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近日，EPC宜普科技公司CEO及創(chuàng)始人Alex?Lidow對外發(fā)表了一篇文章，旗幟鮮明地提出——GaN臨界點已到來。
“行家說三代半”原文翻譯，供大家參考，也為一年一度的第三代半導(dǎo)體“行家瞭望”欄目打頭陣，參與我們的采訪請?zhí)砑釉S若冰微信：hangjiashuo999。
GaN 功率晶體管正處于一個臨界點。在這個臨界點上，任何微小的變化或動作都會產(chǎn)生重大且不可逆轉(zhuǎn)的影響，GaN器件的未來已經(jīng)到了勢不可擋的地步。
這一轉(zhuǎn)捩點首次出現(xiàn)在GaN晶體管量產(chǎn)十幾年后。自EPC公司于2010年3月開始生產(chǎn)GaN 晶體管以來，它們一直被譽為老舊硅MOSFET的替代品。在14年后的今天，我們已經(jīng)看到“GaN終將擊敗硅”的豪言壯語正在兌現(xiàn)。
以硅為史? 洞見興替
要了解GaN未來的采用率變化，我們可以著眼于硅基MOSFET器件45年的歷史，正所謂“以史為鏡，可以知興替”。
我（Alex Lidow）對硅基MOSFET器件非常熟悉，因為我是它的首批開發(fā)者之一，也是1978年11月推出首款硅基MOSFET產(chǎn)品的重要參與者。而在彼時，雙極晶體管是主流的功率晶體管。盡管速度比MOSFET慢10倍，但它便宜得多。
從結(jié)果來看，MOSFET最終擊敗了雙極晶體管，“先進生產(chǎn)力取代了落后生產(chǎn)力”。然而，這個改朝換代的過程并非“一朝一夕之故”，是得益于一次一個應(yīng)用成果的勢能疊加，積跬步成千里。
MOSFET取代雙極晶體管的第一個轉(zhuǎn)捩點來自于臺式電腦，蘋果和IBM兩家標桿巨頭率先使用了基于MOSFET的AC-DC電源，其背后的驅(qū)動力是通過采用當(dāng)時更先進的MOSFET，將電源縮小到足以裝入臺式機外殼之中，這一技術(shù)突破也對電腦的廣泛采用起到了至關(guān)重要的作用，MOSFET與電腦之間可以說是互相成就，“既以與人，己愈多”。
MOSFET在PC電腦實現(xiàn)單點爆破之后，繼續(xù)在高性能應(yīng)用領(lǐng)域開疆拓土，同時專注于降低成本并加快學(xué)習(xí)曲線。最初工程師采用MOSFET需要較長時間，但每當(dāng)新應(yīng)用成功推廣時，就會出現(xiàn)跳躍式的增長。隨著每個應(yīng)用突破新的臨界點，MOSFET就會形成以點帶面的拉動效應(yīng)，從而縮短時間并增加后續(xù)成功的可能性——1982年基于MOSFET的高速繪圖儀電機驅(qū)動器開始規(guī)模推廣，1985年基于MOSFET的防抱死制動器規(guī)模推廣。
到了1988年，由于MOSFET產(chǎn)量增加，以及大量資本的涌入，MOSFET的制造成本已降至比雙極晶體管還低。從那時起，開弓沒有回頭箭，這種取代已成摧枯拉朽之勢。也就在那時， MOSFET正式達到了大規(guī)模商用的臨界點，而這正是GaN如今所處的位置。
天時、地利、人和，5大臨界點已到來
GaN現(xiàn)在已在多項顛覆性技術(shù)中得到采用，以至于新設(shè)計甚至不再考慮采用硅MOSFET。
GaN的每一種新應(yīng)用都可以被視為跨越了單獨的臨界點。而GaN正在不斷擴大的應(yīng)用市場包括激光雷達、快速充電器、衛(wèi)星電子設(shè)備、人工智能、DC-DC電源和人形機器人。
憑借近50年的功率半導(dǎo)體行業(yè)經(jīng)驗，我們可以確定，目前有4個關(guān)鍵因素正在確保GaN達到臨界點，并最終在超越硅MOSFET方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用。除了成本、性能和可靠性之外，這4個因素還包括：
知名度：設(shè)計工程師對GaN的巨大價值已經(jīng)了然于胸；
天時：目標終端應(yīng)用正面臨著不斷變化的環(huán)境，這給予了GaN許多開放的設(shè)計窗口；
地利：終端應(yīng)用標桿企業(yè)正在推動采用GaN，并且正在享受GaN所帶來的商業(yè)成功；
