أخبار التكنولوجيا

قيادة الابتكار: رؤى من الاجتماع السنوي لـ PowerAmerica حول GaN وSiC



خلال الاجتماع السنوي الأخير الذي عقدته PowerAmerica في الفترة من 12 إلى 15 مارس في جامعة ولاية نورث كارولاينا، تم ترتيب حلقتين حول SiC وGaN وخصصتا لإنتاج الرقائق الأمريكية. وكان المشاركون في لجنة SiC هم Kevin Speer، وMicrochip Technology / GP Gopalakrishnan، وWolfspeed / Andy Wilson، وQorvo. المساهمين في لوحات GaN هم تيم ماكدونالد، إنفينيون / ليو فوغان إدموندز، نافيتاس / راجيش ناير – جلوبال فاوندريز / روس ميلر، سكاي ووتر تكنولوجي / تيم مالوني، بولار سيميكوندوكتور. ألقى فيكتور فيلياديس، المدير التنفيذي لشركة PowerAmerica ومدير التكنولوجيا التنفيذي، الكلمة الافتتاحية. تعرض هذه المقالة بعض النقاط البارزة في اللوحتين.

مقدمة فيكتور Veliadis عن إنتاج SiC في الولايات المتحدة

يعد تصنيع SiC في الولايات المتحدة قصة نجاح. لقد تم تطوير عمليات SiC في الولايات المتحدة بشكل مبكر بفضل الاستثمارات في التطبيقات العسكرية. يتذكر فيلياديس عندما تم تحصيل مبلغ 25000 دولار منه مقابل رقائق 3 بوصات اللازمة لبناء منتجات بقدرة 10 كيلو فولت لدراسة الجدوى. كانت فكرة تصنيع SiC هي توفير حجم إضافي للتعويض عن الانخفاض في إنتاج رقائق السيليكون مع إمكانية تشغيل المصانع بكفاءة. وقد مكّن ذلك شركتي PowerAmerica وX-Fab في عام 2016 من إنشاء أول مسبك مفتوح لكربيد السيليكون في العالم، وتحويل منشأة سابقة تابعة لشركة Texas Instruments كانت تصنع رقائق السيليكون التقليدية. إحدى المشاكل الرئيسية في تنفيذ مثل هذا النموذج هي العدد الكبير من العمليات التي يجب تكرارها عند التعامل مع العديد من العملاء، كل واحد منهم يطالب ببراءات الاختراع الخاصة به. ويمكن التغلب على ذلك من خلال إنشاء كتل أساسية للعملية وإضافة الخطوات المبتكرة لكل حالة على حدة للتمايز.

ومن الأمثلة على نموذج التمويل هذا شركة Microchip، “وهي شركة بدأت في X fab، وتقوم بإنتاجها هناك. في النهاية، ذهبوا إلى كولورادو سبرينغز وقاموا ببناء خط خاص بهم. لذلك، ستقوم شركة السيليكون المصنعة الخاصة بهم بصناعة كربيد السيليكون، وقد قمت بتمويل بعض من ذلك، وكانت أول شركة تأتي مع MOSFET 3.3 كيلو فولت، والتي قمت بتمويلها جزئيًا، بالطبع، لقد وضعوا الكثير من المال من تلقاء أنفسهم. فيكتور.

مصادر الركيزة SiC

لقد كان تحديد مصادر الركيزة مشكلة رئيسية بالنسبة لتلك الشركات التي قفزت إلى كربيد السيليكون. في الآونة الأخيرة، وافقت وزارة الطاقة (DOE) على تضمين تمويل المواد في ما ستفعله PowerAmerica في المستقبل. وتحاول الشركات سد الفجوة في إمدادات الركائز، حيث أحرز بعض اللاعبين الصينيين تقدمًا كبيرًا في تقديم منتجاتهم. اعتمد مصنعو SiC على شركة Wolfspeed التي تمتلك حوالي 60% من حصة الرقائق السائبة، لكن بعض الشركات تتحرك بسرعة نحو التكامل الرأسي. ولحسن الحظ، كانت شركة Wolfspeed بعيدة النظر في خدمة العملاء (والمنافسين المحتملين) الذين تم توقيع اتفاقيات توريد طويلة الأجل معهم.

