新基建为半导体行业带来无限机遇

高铁及轨交牵引变流器使用的主要是工作电压在4500V 以上的高端IGBT，技术在国外已经较为成熟。西门子、三菱、英飞凌、富士电机等国外厂商，以及国内的中车时代电气均有能力制造工作电压为6500V的IGBT；地铁及轻轨主要采用3300V的IGBT，上述国外企业以及中国的中车时代电气、比亚迪、嘉兴斯达和南京银茂等企业均有能力供应。xcpesmc

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在特高压、城际高速铁路和城市轨道交通这三种电力设施中，都需要3.5kV～6kV的功率元器件。IGBT短期内仍是主流，但即将逼近硅基材料的性能极限，人们对采用SiC来实现节能和小型化寄以厚望。苏勇锦表示：“ROHM目前重点发展的SiC产品适用于1000V级车载和工业设备应用。作为长期生产模拟IC产品的制造商，不仅提供SiC单品，还可以配套提供电源和模拟相结合的解决方案。” 虽然不是主电源，但在上述领域的辅助电源应用中已经开始采用SiC。xcpesmc

关于另一种迅速崛起的宽禁带半导体GaN，ROHM认为在耐压100V～600V左右的范围有望普及。其应用包括耐压600V的车载充电器，耐压100V的48V服务器以及车载电源领域。“ROHM目前正在面向这些领域开发GaN产品。” 苏勇锦说到，GaN的某些性质只有在高频下才会发挥出其优点，因此GaN器件的驱动变得非常重要，“我们在开发用于驱动GaN的驱动器，并且通过将LSI驱动器和GaN配套发布，与仅开发GaN器件的同行业公司相比实现差别化。”xcpesmc

新能源汽车充电桩

随着中国新能源汽车的销量迅速增长，为下游市场带来了大量需求，其中最大需求就是充电桩。直流充电桩一般由通信模块、开关电源模块及控制模块等构成，开关电源模块占充电桩建造成本的50%左右，其中硅基MOSFET和IGBT 是核心器件。近年来随着SiC、GaN等宽禁带半导体功率器件技术成熟、成本降低，下游整车厂商开始大量采用，相信不久也会全面渗透到充电桩市场，在提升输出功率的同时缩小设施体积。xcpesmc

充电桩的主要发展趋势包括大功率和双向充电。xcpesmc

得益于半导体技术的进步，让功率器件开关频率得到提升，从而让充电桩能够以更大功率充电。举例来说，“IGBT从过去的20kHz左右提升到现在40-50kkHz，而GaN和SiC MOSFET器件可以达到更高的开关频率。” 蔡振宇说到。xcpesmc

驱动方式是这些开关器件达到所需频率的关键，而开关频率决定着系统设计成本、尺寸与效率之间的最佳平衡。更高开关频率对栅极驱动器的要求越来越高，传输延迟、死区时间、共模瞬变抗扰度(CMTI)等指标对提升充电桩功率和效率有着关键的影响。xcpesmc

直流充电桩往往需要能够在30分钟内充电至80%的高功率转换器，而且为了操作MOSFET/IGBT，通常须将一个电压施加于栅极，使用专门驱动器向功率器件的栅极施加电压并提供驱动电流。蔡振宇认为，隔离式栅极驱动器的隔离性能、共模瞬变抗扰度、总传播传输延迟等指标将决定直流模块的整体功率、效率和系统尺寸。xcpesmc

另外在大功率趋势方面，通过将充电桩的功率从以往的120kW提高到300kW，可以大大缩短充电时间。但相应地，控制用的功率元器件也需要具有更高的耐压能力，比如从以往的400V提到1000V。目前主流的充电桩模块，依然是以硅基MOSFET和IGBT为主，但为了提高功率元器件的耐压，更多新充电桩方案已经开始使用SiC或Si超级结MOSFET进行替代。xcpesmc

SiC成本虽高，但考虑到充电桩应用最广的城市场景中，选址一般在地价或租金昂贵的繁华地段，对设备体积有很高要求，SiC的优势便能抵消成本上的劣势。苏勇锦提到了ROHM正在开发中的第四代SiC MOSFET，耐压能力在1000V以上，特性变化受温度影响较小，并且损耗更低，因此有助于提高充电桩的效率并进一步节能。xcpesmc

在双向充电趋势方面，作为智能电网的一部分，V2H(Vehicle to Home，由车辆向家庭供电)和V2G(Vehicle to Grid，由车辆向电网供电)等双向充电桩开始普及。在双向充电的情况下，要求功率元器件要在比当前主流的单向充电方式更高的频率范围工作。“上述第四代SiC MOSFET能够高速开关，因此不仅可以在高频范围工作，而且还有助于线圈的小型化，是双向充电桩的理想选择。” 苏勇锦说到。xcpesmc

