今年IIC Shanghai的第一大主题就是AI，连电源论坛也不例外——因为AI不仅与算力高度相关，由高算力需求带来的功耗和能效问题同样与AI紧密关联。麦肯锡在2023年的全球能源展望报告（McKinsey’s Global Energy Perspective 2023: Power Outlook）中提到，数据中心当前消耗的全球电力资源还在快速增长。
尤其是随着AI和HPC需求的提升，2030年数据中心耗电量在全社会用电总量中所占的比例预计会从2%提升到7%。其他研究机构的预测数据更为夸张（甚至有预测超过10%）——无论AI和数据中心未来要消耗多少电能，比较明确的是AI服务器负载需要更为先进的电源解决方案来提供支持。
英飞凌高级副总裁、氮化镓业务负责人Johannes Schoiswohl
最近，笔者采访了英飞凌高级副总裁、氮化镓业务负责人Johannes Schoiswohl，他分享了这样一段话更有助于我们感知在AI领域，当前电源解决方案的重要性，或者说可以量化这种紧迫性：“假定服务器机架的功耗为1MW（兆瓦）——而且可能仅仅是机架内的GPU就需要消耗这么多电能；那么为了达到1MW的功耗需求，电源供给首先就需要超过1WM，因为在电源转换的过程中无法达到100%的转换效率。”
实际上，NVIDIA在前不久的2025 GTC开发者大会上就预告了2027年将面世的Rubin Ultra NVL576系统单机架的功耗需求，其功耗高达600kW，所以兆瓦级别的单机架功耗已逐渐成为常态。“如果电源转换效率是98%，那么电源的输入功率就需要达到1.02MW。听起来好像只有2%的能量损耗，但实际上这里的2%就意味着20kW——功耗其实并不小。所以就当前的技术来看，每0.1%的效率提升对于AI数据中心的节能降耗而言就相当可观。”
这体现出了宽禁带功率器件的重要性。“对于某些特定应用而言，理想情况下，采用GaN（氮化镓）技术能降低一半的功率损耗。”“如果说硅基器件能够达成90%的转换效率，那么GaN器件就能做到95%。面向服务器高达1MW的功率所需，这两者之间的电源输入功率就是1.1MW和1.05MW的差别，可以说在实际应用中，由此而带来的成效差异还是挺明显的。”“以20台服务器机架为例，硅基器件的功率损耗就要多出1MW。”Johannes说，“如果再加上可持续发展和环境效益方面的考量，例如CO2排放等，问题会更加凸显。”
在AI技术高速发展，且可能革新社会发展与人类生活的当下，电源技术与解决方案会走向何方？这是本次采访中，我们与Johannes探讨的重点话题。
如今，许多传统服务器背后采用的是48V电源转换器（DC-DC）。然而，对于可控的传导损耗而言，48V的电压其实偏低了。Johannes指出：“如果能在背板中直接使用400V电压，就能有效降低损耗。但问题是服务器主板及各组件所需的电压通常较低，因此仍需将400V电压转换为更低的电压才能使用。这意味着对于空间要求日益严苛的服务器来说，电源转换模块必须尽可能做到外形小巧。”
GaN能够通过提升DC-DC的开关频率来实现更高的功率密度，对于AI服务器而言，“GaN自然就成为了相对理想的选择”。当前，GaN已经开始在AI服务器供电领域应用。Johannes表示，英飞凌已经开始面向功率等级在5-8kW区间的供电应用提供GaN产品。“出货量也正在变得越来越大——更高的功率密度、更高的效率是AI服务器所需要的。”
他还提到目前英飞凌正在提供基于自家产品的一系列参考设计方案，分别针对3.3kW、5kW、8kW、12kW等不同功率等级的应用需求。尤为值得一提的是，在AI数据中心领域，英飞凌更看好硅基MOSFET、GaN HEMT和SiC MOSFET三者组合的“混合架构”，能够提供满足各类需求的、平衡的解决方案。