وأشار كيفن سبير إلى أن تسليع الركائز سيفيد شركات مثل Microchip التي لديها كل ما يحتاجه المصمم لبناء حل نظام كامل لمساعدة العملاء على اعتماد كربيد السيليكون. اليوم، تبلغ تكلفة الركيزة بالإضافة إلى epi 10% فقط لجهاز السيليكون النهائي، مقارنة بـ 50% لـ SiC. ولكن، كما قال فيلياديس، حتى مع أن 50% من تكلفة الجهاز ناجمة عن الرقاقة، فإن الحل الإجمالي لنظام SiC في بعض التطبيقات سيكون أقل تكلفة. ويرجع ذلك إلى التبسيطات الكبيرة على مستوى النظام والإدارة الحرارية الأفضل. يمكن أن تكون هذه الفوائد كافية لتعزيز نشر SiC على نطاق أوسع، ولكن من المؤكد أن تقليل تكلفة الركيزة سيعطي دفعة لقطاع كربيد السيليكون بأكمله.

تطبيقات SiC القاتلة والآفاق المستقبلية

إذا كان الجهد المنخفض SiC (650 فولت إلى 1200 فولت) هو التطبيق القاتل في السيارات، فما هو التطبيق القاتل للجهد العالي؟ وما هي أكبر العوائق التي تحول دون الوصول إلى الجهد العالي لتصنيعها بشكل موثوق؟ على الرغم من التباطؤ المؤقت في مبيعات السيارات الكهربائية، إلا أن الاتجاه سيستمر في الارتفاع. من المحتمل أن يكون التطبيق القاتل عبارة عن أجهزة شحن سريعة تعمل بالتيار المستمر في شبكة الجهد المتوسط ​​حيث تقع الفولتية التشغيلية عادةً في النطاق من 3 كيلو فولت تيار متردد إلى 40.5 كيلو فولت تيار متردد. لا تقتصر أجهزة الشحن على السيارات فحسب، بل يمكن أن تستخدم أيضًا للطاقة الأرضية في أنظمة الطيران وتخزين الطاقة. لذلك يمكن أن يمثل SiC عالي الجهد فرصة كبيرة لتحديث شبكة الطاقة واستخدامه لأغراض الحماية في الجهد المتوسط ​​والعالي، بشرط إمكانية إعادة توازن موارد SiC، المخصصة في الغالب للسيارات.

يمكن تقييم النماذج الأولية لمحولات الحالة الصلبة، التي تعمل بكامل طاقتها، والمذكورة في اللجنة، للاستخدام التجاري. تعمل هذه الأجهزة بقدرة 400 كيلو فولت أمبير، والتي تم تسليمها إلى البحرية الأمريكية، على تحويل 4160 فولت إلى 480 فولت ويتم تنفيذها باستخدام وحدات MOSFET من كربيد السيليكون بقدرة 10 كيلو فولت في طوبولوجيا ذات مستويين.

وفي الختام، أشار فيلياديس إلى أن مشاركة الحكومة كانت ناجحة لأنها جاءت في وقت مبكر للقيام بالاستثمارات المناسبة في الوقت المناسب ومع الأشخاص المناسبين. ولكن من المهم أيضاً أن يساعد القطاع الخاص في دفع التكنولوجيا إلى الأمام. “عندما يتعلق الأمر بكربيد السيليكون، لدينا مرونة في سلسلة التوريد. لدينا العديد من الشركات التي تقدم الركائز، ولدينا العديد من الشركات التي تقوم بالتركيب، وهناك الكثير من الشركات من المسابك إلى المصانع التي ستقوم بتصنيع كربيد السيليكون، والشركات التي ستضع SiC في وحدات، وبالتأكيد بنية تحتية لـ “القيام بالتطبيقات الفعلية” لخص فيلياديس.

