云計算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等高計算領(lǐng)域的爆發(fā)式發(fā)展，對數(shù)據(jù)中心的計算、存儲、數(shù)據(jù)通信、光傳輸?shù)确矫嬗辛烁叩男枨?。隨之而來，數(shù)據(jù)中心對電力的需求也愈發(fā)高漲，耗電量不斷攀升，在“雙碳”目標的引領(lǐng)下，如何降低數(shù)據(jù)中心的耗電量和碳排放成了各企業(yè)爭相突破的新方向。
在后摩爾時代，具有先天性能優(yōu)勢的寬禁帶半導體材料脫穎而出，以碳化硅和氮化鎵為代表的寬禁帶半導體，憑借其大幅降低電力傳輸中能源消耗的顯著優(yōu)勢，在數(shù)據(jù)中心的作用逐漸放大，成為全球半導體行業(yè)的研究熱點。
寬禁帶半導體將成數(shù)據(jù)中心節(jié)能小幫手
有數(shù)據(jù)顯示，未來數(shù)十年內(nèi)，數(shù)據(jù)中心的能源消耗將會瘋漲。到2050年，數(shù)據(jù)中心所使用的能源預計將占全球總消耗的14%，成為能源消耗大戶。
寬禁帶半導體主要的市場在電力電子領(lǐng)域，在功率器件方面發(fā)揮重大作用。由于寬禁帶半導體在導通損耗和開關(guān)損耗方面的卓越性能，可以大大降低電力電子方面應用的能耗。創(chuàng)道投資咨詢總經(jīng)理步日欣向《中國電子報》記者表示，在數(shù)據(jù)中心的主要應用是服務器電源模塊，寬禁帶功率器件在數(shù)據(jù)中心的主要應用是服務器電源模塊，其耐高壓、耐高溫、低功耗等特性，可顯示出競爭優(yōu)勢。
“寬禁帶半導體的出現(xiàn)將引導技術(shù)轉(zhuǎn)向新的高功率密度和效率、高耐熱性能的解決方案，以減少導通損耗和碳排放。在整個能源轉(zhuǎn)換鏈中，寬禁帶半導體的節(jié)能潛力可為實現(xiàn)長期的全球節(jié)能目標作出貢獻。寬禁帶技術(shù)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(shù)據(jù)中心等應用場景中為能效提升作出貢獻?！庇w凌科技電源與傳感事業(yè)部大中華區(qū)應用市場總監(jiān)程文濤向《中國電子報》記者指出。
半導體行業(yè)專家池憲念對記者表示，在服務器電源中使用寬禁帶半導體功率器件，可以提升服務器電源的功率密度和效率。此外，還可以整體上縮小數(shù)據(jù)中心的體積，降低數(shù)據(jù)中心整體建設(shè)成本，同時也更加環(huán)保。
碳化硅、氮化鎵各有節(jié)能方向
目前，由于數(shù)據(jù)中心、新能源汽車等應用場景仍在高速成長，寬禁帶半導體的需求也將逐漸攀升。據(jù)Yole 預測，從2021年到2026年，碳化硅需求有望從10億美元增長至35億美元，氮化鎵需求從不到1億美元有望增長至21億美元。
來源：羅姆
在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，碳化硅因為具有極小的反向恢復損耗，所以可以有效降低能耗。氮化鎵主要得益于其柵極電容和輸出電容對比于硅更小，導通電阻較低，反向恢復電荷很小，因此開關(guān)損耗和導通損耗較低。
碳化硅主要應用在服務器電源的PFC中，多采用碳化硅二極管替代硅二極管，碳化硅MODFET替代硅MOSFET。氮化鎵主要應用在服務器電源的PFC和高壓DC/DC部分，用氮化鎵 MOSFET替代硅MOSFET?！案鶕?jù)不同的應用場景選用不同的方案，在AC/DC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(yōu)先選用氮化鎵；而如果環(huán)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(huán)境下，優(yōu)先選用氮化鎵，而在高壓環(huán)境下，則選擇碳化硅更合適?！毙局\研究分析師張先揚向記者介紹道。
2021年-2027 年（預測）碳化硅功率器件各細分領(lǐng)域市場占比
數(shù)據(jù)來源：YOLE
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(shù)據(jù)中心的體積，降低數(shù)據(jù)中心的建設(shè)成本，同時實現(xiàn)更高的環(huán)保效率。
據(jù)悉，如果數(shù)據(jù)中心的電源和散熱系統(tǒng)均采用碳化硅 MODFET替代硅MOSFET，所節(jié)約下來的能源可以為曼哈頓供電一整年。
氮化鎵則在數(shù)據(jù)中心中的低電壓應用不斷提升。近幾年，氮化鎵技術(shù)一直在突破，所帶來的效率提升，有助于數(shù)據(jù)中心降低成本，大幅降低電費，達到碳中和、碳達峰的要求。如果全球的數(shù)據(jù)中心都能使用氮化鎵代替硅，有望節(jié)省15T瓦以上的電量，其價值可達到十幾億美元。
2021年-2027年（預測）氮化鎵功率器件各細分領(lǐng)域市場營收
數(shù)據(jù)來源：YOLE
Yole 預計，氮化鎵在數(shù)據(jù)中心中的滲透率會持續(xù)增加，越來越多的電源供應商已經(jīng)在其系統(tǒng)中使用了氮化鎵。德州儀器、英飛凌、羅姆等氮化鎵龍頭企業(yè)都宣布了最新進展。
羅姆半導體（北京）有限公司技術(shù)中心總經(jīng)理水原德健向《中國電子報》記者表示，羅姆一直致力于在中等耐壓范圍具有出色的高頻工作性能的氮化鎵器件的開發(fā)，旨在為各種應用提供更廣泛的電源解決方案。目前，已確立150V耐壓GaN HEMT“GNE10xxTB系列 (GNE1040TB)”的量產(chǎn)體系，該系列產(chǎn)品非常適用于基站、數(shù)據(jù)中心等工業(yè)設(shè)備和各種物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備的電源電路。
來源：英飛凌
相較于碳化硅，全球晶圓代工龍頭企業(yè)臺積電更看好氮化鎵快充、輕薄、效率高的特性，臺積電研發(fā)資深處長段孝勤曾表示，臺積電在化合物半導體領(lǐng)域?qū)Ｗ⒃诘壪嚓P(guān)開發(fā)，歷經(jīng)長期的發(fā)展氮化鎵已逐漸開始被市場接受，預計未來十年將有更多應用場景。臺積電在氮化鎵的五個主要應用場景包含數(shù)據(jù)中心、快充、太陽能電力轉(zhuǎn)換器、48V DC/DC以及電動車OBC/轉(zhuǎn)換器。
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