例如，所谓的“混合电源”解决方案可以在PFC控制器中采用硅、在特定的高压电路中采用SiC（碳化硅）、在LLC拓扑中采用GaN等。“集成这些技术的混合解决方案，能够帮助客户实现最佳的成本效益，获得最好的性价比。”“很高兴能够分享这些针对AI计算系统的参考解决方案，现在英飞凌还在持续探索这类参考设计的解决方案，未来可能会面向更高功率段——例如22kW。”
“而到了20kW以上——此时就需要用到三相功率系统了——工程师会考虑使用1200V的SiC转换器”。在IIC Shanghai 2025的“高效电源管理及宽禁带半导体技术应用论坛”上，英飞凌的技术演讲中提到英飞凌是行业内为数不多同时掌握硅、SiC与GaN等核心功率半导体技术的企业，并且明确划定了三者不同的应用领域，具体如下图所示：
英飞凌消费、计算与通讯业务大中华区首席工程师陈学顺在主题演讲中指出：与传统硅基功率器件相比，SiC可兼顾开关频率与功率密度；GaN的优势则在于可将开关频率做得更高，但在功率段覆盖范围并不是特别宽；GaN的成本目前还在走低，将来会有更多应用部署和采用GaN技术。前不久，我们已经撰文探讨过三类器件的特性及两种核心宽禁带器件的发展潜力。
“在1200V转换器领域，SiC技术还是需要考量成本因素时做出的优选。的确也有一些公司在考虑选择1200V GaN器件的技术方向——但这个方向目前还存在诸多不确定性。从实际的生产制造角度来看，如果要制造能够满足1200V大功率需求的半导体器件，外延（epitaxy）需要做得更厚，同时，为了满足性能要求，整体器件尺寸可能还需设计得更大，在成本效益方面面临挑战。”而在650V左右的电压范围内，选择SiC还是GaN，Johannes认为主要取决于相关客户在功率密度、风险控制、产品上市时间等方面的具体需求。不同的应用场景和业务目标，会使得客户在技术选型时更倾向于满足自身特定需求的解决方案。
所以在英飞凌的产品布局中，可以看到其CoolSiC™ MOSFET Generation 2覆盖了电压为600V、650V、750V、1200V、1700V、2000V、3300V等不同型号的产品，其中包括了单管与模组，另外英飞凌近期也推出了400V的新品——面向特定用户提供更高效的解决方案；而CoolGaN产品组合则覆盖了40V-700V电压范围区间——同时也面向消费、工业、汽车等不同类别的市场应用。
实际上，在Yole Intelligence近两年公布的数据中，GaN市场相较SiC市场的增长率更高。Yole预计，2022-2027年，SiC功率器件（不仅仅是SiC MOSFET）市场的CAGR（年均复合增长率）约在33%左右，而GaN功率器件市场的这一数字则为56%；且从市场规模绝对值的角度来看，GaN也将远超SiC——这主要得益于GaN技术在大量终端市场的快速落地应用。
对英飞凌而言，过去两年发生了两件与GaN有关的大事件：（1）2023年10月，英飞凌宣布全资收购GaN Systems，收购价格为8.28亿欧元；（2）2024年9月，英飞凌宣布成功开发出全球首款300mm GaN功率半导体晶圆技术。这两项大事件实则已经表现出英飞凌对于GaN业务的持续投入和信心。在笔者看来，这也分别代表了功率器件市场和技术两个层面发展方向的大事件。
技术方向上，有关300mm GaN功率半导体晶圆的生产和制造——使用更大尺寸的GaN晶圆生产芯片将更加高效，单个300mm晶圆就能容纳2.3倍于200mm晶圆的芯片数量，可以大幅提升未来GaN芯片的生产制造效率；除此之外，目前笔者所知的信息为，300mm GaN功率半导体晶圆在英飞凌的奥地利菲拉赫（Villach）工厂进行试产（pilot line，预商业生产线）。此前据英飞凌官方新闻稿，该技术充分利用了现有300mm硅晶圆及200mm GaN晶圆的生产能力。
