Рынок полупроводников на основе карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN) растет, поскольку центры обработки данных стремятся повысить свою энергоэффективность и достичь целей по сокращению выбросов углерода, пишет на портале Data Center Knowledge Каллум Миддлтон, старший аналитик отдела полупроводниковых компонентов Omdia.

Полупроводники, используемые для энергоснабжения промышленного, автомобильного, вычислительного и потребительского оборудования, не так известны, как кремниевые чипы, обеспечивающие работу других приложений. Однако на их долю приходится около 10% общего дохода от продаж полупроводников, что делает их рынком объемом 30 млрд. долл.

Силовые полупроводники, и в частности широзонные (wide bandgap, WBG), имеют решающее значение для реализации попыток мира достичь целей устойчивого развития. WBG-устройства могут работать при более высоких напряжениях, частотах и температурах, чем другие микросхемы, что повышает их эффективность. Здесь особенно актуальны два материала — SiC и GaN. Они не новы, но до сих пор спрос на них был ограничен опасениями по поводу их применяемости, стоимости и надежности или имеющимися мощностями по выпуску.

Однако ситуация начинает меняться. Все больше полупроводников SiC и GaN используется в таком оборудовании, как ветряные турбины, фотоэлектрические инверторы, электроприводы, а также электрические и гибридные автомобили. Рынок этих приборов растет значительно быстрее, чем рынок кремниевых силовых полупроводников. Мы ожидаем, что их доля продолжит расти: с 3% рынка силовых полупроводников в 2022 г. до 13,1% в 2027-м.

Необходимость повышения эффективности стимулирует рост

Стремление к повышению эффективности будет продолжаться по мере того, как страны будут стремиться к достижению большей энергетической безопасности, а предприятия и отрасли — к повышению энергоэффективности и достижению целей по сокращению выбросов углерода. Многие отрасли будут испытывать дополнительное давление, направленное на то, чтобы минимизировать их экологическое воздействие. К ним относятся дата-центры, которые уже являются энергоемкими и могут стать еще более энергоемкими с учетом достижений в области искусственного интеллекта.

ИИ требует значительных вычислительных мощностей, и операторы высокопроизводительных дата-центров, обеспечивающих такой уровень вычислений, должны быть уверены, что их объекты смогут эффективно справляться с нагрузкой, чтобы их энергозатраты и воздействие на окружающую среду не были чрезмерными. Источники питания имеют решающее значение для достижения этой цели, и WBG-полупроводники, в частности GaN, могут помочь операторам сэкономить в трех областях: потери энергии, затраты на охлаждение дата-центров и пространство, необходимое для серверов.

Дата-центры потребляют много энергии, но они не работают на высоких напряжениях, поэтому полупроводники GaN, которые обычно используются в таком оборудовании, как зарядные устройства для ноутбуков, планшетов и телефонов, могут предложить больше преимуществ, чем полупроводники SiC, которые оптимизированы для таких отраслей, как передача электроэнергии и автомобилестроение.

GaN-устройства снижают потери энергии в дата-центрах за счет более эффективной работы в основном источнике питания сервера. Отличный показатель on-resistance (сопротивление включения) и высокая скорость переключения, достижимые в решениях на основе GaN, приводят к значительному снижению потерь энергии. Это снижает потребление энергии серверной стойкой, а также может уменьшить нагрузку на системы охлаждения дата-центра. В совокупности снижение потерь энергии и требований к охлаждению означает снижение энергопотребления.

Infineon, производящая силовые полупроводники, инвестирует в технологию GaN и в конце прошлого года завершила приобретение GaN Systems. Компания считает, что количество энергии, потребляемой в дата-центре, может быть сокращено на 10%, если операторы перейдут с кремниевых на GaN-технологии блоков питания. По ее оценкам, что при переходе всех дата-центров можно будет экономить 20 ТВт•ч энергии в год.

Экономия пространства

Наконец, использование GaN позволяет производителям уменьшить размеры блоков питания. Более эффективное использование пространства позволяет освободить место в дата-центре для CPU и GPU — компонентов, приносящих доход операторам. Это означает, что они могут увеличить отдачу от существующего дата-центра или повысить эффективность новых объектов.

Разработка сертифицированного решения

Несмотря на потенциальные преимущества, аналитики Omdia не ожидают от операторов немедленной модернизации источников питания. Вместо этого мы ожидаем более постепенного перехода. Операторы могут подождать, пока срок службы существующих устройств подойдет к концу, и тогда рассмотреть возможность использования более эффективных технологий. Производителям также может понадобиться убедить операторов в том, что полупроводники GaN, которые в настоящее время используются в некритичных и низкорентабельных приложениях, достаточно надежны для критически важной среды дата-центров. Простои в них могут иметь значительные финансовые и репутационные последствия, поэтому операторы вряд ли будут рисковать.

Однако они могут извлечь уроки из рынка гибридных и электрических автомобилей. Там SiC-полупроводники все чаще используются для увеличения дальности хода и производительности автомобиля, и лидером в этой области является компания Tesla. Первоначальные опасения по поводу этой технологии были сняты, и теперь такие устройства считаются высококачественными и высокоценными, а производители вкладывают средства в постоянное совершенствование этой технологии и внедрение новых функций. У полупроводников GaN есть возможность развиваться таким же образом на рынке дата-центров.

Развитые производственные мощности и налаженные цепочки поставок

Производители полупроводников имеют все возможности для роста. GaN-устройства изготавливаются так же, как и кремниевые чипы, поэтому для них можно использовать существующие мощности, а цепочки поставок уже налажены. Однако им придется найти способ обеспечить свою маржу и объемы выпуска, поскольку дата-центров будет строиться все больше. Если они справятся с этой задачей, появится возможность максимально повысить эффективность использования этой новой технологии.

Необходимость ограничить наше воздействие на планету никогда не была столь велика, а WBG-устройства позволяют сделать следующий шаг в строну изменения уровня эффективности. И кто знает, может быть, со временем появится возможность использовать в этой области ИИ, который они обеспечивают энергией, для получения еще больших выгод.