1978
從歡呼聲到質疑聲，GaN（氮化鎵）近幾年在功率半導體市場并非一路坦途，中間呈現出些許“雷聲大雨點小”的態(tài)勢，但GaN巨大的應用潛力一直毋庸置疑，用心挖掘其技術潛能并認真耕耘市場的企業(yè)深知，GaN只是還沒到綻放的時機。
而當下多種跡象逐漸證明，GaN將迎來華麗轉身，如今的走向與當初看似消極的局面相比已是云泥之別。
01、消費電子市場走向成熟，GaN初闖高功率市場受挫
GaN（氮化鎵）和SiC（碳化硅）同為性能優(yōu)異的寬禁帶半導體材料，二者在擊穿電場、高溫性能、高功率處理能力以及化學穩(wěn)定性等方面存在共同之處，但相比之下，GaN在開關頻率和能效上更加突出，因此更適合高頻應用領域，有助于實現高效功率轉換、減少開關損耗、降低熱耗散、縮小元件尺寸等。
按應用劃分，GaN主要面向光電子、射頻通訊、功率半導體三大應用領域，對應消費電子、無線通信、數據中心、汽車、航空航天、國防軍工等細分場景。其中，光電子是GaN最快普及的應用，至今已有很多年的發(fā)展歷史，但GaN真正“火”起來是在近幾年的功率半導體市場，并首先崛起于消費電子快充應用。
根據TrendForce集邦咨詢《2024全球GaN Power Device市場分析》數據顯示，2020年全球GaN功率半導體市場規(guī)模為0.5億美金，至2022年成長至1.8億美金，年復合增長率約53%。其中，2022年的市場規(guī)模相比2021年大幅增長了125%。
也就是在這一年，GaN高速滲透快充市場，并開始向家電、智能手機等其他消費場景拓展；與此同時，新能源汽車、光儲充、數據中心等產業(yè)的迭代升級，使得GaN作為更為符合新需求的理想材料之一亦被寄予了厚望。在此背景下，GaN廠商從低功率朝向高功率市場延伸便順理成章。
然而，據集邦化合物半導體觀察，一方面，快充、適配器等消費電子市場不斷成熟，可供廠商發(fā)揮的空間、可分的“蛋糕”持續(xù)縮?。涣硪环矫?，在汽車、數據中心等高功率應用領域，由于技術可靠性、成本等問題，多數GaN廠商處于產品研發(fā)、驗證、送樣、項目合作階段，真正落地的案例鮮少，這也側面反映GaN打開高功率市場需更多的技術和時間沉淀。
02、GaN產業(yè)步入整合期，量到質的改變開始顯現
為了突破高壓大功率市場，不少廠商開始嘗試新結構、新工藝路線，其中包括有望全面解鎖GaN優(yōu)良特性的垂直GaN元件，但這條路并不好走。隨著時間的推移，各家廠商面臨前期大量投入難以兌現的壓力，而持續(xù)創(chuàng)新的研發(fā)投入需求則帶來了資金的壓力，多方面承壓之下，退場者隨之出現。
據集邦化合物半導體不完全統計，今年1-3月，美國垂直GaN器件廠NexGen Power Systems與Odyssey Semiconductor相繼宣布倒閉、破產。? ??同樣地，GaN頭部廠商也面臨更進一步發(fā)展以及長遠立足的難題，于是有了GaN Systems并入功率半導體大廠英飛凌（Infineon），Transphorm并入全球半導體芯片大廠瑞薩電子（Renesas），Odyssey Semiconductor并入Power Integrations（PI）。
雖然沒有出現產能過剩或惡性價格戰(zhàn)等現象，但GaN功率半導體市場顯然也進入了一輪洗牌調整期。從并購、倒閉破產案可見，未來能夠馳騁GaN“沙場”的定是具備過硬綜合競爭力的廠商，這其實對于GaN產業(yè)而言利大于弊，因為優(yōu)勢資源的不斷集中有利于推動技術加快產業(yè)化，實現量產應用。
