PI：氮化鎵之技術、市場和未來的三重之選

認識Doug Bailey，先是從他主講的一個科普視頻開始。身為Power Integrations公司的應用和市場副總裁，他用大學教授手寫板書的方式，將氮化鎵的特性和原理說的明了透徹：什么是氮化鎵？氮化鎵的可靠性如何？具體應用領域有哪些？

（對此感興趣的網(wǎng)友，可以點擊以下鏈接觀看：

https://www.power.com/community/videos/doug-bailey-on-gan-pt1-what-is-gan）

視頻看完，與非網(wǎng)和這位氮化鎵布道者約了一次視頻采訪。Bailey很爽快的答應了。

與非網(wǎng)：半導體產(chǎn)業(yè)的新材料和新發(fā)現(xiàn)層出不窮，氮化鎵何德何能，為什么火速席卷了便攜充電市場？這么快的普及速度，有哪些方面的推動力？

Bailey： 首先，從半導體材料特性上說，氮化鎵相較于硅是毫無懸念的Homerun（本壘打，意指“完勝”）。和硅相比，它的晶體管體積更小、電流路徑更短、電阻和電容更低，因此氮化鎵的電流運行速度比硅要快很多，可以在更小的空間內(nèi)處理更大的電場。這是GaN的先天優(yōu)勢。

其次，這種快速升級換代是產(chǎn)業(yè)和標準制定組織通力合作的結果。從2018年開始，我們公司，還有其他致力于GaN研發(fā)的英飛凌、松下、德州儀器等等同行，陸續(xù)和標準組織JEDEC聯(lián)手合作，做了各種應用場景下的實驗和測試（注：JEDEC固態(tài)技術協(xié)會是一個不隸屬于任何國家的全球性組織，它制定的微電子技術標準為全行業(yè)所接受和采納）。這些覆蓋了方方面面的嚴苛測試，是GaN器件得以迅速打開市場的前提保障。

你要知道，電源工程師是所有工程師中最保守的一群人，他們的工作對象，都是易燃易爆、能致人傷亡的器件。他們就像守門員一樣，絕對不希望引起觀眾注意，因為一旦注意到守門員，這就意味著你丟球了。因為有這樣一種謹慎保守的傾向，我們從研發(fā)到小批量試生產(chǎn)，投入了數(shù)以千計的測試人時，這個過程中還要不斷和JEDEC組織、行業(yè)客戶做溝通和交流，確保這個變革不僅要符合行業(yè)標準，也是終端客戶真正想要的東西。

最早和我們公司合作的充電器品牌，是來自中國的Anker（安克）。他們的嗅覺非常靈敏，比其他制造商更早認識到GaN器件快充市場的巨大需求。從他們開始，越來越多的消費電子廠商，包括手機、筆記本、以及雖不強調(diào)便攜、但卻看重電源效率的電視、冰箱等家用電器制造商，都開始轉(zhuǎn)向GaN。

與非網(wǎng)：追問一句，這種升級換代對于研發(fā)崗位的工程師有多大挑戰(zhàn)？如果電源工程師真的天性保守，他們?yōu)槭裁匆L試新的GaN器件，而不是傳統(tǒng)硅器件？他們是否必須修改原來的電路設計，才能用好這種新材料？

Bailey：是，也不是?；卮?ldquo;是”的原因，在于GaN的電流轉(zhuǎn)換速度非?？?，一旦不小心超過某個界值，GaN器件就會失效，工程師必須要在高頻電流和EMI電磁輻射之間找到微妙的平衡。為了降低這種采用難度，我們公司把GaN芯片放進原來的硅產(chǎn)品架構里（注：即Innoswitch3系列），去代替原來的硅芯片，同時，我們也做好一些防護設計。這樣，客戶端的工程師除了感受到系統(tǒng)效能提升之外，他們不會感覺到任何變化。當然，也有廠商更愿意采用分立設計、而非“套裝式”的GaN器件，因為這些廠商希望找到提升電流轉(zhuǎn)換效率和控制電磁輻射之間的最佳平衡點，以發(fā)揮GaN的最大效用。但是，作為Power Integrations來說，我們傾向于選擇更穩(wěn)妥方便的產(chǎn)品形態(tài)，去降低終端客戶的設計和采用難度。

與非網(wǎng)：在討論GaN和硅的應用前景時，人們總會說到成本問題，因為自然界里到處可見硅的存在，但說到“氮化鎵”，人們總還是覺得“太稀罕”。

Bailey：氮化鎵中的鎵，來自于鋁礦的采掘，它是金屬冶煉過程中的一種副產(chǎn)品。硅來自于沙石，海灘沙地俯拾皆是。聽起來，前者要比后者昂貴太多。

氮化鎵的形態(tài)，就像一層薄膜，在半導體器件中的實際用量非常少。假如你用重量來衡量的話，氮化鎵器件中的“氮化鎵”，你幾乎稱量不出來；你稱量出來的，是它所附著的襯底物質(zhì)。換句話說，氮化鎵并不是自然界中普遍存在的物質(zhì)，它要經(jīng)過復雜的化合過程才得以存在；但也因為用量很少，我們不需要擔心原料供應問題，它也不比硅要昂貴很多。