Johannes也在采访中提到，300mm GaN功率半导体晶圆的前期目标应用主要是在中压市场，如电池管理中的双向开关、各类开关模式转换器中的同步整流器等。
至于GaN Systems的收购，这对于整个GaN市场而言都是大事件，因为英飞凌和GaN Systems都是GaN市场的核心玩家。不过这也并非英飞凌在GaN领域的唯一收购动作：若要细数该公司有关并购与合作的核心事件，包括：英飞凌2015年收购International Rectifier（IR）；同年英飞凌与松下宣布，双方将基于松下的E-mode GaN-on-Silicon晶体管结构以及英飞凌的SMD封装共同开发GaN技术，后续双方又有持续合作。
Johannes认为，区别于收购IR、与松下合作都是聚焦在底层技术方向上，“对GaN Systems的收购则略有不同，是一项更偏向应用层面的收购动作，尤其是对于加深应用层面的系统理解而言颇具意义，有助于推动GaN技术的未来发展。”
在两个方向上的收购或合作，也恰好对应地巩固和进一步增强了英飞凌在GaN领域的技术优势和市场优势——这对整个GaN市场可能都有参考价值。
从本次对谈来看，笔者总结了英飞凌在其GaN HEMT产品上的市场优势主要体现在两个方面（1）CoolGaN本身的技术特点决定器件具备稳定性和可靠性，比如高压产品的HD-GIT技术；（2）在器件之外，系统层面的know-how与技术积累是其另一大优势，也正好对应到上述Johannes所谈及的英飞凌以往在功率器件领域的收购和合作。
在谈及CoolGaN产品组合的差异化优势时，Johannes特别提到了HD-GIT（hybrid-drain gate injection transistor）技术。从英飞凌的技术白皮书来看，HD-GIT的核心技术点在于采用了hybrid-drain漏极结构，以及融合了基于欧姆接触技术的p-GaN栅。
英飞凌的SGT与GIT晶体管剖面
“在高功率市场，比如面向AI应用时，这项技术有着独特的优势。”在提升效率之外，Johannes提到它带来了更高的饱和电流，也就可以让更高的电流通过单个器件。而且“这种技术构建起了更稳定的器件，也就意味着在高频之下，器件参数也不会有什么变化。”
他解释说：“其他的一些技术，随着器件工作时间延长，开关导通电阻会缓慢增加。而英飞凌所采用的这种器件结构能够确保上述负面效应完全可控。”“在市场上，客户的反馈也的确很好。”“从技术层面来看，这种HD-GIT概念造就了稳定的器件产品。当然在其之上，我们也加诸了不少质量管控和提供可靠性方面的努力——特别是针对中压GaN产品，以确保其在应用全生命周期内真正做到稳定运行。”
而在器件本身之外，还有一大关键就是系统层面的know-how及相关能力——似乎这也恰好解释了英飞凌对GaN Systems的青睐。“比如对于电动汽车，我们需要向客户展示能把OBC设计得尺寸有多小、系统效率有多高的程度。在客户需求时，则要向其提供完整的参考设计解决方案与支持。”“再比如面向AI数据中心，我们需要和客户讨论如何打造新的电源结构——而且是在客户提出明确的产品需求之前，就去和他们一起讨论究竟需要什么样的产品、如何看待功率分布架构等等，然后我们再与客户一起去定义新产品。”
所以“对于将GaN这样的技术推向市场而言”，“对系统的理解和know-how，以及赋能完整系统的能力，是非常重要的。”相对应的，英飞凌还有匹配自身在传感、连接、控制与电源管理等领域布局完整的产品覆盖；“还有包括Si、SiC、GaN在内的所有功率半导体技术和解决方案”；而且“还有系统架构师、应用工程师等专注于关键系统的团队力量——典型的比如面向AI的应用，这些都是英飞凌差异化竞争优势的体现。”