هل تختلف مراكز CLAWS وPowerAmerica؟

قفزة تجارية إلى الأمام لأشباه الموصلات واسعة النطاق، أو مخالب، هو مركز أبحاث أشباه الموصلات يقع مقره الرئيسي في جامعة ولاية نورث كارولاينا ويقوده، وقد تم تشكيله بواسطة BluGlass وCoherent وWolfspeed وجنرال إلكتريك وAdroit Materials وKyma وجامعة ولاية كارولينا الشمالية A&T مع قيام الحكومة الفيدرالية بتمويل المجموعة بمنحة قدرها 39.4 مليون دولار. سيتم استخدام جزء من الاستثمار، 14 مليون دولار، لشراء معدات لغرفة الأبحاث في ولاية نورث كارولاينا، للمساعدة في إنشاء خط تجريبي. يهدف مشروع CLAWS إلى تسريع عملية تطوير أشباه الموصلات المركبة ذات فجوة النطاق الواسعة والفائقة الاتساع. فيما يتعلق بالحافز، فإن CLAWS أوسع من التركيز على رقائق WBG وإلكترونيات الطاقة، مقابل PowerAmerica. ومن حيث التطبيقات، فهو في الواقع يبحث أيضًا في مجال الترددات اللاسلكية. وهذا يعني السعي إلى تطوير إلكترونيات الطيران ورقائق الأقمار الصناعية لدعم إمدادات الطاقة والترددات اللاسلكية، ومعرفة كيفية تعامل الشريحة مع الضوء في الأشعة فوق البنفسجية والجزء المرئي من الطيف للتطبيقات الكمومية. لكن كلاهما يخدم فلسفة مشتركة عندما يتعلق الأمر بتطبيقات وزارة الدفاع التي غالبًا ما تكون في بيئات قاسية. مع ال الالكترونيات الدقيقة المشتركة تهدف وزارة الدفاع إلى سد الفجوة بين أبحاث الإلكترونيات الدقيقة وتسويقها من خلال تعزيز الشراكات بين مصادر التكنولوجيا الناشئة ومرافق التصنيع والشركاء المشتركين بين الوكالات. ومن الأمثلة على ذلك GaN لإلكترونيات الطاقة، والتي تم من أجلها وضع نهج للنظام البيئي يتضمن الركيزة، والطبقة، والجهاز، والتطبيق. وفي هذه الحالة، بالنسبة لإلكترونيات الطيران والأقمار الصناعية، تم تجميع EPC Space وLockheed Martin معًا. من الضروري أن يتمتع مفهوم مسبك البحث هذا بالمرونة. بمعنى آخر، يجب الحصول على بعض الفوائد الواضحة من PDK (مجموعة تصميم العمليات، مجموعة الملفات المستخدمة في صناعة أشباه الموصلات لنمذجة عملية التصنيع) للتحكم في العمليات، وتوفير بعض المرونة في الابتكار، والتي يصعب الحصول عليها عادةً من PDK جامدة.

التآزر بين CLAWS وPowerAmerica

تتمثل إحدى طرق تحقيق أفضل تآزر بين المركزين في التواجد في موقع مشترك في الحرم الجامعي حيث يعد الحوار المستمر والتعاون شرطين للنجاح. ولكن كيف يمكن لتطبيق ذو حجم أصغر أن يكون له تأثير أكبر على الحجم الأكبر؟ لنأخذ على سبيل المثال تطبيقًا خاصًا بالفضاء أو الأقمار الصناعية، وهو نوع من التطبيقات المتخصصة ذات متطلبات خاصة جدًا. ومن خلال التعلم من التطبيقات المتخصصة، يمكن للمرء أن يستنتج قواعد جديدة لجعل قطع غيار السيارات أفضل وأكثر قوة. مثال آخر هو عمل SiC في شركة جنرال إلكتريك. إن مطابقة متطلبات معينة لوزارة الدفاع يمكن أن تعطي أفكارًا جديدة فيما يتعلق بتطبيقات الجهد العالي مثل تلك الموجودة في شبكات الطاقة.

