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半導體世界有了新寵 矽要被冷落了

2015/4/9 — 6:24

矽的生命力十分頑強。在晶體管這個為資訊時代輸送源源動力的小小開關裡,它是製作關鍵的半導體部件的不二之選,這種地位已經維持了60年。可如今——看開點吧,矽——它可能終於臨近被取代的邊緣了。

半導體世界的新寵是氮化鎵,或稱GaN。相比矽晶體管,用GaN製成的晶體管開關速度更快,可以承受更高的電壓。有這兩點,再加上其他一些特性,各公司應該能用GaN晶體管製造出更小、更快、更智能、功耗更低的產品。這種晶體管放在上圖的微型電路板上,只比一粒鹽大那麼一點點。GaN晶體管不會用在現在的PC晶片裡,但它可以用於改進自動駕駛汽車和虛擬實境頭盔原型機的性能,並為一系列全新的消費電子產品和醫療設備鋪平道路。比如無線充電設備和X光藥丸。「現在的情況是我們有了一種新材料,在考慮一些以前不曾出現過的應用。」Gartner半導體研究總監烏爾(Stephan Ohr)說。

GaN革命的發起者是加州埃爾塞貢多的宜普公司(Efficient Power Conversion)行政總裁、物理學家利多夫(Alex Lidow),現年60歲的利多夫在職業生涯中傾注了大量時間尋找一種比矽更快且能在更嚴苛的條件下工作的材料。在過去20年裡,他和幾十名科學家歷盡艱辛,將處在實驗階段的GaN晶體管發展到如今可以在標準的半導體製造廠生產的水準。目前使用了宜普的晶體管的產品不多。但過去18個月裡,生產方法得到充分改進,已經足以進一步成為主流。

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「60年來這是第一次,我可以說,『我能讓這東西變得更好,我可以讓它更便宜。』」利多夫說。

1977年,利多夫參與發明瞭一種基於矽技術的晶體管,被稱為功率場效應晶體管(power MOSFET)。這種設備在今天的單價是17美分,被用在從伺服器電源到洗衣機等各種產品的電子信號開關中。利多夫的祖父和父親創辦的國際整流器公司(International Rectifier,下稱IR公司)是全球領先的MOSFET供應商之一,憑藉他的這項發明發展成為一家30億美元的企業。GaN晶體管之所以振奮人心,很大程度上是因為它有能力替代MOSFET,給功耗管理領域帶來革命性的變化。

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GaN晶體管的開關速度比矽晶體管快,因此也就有望進行更精准的控制。這樣一來,企業可以做出更有效率、更小的電能轉換系統,應用於工業和家居環境。「電源和適配器都迫切需要一種新的、效率更高的技術。」加州大學聖塔芭芭拉分校(University of California at Santa Barbara)電氣和電腦工程教授米什拉(Umesh Mishra)說。米什拉估計,如果在這些類型的產品中全面普及基於GaN的晶體管,全球每年大約能節省相當於40座核電站的電力。

美國國防部和能源部已經資助米什拉進行了20年的GaN晶體管研究,目前成果已被應用於軍用雷達和通信系統。2007年,米什拉和他人一同創辦了Transphorm公司,出售用於電能轉換的GaN晶體管。Transphorm得到了來自谷歌風投(Google Ventures)和KPCB凱鵬華盈(Kleiner Perkins Caufield & Byers)的逾1.25億美元投資。英飛淩科技(Infineon Technologies)和松下(Panasonic)等重量級半導體企業也在生產應用於電力的GaN晶體管。

和競爭對手不同,利多夫在追求的是GaN晶體管的更有新意、利潤更高的應用。「它們在跟進的是一個巨大的既有市場,」他說,「我們在創造新市場,其實是在生成新的業務。」

2007年,利多夫辭去了IR公司行政總裁的職務。他決定創辦自己的公司宜普,並聘用了當年在他的領導下為IR公司進行GaN開發的研究人員。

利多夫和擁有一家半導體工廠的台灣商人黃民奇(Archie Hwang)各拿出約2500萬美元創辦宜普,兩人合起來擁有的公司股份將近99%。IR和利多夫都將對方告上了法庭,但在2013年6月達成和解。宜普同意將GaN晶體管的銷售所得拿出一部分支付專利費。

利多夫說宜普今年有望售出數百萬件GaN晶體管,定價在40美分到幾美元之間。這些晶體管將用於自動駕駛汽車,它的快速開關讓車輛感知障礙物的速度比矽晶體管快出約10倍。消費電子產品製造商將宜普的GaN晶體管放進虛擬實境頭盔原型機裡。有一家公司開發了基於GaN技術的藥丸,有望今年開售,這種藥丸可以拍攝結腸的X光片,讓人免受腸鏡之苦。科學家之所以能把一台X光機做成藥丸大小,靠的是GaN晶體管的高效率。利多夫說他現在還不能盡數透露都有哪些客戶。不過他提到的名字有加州奧蘭治縣晶片和電子器件製造商微型半導體器件公司(Microsemi)和出身麻省理工的創業公司無線電力(WiTricity),前者將GaN晶體管用於衛星,後者在開發無線充電系統,可以在幾英尺開外充電。還有一家客戶FINsix開發了一種打火機大小的手提電腦充電器。

烏爾強調要克服半導體產業的惰性並非易事。GaN擁有十分吸引人的特性,但它的宣導者需要證明它有顯著的性能優勢和巨大的成本效益。在PC和智能手機晶片領域,產業惰性導致矽晶體管在很長一段時間裡是不會被取代的。但利多夫等人還是能看到許多機會。分析師預計,在未來幾年裡,GaN將搶佔大約10億美元的矽晶體管市場,而利多夫認為總共能搶到的市場有3000億美元。

 

文:Ashlee Vance;譯:經雷

原刊於《彭博商業周刊 / 中文版

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