AI大模型趨勢(shì)下，工業(yè)半導(dǎo)體領(lǐng)域正面對(duì)新的發(fā)展挑戰(zhàn)。如何在提升器件效率的同時(shí)平衡能耗表現(xiàn)，如何應(yīng)對(duì)具身智能等新應(yīng)用趨勢(shì)都值得關(guān)注。

在近日舉行的工業(yè)峰會(huì)期間，意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics，簡稱ST）中國區(qū)功率分立和模擬產(chǎn)品器件部市場及應(yīng)用副總裁Francesco Muggeri在發(fā)言時(shí)介紹，ST宣布了“在中國，為中國”的發(fā)展策略，正陸續(xù)在中國建立端到端的供應(yīng)鏈能力。

此前ST已在深圳設(shè)立后工序的封測工廠；今年6月宣布與三安光電在重慶合資建設(shè)碳化硅合資廠，將優(yōu)先考慮賦能汽車行業(yè)應(yīng)用；近日則與華虹半導(dǎo)體合作在中國生產(chǎn)40nm節(jié)點(diǎn)微控制器（MCU）?！拔覀兩罡袊袌?，因?yàn)榭吹接泻芏喔偁帉?duì)手在中國市場大展拳腳。因此我們也需要提升在中國市場的落地產(chǎn)能，以提升本地化服務(wù)能力?！彼m(xù)稱。

ST是工業(yè)半導(dǎo)體領(lǐng)域的頭部公司，2023年全球主要工業(yè)半導(dǎo)體市場面臨成長壓力，在市場年?duì)I業(yè)收入整體同比下降6.5%的背景下，ST實(shí)現(xiàn)年內(nèi)同比增長15.1%。由此令其在工業(yè)半導(dǎo)體領(lǐng)域的市場份額從2022年的5.6%增長到2023年的6.9%。

據(jù)介紹，ST在積極采用碳化硅、氮化鎵這類化合物半導(dǎo)體材料技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)場景中，以幫助節(jié)能降碳；此外，ST旗下部分器件已經(jīng)可以運(yùn)行大語言模型，以加速推動(dòng)邊緣智能的實(shí)現(xiàn)。

碳化硅加速商用

過去一年來，ST在中國市場備受關(guān)注的舉措就是與三安光電聯(lián)合推進(jìn)碳化硅產(chǎn)品生產(chǎn)落地。其中很大原因就是伴隨國內(nèi)新能源市場的快速發(fā)展，碳化硅器件應(yīng)用需求也日益旺盛。

意法半導(dǎo)體高管Domenico ARRIGO受訪時(shí)介紹，在化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域，考慮到技術(shù)成熟度情況，意法半導(dǎo)體會(huì)優(yōu)先發(fā)展碳化硅技術(shù)，這是目前市場中一個(gè)主要驅(qū)動(dòng)技術(shù)；但公司同時(shí)也在推動(dòng)氮化鎵整體解決方案，目前趨勢(shì)是打造一個(gè)高集成度的系統(tǒng)。

“在推進(jìn)氮化鎵技術(shù)過程中，綜合性的封裝解決方案尤為重要。因?yàn)槿绻尩墝⑵湫阅鼙憩F(xiàn)最大化，氮化鎵需要能被最有效、最直接地驅(qū)動(dòng)連接。目前市場上大約有70%的比例依賴于這種高度集成的解決方案，因此我們認(rèn)為，在氮化鎵市場，高度集成是最為重要的方式?！彼m(xù)稱。

雖然目前碳化硅功率器件被越來越多應(yīng)用在新能源汽車上，但在應(yīng)用過程中，成本也是必要考慮因素。倘若單純從器件本身看，碳化硅功率器件成本偏高于硅基功率器件，這在早期也成為限制碳化硅普及的一個(gè)難題，不過隨著以特斯拉為代表的新能源汽車廠商積極采用并推進(jìn)對(duì)整車能效升級(jí)，碳化硅應(yīng)用趨勢(shì)仍在延續(xù)。

也有從業(yè)者對(duì)21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者指出，應(yīng)用碳化硅器件不應(yīng)僅考慮器件本身的成本，而要綜合考慮整體對(duì)新能源汽車帶來的功效提升，從綜合維度看，應(yīng)用碳化硅器件的最終綜合應(yīng)用成本是低于硅基器件的。

意法半導(dǎo)體高管Angelo RAO也分析道，硅基IGBT和碳化硅從來都不是相互對(duì)立的技術(shù)，二者沒有取代之說，兩種技術(shù)是互補(bǔ)的，可以被運(yùn)用在不同場景、工況、階段?！芭e例來說，碳化硅在實(shí)際嚴(yán)苛的工況下，作業(yè)時(shí)間會(huì)更長。因此可以滿足在有限空間范圍內(nèi)，帶來整體工作效率提升?？傮w而言，即使這種技術(shù)的器件價(jià)格或成本與其他技術(shù)相比可能更高，但它能在更高電壓下工作、效率更高，并能達(dá)到其他成熟技術(shù)無法達(dá)到的能效目標(biāo)。”

“如果是同樣一輛電動(dòng)車、同樣功率、同樣電池容量的條件下，僅僅對(duì)開關(guān)部分進(jìn)行材料轉(zhuǎn)換，從傳統(tǒng)的硅基IGBT改為采用碳化硅器件后，會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)對(duì)所有駕駛參數(shù)進(jìn)行調(diào)優(yōu)配置后，整體續(xù)航能力在使用碳化硅后能提升16%~19%，這是ST協(xié)同合作伙伴經(jīng)過多次仿真模擬后得到的結(jié)果?！盕rancesco進(jìn)一步舉例道。

