“碳中和”给晶圆代工厂带来哪些机遇与挑战？

2022年8月16日，在由AspenCore主办的《2022国际“碳中和”电子产业发展高峰论坛》上，X-FAB市场总监卫鹤鸣从宽禁带半导体晶圆代工厂的角度出发，介绍了Foundry厂在碳中和背景下的机遇与挑战。tC2esmc

X-FAB提供晶圆代工厂和IP业务

数字芯片的发展遵循摩尔定律，这类芯片与先进工艺互相依赖。而模拟芯片不遵循摩尔定律和行业周期，模拟芯片有一个重要的发展趋势——多样化（差异化）。在模拟IC中是应用驱动工艺平台的发展。由于模拟工艺是由应用驱动，所以模拟设计公司与晶圆厂的配合比数字芯片更加紧密。tC2esmc

卫鹤鸣介绍说，X-FAB是一个晶圆代工，除了有晶圆代工业务之外，还为芯片设计公司提供IP。“我们在模拟领域深耕，拥有很多模拟IP，助力客户实现模拟应用，更好的连接数字生活。”tC2esmc

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X-FAB的持股中心在比利时Tessenderlo，全球各地分布了六个生产基地，其中三个在德国，一个在马来西亚Kuching，一个在法国Corbeil-Essonnes（射频生产基地），一个在美国Lubbock（碳化硅生产基地）。这六个生产基地约有4000多位员工，总计晶圆厂能约100K/月。tC2esmc

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X-FAB专注汽车、工业、医疗和消费类市场。这些市场具有不同的特点，汽车市场对可靠性更高，工业市场需要产品多样化，医疗市场要求客制化，消费类市场对产能要求最大。目前，X-FAB重点是在汽车行业，去年6.5亿欧元的营收中，有超过一半来自汽车市场。tC2esmc

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电动汽车和燃油车里的很多器件，比如刹车制动系统、LED大灯、车内通讯、DC-DC电源、动力等，车内几乎所有的模拟类相关的工艺平台，X-FAB都有相应的平台来支撑应用。X-FAB提供的常规CMOS平台（上图左边），可为芯片设计公司提供基础的数字模拟IP；X-FAB在德国的MEMS平台（上图右上角），主要为汽车企业生产车用传感器产品，比如胎压/压力传感、气体传感等，这些传感器还能应用到医疗领域，使用为DNA检测、细胞打印等；宽禁带半导体平台（上图右下角，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）），能加快芯片设计企业SiC芯片的上市时间。tC2esmc

“碳中和”带来了哪些技术变革？

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欧盟2020年发布的一份报告指出，2030年之前必定会发生的几大趋势：tC2esmc

• 全球变暖。2015年《巴黎协定》要求把全球平均气温升幅度，控制在工业化前水平以上低于2℃之内，并努力将气温升幅限制在工业化前水平以上1.5°C之内。在此基础上，各国纷纷提出了“碳中和”目标。
• 化石能源需求逐年增多。欧盟的报告指出，在2030年之前，我们对化石能源（煤炭、天然气、石油）的需求每年都会增加。
• 城市化加剧。因全球经济持续发展，人口将越来越多，中产也会更多，这将家中城市化，从而带来更多CO₂的排放。同时，城市化还会使物物、人物相连成为不可避免的趋势。预计到2030年，全球智能设备将增长至1250亿台，人人互联不单是指互联网沟通，届时人物联网沟通将非常频繁。
• 老龄化增多。未来人们会更加关注身体健康，涉及到潜在医疗传感器市场。便携血压检测、心率检测，植入体内的传感器，都将有非常大的市场规模。这些市场都会使用到低功耗传感器。
• 技术更新远超现象。未来5G、3D打印、区块链、AI等前沿技术，将能更快量产并成为趋势。
• 中国GDP在2030年之前会超过美国，成为全球GDP排名第一的国家。
• 全球能源消耗将以每年1.7%的速度增长，这推动节能减排相关技术在全球市场的发展，宽禁带半导体具备极大的应用潜力。

在卫鹤鸣看来，“碳中和”带来的技术趋势主要有四大方向：tC2esmc

• 降低能耗，提高电能转换效率，提高自动化程度，去中心化功能，增加分散式电能的使用（电池供电设备）。每一个个体、每一个建筑，都不仅是消耗能源的端口，也可以是生产能源的端口。能效一直是碳中和的重要话题，对功率器件和宽禁带半导体来说机会巨大。
• 碳中和技术的变革。从化石燃料驱动的交通工具，转变为电动交通工具，包括电动客车、电动汽车、电动火车等。
• 可再生的能源的应用增多，例如光伏、太阳能，光伏，水能等等。
• 需要超低功率提供设备，智能化需要额外的传感器，更高的功率效率了减少整体的能量的损耗，导致了更长的电池寿命。

