21世紀經濟報道
2024-12-13 
工業半導體如何應對AI大模型挑戰？
21世紀經濟報道記者駱軼琪深圳報道
AI大模型趨勢下，工業半導體領域正面對新的發展挑戰。如何在提升器件效率的同時平衡能耗表現，如何應對具身智能等新應用趨勢都值得關注。
在近日舉行的工業峰會期間，意法半導體（STMicroelectronics，簡稱ST）中國區功率分立和模擬產品器件部市場及應用副總裁Francesco Muggeri在發言時介紹，ST宣布了“在中國，為中國”的發展策略，正陸續在中國建立端到端的供應鏈能力。
此前ST已在深圳設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碳化硅合資廠，將優先考慮賦能汽車行業應用；近日則與華虹半導體合作在中國生產40nm節點微控制器（MCU）?！拔覀兩罡袊袌?，因為看到有很多競爭對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能，以提升本地化服務能力?！彼m稱。
ST是工業半導體領域的頭部公司，2023年全球主要工業半導體市場面臨成長壓力，在市場年營業收入整體同比下降6.5%的背景下，ST實現年內同比增長15.1%。由此令其在工業半導體領域的市場份額從2022年的5.6%增長到2023年的6.9%。
據介紹，ST在積極采用碳化硅、氮化鎵這類化合物半導體材料技術應用到工業場景中，以幫助節能降碳；此外，ST旗下部分器件已經可以運行大語言模型，以加速推動邊緣智能的實現。
碳化硅加速商用
過去一年來，ST在中國市場備受關注的舉措就是與三安光電聯合推進碳化硅產品生產落地。其中很大原因就是伴隨國內新能源市場的快速發展，碳化硅器件應用需求也日益旺盛。
意法半導體高管Domenico ARRIGO受訪時介紹，在化合物半導體領域，考慮到技術成熟度情況，意法半導體會優先發展碳化硅技術，這是目前市場中一個主要驅動技術；但公司同時也在推動氮化鎵整體解決方案，目前趨勢是打造一個高集成度的系統。
（寬禁帶技術助推實現碳中和，圖源：受訪者提供）
“在推進氮化鎵技術過程中，綜合性的封裝解決方案尤為重要。因為如果要讓氮化鎵將其性能表現最大化，氮化鎵需要能被最有效、最直接地驅動連接。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，因此我們認為，在氮化鎵市場，高度集成是最為重要的方式?！彼m稱。
雖然目前碳化硅功率器件被越來越多應用在新能源汽車上，但在應用過程中，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對整車能效升級，碳化硅應用趨勢仍在延續。
也有從業者對21世紀經濟報道記者指出，應用碳化硅器件不應僅考慮器件本身的成本，而要綜合考慮整體對新能源汽車帶來的功效提升，從綜合維度看，應用碳化硅器件的最終綜合應用成本是低于硅基器件的。
意法半導體高管Angelo RAO也分析道，硅基IGBT和碳化硅從來都不是相互對立的技術，二者沒有取代之說、兩種技術是互補的，可以被運用在不同場景、工況、階段。“舉例來說，碳化硅在實際嚴苛的工況下，作業時間會更長。因此可以滿足在有限空間范圍內，帶來整體工作效率提升?？傮w而言，即使這種技術的器件價格或成本與其他技術相比可能更高，但它能在更高電壓下工作、效率更高，并能達到其他成熟技術無法達到的能效目標。”
“如果是同樣一輛電動車、同樣功率、同樣電池容量的條件下，僅僅對開關部分進行材料轉換，從傳統的硅基IGBT改為采用碳化硅器件后，會發現當對所有駕駛參數進行調優配置后，整體續航能力在使用碳化硅后能提升16%~19%，這是ST協同合作伙伴經過多次仿真模擬后得到的結果。”Francesco進一步舉例道。
