節(jié)能一直是芯片產(chǎn)業(yè)一個重要的命題，特斯拉率先在電動車中采用碳化硅芯片，促使芯片產(chǎn)業(yè)將芯片材料由硅轉(zhuǎn)向碳化硅，更好地滿足市場需求。以下為文章摘要：數(shù)十年來，憑借地殼中含量豐富、易于制造的優(yōu)勢，硅一直是芯片的材料。但電動車對更高能源效率的追求，在蠶食硅在芯片產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)地位。

　　特斯拉則是芯片產(chǎn)業(yè)放棄硅的催化劑。特斯拉在 Model 3 中采用了碳化硅芯片，成為第一個吃螃蟹者。此舉提升了碳化硅在電動車供應(yīng)鏈中的地位，對芯片產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了很大影響。日本芯片廠商羅姆首席戰(zhàn)略官 Kazuhide Ino 說，“芯片廠商已經(jīng)共同打造了碳化硅市場，現(xiàn)在到了彼此競爭的階段。”

　　碳化硅由硅和碳兩種元素組成，由于化學(xué)鍵比硅更強(qiáng)，其硬度排在第三位。碳化硅的加工要求更先進(jìn)的技術(shù)，但穩(wěn)定性和其他屬性，使得其能耗比硅芯片低逾 50%。碳化硅芯片散熱性能還很好，有助于縮小電動車中關(guān)鍵零部件逆變器的尺寸。日本名古屋大學(xué)教授 Masayoshi Yamamoto 表示，“Model 3 的空氣阻力系數(shù)與賽車一樣低，尺寸更小的逆變器，是它能采用流線性設(shè)計的前提。”

　　Model 3 逆變器中的碳化硅芯片

　　特斯拉此舉“驚醒”了芯片產(chǎn)業(yè)。6 月份，德國英飛凌推出了一款電動車逆變器用碳化硅模塊。英飛凌日本分部一名管理人員說，“碳化硅應(yīng)用范圍護(hù)套的時間早于我們的預(yù)期。”現(xiàn)代汽車將在新一代電動車中使用英飛凌的碳化硅芯片。據(jù)稱，與硅芯片相比，碳化硅芯片可以使電動車?yán)m(xù)航里程提高5%。

　　法國市場研究公司 Yole Developpement 預(yù)測，2026 年碳化硅能源芯片市場將比 2020 年增長 6 倍，達(dá)到 44.8 億美元。

　　Yamamoto 稱，碳化硅和硅的價格差在不斷縮小，量產(chǎn)和其他因素，使得兩者的價格差由 5 年前的約 10 倍收窄至 2 倍。部分供應(yīng)商開始生產(chǎn)尺寸更大的碳化硅晶圓，將進(jìn)一步縮小兩者的價格差。

　　羅姆一直是這一領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，2010 年量產(chǎn)了世界上第一款碳化硅芯片。2009 年收購德國 SiCrystal，使得羅姆具有完整的碳化硅芯片生產(chǎn)線。羅姆的目標(biāo)是 2025 年占領(lǐng) 30% 的全球碳化硅芯片市場，最近，它在日本的一條生產(chǎn)線投產(chǎn)，這是其將產(chǎn)能提高 5 倍計劃的一部分。羅姆表示，多款即將推出的電動車都將采用其碳化硅芯片。它還與吉利簽訂了協(xié)議。

　　碳化硅芯片市場的快速發(fā)展

　　硅并非是第一種芯片材料。自 1947 年問世后，半導(dǎo)體材料一直是鍺。隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展壯大，鍺在 1960 年代被硅取而代之。可能取代硅的并非只有碳化硅。氮化鎵有潛力將芯片能耗降低約 90%。雖然氮化鎵芯片被應(yīng)用在一些領(lǐng)域，例如充電設(shè)備，但由于主要與包括硅在內(nèi)的其他材料聯(lián)合使用，其潛力尚未完全展現(xiàn)出來。

　　現(xiàn)有芯片性能已逼近極限，是芯片產(chǎn)業(yè)尋求其他材料的一大原因。芯片制造工藝已發(fā)展到 5 納米，摩爾定律面臨前所未有的挑戰(zhàn)。

　　節(jié)能也在推動芯片材料領(lǐng)域的創(chuàng)新。沒有能源使用效率的提升，電動汽車的普及、數(shù)據(jù)中心的增多和數(shù)字經(jīng)濟(jì)其他領(lǐng)域的發(fā)展，將使電能供應(yīng)捉襟見肘。

　　鉆石被一些業(yè)內(nèi)人士稱作終極半導(dǎo)體，可能改變芯片產(chǎn)業(yè)的游戲規(guī)則，只是與硅相比，它的成本太高了。日本 Adamant Namiki Precision Jewel 開發(fā)出了利用鉆石生產(chǎn)能源芯片的技術(shù)。從理論上說，鉆石芯片能耗可以低至硅的五萬分之一。但是，降低鉆石芯片成本是一個關(guān)鍵難題，目前其價格是硅芯片的數(shù)千倍。

　　鑒于半導(dǎo)體對國家安全和經(jīng)濟(jì)競爭力的重要性，中國、美國和歐洲均在大力支持新芯片材料的研發(fā)。硅和鋼鐵“塑造”了 20 世紀(jì)，新一代半導(dǎo)體材料似乎將成為未來數(shù)十年國際競爭的主要領(lǐng)域。
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