特斯拉电动车率先用上碳化硅芯片:将推动芯片产业转型

2021-09-06 15:04:16来源:凤凰科技  

9 月 6 日消息,外媒今天刊文称,节能一直是芯片产业一个重要的命题,特斯拉率先在电动车中采用碳化硅芯片,促使芯片产业将芯片材料由硅转向碳化硅,更好地满足市场需求。以下为文章摘要:

数十年来,凭借地壳中含量丰富、易于制造的优势,硅一直是芯片的材料。但电动车对更高能源效率的追求,在蚕食硅在芯片产业的主导地位。

特斯拉则是芯片产业放弃硅的催化剂。特斯拉在 Model 3 中采用了碳化硅芯片,成为第一个吃螃蟹者。此举提升了碳化硅在电动车供应链中的地位,对芯片产业产生了很大影响。日本芯片厂商罗姆首席战略官 Kazuhide Ino 说,“芯片厂商已经共同打造了碳化硅市场,现在到了彼此竞争的阶段。”

碳化硅由硅和碳两种元素组成,由于化学键比硅更强,其硬度排在第三位。碳化硅的加工要求更先进的技术,但稳定性和其他属性,使得其能耗比硅芯片低逾 50%。碳化硅芯片散热性能还很好,有助于缩小电动车中关键零部件逆变器的尺寸。日本名古屋大学教授 Masayoshi Yamamoto 表示,“Model 3 的空气阻力系数与赛车一样低,尺寸更小的逆变器,是它能采用流线性设计的前提。”

特斯拉此举“惊醒”了芯片产业。6 月份,德国英飞凌推出了一款电动车逆变器用碳化硅模块。英飞凌日本分部一名管理人员说,“碳化硅应用范围护套的时间早于我们的预期。”现代汽车将在新一代电动车中使用英飞凌的碳化硅芯片。据称,与硅芯片相比,碳化硅芯片可以使电动车续航里程提高 5%。

法国市场研究公司 Yole Developpement 预测,2026 年碳化硅能源芯片市场将比 2020 年增长 6 倍,达到 44.8 亿美元。

Yamamoto 称,碳化硅和硅的价格差在不断缩小,量产和其他因素,使得两者的价格差由 5 年前的约 10 倍收窄至 2 倍。部分供应商开始生产尺寸更大的碳化硅晶圆,将进一步缩小两者的价格差。

罗姆一直是这一领域的领头羊,2010 年量产了世界上第一款碳化硅芯片。2009 年收购德国 SiCrystal,使得罗姆具有完整的碳化硅芯片生产线。罗姆的目标是 2025 年占领 30% 的全球碳化硅芯片市场,最近,它在日本的一条生产线投产,这是其将产能提高 5 倍计划的一部分。罗姆表示,多款即将推出的电动车都将采用其碳化硅芯片。它还与吉利签订了协议。

硅并非是第一种芯片材料。自 1947 年问世后,半导体材料一直是锗。随着半导体产业发展壮大,锗在 1960 年代被硅取而代之。可能取代硅的并非只有碳化硅。氮化镓有潜力将芯片能耗降低约 90%。虽然氮化镓芯片被应用在一些领域,例如充电设备,但由于主要与包括硅在内的其他材料联合使用,其潜力尚未完全展现出来。

现有芯片性能已逼近极限,是芯片产业寻求其他材料的一大原因。芯片制造工艺已发展到 5 纳米,摩尔定律面临前所未有的挑战。

节能也在推动芯片材料领域的创新。没有能源使用效率的提升,电动汽车的普及、数据中心的增多和数字经济其他领域的发展,将使电能供应捉襟见肘。

钻石被一些业内人士称作终极半导体,可能改变芯片产业的游戏规则,只是与硅相比,它的成本太高了。日本 Adamant Namiki Precision Jewel 开发出了利用钻石生产能源芯片的技术。从理论上说,钻石芯片能耗可以低至硅的五万分之一。但是,降低钻石芯片成本是一个关键难题,目前其价格是硅芯片的数千倍。

鉴于半导体对国家安全和经济竞争力的重要性,中国、美国和欧洲均在大力支持新芯片材料的研发。硅和钢铁“塑造”了 20 世纪,新一代半导体材料似乎将成为未来数十年国际竞争的主要领域。

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