對于兩類主要化合物半導體的應用趨勢，Francesco指出，碳化硅更適合在高壓、對溫度要求嚴苛的工況下作業。氮化鎵比較適合在一些高頻、相對低壓的環境中作業。具體來說，碳化硅主要被應用在汽車或工業電源、電機控制等領域，氮化鎵多用在適配器、逆變器等場景。
AI大模型趨勢下，數據中心需求旺盛，但同時伴隨高能耗特性，化合物半導體的應用對減碳也將發揮作用。
?。ˋI推動數據中心能耗快速增長，圖源：受訪者提供）
據意法半導體工業電源與能源技術創新中心負責人周光祖介紹，通過使用碳化硅實現更高效率和更好功率密度，輔以ST的電隔離柵極驅動器STGAP，將有助于減緩數據中心電能需求增長。該方案可為AI數據中心提供5.5千瓦的電源。另外，基礎設施轉型到高壓直流電（HVDC）可以減少輸電損耗和能耗，進一步提高數據中心的能效。意法半導體的一系列碳化硅技術結合先進封裝能力，可以使高壓直流電的電源系統能夠在高溫環境中表現出色。
“在功率密度提升的前提下，第二個關鍵因素是如何在有限空間內進行有效的散熱控制。未來一些被動元件的進步也將配合電源設計發展，使電源設計從單相擴展到多相轉換架構，這正是氮化鎵的優勢所在，能進一步縮小尺寸并提高密度。在這種趨勢下，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充道。
工業+AI新趨勢
在智能工廠場景中，越來越多機器人被引入流程運轉過程。不只是機械臂，甚至有廠商已經在推動人形機器人進入工廠。
意法半導體智能工業全球細分市場及系統應用、自動化技術創新中心負責人Allan LAGASCA對21世紀經濟報道記者分析，人形機器人目前的發展和技術影響力越來越大?！皞鹘y的機械臂主要是做單調、重復性工作。目前人形機器人受歡迎，其中一個原因在于其可以參與到工廠決策過程，并且能實現與設備端互聯，推動智能工廠的打造?！?/p>
?。C器人技術被快速應用，圖源：受訪者提供）
他進一步指出，如果把人形機器人拆分來看，它仍然是傳統功能模塊的組合。在任何人形機器人上，仍然由傳統的電機控制、傳感器、連接器件等所構成，當然也加上與人工智能相關的功能和模塊。
“相信ST的微控制器（MCU）在這方面會扮演更加重要的角色，進一步推動人形機器人進入智能生產工廠。但目前我們對人形機器人市場的定位是，讓客戶能意識到ST擁有相關產品和解決方案，我們也愿意和客戶聯合開發新產品、形成解決方案?！盇llan總結道。
意法半導體高管Arnaud JULIENNE對記者進一步分析，具體到MCU領域，傳統人形機器人可以被分成兩種：一種是較為先進的人形機器人，其配備了強大的處理器，必須應用到廣泛的人工智能資源；另一類則是相對簡單的人形機器人，目前ST更專注在這一領域。
“其中有嵌入式MPU（微處理器）做系統管理，會有不同的MCU對子系統進行管理，包括對電機、執行器的管理等?！彼m稱，對于這類人形機器人，邊緣人工智能在預測性維護方面已經發揮了很大作用；也可以使用它進行后期設備跟蹤，并自主性故障預警。
同時，每隔幾個月，ST會持續對MPU處理性能、算法不斷提升。“現在甚至在ST的MCU上（如STM32系列）可以運行大語言模型，這在幾年前是做不到的。所以隨著設備本身處理能力不斷提升，算法也得到極大優化。”Arnaud表示。
“人工智能已經出現在了的邊緣節點上，它的出現非常重要?！盇llan指出，由此，每個自動化節點都能立即對所處環境做出反饋和決定，而不需要等到最終流程再做反應。換言之，邊緣智能的普及將加速推動智能制造實現。
（文章來源：21世紀經濟報道）
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