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《数据中心的功率半导体应用不断发展，以满足功率效率需求》

  • 来源专题：集成电路
  • 编译者： Lightfeng
  • 发布时间：2019-01-13

  • IHS Markit研究了数据中心的功率半导体的使用情况并发布了一份报告，大多数功率半导体都存在于转换线电压的AC-DC电源单元（PSU）中。AC到DC（通常为12V），以及计算和存储服务器主板上的12V转换为服务器组件所需的低压电源轨。

    利用48V输入功率的服务器单元需要新颖的解决方案将电压降低到服务器集成电路（IC）所需的低电压。提高输入电压为创建稳定的输出轨提供了额外的挑战。我们相信将引入一系列解决方案来满足需求，包括多阶段拓扑和新控制架构，以及更多集成封装。

    超大规模云服务提供商（CSP）的服务器代表了服务器市场中增长最快的细分市场，约占总数的三分之一。IHS Markit期望掌握新型封装解决方案，将功率级和磁性结合到一个封装中，以满足功率效率需求。

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相关报告

  • 《GaN和SiC功率半导体市场不断发展》
    • 来源专题：集成电路
    • 编译者：Lightfeng
    • 发布时间：2020-07-26
    • Omdia在其《2020年SiC和GaN功率半导体报告》中指出，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）功率半导体市场的业务主导正在由初创企业迅速变为大型功率半导体制造商。过渡期是在市场达到关键规模的情况下进行的，预计到2020年底，收入将增长至8.54亿美元，在2021年超过10亿美元，这得益于混合动力和电动汽车，电源和光伏（PV）逆变器的需求。 SiC和GaN功率半导体行业的起源都是小型初创公司，其中许多现在已经被大型，成熟的硅功率半导体制造商所吞并，并且也有制造商不断进入SiC市场，例如ABB半导体，CRRC时代半导体，PanJit International，东芝和WeEn半导体。 GaN市场初创企业有些仍在发展，并且与成熟的硅功率半导体制造商结成联盟。硅功率半导体制造商很少收购原始初创公司的原因之一是铸造服务提供商的出现，他们完善了GaN-on-Si外延片和器件的生产，建立了可行的无晶圆厂GaN制造商市场。SiC功率半导体行业发生了两次并购，涉及SiC晶圆供应商：意法半导体（STMicroelectronics）收购瑞典Norstel，以及SK Siltron收购杜邦（DuPont）的SiC晶圆业务。 SiC衬底晶圆供应市场正在缓慢增长，许多领先企业宣布了产能扩张计划，但晶圆价格下降得不够快，市场领导者的竞争还不够。Omdia总结说，出现在独立式GaN晶片上的沟槽器件的新开发者，例如NexGen Power Systems和Odyssey Semiconductor，但要普及到器件，还需要很多年。
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  • 《瞄准市场 错位发展——中国需要提升模拟和功率半导体技术与产能》
    • 来源专题：集成电路
    • 编译者：shenxiang
    • 发布时间：2019-01-24
    • 近几年，国内各地陆续上马的重大半导体代工项目大多在瞄着数字工艺。不仅仅台积电和中芯国际等业内传统企业，甚至传说中的“武汉弘芯”，以及某个在山东签约的12吋项目，动辄12吋，起步14nm——似乎数字工艺更“高大上”，更是中国需要。但，对国内项目深入调研和思考后，芯谋研究认为，相比“市长”需要先进数字工艺，“市场”更需要模拟和功率的技术与产能。 一、模拟晶圆生产线产能需求旺盛，国内现有产能严重不足 首先，中国的模拟芯片市场规模占全球40%以上，晶圆代工需求巨大。 根据WSTS(全球半导体贸易统计组织)统计，2017年全球模拟电路销售额为530.7亿美元，而中国模拟芯片市场规模在全球市场中的占比超过40%，即约为220亿美元。220亿美元的市场采购规模，假设国内实现自主供应50%，国内模拟芯片的需求可达到110亿美元。根据产业规律和中国模拟公司的毛利率分析，平均来看，中国模拟芯片售价中40%是晶圆代工，30%是封装测试，30%是毛利，则中国市场模拟晶圆的代工需求为44亿美元（110亿美元*40%）。再按照8吋晶圆ASP（平均售价）550美元推算，一年需要800万片（折合8吋晶圆，下同）。假设年度产能利用率平均按照90%，那么，一年的产能需求是888万片，平均到每月74万片。 未来几年从产品来看，电源管理IC、信号转换器和专用模拟芯片将成为模拟市场发展的主要动力，尤其是汽车电子推动的模拟芯片需求，更是重要的市场驱动力。除了汽车电子外，物联网和工业电子等方向也会给予助力。基于历史数据和产业规律，可以预测国内模拟芯片需求将持续旺盛，芯谋研究预计到2023年国内模拟芯片市场规模将超过350亿美元。 其次，从国内供给角度分析，现有产能严重不足，未来缺口超过43万片/月。 目前国内的供给如下图，国内可用于模拟集成电路制造的晶圆月产能约为38.4万片，扣除用于其它工艺的产能，实际可用产能不到20万片——模拟集成电路制造当前的产能缺口高达54万片/月。 