“可能客户会找到我们，谈起他们在1MW服务器机架上遭遇的问题。我们就需要与客户合作去解决问题。”“如果只聚焦在GaN技术、只停留在器件层面，市场竞争优势就会有局限。”“基于对应用和系统的深刻理解，才是英飞凌产品的差异化优势所在。”
不过器件本身的技术突破，以及在应用与系统层面把控的深度与广度，的确也是英飞凌在市场上展现出的双重领先优势。应对市场竞争的关键就在于，谁能真正在这两方面做到位。
虽然本文只将目光聚焦在AI应用上，但英飞凌在2025年GaN功率半导体预测报告中已经将其对GaN在机器人、快充、家电、储能系统、汽车、通信与基础设施等应用方向的展望谈得相当全面了，有兴趣的读者可以去下载看一看。比如说现在大热的机器人市场规模至2030将增长982%-1327%；再比如2023-2029年，在家电应用领域，GaN市场的CAGR预计在121%左右。
Johannes也向笔者阐释了他对于GaN在各类应用市场上发展前景的看法，比如机器人关节中的小型逆变器、住宅应用中的太阳能微型逆变器、即将迎来高速发展的电动汽车应用等等。从目前英飞凌在功率器件与芯片市场的地位来看，上述应用对于英飞凌而言意味着巨大的潜在机会。不过笔者更有兴趣探讨的还是英飞凌眼中GaN技术的未来走向。
Johannes从技术和产品两个维度向笔者解释了GaN的潜在发展可能性。在技术层面，“首先300mm制程工艺已经到来，这是目前大家能够看到的。随后，单位面积导通电阻（area-specific on-resistance）将进一步降低，这意味着更小的器件能够导通更多的电流。”
“FoM（品质因数）将带动性能的提升，器件的栅极电荷会降低，输出电荷也会降低，Q_GD也会随之降低。”“业界会看到每一代产品的性能都将持续提升——预计每2-3年会更新迭代一次。而GaN技术每次迭代预计会带来近50%的性能提升。”
在产品层面，Johannes认为未来业界会看到集成度进一步提高。“市场期望看到栅极驱动器和GaN器件能够集成到同一个封装内。事实上，包括英飞凌在内的很多供应商已经开始提供这类产品。”“后续则会出现集成更多功能的产品，比如电流感知等功能，甚至具备可以独立做过流保护、过热保护等诸多特性。”
“接下来就能在集成化产品中加入额外的GaN器件了，比如2个开关+栅极驱动器；后续这两个开关还能放进同一个die（裸片）内——采用这种半桥结构以及单片集成的方式，再加上驱动器，就可以做到高度集成。”如此一来，对于电机逆变器而言，封装也会更加简单、成本也会下降。”
不久，英飞凌将发布CoolGaN Senses和CoolGaN Drive平台，这两个平台即是对电流感知和栅极驱动器的融合。“目前我们也在尝试打造完整的生态系统，这会帮助我们加快集成进度。”
所有这些技术和产品进步，都建立在应用市场高速增长及海量需求的基础上，就像机器人市场的潜在四位数增长、家电市场的三位数CAGR增长，反过来会推动技术和产品的升级迭代。所以当笔者问及Johannes如何看待目前半导体市场发展所处的位置时，他的回答是：“我很高兴看到了一些能够真正驱动市场需求的应用已经出现，尤其是AI催生了大量的半导体需求。”
“AI的发展很迅猛，或者应该用爆炸式发展来形容。”“我们明确看到了GaN营收的增长趋势，当然整个半导体市场都已经处在向上的增长期。”
对AI而言，“数据中心市场首先需要高效率和高性能的半导体器件，目前整个行业就处在这个关键节点之上——在训练端对GaN的采用和引入速度很快。”“而在边缘端，客户实际也已经开始逐渐在寻求GaN技术了，因为这对提升效率、提升设备续航能力、把设备做得更加小巧而言都会有很大的帮助。”“GaN很快就会变得无处不在。”
最前沿的电子设计资讯