在车辆处于停放或未使用状态时，V2G允许能量从电池流向电网，以保持电网的稳定性。德州仪器(TI)深圳总经理梁建雄表示，这要求两个功率级都可以双向工作，且需要一个高效转换器来提供电源隔离供电。除电源管理外，“多核实时控制MCU，能够提供快速的计算密集型实时处理功能，帮助确保系统在几微秒内做出反应，并防止对充电桩或电动汽车造成任何损害。一些更高级的MCU集成了高性能的模数转换器，这对于有效监控控制环路至关重要。”xcpesmc

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梁建雄表示，诸如具有用于SiC或IGBT的12V欠压锁定(UVLO)的隔离式栅极驱动器，以及用于MOSFET的具有8V UVLO的新型电源管理产品，可支持不同的电压等级以及基于SiC或IGBT设计的电源拓扑。也可采用GaN架构，以实现更高的功率密度和系统效率。功率密度的增加，能帮助实现更小的尺寸，降低总体系统成本的同时减少组件上的热应力。“我们的三电平三相SiC交流/直流转换器参考设计，能创建一个可实现50kHz开关频率的高功率密度系统，从而缩小磁性器件的尺寸。”  xcpesmc

此外，“正确选择充电桩的隔离解决方案非常关键，”蔡振宇解释道，“传统光耦合隔离的方式传输延时时间长(例如150—200纳秒)，而iCoupler栅极驱动器传输延时在50—60个纳秒左右，提高开关频率和效率的同时，最新款甚至可实现150 kV/µs的共模瞬变抗扰度，以数百kHz的开关频率驱动SiC MOSFET，加上去饱和保护等快速故障管理功能，设计人员可以正确驱动高达1200V的单个或并联SiC MOSFET。”可以确保充电桩在不牺牲效率的情况下，在功率变换器中实现超高的功率密度。xcpesmc

隔离栅极驱动器的死区时间也是关键特性之一，更低的死区时间将有效降低损耗。对于大规模部署的充电桩来说，即使零点几个百分点效率提升都具有很大经济和社会效益。xcpesmc

最后从功能安全和用户人生和财产安全来说，良好的隔离性能也非常关键。充电桩的充电机功能电路中，隔离式栅极驱动器发挥的隔离功能非常关键，可以实现充电模块中功能电路之间的电气分离，使得它们之间不存在直接导通路径，从而提升安全性能。xcpesmc

大数据中心

大数据、人工智能等新基建核心模块离不开数据中心的支持，其技术进步也在推动电信网特别是核心网云化转型。现在无论互联网公司、电信运营商还是系统设备公司都在部署自己的云及数据中心，将加大对服务器、存储设备、网络设备、安全设备、光模块等产品的需求。xcpesmc

数据中心对带宽的需求一直走在有线、无线接入网的前面，现在200Gbps、400Gbps的光连接已经在国外大批量部署，800Gbps及更高速率的连接也在积极开发或试产之中。据黄旭东介绍，国内数据中心对于带宽速率的需求比国外要晚一两年，但发展很快，“Semtech针对数据中心的光模块电芯片实现了从NRZ到PAM4，从SR、DR、FR、LR到ER，从TIA，LDD到CDR的全覆盖。同时专利Tri-edge技术使模拟CDR代替昂贵、高功耗的DSP成为可能。”xcpesmc

稳定可靠的电源供应能力，也是数据中心建设中的一大痛点。特别是在狭小空间内，实现像ASIC、CPU、FPGA等各类处理器低至0.6-0.8V 的核心电压与50-800A 超高电流高稳定性供电系统设计，极具挑战性，需要高可靠性电源的和高效DC/DC转换解决方案来实现。xcpesmc

如同5G基站为了进行协议处理，会用X86处理器；数据转换的辅助计算，需要用到高端FPGA 一样，MPS北中国区副总经理卢平表示，数据中心里服务器需要同时用到X86处理器和FPGA，外加交换机里的多核处理器、连通交换机之间高速光模块里的DSP等等。各类处理器对电流的需求量远远超过其他芯片，“这是因为高端工艺降低了处理器芯片的供电电压，但供电电流却在不断提高；而且为了实现并行计算采用的多核设计，将电流成倍增加。”xcpesmc

目前最先进的处理器的内核供电峰值电流超过1000A，卢平认为这对电源方案的挑战主要有三个方面：xcpesmc

1.如何在受限的面积提供更大的电流输出？xcpesmc

2.如何解决处理器大动态负载跳变带来的电源轨稳定性问题？xcpesmc

3.能源降功耗的需求。xcpesmc

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如何解决？或许需要一种完整的系统级封装(SiP)解决方案，在紧凑的表面贴装型 BGA 或 LGA 封装中内置了集成化 DC/DC 控制器、功率晶体管、输入和输出电容器、补偿组件和电感器。可最大限度缩短设计时间，并解决常见的电路板空间和安装密度问题。蔡振宇表示，比如ADI的微型模块产品系列将组件选择、优化和布局的设计负担从设计师转移到了器件身上，从而缩短了总体设计时间和系统故障排除过程，并最终加快产品上市速度。xcpesmc