هناك أيضًا فرص كبيرة للتغليف عالي الجهد، خاصة في التطبيقات المهمة حيث لا يتعين على الأجزاء الإلكترونية أن تعمل اليوم فحسب، بل يجب أن تقوم بهذه المهمة لمدة 20 عامًا على الأقل. في السفن الكبيرة والغواصات، حيث تمثل حافلة 13.8 كيلو فولت العمود الفقري لتوزيع الطاقة الكهربائية، يجب وضع المكونات في عبوات خاصة؛ بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تستمر هذه الأجهزة بشكل مثالي طوال عمر السفينة، أو على الأقل أن تكون قابلة للاستبدال. ومن خلال النظر في كيفية توسيع دورات حياة الغواصات، فإن المصممين لديهم كل العناصر اللازمة لدفع عمر الغواصات إلى 30 وحتى 40 عامًا. على الجانب التكنولوجي، هناك الكثير من الخبرة، ليس فقط في مجال التغليف، ولكن أيضًا في كيفية استخدام التغليف في الدوائر في ولاية نورث كارولاينا، وتعد EDA (أتمتة التصميم الإلكتروني) جزءًا مهمًا من ذلك، من حيث كل من التفاعلات الحرارية والكهربائية الحرارية.

فرص GaN في مراكز البيانات

قدم Llew Vaughan-Edmunds من Navitas نظرة عامة مثيرة للاهتمام حول تأثير GaN على مراكز البيانات بسبب الاستخدام المتزايد باستمرار للرقائق لمعالجة الذكاء الاصطناعي التي تتطلب وحدات إمداد الطاقة (PSUs) للتعامل مع كثافات طاقة أعلى. عادةً، توفر وحدة AC-DC الموجودة في الخزانة ثلاثة كيلووات من الطاقة لتزويد حوالي ثمانية إلى عشرة وحدات معالجة رسوميات. استهلكت وحدات معالجة الرسومات التي أصدرتها Nvidia منذ عامين حوالي 700 واط. سيتم إصدار Blackwell في وقت لاحق من هذا العام الحروق كيلووات واحد، ولكن يجب أن تستخدم نفس مساحة الحامل. لذلك، يحتاج الجيل التالي من وحدات إمداد الطاقة إلى إدارة 10 كيلووات ويمكن أن يسمح GaN بكثافة الطاقة هذه، وهي مهمة لا يستطيع السيليكون القيام بها.

سيكون هناك نمو هائل في شبكات GaN في مراكز البيانات مع نمو الطلب على الخدمات بشكل كبير، مدفوعًا بالتوسع الذي لا يمكن إيقافه في الحوسبة السحابية، وإنترنت الأشياء، والترفيه المتدفق، وتحليلات البيانات الضخمة. على سبيل المثال، تستهلك جلسة ذكاء اصطناعي واحدة مثل ChatGPT ما يصل إلى 100 مرة طاقة أكثر من بحث Google النموذجي. وفقًا لبعض التقديرات، يتم شحن أكثر من 13 مليون خادم كل عام، ويمكن أن يحتوي كل خادم على ما يزيد عن 75 دولارًا من محتوى GaN، وبالتالي فإن السوق المحتمل لـ GaN في مراكز البيانات يمثل عملاً بقيمة مليار دولار.

مقالة قيادة الابتكار: رؤى من الاجتماع السنوي لشركة PowerAmerica حول GaN وSiC ظهرت لأول مرة على Power Electronics News.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *