矽原料競爭者悄悄觸及蘋果、谷歌和特斯拉的晶片市場

作者:ALLISON GATLIN   |   2016 / 07 / 18

文章來源:IBD   |   圖片來源:Joseph Wang


矽材料有了一個頗具前景的新競爭者:氮化鎵(gallium nitride, GaN)。有人認為這個新的原料可能會吃下300億美元的半導體市場。它的市場範圍相當地廣泛,包括“所有必須插到插座上的產品“,從蘋果(Apple, AAPL)的iPhone到特斯拉(Tesla, TSLA)的奢華電動車都在這個範圍之內。

使用氮化鎵的晶片效率可能會比使用矽材料還要快十倍。它能夠作得更輕、更小。Efficient Power Conversion(EPC)的CEO Alex Lidow表示,它們生產的成本相較於使用砷化鎵(gallium arsenide, GaAs)來說,也比較低廉。EPC已經研究GaN材料有了六年以上的時間了。

Lidow告訴IBD,去年GaN材料已經突破了一個重要的生產難關。目前它的成本比矽還要低廉。他以從使用鋼材轉為使用鋁合金來比喻這樣的突破。在2015年福特(Ford, F)介紹F-150時,表示這台車的車身是由鋁合金製造而成。鋁合金更輕,能夠使汽車的燃油更有效率。但鋼材仍是汽車和卡車的主流,因為它比較便宜。

他表示,“當某種東西較貴,但卻有較好的性能表現時,是一大挑戰,你必須全力以赴來克服障礙。GaN材料在一年前突破了阻礙,在電力轉換市場當中,它比矽材料還要便宜”。

GaN材料的潛力相當引人注目。在2015年,它僅有1千萬的市場份額。這佔預估的300億半導體市場只有不到百分之一。

追蹤該產業的HIS預估GaN材料在2022年的市佔將達到10億美元。而法國的Yole則認為它將以年複合成長率93%的速度成長,在2020年將達到303百萬美元。EPC的Lidow估計的數字則落在這兩者之間,認為它在電力市場在2020年將達到5億美元。

Yole的分析師Hong Lin告訴IBD,“今年GaN材料的銷售額將會少於1千萬美元,和矽材料相較,它的滲透率不到1%”。

矽材料不會這麼快地就被捨棄。但這項利基已經足已說服大廠,像是德州儀器(Texas Instruments, TXN)、雷神(Raytheon, RTN)和安森美半導體(On Semiconductor, ON)都對成長快速的GaN產業有著大額的投資。

成長市場觸及蘋果、特斯拉和谷歌

從化學的角度來說,碳化矽(silicon carbide, SiC)和GaN都被稱為是“寬能帶隙(wide band gap)半導體。半導體使用這些材料能夠承受較高的電壓和溫度,而且它的效能也較傳統的矽晶片來得高。

silicon

Lidow表示,對於電源供應/轉換和射頻市場來說,具備這樣的功能是十分重要的。這並不是新科技。發光二極體(light-emitting diodes, LED)的亮度能夠增加,靠的就是碳化矽基板上的氮化鎵。而砷化鎵則常被用在DVD和CD播放器當中。

去年度德國的晶片製造商英飛凌(Infineon Technologies)所收購的國際整流器(International Rectifier)在2010年推出首批以GaN材料製造的電力裝置。新創公司EPC(由國際整流器的前任CEO Lidow資助)、MicroGaN、Transphorm和GaN Systems在接下來的三年內也將投入這個領域。它們則致力於電源供應的相關研發。

根據Yole的資料顯示,在2015年的4月份,全球共計約有1,960個專利和GaN材料的創新有關。其中電源供應器的專利超過200件以上。儘管矽材料在2000年的功率達到高峰,但礙於價格的考量,業界仍從當時的主流持續轉向使用GaN材料。

Lidow表示,早期採用者仍持續不斷地研發最新的科技,在無人機、類電達的紅外線系統lidar還有行動服務基地台當中安裝GaN晶片。這些應用約佔EPC的70%。而在這些方面的應用正好能讓GaN材料取代矽材料,矽材料在這方面的應用約有600至700億的商機。

Lidow表示,GaN材料也將在新興產業有成長的機會,包括智慧型手機的封包追蹤功能、擴增實境、和自駕車的光達(lidar)感測器。這些領域都是科技巨頭像是蘋果、特斯拉、Alphabet(GOOGL)和英偉達(Nvidia, NVDA)的重點範圍。Lidow告訴IBD,“這些也是能夠帶來成長的領域”。

矽材料的巔峰時期已經結束了

Lidow認為十年後,GaN材料在電力轉換市場將能夠完全取代矽MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)晶片。但安森美半導體的jakwani表示這個說法太過誇大。Jakwani管理安美森半導體的功率分離式元件部門,過去五年持續投資於研究GaN材料。這個部門也與Transphorm的GaN相關部門合作。

他告訴IBD,“我們約在七至八年前看到氮化鎵在電力供應方面的商機。我們相信矽原料的性能表現已經無法再突破了”。

Jakwani和Lidow的看法不同,他並不認為GaN材料在電源轉換會完全取代矽材料。他表示,要從矽轉換到GaN,並不容易。必須要將GaN材料設計進生態系統裡,而且必須要教育客戶,這樣的過程可能要花12至24個月的時間。

如果GaN材料在接下來的幾年能夠從3億美元成長至5億美元,他認為“那將會是一個巨大的成長“。若它以將近100%的年複合成長率成長,就很容易在半導體產業當中稱霸。在3月份,IDC預測直到2020年為止,整體晶片出貨量將會以1.9%的年複合成長率成長。

更小、更輕的電源供應

德州儀器的GaN科技主管Steve Tom告訴IBD,它們在2011年首次推出第一個以GaN材料所製作的驅動器產品。德州儀器自行設計組裝GaN轉換器和矽驅動器。這一個產品當中就襄括了這兩項元素,和其他競爭者所生產的離散晶片不一樣。

GaN在未來也有可能為數據中心提供動力。這是英特爾(Intel, INTC)和高通(Qualcomm, QCOM)為了在數據中心奪得優勢所作的努力。Tom表示,GaN的潛力不僅止於此。它能夠滿足人類對於更小、更輕、更有效率的產品需求。

他表示,“當所有的物品都變得更加地行動化時,減少電力消耗、增進效率的需求就因應而生了,如此一來,電源的供應就能夠大幅地降低。另外,減少重量也是一個趨勢,如果你想要減輕重量,你必須想辦法減輕電源供應器的重量。GaN就是這個問題的解決方案。

GaN在軍事上的應用

當話題轉向美國和北大西洋公約組織(NATO)的軍隊時,成本就不再是一個考量了。這就是市值約為400億美元的國防承包商雷神在過去的17年內能夠賺錢的其中一個原因。軍隊是GaN裝置的早期採用者。雷神已投資了3億美元來研發GaN晶片。

雷神投資在GaN材料上的最大投資是射頻晶片,在2000年以前,射頻晶片是以GaA為材料。而雷神使用GaN晶片來簡化它的射頻訊號。雷神的整合防禦系統科技副總裁Colin Whelan表示,在雷達中GaN能夠追蹤的物體數量是GaAs的5倍以上,距離的能見度也比GaAs多了50%。

Whelan表示,“這項科技所能達到的甜蜜點是我們可以將雷達縮小至只有原來的一半大小,而成本也可以減少一半,且能夠維持原有的效能,而由採用砷化鎵轉為氮化鎵也能夠提升它的效能。

Whelan告訴IBD,在1990年代的晚期,GaN材料的效能明顯地要比GaA來得好的時候雷神才開始鑽研GaN材料的。政府知道了GaN材料的優點,因此有許多的提案都要求使用GaN材料。

在2013年的6月份,雷神獲得了279.4百萬美元的美國海軍合約,主要使用的是新一代GaN科技的雷達干擾器。目前GaN科技則被用在升級美國愛國者飛彈,這是一個長程的防禦系統,能夠用來對抗彈道導彈、巡戈飛彈、無人機和先進的戰鬥機。

Whelan表示,對於這些裝備精良的客戶來說,可靠性的問題是最重要的。軍事系統和一般的商業客戶最大的不同點在於GaN材料所製作的裝備必須有30年以上的使用壽命。

他表示,“因為我們已經研究射頻晶片超過30年以上的時間了,我們知道氮化鎵會是下一個重點。我們花了很多的時間才讓這項科技變得更可靠,我們從很早之前就已經聚焦在如何讓它有更好的效能,並讓它能夠在軍事系統上能夠達到高度的可靠性”。

他並補充,“我認為我們能夠獲得一些來自政府的大筆訂單,就足以證明我們早期的投資是值得的”。(譯者/Ing)

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