 680 triệu USD vào năm 2021, tăng 32% so với năm trước. Trung Quốc là quốc gia tiêu thụ thiết bị điện lớn nhất thế giới. Tỷ lệ tự cung tự cấp điện cho các thiết bị điện gia dụng nói chung là dưới 10%. Vẫn còn rất nhiều tiềm năng cho việc thay thế sản phẩm nội địa, đặc biệt là ở phân khúc thiết bị cao cấp. Hãy xem GaN nóng đến mức nào? Theo các báo cáo của truyền thông Đài Loan hồi tháng 2 năm nay, TSMC đã mua 16 thiết bị liên quan đến GaN, nhiều hơn gấp đôi so với 6 thiết bị hiện có trong nhà máy sản xuất màn hình 6 inch. Điều này tương đương với việc tăng năng lực sản xuất lên hơn 10,000 sản phẩm, cho thấy nhu cầu đặt hàng của khách hàng lớn đến mức nào. Nhà cung cấp GaN Nanosemiconductor, đồng thời là một khách hàng lớn của TSMC, mới đây đã thông báo rằng các lô hàng của họ đã lập kỷ lục mới và đã cung cấp thành công hơn 13 triệu IC công suất GaN ra thị trường, đạt tỷ lệ không có sản phẩm lỗi nào. Điều này phản ánh rằng thị trường thiết bị điện tử tiêu dùng di động toàn cầu đang đẩy nhanh việc ứng dụng chip GaN để cho phép sạc nhanh các thiết bị di động và các thiết bị liên quan. Vào tháng 2 năm 2020, tại hội nghị ra mắt Xiaomi 10, chip nguồn gallium nitride GaNFast của Nanomicro lần đầu tiên được sử dụng trong bộ sạc gallium nitride 65W của Xiaomi, và GaN bắt đầu thu hút sự chú ý của mọi người. Hiện Xiaomi Mi 11 sắp ra mắt thị trường với phiên bản sạc nhanh GaN 55W mới. Bộ sạc này sẽ được tặng kèm với điện thoại thông minh Xiaomi Mi 11 khi ra mắt ở thị trường nước ngoài. Theo Gene Sheridan, CEO kiêm đồng sáng lập của Navitas, phiên bản quốc tế của bộ sạc gallium nitride Nano GaNFast 55W tiêu chuẩn dành cho Xiaomi Mi 11 sử dụng chuẩn AC 2 chân của châu Âu, điều này đánh dấu việc các nhà sản xuất điện thoại thông minh hàng đầu đã bắt đầu áp dụng công nghệ gallium nitride, đồng thời cũng cho thấy ngành công nghiệp đã bắt đầu loại bỏ dần các chip silicon tốc độ thấp cũ.