“碳中和”给模拟晶圆厂带来的机会

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对模拟晶圆厂而言，“碳中和”主要带来三个潜在机会点：tC2esmc

• 第一个是出行。汽车的电动化、智能化趋势，延伸出非常多的半导体芯片需求。比如，ADAS系统、Lidar、RF器件、MMIC、隔离器件等。
• 第二个是能源。包括可持续能源（智能表计、电力转换器和基础设施）和工业4.0（工业自动化、机器人、M2M通信）。预计2021-2029年期间，SiC/GaN半导体的复合增长率超过20%，2021-2030年，全球工业4.0市场CAGR接近20%。
• 第三个是传感器。智慧楼宇和智慧城市用到非常多的传感器，比如照明传感器、温度传感器、CO₂传感器等，预计2021-2028年期间，全球智能楼宇市场CAGR为21.6%，2021-2026年期间全球智慧城市市场CAGR达18.2%。

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最近几年，电动汽车在国内的发展非常快，各行各业都紧盯着电动汽车市场，同时中国也是电动车普及率最快的国家。据统计，电动汽车所采用的半导体器件是燃油汽车的三倍。随着更多汽车品牌确定所有车型电动化的时间节点，预计在2020-2025年期间，全球模拟器件销售额将有非常好的增长，其中车规模拟器件销售额CAGR将达到14.6%。tC2esmc

宽禁带半导体（本文主要指的是碳化硅、氮化镓）是硅基半导体的补充，在功率领域具有非常大的优势。宽禁带半导体具备高功率、高频率、低损耗的特点，在功率器件上有一定的优势。随着电动车的发展，宽禁带半导体的发展非常快，普及度也非常广。tC2esmc

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以当前比较火的手机快充为例，自苹果手机带火了氮化镓（GaN）之后，现在国内很多厂商都在使用这种技术做快充。还有可持续能源、电动化、电动汽车、IoT/工厂自动化、云服务器（数据中心），所有的自动化的核心是能源转换，宽禁带半导体可大幅提升能源转换效率。tC2esmc

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SiC和GaN各有各的特性，比如SiC适合高功率、高电压应用，主要支持650V以上甚至3000V以上的电压的应用。GaN主要适用于中功率100-900V的应用。卫鹤鸣认为，SiC和GaN会在市场中共存一段时间，不过未来会在650V区间必有一战。在Si方面（MOSFETs IGBTs），它将从8英寸往12英寸扩大量产。tC2esmc

X-FAB可提SiC和GaN方案。在GaN方面，可提供100-900V产品，但因产能有限，现在会偏重于制作某一个电压段，或者一个类型的产品。tC2esmc

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在SiC方面，国际碳化硅玩家主要以IDM为主，IDM模式的玩家占据了约90%的市场份额，剩余的碳化硅玩家只有10%左右的市场。X-FAB的目标是，到2025年拿到非IDM碳化硅市场的90%的份额。另外，X-FAB的碳化硅营收预期也非常好，2021-2025年CAGR大于15%。从技术角度来看，X-FAB的6英寸、8英寸的布局完整。tC2esmc

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传感器是X-FAB第三个重点。未来对传感器的需求是不单追求低功耗，更加追求的低功耗系统。未来的传感器会与边缘计算牢牢绑定在一起，来实现边缘AI的效果。从上图的左侧是比较传统经典的运算架构，随着先进工艺越来越往前发展，CPU算力远远超过了存储或者数据传输的速度，这会给数据传输墙/运算墙带来瓶颈。tC2esmc

现在有很多家厂商在做存内计算的方案，计算单元嵌入到内存当中。把计算单元嵌入到内存当中的理想情况下，存内计算可以有效消除存储单元与计算单元之间的数据传输耗能过高、速度有限的情况。tC2esmc

小结

“晶圆代工厂没有终端产品，但可以给芯片设计公司提供创新技术和平台，帮助他们实现最终应用方案。我们与产业上下游一起努力，往更创新的应用去发展，最终实现碳中和目的。”卫鹤鸣最后强调说。tC2esmc