纯大陆本土工厂可用于模拟芯片制造的晶圆线产能 未来5年，国内模拟芯片市场规模将超过350亿美元，假设按照国产芯片自主供应达到50%，那么晶圆产能需求为118万片/月，未来五年国内还将新增37万片/月的产能（见下图），国内既有产能加上确定增加的产能约为75万片/月，仍有43万片/月缺口。 预计2023年国内新增模拟芯片制造的晶圆线产能 同样，国内的功率器件晶圆产能也面临着模拟芯片相似的问题和困局，我们也从产能需求和供给两个方面来看。 二、国内功率器件面临同等产能不足窘境，未来5年缺口87万片/月 与模拟芯片的处境相似，功率器件也同样拥有庞大的市场规模，但也存在超过90%进口依存度的情形。根据CCID报道，2017年中国功率器件市场规模达到1611.1亿元，约合240亿美元，其中本土芯片供应商如扬州扬杰、华润微电子、士兰微、华微、捷捷、固锝、新顺等功率器件总营收不超过20亿美元，剩下超过90%的需求依赖进口。按照前述类似模拟芯片的计算方法，要满足110亿美元的芯片所需的产能约100万片/月。 在很多国内Foundry内，产线同步承接功率器件制造和模拟类集成电路如功率集成电路的制造，因此国内可用于功率器件制造的晶圆月产能缺口情况和模拟芯片亦是类似的。当前国内可用于功率器件制造的晶圆月产能约为37万片/月，扣除运营不好或者还未实际投入运营的产能，仅剩不足30万片/月。供给与需求两相对比，缺口超过70万片/月。从近些年的历史情况看，国内功率器件需求持续旺盛，景气度不断攀升。预计到2023年，国内功率器件市场规模将超过300亿美元，晶圆年产能需求1667万片（算法按照上面模拟芯片的计算逻辑），约139万片/月。到那时，国内既有产能加上确定增加的产能约为52万片/月，仍有87万片/月缺口。 国内可用于功率器件制造的晶圆线产能 预计2023年国内新增功率器件制造的晶圆线产能 除了整体产能不足以外，国内模拟芯片厂商处于“三低”的局面：产品低端、企业产值低、企业集中度低。一个典型的明证就是在国内功率半导体市场排名中前十五，没有任何一家国内公司，同时国内公司占比没有任何一家超过2%。 三、中国具备增加模拟、功率半导体产能的条件，虚拟IDM运营或成为解决之道 首先，中国有着如此庞大的模拟市场，供需差距将越来越大，随着中国系统厂商在全球产业版图中的话语权逐渐升高，一大批整机系统厂商的崛起，中国将继续牢牢站住市场，在中国建立模拟、功率生产线是最贴近市场的做法。 其次，从商业模式来看，优秀的模拟产品是需要设计和工艺紧密结合，双方充分的交流才能开发出有特色、有竞争力的产品。具体到其产品特性来看，模拟产品定制化程度很高，国外厂商一般会根据应用需求定义开发新的产品——设计、工艺、应用构成了一个产品定义的稳定三角，这是为什么模拟芯片的厂商几乎都是IDM的模式；同时，这也是模拟芯片的技术也大都集中于国外厂商手里的原因——国内缺少代工厂的支持，很难形成设计和工艺结合的机会。 第三，相较于12吋生产线动辄几百亿上千亿的投资，模拟、功率半导体生产线的产线投资较小，利润高，回报率更优。而中国设计公司有着贴近本土市场的优势，掌握了产品定义，逐渐突破工艺和设计，在细分领域做深做精的，成为“小而美”公司的可能性更大。 所以，中国已经初步具备了发展模拟、功率半导体生产线的诸多条件，当下加快布局已十分急迫和关键，接下来就是发展路径的问题了。 回顾近50年的半导体产业，其发展模式在不断地调整。产业最初IDM是主流模式，上世纪90年代初开始兴起Fabless（无晶圆设计），紧接着Foundry（晶圆代工）跟随而行。进入新世纪后开始Fab-Lite(轻晶圆厂)模式。“分久必合，合久必分”的半导体商业模式也在不断优化和迭代。未来会采用什么模式，因时、因产品而异，业内也不断有探索和尝试。但即使五十多年过去，细数在模拟、功率方向的领先企业，依然是IDM模式为主。 2017年全球十大模拟集成电路公司 半导体产业目前己逐渐逼近摩尔定律的极限，工艺研发费用迅速上升以及未来建厂费用太高，而从Fabless角度，产品的设计与掩模费用也成倍增长，导致每年新开发的产品数量减少。再加上建厂费用大幅增加，新进入企业的费用也攀高。这些因素迭加在一起，使市场将会变得更加残酷。中国半导体产业直接从零打造一个强大的IDM，从平地起楼阁的时机可能并不合适了。如何定策略、如何落战术，如何面对竞争，如何抢夺制高点，考验着我们产业人的智慧。 具体到模拟芯片的发展上，一方面要学习国外已有的成熟经验，采用IDM模式；另一方面也要探索符合我们国情和半导体发展规律的特有路径。芯谋研究认为，虚拟IDM或者高端定制代工将成为下一步模拟芯片发展的主要趋势。以制造为基点，与IC设计及封测厂商进行深度合作，形成虚拟IDM模式，产业链各环节快速响应，提升产业推进效率。 随着各地集中区域优势，重点发展半导体产业的强力推动下，原本一直用IDM模式发展的模拟芯片，可能成为中国下一波“Foundry + Fabless”模式的主要产品领域。近期类似“特色小镇”的发展模式逐渐兴起，地方政府对于建设或者引进一条生产线、支持一个产业链的发展，进而形成产业生态系统，已经有了普遍的共识，在此基础上更快速地聚拢一个产业链条，尤其是在应用集聚区域，更有希望孕育出高端模拟芯片、功率器件的优质企业。 结语： 全球半导体产业近些年呈现出各种新格局、新形势、新趋势，是由新的市场环境下各家公司的生存环境所决定的，都具有各自的合理性。模拟芯片、功率器件具有独特的产业地位，其产能的提升既为全球市场之必须，又为国内人才积累之急需，值得我们大力、持续的投入；模拟芯片、功率器件具有独特的产业属性，既有设计壁垒，又有工艺门槛，值得我们更深入去探索。
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