Hãy lấy cả IGBT và SiC

Về IGBT và SiC, ngành công nghiệp luôn có một mối lo ngại ngầm. Khi IGBT dần tiến đến giới hạn hiệu năng của vật liệu silicon, vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba SiC được coi là đối thủ mới của IGBT trong các xe điện tương lai. Tuy nhiên, theo phân tích của các chuyên gia trong ngành, "SiC giống như một thiếu niên thông minh và mạnh mẽ với những ưu điểm vượt trội và những nhược điểm cũng không kém phần nổi bật. IGBT giống như một thanh niên trưởng thành và chín chắn hơn, có thể gánh vác trọng trách của các thiết bị điện." Do đó, xét đến sự phân công lao động khác nhau giữa hai loại vật liệu này, cách tiếp cận song song của Huawei đối với IGBT và SiC cũng là một lựa chọn khôn ngoan. Thiết bị điện đầu tiên mà Huawei được đồn đoán là sẽ sản xuất là IGBT. IGBT là thiết bị cốt lõi cho việc chuyển đổi và truyền tải năng lượng, thường được gọi là "CPU" của các thiết bị điện tử công suất. Là một công ty hàng đầu trong lĩnh vực cung cấp điện UPS, Huawei chiếm thị phần lớn nhất trong các trung tâm dữ liệu toàn cầu, vì vậy IGBT là thành phần cốt lõi của hệ thống cung cấp điện UPS của Huawei. Ngoài ra, với tư cách là một ngành công nghiệp chiến lược quốc gia đang nổi lên, IGBT được sử dụng rộng rãi trong vận tải đường sắt, lưới điện thông minh, hàng không vũ trụ, xe điện và thiết bị năng lượng mới cùng nhiều lĩnh vực khác. Với sự phát triển của xe năng lượng mới, vận tải đường sắt và lưới điện thông minh, nhu cầu về IGBT đã tăng trưởng đáng kể. Các thiết bị điện là một trong những thiết bị điện tử cốt lõi trong hệ thống điều khiển điện tử của xe năng lượng mới. Giá trị của các thiết bị điện trong xe năng lượng mới cao hơn gấp năm lần so với xe chạy bằng nhiên liệu truyền thống. Đặc biệt, IGBT chiếm khoảng 37% chi phí của hệ thống điều khiển điện tử của xe năng lượng mới. Bên cạnh IGBT, được biết Huawei cũng đang phát triển SiC. Trong hai năm qua, do đặc tính độc đáo và ưu việt của SiC, các nhà sản xuất ô tô đã liên tiếp bắt đầu đưa các thiết bị SiC vào sử dụng. Ai cũng biết về định hướng của Huawei trong ngành ô tô. Huawei không tự sản xuất ô tô, mà tập trung vào công nghệ ICT để giúp các công ty ô tô chế tạo những chiếc xe tốt. Huawei cam kết trở thành nhà cung cấp linh kiện gia tăng cho các phương tiện kết nối thông minh. Nghiên cứu và phát triển IGBT và SiC cũng là một hướng đi để Huawei trở thành nhà cung cấp phụ tùng ô tô. Nhưng hiện tại, các thiết bị bán dẫn công suất trong ô tô vẫn chủ yếu là IGBT dựa trên silicon, trong khi MOSFET dựa trên SiC đại diện cho tương lai vì chúng có hiệu năng mạnh mẽ hơn, nhưng trở ngại lớn nhất cho việc phổ biến hiện nay là chi phí cao. Tuy nhiên, khi các bộ pin xe điện ngày càng lớn hơn và công suất tối đa/mô-men xoắn cực đại của động cơ ngày càng cao hơn, lợi thế của MOSFET dựa trên SiC ngày càng trở nên quan trọng. Các thiết bị công suất SiC cũng đang đẩy nhanh quá trình tích hợp vào lĩnh vực bộ sạc xe điện. Nhiều nhà sản xuất đã tung ra các thiết bị công suất SiC cho bộ sạc xe điện như HEV/EV. Theo thống kê của Yole, thị trường này có thể duy trì tốc độ tăng trưởng 44% trước năm 2023.    

Sự phát triển lâu dài của SiC công suất cao (Nguồn: Yole)Trong lĩnh vực đầu tư, Công ty TNHH Đầu tư Công nghệ Hubble, một công ty con của Huawei, đã đầu tư vào Công ty TNHH Công nghệ Vật liệu Tiên tiến Sơn Đông Thiên Nguyệt, công ty hàng đầu về vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba silicon carbide của nước ta, vào năm ngoái, nắm giữ 10% cổ phần. Tháng 7 năm 2020, Huawei cũng đầu tư vào Dongwei Semiconductor, công ty chủ yếu có ba dòng sản phẩm: dòng GreenMOS điện áp cao, dòng SGTMOS điện áp trung và thấp, và dòng IGBT, được sử dụng rộng rãi trong bộ sạc nhanh, ứng dụng trạm sạc, nguồn chuyển mạch, bộ điều khiển động cơ DC và biến tần quang điện.    

Lập kế hoạch cho GaN

Theo dự báo của Yole, GaN chủ yếu sẽ được sử dụng trong các thiết bị điện tử tiêu dùng, điện tử ô tô, thiết bị công nghệ viễn thông, v.v. Trong lĩnh vực gallium nitride, xu hướng chính trong tích hợp thiết bị GaN là các giải pháp hệ thống trong gói (system-in-package) hoặc hệ thống trên chip (system-on-chip). Trên thực tế, các thiết bị điện GaN chủ yếu được bán cho thị trường điện tử. Đối với thị trường tiêu dùng, đây là một xu hướng công nghệ rõ ràng. Ví dụ điển hình hơn là sạc nhanh. Sản phẩm đầu sạc nhanh chủ yếu bao gồm hai thành phần cốt lõi, một là chip IC quản lý nguồn và một là thiết bị rời rạc công suất. Yêu cầu đối với sạc nhanh là mật độ công suất và hiệu suất. Vì vậy, các công ty phải thực sự thu nhỏ hệ thống và giảm giá thành trên mỗi đơn vị công suất trong kiểu dáng này.    

