如何负责任地创新以应对当今的能源挑战

我们这一代面临的最大挑战是对能源的需求不断增长。在许多社会变革的推动下，全球人均用电量在过去 30 年中增长了 50%。我们家中的电器越来越多，所以家里的电源插座也越来越多。我们见证了消费技术的蓬勃发展：手机、电脑、笔记本电脑和手表都开始发挥作用。我们看到了以前从未见过的各种尺寸的电机——从玩具到车辆的支撑系统，再到躺椅，再到园艺工具，再到救生带。当然，我们现在已经进入了电动汽车(EV) 的时代，电动飞机也在开发中。预计这种数字化和电气化趋势将继续并加速。

今天的数据中心使用全球约 1% 的电能。预计到 2030 年，处理、大数据分析、加密货币挖掘、流数据、人工智能等将消耗全球 20% 以上的电力需求，其中 7% 的电力将仅用于为数据中心供电。纵观全局，我们看到传统燃料即将耗尽——最重要的是，全球变暖。在 2016 年的《巴黎协定》中，各国承诺减少排放，许多国家现已正式承诺到 2050 年实现气候中和或净零排放。最近在格拉斯哥举行的 COP26 峰会上就加强这些目标达成了进一步承诺。

功率半导体制造商已承担责任，因为我们的产品是碳中和的推动者。作为工程师，我们必须提高电源转换效率，这需要标准芯片以外的解决方案。

硅 FET 和由两种宽带隙 (WBG) 材料制成的器件的理论物理极限：碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN)。硅显然得益于多年的发展，但也有其局限性。对于相对较新的技术，SiC 和 GaN 的性能已经超越了传统硅的极限，并且只能改进，因此 WBG 在实现未来几十年的挑战中发挥重要作用的大门是敞开的。

基于 Yole Développement 的 2021 年报告的 GaN 预测增长：市场处于早期阶段，但在未来几年将呈指数级增长，到 2026 年复合年增长率将超过 70%。这是一个很好的指标，表明将需要 WBG 来解决我们的整体电力挑战：在新应用中使用电力以最负责任的方式。

要评估采用 GaN 作为一项新技术，我们必须考虑四个关键点：

性能：WBG 产品的快速开发和采用已经实现了几年前无法想象的性能水平——事实上，如果没有 WBG 设备，一些新的项目要求是不可能实现的。然而，仍有大量研究和创新工作要做，特别是对于 GaN，因为虽然目前的性能水平已经很有吸引力，但还没有接近其理论性能极限。

成本：硅解决方案具有易于理解和接受的成本/性能水平。相比之下，今天，价格较高的 WBG 设备主要针对性能是关键因素的高级应用。然而，GaN 成本将会降低，从而允许 WBG 技术的普及，正如我稍后将展示的那样。

可用性：这是半导体领域的一个关键因素——只有在设备可用且供应安全的情况下，新技术的实施才能变得广泛。

可靠性：这包括所有其他考虑因素——它适用于产品性能、商业可持续性和可用性保证。所有这些元素都必须可靠。

审核编辑 黄昊宇