近期，汽車芯片市場走勢低迷引起寬禁帶半導體市場震蕩不斷，持續高漲的AI市場成了寬禁帶半導體企業的救命稻草。英飛凌、德州儀器、納微、瑞薩、宜普等領軍企業紛紛調整布局，將砝碼投向AI數據中心。

寬禁帶半導體為AI增效

當前，AI對算力的需求持續高漲，除了不斷提高數據中心中的AI服務器性能，更需要注意的是如何應對逐漸攀升的功耗。據了解，英偉達的H100功耗達到了700W，而之后將推出的B100功耗還會再增加40%，單顆GPU功耗可達1000W以上。有數據顯示，未來數十年內，數據中心的能源消耗將會高速增長。到2050年，數據中心將成為能源消耗大戶，所使用的能源預計將占全球總消耗的14%。

“大型計算基礎設施運行所需的電能日益增加，需要更高功率、更高能效的電力電子設備去支撐。給AI處理器供電最高效的選擇就是氮化鎵和碳化硅等寬禁帶半導體。”深圳基本半導體有限公司總經理和巍巍告訴《中國電子報》記者。

碳化硅和氮化鎵作為寬禁帶半導體的“門面”，具備寬禁帶、高導熱率、高擊穿場強、高飽和電子遷移率的物理特性，能耐高壓、高溫、高頻，滿足高效率、小型化和輕量化的場景要求。隨著技術的不斷升級，寬禁帶半導體的性能被進一步開發，二者已經不再局限于新能源汽車和消費電子市場，而是向AI數據中心領域強勢“破圈”。

據了解，在氮化鎵和碳化硅器件出現之前，電壓轉換都是由IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）和MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）硅基功率器件完成的。碳化硅和氮化鎵更高效，降低了能源轉換中的損耗，因此是滿足AI數據中心日益增長的能源需求的理想選擇。

宜普電源轉換公司首席執行官兼聯合創始人Alex Lidow在接受《中國電子報》專訪時表示：“AI數據中心所消耗的能源逐月增加。為AI 處理器供電，需要將輸入的高電壓轉換為低電壓，中間要經過多個階段，把電壓從大約220伏一直降到0.5伏。碳化硅通常用于高電壓場景。AI處理器供電第一階段的電壓轉換，即從220伏到48伏，既用到了碳化硅器件，也用到了氮化鎵器件。之后，將電壓從48伏降至0.5伏這個階段，則完全可以由氮化鎵完成。”

碳化硅、氮化鎵各有千秋

在AI數據中心領域，碳化硅和氮化鎵都有自己的“舒適區”和降功耗的手段。

碳化硅具有極小的反向恢復損耗，可以有效降低能耗，因此主要應用在AI服務器電源的PFC（功率因數校正）中，現在多數企業都在采用碳化硅二極管替代硅二極管，碳化硅MODFET替代硅MOSFET。而氮化鎵主要得益于其柵極電容和輸出電容對比硅更小，導通電阻較低，反向恢復電荷很小，因此開關損耗和導通損耗較低。所以氮化鎵主要應用在服務器電源的PFC和高壓DC/DC（直流轉直流電源）部分，用氮化鎵MOSFET替代硅MOSFET。

半導體行業專家張先揚向《中國電子報》記者介紹道：“根據不同的應用場景選用不同的方案，在AC/DC（交流轉直流電源）部分，當工作頻率高于200KHz，或者對輕載至半載效率有要求，則優先選用氮化鎵；如果環境干擾比較大，則選擇碳化硅更加合適。在DC/DC部分，在12~48V工作電壓環境下，優先選用氮化鎵，而在高壓環境下，則選擇碳化硅更合適。”

特別是在服務器電源的PFC中，碳化硅MOSFET具有的高頻特性，可以起到高效率、低功耗的效果，提升服務器電源的功率密度和效率，縮小數據中心的體積，降低數據中心的建設成本，同時實現更高的環保效率。

據悉，如果全球數據中心的電源和散熱系統均采用碳化硅 MODFET替代硅MOSFET，所節約下來的能源可以為紐約曼哈頓供電一整年。

氮化鎵在數據中心場景的低電壓應用也在不斷提升。近幾年，氮化鎵技術一直在突破，所帶來的效率提升，有助于數據中心降低成本，大幅降低電費，達到碳中和、碳達峰的要求。

宜普公司認為，當前氮化鎵在AI服務器市場的總規模約為10億美元。在未來幾年內，這一市場將以每年約40%的速度持續增長。

各大廠商持續增資

近期，受汽車市場影響，多家寬禁帶半導體企業業績遇冷，但隨著AI數據中心市場的不斷擴大，德州儀器、英飛凌、瑞薩、羅姆、宜普等企業并沒有放棄對寬禁帶半導體的投資，都宣布了最新進展。

英飛凌在馬來西亞啟動其有史以來最大的功率芯片工廠的生產。若能在未來五年內達到滿負荷生產，它將成為世界上最大的碳化硅工廠。英飛凌表示，公司正在關注可再生能源領域和AI數據中心等電氣化應用的需求。

英飛凌還公布了新的AI數據中心電源路線圖，計劃推出8kW和12kW的超高功率服務器電源解決方案，簡化AI服務器的供電設計，以滿足AI服務器對電力的強勁需求。據了解，這兩款電源均將混合使用硅、氮化鎵、碳化硅三類晶體管開關，以實現100W/in?的高功率密度和97.5%的高轉換效率。

“寬禁帶半導體在AI數據中心的主要應用是服務器電源模塊，寬禁帶技術將推動電力電子器件提高效率、提高密度、縮小尺寸、減輕重量、降低總成本，因此將在數據中心等應用場景中為能效提升作出貢獻。”英飛凌科技電源與傳感事業部大中華區應用市場總監程文濤向《中國電子報》記者指出。

羅姆一直致力于在中等耐壓范圍開發具有高頻工作性能的氮化鎵器件，為各種應用提供更廣泛的電源解決方案。羅姆半導體（北京）有限公司技術中心總經理水原德健向《中國電子報》記者表示，目前，羅姆已確立150V耐壓氮化鎵產品的量產體系，適用于基站、數據中心等工業設備和各種物聯網通信設備的電源電路。

納微則采用其GaNSafe和Gen-3 Fast碳化硅技術，發布了最新的CRPS185 4.5kW AI數據中心服務器電源方案，功率密度達137W/in?，效率超97%。納微表示，其3.2kW和4.5kW電源方案已有超過60個數據中心客戶項目正在研發中，例如亞馬遜云、微軟云、谷歌等頭部廠商，預計將在2025年為納微帶來數百萬美元的營收增長，預計用于AI數據中心的電源方案有望于年底實現小批量生產。

臺積電也十分看好氮化鎵的發展前景，臺積電研發資深處長段孝勤表示，臺積電在化合物半導體領域專注于氮化鎵相關開發，歷經長期的發展，氮化鎵已逐漸被市場接受，預計未來十年將有更多應用場景。據了解，臺積電在氮化鎵的五個主要應用場景包含數據中心、快充、太陽能電力轉換器、48V DC/DC以及電動車OBC/轉換器。