Hình 2: Thị trường GaN công suất cao (Nguồn: Yole)  
Khi công nghệ GaN ngày càng hoàn thiện, nó có thể cho phép tối ưu hóa các linh kiện để đạt được kích thước, trọng lượng, v.v. tốt hơn. Thông qua thiết kế thông minh. Ngoài ra, so với các linh kiện silicon thông thường, linh kiện GaN chuyển mạch nhanh hơn gấp 10 lần và có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn. Do đó, việc ứng dụng GaN trong lĩnh vực sạc nhanh USB PD đã trở nên rất phổ biến. Vào ngày 8 tháng 4 năm 2020, tại sự kiện ra mắt sản phẩm mới mùa xuân năm 2020 của Huawei, hãng đã giới thiệu một sản phẩm sạc duy nhất - bộ sạc hai cổng 65W GaN (gallium nitride). Vào thời điểm đó, có tin đồn rằng Huawei đang tự phát triển sản phẩm này, nhưng tình hình thực tế vẫn chưa được điều tra. Tuy nhiên, những người am hiểu chuỗi cung ứng của Huawei chỉ ra rằng Huawei có sự hiện diện sâu rộng trong lĩnh vực GaN. Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều nhà sản xuất đang triển khai công nghệ sạc nhanh GaN, chẳng hạn như Power Integration, Inc., Navitas và Innoscience, ba nhà cung cấp chính. Bên cạnh Huawei HiSilicon, nhiều công ty trong nước, bao gồm Haite High-tech, Hailu Heavy Industry, Suzhou Jingzhan, Jiangsu Huagong, Chongqing China Resources Micro và Hangzhou Silan Micro, cũng đã tích cực triển khai các chất bán dẫn thế hệ thứ ba. Dự kiến, khi nhu cầu về tính di động của người dùng tăng lên, thị trường sạc nhanh GaN toàn cầu sẽ đạt hơn 60 tỷ nhân dân tệ vào năm 2025, đồng thời đẩy nhanh quá trình thay thế các sản phẩm dựa trên silicon bằng chip GaN trong các lĩnh vực mới nổi khác. Ngoài khả năng sạc nhanh trong lĩnh vực điện tử tiêu dùng, các thiết bị rời rạc dựa trên GaN cũng phù hợp hơn cho các ứng dụng công suất cao, chẳng hạn như trung tâm dữ liệu hoặc bộ nguồn trạm gốc. Tháng 6 năm 2020, Huawei thông báo sẽ thành lập một cơ sở nghiên cứu và phát triển cũng như sản xuất thiết bị quang điện tử tại Anh. Giai đoạn đầu tiên của dự án sẽ tập trung vào nghiên cứu và phát triển cũng như sản xuất các thiết bị quang học và mô-đun quang học. Bằng cách tích hợp chức năng nghiên cứu và phát triển với chức năng sản xuất, chúng ta có thể đẩy nhanh quá trình phát triển sản phẩm và thương mại hóa, đồng thời đưa sản phẩm ra thị trường hiệu quả hơn. Công nghệ quang điện tử là công nghệ then chốt cho các hệ thống truyền thông cáp quang, và khoản đầu tư lớn của Huawei tại Anh nhằm mục đích thúc đẩy ứng dụng các công nghệ liên quan trong các trung tâm dữ liệu và cơ sở hạ tầng mạng toàn cầu. Trong lĩnh vực quang điện tử, khả năng tiêu thụ điện năng thấp và hiệu suất phát quang cao của GaN giúp ích cho đèn LED và laser tia cực tím. Điốt phát quang (LED) tia cực tím sâu dựa trên chất bán dẫn GaN là hướng phát triển chủ đạo của các nguồn sáng khử trùng bằng tia cực tím. Các nguồn sáng của chúng có kích thước nhỏ, hiệu suất cao và tuổi thọ dài. Một mô-đun chip có kích thước bằng nắp ngón tay cái có thể phát ra tia cực tím mạnh hơn cả đèn thủy ngân. Trong lĩnh vực GaN tần số vô tuyến, Huawei đã sử dụng bộ khuếch đại công suất gallium nitride trong các trạm gốc 4G LTE của mình cách đây vài năm. Sau đó, với sự ra đời của công nghệ 5G, GaN ngày càng có nhiều tiềm năng hơn vì ở tần số cao, mật độ công suất của GaN vẫn rất tốt so với LDMOS, và hiệu suất tăng công suất cũng được cải thiện. Theo dự báo dữ liệu của Yole (Hình 2), việc ứng dụng GaN trong các trung tâm dữ liệu đang tăng trưởng chậm. Ezgi Dogmus, nhà phân tích công nghệ và thị trường tại Yole, cho biết nguyên nhân là do thiếu quy định. Nếu chính phủ tăng cường giám sát chặt chẽ các trung tâm dữ liệu để giảm mức tiêu thụ điện năng, tỷ lệ ứng dụng GaN trong các trung tâm dữ liệu sẽ cao hơn. Khi yêu cầu về hiệu suất cao ngày càng tăng, gallium nitride đóng vai trò quan trọng hơn so với silicon, vốn vẫn đáp ứng được các yêu cầu hiện tại. Trong lĩnh vực ô tô, khi ngày càng nhiều linh kiện được sử dụng trong xe hơi, vai trò của GaN ngày càng trở nên quan trọng. Vào ngày 11 tháng 8 năm 2020, tại Diễn đàn Sách Xanh Ô tô lần thứ 12, ông Wang Jun, Chủ tịch Bộ phận Giải pháp Xe thông minh của Huawei, tiết lộ rằng Huawei hiện đang phát triển công nghệ lidar. Những tiến bộ trong công nghệ bóng bán dẫn GaN đã chứng minh tầm quan trọng thiết yếu trong việc phát triển các hệ thống lidar có độ chính xác cao. Hệ thống LiDAR phát ra các xung ánh sáng từ laser phát xạ bề mặt khoang thẳng đứng (VCSEL), đòi hỏi điều khiển điện công suất cao và hoạt động rất nhanh với thời gian tăng và giảm ngắn. Đây là một trong những lý do tại sao gallium nitride mang lại lợi ích cho hệ thống lidar. Các transistor FET làm bằng gallium nitride hoạt động nhanh hơn nhiều so với transistor FET làm bằng silicon, cho phép tạo ra xung ngắn ở dòng điện cao. Đặc tính này rất quan trọng đối với lidar vì độ rộng xung ngắn hơn cho phép độ phân giải cao hơn, và dòng điện xung cao cho phép hệ thống lidar quan sát được xa hơn.