人和：行業(yè)出現(xiàn)了訓(xùn)練有素的技術(shù)人才，他們能夠充分有效地發(fā)揮GaN的優(yōu)勢和價值。
對于 GaN 技術(shù)而言，激光雷達提供了第一個跨越臨界點的應(yīng)用場景。這一成功背后的簡單原因是：GaN的開關(guān)速度比MOSFET快得多。Velodyne公司富有遠見的創(chuàng)始人及現(xiàn)代激光雷達之父Dave Hall洞若觀火，最早充分意識到GaN技術(shù)可使雷達比汽車傳感器比看得更遠、分辨率更高。為此，Hall在開發(fā)旋轉(zhuǎn)激光雷達系統(tǒng)就率先使用了EPC的第一代GaN晶體管，這一舉動也間接加速了自動駕駛汽車的誕生。
套用前面提到的臨界點4大元素來分析GaN在激光雷達領(lǐng)域受歡迎的原因，可以得出以下結(jié)論：
知名度：Dave Hall對 GaN 帶來的巨大價值有著清晰的認識；
天時：隨著激光雷達成為自動駕駛汽車必不可少的傳感器，它開辟了許多新的設(shè)計窗口；
地利：Velodyne的GaN激光雷達取得了巨大的成功，吸引了大量客戶，同時大量的競爭對手跟進采用GaN；
人和：Dave Hall獲得了EPC工程師協(xié)助，知道如何從這些晶體管中提取最大性能。
GaN達到臨界點的第二個應(yīng)用是衛(wèi)星電源。GaN不僅性能優(yōu)于 MOSFET，而且?guī)缀醪粫驗樘蛰椛溆绊懚鴮?dǎo)致性能下降，幫助達到這一臨界點的關(guān)鍵人物是VPT公司CEO兼創(chuàng)始人 Dan Sable。截至目前，GaN 晶體管在衛(wèi)星電源領(lǐng)域僅部署4年，但已經(jīng)蠶食了衛(wèi)星MOSFET 器件30%的市場份額，并且隨著傳統(tǒng)設(shè)計變得過時或不經(jīng)濟，GaN晶體管有望吃掉最后的 70%市場蛋糕。
GaN 的第三個轉(zhuǎn)捩點是快速充電器。這方面的佼佼者是納微半導(dǎo)體的CEO兼聯(lián)合創(chuàng)始人 Gene Sheridan。如今，幾乎所有的快速充電器都使用GaN，因為它能夠提供高功率，為耗電的手機、平板電腦和筆記本電腦充電，所需時間僅為硅基充電器所需時間的一小部分。
繼前3大市場成功規(guī)?；逃煤?，GaN現(xiàn)在再一次站在了最重要的轉(zhuǎn)捩點之上：人工智能。
GaN在人工智能服務(wù)器（例如英偉達的服務(wù)器）領(lǐng)域已跨過一個關(guān)鍵門檻——幾乎所有服務(wù)器都在板載48V -12V（或5V）的DC-DC轉(zhuǎn)換器中使用GaN。
當(dāng)然，人工智能革命的全面影響才剛剛開始被人們所理解，但另一個應(yīng)用臨界點——人形機器人則不可忽視。
這些機器人配備了40個或更多的高性能電機，為此嚴重依賴 GaN 技術(shù)來實現(xiàn)更高的扭矩密度、更高的功率效率、更低的噪音和更緊湊的設(shè)計。這一系列要求使得硅器件成為了過時黃花，而GaN則星光璀璨。
通過回顧前面具體的成功案例，我們可以看出GaN的臨界點正在以更快的速度和更高的頻率出現(xiàn)。再次套用臨界點4大元素：
知名度：就像MOSFET當(dāng)時的情況一樣，每一項新的終端應(yīng)用發(fā)展都在向其他終端用戶群體宣傳GaN的獨特價值，并加速它在其他市場中的必然應(yīng)用。
天時：隨著GaN帶來的每一次新的積極體驗和商業(yè)成功，全球范圍內(nèi)的采用和實施正在不斷增加，這創(chuàng)造了越來越多的設(shè)計窗口機會。
地利：出現(xiàn)了新的GaN擁護者和新的資金來源。
人和：在過去幾年中，數(shù)千名經(jīng)過培訓(xùn)的設(shè)計和制造工程師已經(jīng)提升了學(xué)習(xí)曲線，現(xiàn)在知道如何提取GaN的額外效率。
除了這些因素之外，GaN被證明比硅更可靠，適用于各種功率等級，而且價格與MOSFET相當(dāng)。由于所有這些令人信服的因素，GaN的采用必然會加速，逐步蠶食120億美元的硅基MOSFET市場，同時創(chuàng)造自己的新市場。
總之，GaN的臨界點已經(jīng)到來，星辰大海，奔赴而來。