在供應鏈資源大整合之際，廠商的技術沉淀與項目開發(fā)進展也到了一個新的階段，隨之而來的便是GaN技術逐步從量到質的改變。據集邦化合物半導體了解，經過幾年的技術儲備，GaN相關廠商目前在消費電子增量市場、電動汽車、光儲充、數據中心等市場都取得了更多實質性的進展，并逐步收獲成果。
以汽車和新能源應用為例，納微半導體（Navitas）2023年針對車載OBC及路邊充電樁場景引入新的GaNSafe?技術（配合其SiC技術），截至今年第二季度，納微22kW車載充電機（OBC）方案已有15個客戶項目在推進至評審階段，其預計電動汽車領域將在2025年底獲得首批由GaN技術帶來的收入。
在太陽能/儲能市場，納微此前已打入美國前五大太陽能設備制造商中三家的供應鏈，截至今年第二季度，納微已有6個相關的客戶項目推進至評審階段，預計將于明年在美國實現GaN基微型逆變器的量產。
國內廠商中，鎵未來（GaNext）實現了國產GaN突破光伏微逆市場，其集成型Cascode 技術GaN功率器件設計已用在微型逆變器龍頭廠商的2000W新型逆變器中；氮矽科技也與全球頭部逆變器設計公司及知名制造商建立了戰(zhàn)略合作關系，共同開發(fā)一款基于GaN技術的新一代微型逆變器。
汽車應用方面，氮矽科技今年發(fā)布了一款超高開關頻率（>100MHz）驅動芯片，適用于高速汽車激光雷達系統；同時，該公司正在推進多款100V集成驅動產品的車規(guī)級驗證，這些產品主要適用于車載無線充和DC-DC；鎵未來目前也正在推進產品的車規(guī)級認證，同步與車廠展開相關項目研究；IDM廠商能華微則在推進1200V產品的車規(guī)級認證······
03、AI數據中心、人形機器人等引燃，GaN“上大分”
數據中心領域也是近幾年GaN廠商重點耕耘的方向之一，從相關廠商的進展可見，GaN在數據中心電源市場的應用已經邁出了一大步，而AI技術的興起為該市場再添了一把火。
在AI生態(tài)中，數據中心對高速運算和電力都有著龐大的需求。根據TrendForce集邦咨詢調查，NVIDIA（英偉達）Blackwell平臺將于2025年正式放量，取代既有的Hopper平臺，成為NVIDIA高端GPU（圖形處理器）主力方案，占整體高端產品近83%。在B200和GB200等追求高效能的AI Server機種，單顆GPU功耗可達1,000W以上。
面對高漲的功率需求，每個數據中心機柜的功率規(guī)格將從30-40kW推高至100kW，對于數據中心電源系統來說挑戰(zhàn)極大，而GaN與液冷技術的結合，將成為提升AI 數據中心能效的關鍵。芯片功耗的大幅上升需要服務器擁有更高的功率密度和效能，GaN能夠降低損耗、提高功率密度，已被視為AI數據中心優(yōu)化能源效率的關鍵技術之一，吸引了英飛凌、德州儀器（TI）、納微、英諾賽科、Transphorm、能華微、氮矽科技、鎵未來等大批GaN玩家加入布局陣列。其中，納微和英飛凌均公布了AI數據中心電源技術路線圖，表明搶占該市場制高點的決心。
英飛凌AI數據中心電源路線圖英飛凌融合Si、SiC以及GaN的獨特優(yōu)勢，已推出輸出功率為3 kW和3.3 kW的PSU，8 kW PSU預計將于2025年第一季度上市，全新8 kW PSU支持最高輸出功率達300 kW或以上的AI機架。與3 kW PSU的32 W/in3 相比，其效率和功率密度提升至100 W/in3，進一步縮小了系統尺寸并節(jié)省了運營商的成本。以GaN技術來看，英飛凌的CoolGaN? 解決方案可為PFC拓撲提供超過99%的系統效率。