Tình hình chung của ngành bán dẫn công suất trong nước

Cuối cùng, chúng ta hãy cùng xem xét một cách có hệ thống tình hình chuỗi công nghiệp của các chất bán dẫn công suất trong nước, chủ yếu là IGBT, SiC và GaN. Trước tiên, hãy xem xét toàn bộ chuỗi công nghiệp IGBT. IGBT trong nước về cơ bản đã được triển khai trong toàn bộ chuỗi công nghiệp như thiết kế chip, sản xuất tấm bán dẫn và đóng gói mô-đun, nhưng mới chỉ ở giai đoạn sơ khai. Đặc biệt, sản xuất tấm bán dẫn, làm mỏng tấm nền và các quy trình đóng gói là những khó khăn chính trong công nghệ sản xuất IGBT, và có một khoảng cách lớn so với các nước ngoài về mặt này.

Phân loại toàn bộ chuỗi cung ứng công nghiệp IGBT trong nước (Bảng thống kê: Quan sát ngành công nghiệp bán dẫn)  
Trong toàn bộ lĩnh vực SiC, xét về chất nền SiC và quá trình epitaxy, Trung Quốc vẫn chủ yếu sản xuất các sản phẩm 4 inch, còn các sản phẩm 6 inch mới chỉ được phát triển và cung cấp với số lượng nhỏ. Nói chung, so với các nước ngoài, ngành công nghiệp silicon carbide trong nước còn tồn tại những khoảng cách ở tất cả các khâu trong chuỗi giá trị, và khoảng cách về trình độ tổng thể có thể lên tới 5 năm. So với trình độ tiên tiến nhất của nước ngoài, diode SiC trong nước đang tụt hậu khoảng một thế hệ, tương đương khoảng 2 đến 3 năm. Khoảng cách này không quá lớn và hoàn toàn có thể bắt kịp trong tương lai gần. Tuy nhiên, điều này đòi hỏi sự nỗ lực đồng thời từ cả khâu đầu và cuối chuỗi giá trị trong nước để đạt được tiến bộ.