在提升功率密度和缩小产品体积上，TI也在其新一代600V GaN FET上做了努力。与现有解决方案相比，快速切换的2.2MHz集成栅极驱动器可帮助工程师实现功率密度翻倍，“达到99％的效率并将功率磁性器件尺寸缩小59％。”，梁建雄表示，“新器件可在注重低损耗和减小电路板空间的AC/DC供电应用中，实现更高的效率和功率密度，如超大规模的企业计算平台以及5G电信整流器等。”xcpesmc

人工智能

人工智能在应用上和大数据密不可分，需要专用芯片提供大量的算力在云端进行训练，同时需要在边缘端布局更多的推理型AI芯片。如今，AI已经广泛应用到我们生活的方方面面，但CPU、GPU等传统芯片对于AI模型的加速能力非常有限。瑞萨电子认为，兼具传统CPU的通用功能以外，同时能够对AI模型进行加速的这类复合型芯片必将成为未来的一大热门。因为这类芯片无需外挂AI加速器，极大地缩减了BoM成本和硬件复杂度。xcpesmc

满足新基建需求的人工智能专用芯片应该具有芯片集成度高、易于开发、异构计算结构、计算性能强等特点。华夏芯（北京）通用处理器技术有限公司董事长李科奕认为，应该同时包括CPU和GPU这些通用计算处理器，以及FPGA和深度学习(神经网络)计算单元，假如是面对嵌入式AI或者通信市场，还需要加上DSP的异构融合芯片，才能发挥最重要的作用。xcpesmc

根据中金公司的调研报告，随着社会经济的发展，人均算力随之水涨船高，算力与各国人均GDP之间具有高度相关性。未来5年，计算芯片的国产化空间超过500亿美金；异构计算快速发展，计算芯片进口替代空间进一步打开。先进计算领域的一个热点就是以深度学习(神经网络)为代表的AI计算，那么这类专用(计算)芯片会不会替代CPU或GPU这些通用(计算)芯片呢？李科奕表示：“深度学习只是AI众多应用中的一个功能，它的优势在于细分市场的某些应用场景，和已经实现相同功能的通用芯片厂商在主流市场上进行芯片集成度、异构计算性能的比拼，就不是专用(计算)芯片厂商所擅长的了。”xcpesmc

2020年，英伟达的市值一度超过英特尔，高居全球芯片行业市值第一。“这反映了一个不争的事实，在人工智能等先进计算的应用场景，GPU将比CPU承担更多的计算任务。”李科奕指出，但对于任何计算芯片，CPU仍然是必要条件，因为只有CPU才能实现强大的控制功能，运行操作系统。“这一点从英伟达收购Arm便可看出，CPU与GPU的异构融合发源自AMD的Fusion Core，英伟达与Arm的结合可能将构建一个全新的异构生态。”xcpesmc

此前，英特尔和AMD都有自己的GPU，Arm和之前的Imagination也尝试在嵌入式领域提供CPU+GPU的平台。今天全球几乎所有的CPU公司，都在设计自己的GPU，包括苹果、高通，以及中国的龙芯和华夏芯。“未来只有CPU或GPU单一产品的公司，都很难打入主流市场。”李科奕说到。xcpesmc

其实AI和数据中心这两大新基建领域，对数据加速的性能要求是相似的。多年来，FPGA技术在这些应用中已被越来越多地用于硬件加速。罗炜亮表示，带有2D-NoC的FPGA和具有革命性的机器学习处理器(MLP)在这些应用中提供了最佳的加速性能。与5G领域不同的是，大型云服务、数据中心和人工智能领域的运营商拥有更多选择，诸如加速卡和集成eFPGA IP的定制SoC。因此，Achronix预测到2021年，新基建中的这些领域将使FPGA架构的应用更加多样化。xcpesmc

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除了云端需求，边缘设备对AI性能的需求也与日俱增。瑞萨电子认为，其内嵌DRP-AI加速单元的RZ/V2M处理器，可对目前主流的Tensorflow、caffe等多种AI框架进行加速，模块运行过程无需CPU参与，“如何帮助边缘端的用户降低使用难度？是芯片厂商未来努力的方向。”xcpesmc

工业互联网

工业互联网也可称之为工业物联网或工业4.0，是物联网在工业领域的垂直应用。当中的工业数据采集、传输、本地及云分析和处理，分别对应于智能化终端、专网通信、云计算和大数据。基于数据价值挖掘的服务与商业模式创新，成为国内外共同追逐热点，如数据增值服务、平台经济等商业模式探索不断涌现。瑞萨电子认为，现阶段中国企业既关注生产数字化能力普及，如MES的低成本快速部署，同时也基于制造资源大范围连接探索优化配置模式，开展分布式制造、大规模定制等应用。