此外，英飛凌收購的GaN Systems則早在2022年就發(fā)布了3.2kW AI服務器電源供應器，并于2023年推出第四代GaN平臺，效率超過鈦金級能效標準，功率密度從100W/in3提升至120W/in3。因此，雙方結合后在GaN領域產生的效應備受看好。納微去年全新GaNSafe?和Gen-3 Fast碳化硅技術以及納微專用設計中心已設計完成4.5kW CRPS，實現傳統硅解決方案兩倍以上功率密度。在此基礎上，納微7月發(fā)布全新的CRPS185 4.5kW AI數據中心服務器電源方案，功率密度達137W/in3，效率超97%。
納微AI數據中心電源路線圖納微透露，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(fā)中，預計將在2024-2025年間為納微GaN和SiC的營收帶來數百萬美元的增長。據集邦化合物半導體進一步了解，納微預計用于AI數據中心電源方案有望于年底實現小批量生產。面對AI服務器興起創(chuàng)造的商機，GaN廠商顯然加快了步伐。
除了英飛凌和納微之外，其他廠商也在通過各自的發(fā)展路線悶聲謀大事，如TI、EPC（宜普電源轉換）、能華微、鎵未來、氮矽科技等。? ?TI早在2021年便與全球最大的服務器電源供應商臺達（市占率近5成）就數據中心服務器電源達成合作，基于其GaN技術和C2000? MCU實時控制解決方案，為數據中心開發(fā)設計高效、高功率的企業(yè)用服務器電源供應器（PSU）?；陂L期的合作伙伴關系，雙方在AI服務器電源市場的合作成果將備受期待。
鎵未來已與知名院校達成合作，由其提供理論依據和技術支持，共同完成 3.5kW 無風扇服務器電源的開發(fā),通過兩相交錯圖騰柱 PFC及 LLC實現高效率和高功率密度48V電源方案。鎵未來指出，AI 服務器與傳統服務器相比具有功率等級高且長時間滿載工作的特性，對于電源的轉換效率要求更高，因此采用GaN器件的圖騰柱PFC拓撲將是最優(yōu)選擇。
產品開發(fā)方面，EPC將在本月底的PCIM Asia展會展示最新一代GaN FET和IC，涵蓋包括AI服務器、機器人等在內的各種實際應用；氮矽科技多款相關產品已送樣國內頭部知名企業(yè)，并完成了相關的可靠性測試；能華微1200V GaN產品也已經送樣知名服務器電源廠，正在進行可靠性評估。
事實上，不止AI數據中心服務器，更多新興市場正在為GaN產業(yè)注入活力，如今年發(fā)展一樣如火如荼的人形機器人等電機驅動產業(yè)。人形機器人的系統主要由傳感系統、控制系統、電機系統以及電池系統四部分構成，而GaN的“用武之地”包括激光雷達系統、電機控制器、DC-DC轉換器及電池BMS。其中，電機驅動扮演關鍵角色。TrendForce集邦咨詢研究顯示，由于自由度急劇上升，人形機器人對電機驅動器的需求量大幅增加，為了獲得更高的爆發(fā)力，需要配置高功率密度、高效率、高響應的電機驅動器，而GaN能夠滿足這些需求，還可以在熱管理、緊湊設計等方面提高人形機器人的整體性能，優(yōu)化整體設計。
據悉，西門子、安川電機、Elmo等已經在機器人電機中導入了GaN技術，而GaN產業(yè)鏈也正摩拳擦掌。據集邦化合物半導體了解，TI、EPC、Transphorm、英諾賽科、納微、能華微等正在推動GaN于電機驅動領域的應用。其中，Transphorm已為安川電機的新型伺服電機提供了GaN FET 產品。TrendForce集邦咨詢表示，未來的機器人定會超乎想象，而精確、快速和強大的運動能力是其中之關鍵，驅動其運動所需的電機也勢必隨之進步，GaN將因此受益。
綜合當前廠商頻繁的動作來看，AI數據中心、人形機器人等新興產業(yè)無疑引燃了GaN市場，相關廠商多年的儲備和積累可望加快變現。譬如，英飛凌預估來自AI電源領域的營收將在2025財年實現同比翻番，同時將在2-3年內突破10億歐元。
04、GaN功率半導體產業(yè)提速，誰將占據龍頭寶座？