我還想稍微多說一句，就是所謂的能源賬單（Energy Budget）。硅的原材料不值錢，可是從沙子到晶圓、再到最后的芯片，它要經(jīng)過加熱、提純、以及反復鍛造的過程，這個能源賬單的價格其實很高；相對而言，氮化鎵GaN的能源賬單非常便宜?，F(xiàn)在GaN最大的成本問題，不是來自能源賬單，而是來自一種新材料必然面臨的問題，比如人們的接受度和產(chǎn)能、市場規(guī)模的問題。新材料的這些成本劣勢，可以跟隨技術的發(fā)展、規(guī)模經(jīng)濟的提高而得到改善，反而倒是能源消耗、環(huán)境成本的問題，則非我們短期可以解決的。因此，我們不必對氮化鎵的“成本門檻”有太多擔憂。

與非網(wǎng)：有一個問題我比較好奇。誰是你們的GaN器件制造商？是臺積電嗎？為什么很難在互聯(lián)網(wǎng)上找到相關的資料？

Bailey：對不起，我不方便透露。總之不是臺積電。他們在給另外的GaN公司供應產(chǎn)能。我們是在和上游制造廠合作，而不是自己生產(chǎn)，雙方投入了大量時間和研發(fā)成本，也有穩(wěn)固的合作關系，但我們不方便透露任何這方面的信息。對于我們而言，任何涉及制造核心的話題都類似可口可樂的配方，屬于公司的高度機密。

與非網(wǎng)：你們有沒有感受到供應鏈危機的沖擊？你會接到客戶的催貨的電話嗎？

Baiely：我們的供貨周期比新冠疫情之前要長一點，但我們比其他半導體廠商要幸運很多。Power Integrations一直以來就有很大的產(chǎn)品庫存，這個倒不是因為我們對這次危機有先見之明，而是因為我們產(chǎn)品和客戶特性所決定的。之前和你說過，電源制造廠商普遍會比較保守，一旦產(chǎn)品設計定型，他們需要穩(wěn)定、長期的供貨。我們直到現(xiàn)在，還在持續(xù)供應1998年投產(chǎn)的芯片，因為客戶一直都有需求。所以，我們也不擔心庫存沒有人買。不過呢，我們的庫存并不是以最終產(chǎn)品的形態(tài)存儲的，而是存放在倉庫的一片片的晶圓?？蛻粝聠蔚臅r候，我們再做切割、封裝、測試和運輸，最大程度保障器件性能的穩(wěn)定。

因為半導體供應短缺的問題，有一些公司因為拿不到貨，轉(zhuǎn)投到Power Integrations門下。所以，我們受到的沖擊不僅有限，反而還有了超出預期的新客戶上門。假如你去看我們公司的財報，會發(fā)現(xiàn)我們季度營收的增長非?？捎^。

與非網(wǎng)：聽上去，無論是氮化鎵產(chǎn)品的市場前景，還是你們公司的銷售業(yè)績，目前還沒有什么讓營銷副總裁睡不著覺的近憂。現(xiàn)在有什么事情真正會讓你焦慮嗎？

Bailey：說起來，我確實不像其他同行一樣，要應付很多客戶的催貨、投訴的電話。我平時考慮最多的，是在確信氮化鎵市場前景的同時，如何加快我們公司和客戶的行動步伐，抓住所有的機會，促成“零排放脫碳指標”的實現(xiàn)（Decarbonization）。這是我個人的崗位職責，是很多企業(yè)主管的當務之急，也是一個電源工程師職業(yè)自豪感的來源。

我孩子的學校曾讓學生家長在課堂上分享自己的職業(yè)經(jīng)歷。家長們有飛行員，有醫(yī)生，有律師，而我分享的主題，是電子工程師如何解決全球變暖的問題。一方面，我們要解決能源的轉(zhuǎn)換問題，比如我們客戶的新型快充設備；另一方面，我們還要解決能源的運輸問題，比如，中國國家電網(wǎng)、高速鐵路、風力發(fā)電、太陽能發(fā)電，其中不少也有我們公司的電源驅(qū)動和高壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品。

總之， 每天要保持充沛精力早起上班，不僅僅是為工資奮斗，總有一些更高層面的事情需要你去關注。因為職業(yè)關系，我一直關注能源問題和氣候危機，這種關注落實在日常工作上的方式，自然就是如何讓我們的產(chǎn)品不僅蘊含高尚的概念，它還必須要讓人們愛用、也用得起——只有這樣，終極的夙愿才可能達成。