對(duì)于兩類主要化合物半導(dǎo)體的應(yīng)用趨勢(shì)，F(xiàn)rancesco指出，碳化硅更適合在高壓、對(duì)溫度要求嚴(yán)苛的工況下作業(yè)。氮化鎵比較適合在一些高頻、相對(duì)低壓的環(huán)境中作業(yè)。具體來說，碳化硅主要被應(yīng)用在汽車或工業(yè)電源、電機(jī)控制等領(lǐng)域，氮化鎵多用在適配器、逆變器等場景。

AI大模型趨勢(shì)下，數(shù)據(jù)中心需求旺盛，但同時(shí)伴隨高能耗特性，化合物半導(dǎo)體的應(yīng)用對(duì)減碳也將發(fā)揮作用。

據(jù)意法半導(dǎo)體工業(yè)電源與能源技術(shù)創(chuàng)新中心負(fù)責(zé)人周光祖介紹，通過使用碳化硅實(shí)現(xiàn)更高效率和更好功率密度，輔以ST的電隔離柵極驅(qū)動(dòng)器STGAP，將有助于減緩數(shù)據(jù)中心電能需求增長。該方案可為AI數(shù)據(jù)中心提供5.5千瓦的電源。另外，基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)型到高壓直流電（HVDC）可以減少輸電損耗和能耗，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)中心的能效。意法半導(dǎo)體的一系列碳化硅技術(shù)結(jié)合先進(jìn)封裝能力，可以使高壓直流電的電源系統(tǒng)能夠在高溫環(huán)境中表現(xiàn)出色。

“在功率密度提升的前提下，第二個(gè)關(guān)鍵因素是如何在有限空間內(nèi)進(jìn)行有效的散熱控制。未來一些被動(dòng)元件的進(jìn)步也將配合電源設(shè)計(jì)發(fā)展，使電源設(shè)計(jì)從單相擴(kuò)展到多相轉(zhuǎn)換架構(gòu)，這正是氮化鎵的優(yōu)勢(shì)所在，能進(jìn)一步縮小尺寸并提高密度。在這種趨勢(shì)下，氮化鎵將在提高功率密度的過程中扮演越來越重要的角色?！彼a(bǔ)充道。

工業(yè)+AI新趨勢(shì)

在智能工廠場景中，越來越多機(jī)器人被引入流程運(yùn)轉(zhuǎn)過程。不只是機(jī)械臂，甚至有廠商已經(jīng)在推動(dòng)人形機(jī)器人進(jìn)入工廠。

意法半導(dǎo)體智能工業(yè)全球細(xì)分市場及系統(tǒng)應(yīng)用、自動(dòng)化技術(shù)創(chuàng)新中心負(fù)責(zé)人Allan LAGASCA對(duì)21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者分析，人形機(jī)器人目前的發(fā)展和技術(shù)影響力越來越大?！皞鹘y(tǒng)的機(jī)械臂主要是做單調(diào)、重復(fù)性工作。目前人形機(jī)器人受歡迎，其中一個(gè)原因在于其可以參與到工廠決策過程，并且能實(shí)現(xiàn)與設(shè)備端互聯(lián)，推動(dòng)智能工廠的打造?！?/p>

他進(jìn)一步指出，如果把人形機(jī)器人拆分來看，它仍然是傳統(tǒng)功能模塊的組合。在任何人形機(jī)器人上，仍然由傳統(tǒng)的電機(jī)控制、傳感器、連接器件等所構(gòu)成，當(dāng)然也加上與人工智能相關(guān)的功能和模塊。

“相信ST的微控制器（MCU）在這方面會(huì)扮演更加重要的角色，進(jìn)一步推動(dòng)人形機(jī)器人進(jìn)入智能生產(chǎn)工廠。但目前我們對(duì)人形機(jī)器人市場的定位是，讓客戶能意識(shí)到ST擁有相關(guān)產(chǎn)品和解決方案，我們也愿意和客戶聯(lián)合開發(fā)新產(chǎn)品、形成解決方案?！盇llan總結(jié)道。

意法半導(dǎo)體高管Arnaud JULIENNE對(duì)記者進(jìn)一步分析，具體到MCU領(lǐng)域，傳統(tǒng)人形機(jī)器人可以被分成兩種：一種是較為先進(jìn)的人形機(jī)器人，其配備了強(qiáng)大的處理器，必須應(yīng)用到廣泛的人工智能資源；另一類則是相對(duì)簡單的人形機(jī)器人，目前ST更專注在這一領(lǐng)域。

“其中有嵌入式MPU（微處理器）做系統(tǒng)管理，會(huì)有不同的MCU對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行管理，包括對(duì)電機(jī)、執(zhí)行器的管理等?！彼m(xù)稱，對(duì)于這類人形機(jī)器人，邊緣人工智能在預(yù)測性維護(hù)方面已經(jīng)發(fā)揮了很大作用；也可以使用它進(jìn)行后期設(shè)備跟蹤，并自主性故障預(yù)警。

同時(shí)，每隔幾個(gè)月，ST會(huì)持續(xù)對(duì)MPU處理性能、算法不斷提升?！艾F(xiàn)在甚至在ST的MCU上（如STM32系列）可以運(yùn)行大語言模型，這在幾年前是做不到的。所以隨著設(shè)備本身處理能力不斷提升，算法也得到極大優(yōu)化?！盇rnaud表示。

“人工智能已經(jīng)出現(xiàn)在了的邊緣節(jié)點(diǎn)上，它的出現(xiàn)非常重要。”Allan指出，由此，每個(gè)自動(dòng)化節(jié)點(diǎn)都能立即對(duì)所處環(huán)境做出反饋和決定，而不需要等到最終流程再做反應(yīng)。換言之，邊緣智能的普及將加速推動(dòng)智能制造實(shí)現(xiàn)。