短期而言，消費電子市場仍將是功率GaN的主舞臺，并且，家電、智能手機等更多消費電子應用正在為GaN提供新的發(fā)展空間。但長期而言，電動汽車、數據中心等將成為GaN更重要的增長引擎。
據TrendForce集邦咨詢最新報告《2024全球GaN Power Device市場分析》顯示，長遠來看，GaN功率半導體市場的主要動力將來自電動汽車、數據中心、電機驅動等場景，受此驅動，全球GaN功率元件市場規(guī)模預估從2023年的2.71億美金左右上升至2030年的43.76億美金，年復合年增長率（CAGR）高達49%。其中，非消費類應用的比例預計將從2023年的23%上升至2030年的48%。
足見，電動汽車、數據中心、電機驅動等應用動能強勁，GaN功率半導體市場未來可期，這也側面解釋了英特爾（Intel）、臺積電（TSMC）等集成電路賽道的大廠同樣青睞GaN的原因。其中，英特爾去年底就透露已集成CMOS硅晶體管與GaN功率晶體管，用于高度集成的48V設備。從區(qū)域市場層面觀察，GaN正在吸引更多的戰(zhàn)略投資。
以中國香港為例，該地在7月底啟動了首條超高真空GaN外延片中試線，由香港科技園公司與GaN外延技術商麻省光子技術(香港)有限公司聯合于7月底舉行了啟動儀式，麻省光子技術預計將在香港投資至少2億港元，帶動當地化合物半導體產業(yè)發(fā)展?？梢灶A見，未來會有更多玩家和資金涌入GaN功率半導體領域，而市場競爭也將逐步激烈化。
然而，市場格局目前撲朔迷離，未來誰能占據龍頭寶座仍是未知數。TrendForce集邦咨詢指出，從產業(yè)發(fā)展進程來看，Fabless（無晶圓廠）公司在過去一段時間里表現較為活躍，但隨著產業(yè)不斷整合以及應用市場逐步打開，未來傳統IDM大廠的話語權有望顯著上升，為產業(yè)格局的未來圖景帶來新的重大變數。當前，從商業(yè)模式劃分，GaN玩家包括英飛凌、瑞薩（Transphorm）等傳統綜合型的IDM（集成器件制造）大廠，PI、納微、EPC等Fabless設計廠，英諾賽科、能華微等專業(yè)型IDM廠。
在消費電子應用仍占大比重的背景下，英諾賽科占據較大的市場份額，加上其努力推廣工業(yè)應用，整體市占率位居前列。據TrendForce集邦咨詢數據顯示，2023年GaN功率半導體市占率前五大廠商分別是英諾賽科、PI、納微、EPC、英飛凌。而數據中心、電機驅動、電動汽車、光伏逆變器等更高功率的應用對廠商的集成整合能力以及產業(yè)鏈協同效應等各方面提出了更高的要求，因此，英飛凌、瑞薩、TI等傳統IDM廠商，以及TI等在這方面的優(yōu)勢將逐步顯現。
據集邦化合物半導體觀察，作為全球最大的功率半導體以及車用半導體廠商，目前英飛凌正在充分發(fā)揮和融合Si、SiC以及GaN的獨有優(yōu)勢，技術創(chuàng)新與集成能力以及綜合成本優(yōu)勢有望逐步凸顯。Fabless廠商中，納微也在發(fā)揮其在SiC、GaN以及驅動技術的集成能力和協同優(yōu)勢，筑高自身的競爭壁壘。而英諾賽科、能華微等專業(yè)型廠商技術專注度高、創(chuàng)新速度快、決策鏈條短、市場靈活性高，能夠以深厚的技術積累，適時調整產品線和業(yè)務戰(zhàn)略，快速響應GaN市場新需求。
綜合而言，不同模式下的廠商實力與水平各有千秋，布局策略和發(fā)展路線也有所不同，目前在新興應用賽道上各方都處于前期起跑蓄力階段，勝負未分。不過，英飛凌、TI等廠商今年明顯向GaN傾注了更多資源，均展現出勇奪龍頭寶座之勢。
未來，GaN功率半導體的“天平”將傾向哪一方？答案或許將隨之市場的打開逐步揭曉。
集邦化合物半導體 陳佳純
下載ECAD模型