Phân tích toàn bộ chuỗi cung ứng công nghiệp SiC trong nước (Bảng thống kê: Quan sát ngành công nghiệp bán dẫn)Theo báo cáo "Dự báo toàn cầu thị trường thiết bị bán dẫn gallium nitride năm 2023" do RESEARCH AND MARKETS công bố, thị trường thiết bị gallium nitride dự kiến ​​sẽ tăng trưởng từ 16.5 tỷ USD năm 2016 lên 22.47 tỷ USD năm 2023, với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm là 4.51%. Chuỗi công nghiệp GaN bao gồm các nguyên liệu đầu nguồn (chất nền và lớp màng mỏng), các thiết bị và mô-đun trung nguồn, và các hệ thống và ứng dụng hạ nguồn. Được thúc đẩy bởi sự mở rộng dần dần của thị trường GaN trong nước, một số lượng lớn các nhà sản xuất đã bắt đầu xuất hiện ở tất cả các khâu từ đầu nguồn, trung nguồn đến hạ nguồn.  
 

Phân tích toàn bộ chuỗi cung ứng công nghiệp GaN trong nước (Bảng thống kê: Quan sát ngành công nghiệp bán dẫn)     

Kết luận

Nhìn chung, trong bối cảnh quốc tế hiện nay, hoạt động kinh doanh ở nước ngoài của Huawei đang gặp nhiều khó khăn, và lĩnh vực kinh doanh ô tô đang nổi lên như một bước đột phá giúp Huawei tìm kiếm sự tăng trưởng, đồng thời ngày càng trở nên quan trọng trong các lĩnh vực kinh doanh của Huawei. Việc thâm nhập vào thị trường thiết bị điện tử công suất, dù là IGBT, SiC hay GaN, là một bước nền tảng để Huawei khẳng định vị thế của mình như một nhà cung cấp linh kiện ô tô. Từ đó, dựa trên những đặc tính vượt trội của các thiết bị điện tử công suất này, họ có thể phục vụ cho các thiết bị của chính mình như nguồn điện cho trạm gốc, sạc nhanh, nghiên cứu và phát triển quang điện tử và các ứng dụng khác.    

Hiện nay, trong lĩnh vực linh kiện bán dẫn công suất thế hệ thứ ba, chúng ta đang ở vị trí tốt về trình độ phát triển công nghệ trong và ngoài nước cũng như sự quan tâm của cả nước. Hầu hết các chuyên gia trong nước cũng có thái độ tích cực đối với sự phát triển của bán dẫn thế hệ thứ ba trong nước. Vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba có thể là cơ hội tốt để chúng ta thoát khỏi tình trạng thụ động của mạch tích hợp và đạt được sự bắt kịp, thậm chí vượt trội về công nghệ chip. Một công ty có năng lực như Huawei nên tiên phong và dẫn dắt sự phát triển của ngành bán dẫn trong nước!

Tuyên bố miễn trừ trách nhiệm: Bài viết này được sao chép từ "Liên minh Nghiên cứu và Phát triển Năng lượng", một tổ chức ủng hộ việc bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ. Vui lòng ghi rõ nguồn gốc và tác giả khi sao chép. Nếu phát hiện bất kỳ sự vi phạm nào, vui lòng liên hệ với chúng tôi để gỡ bỏ.

Số điện thoại công ty: +86-0755-83044319
Số fax: +86-0755-83975897
Email: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Quản lý Li

QQ: 332496225 Quản lý Qiu

Địa chỉ: Phòng 809, Tòa nhà C, Tòa nhà Công nghệ Zhantao, Số 1079 Đại lộ Minzhi, Khu Longhua Mới, Thâm Quyến