專業觀點：半導體初創企業瞄準電力浪費問題，這一全球性挑戰日益嚴峻——《華爾街日報》

iDEAL半導體實驗室中的失效分析工程師約翰·帕克斯圖片來源：史蒂文·羅森布什，《華爾街日報》賓夕法尼亞州伯利恆——一家半導體初創公司表示，其開發出了一種減少電力轉換損耗的新方法。隨着交通、雲計算和人工智能等領域用電需求增長，電力浪費已成為日益嚴重的全球性問題。

iDEAL半導體設備公司研發出了一種新型高效電源芯片。從太陽能板、家用電器到數據中心服務器、電動汽車和工業設備，幾乎所有電子設備都需要使用這類元件。

問題在於電網以標準電壓（如美國為120伏）向家庭或企業供電。而設備根據用途不同工作電壓範圍差異巨大，例如AI處理器需0.8伏，電動汽車則需1000伏以上。這些設備都需要專用芯片將電力轉換為可用形式，在此過程中不可避免地會產生能量損耗。

iDEAL的芯片採用硅材料製造。部分科學家和工程師認為，硅材料的能效已接近物理極限。安森美等公司已使用替代材料製造出更高效率的電源芯片。由於電動汽車需求激增，安森美2022年銷售額達83.3億美元。

“2014年整個行業都在鼓吹硅材料已走到盡頭，我們需要轉向新材料體系，“擁有數十年半導體經驗的貝爾實驗室老兵、iDEAL聯合創始人兼首席執行官馬克·格拉納漢説，“我天生喜歡逆向思考，當時就想’肯定存在更好的解決方案’"。

2014年，格拉納漢從收購了他聯合創立的初創公司Ciclon半導體器件的德州儀器退休。2015至2016年間，他在賓州州立大學材料研究所納米加工實驗室驗證了關於新型功率芯片的構想。

這項被他命名為SuperQ的技術借鑑了光伏電池（太陽能產業的核心組件）的部分理念。格拉納漢認為半導體薄膜工藝可應用於新一代硅功率芯片，將其性能指標提升高達500%。據iDEAL公司表示，將該技術與最先進的數字邏輯芯片製造設備結合是關鍵突破。

格拉納漢稱，這使得iDEAL能在原子尺度開展工作，科學家和工程師得以通過操控器件特定區域的單個原子，實現提升功率半導體運行效率的電學特性。

2017年成立的iDEAL於今年五月結束隱匿運營模式。該公司透露其投資者包括總部位於加州聖克拉拉的半導體設備、服務及軟件公司應用材料的投資部門，以及多家家族辦公室，融資總額達7500萬美元。鑑於亞洲供應鏈可能存在的風險，該公司着力開發了北美供應鏈體系。

目前iDEAL在總部——距離已關閉的伯利恆鋼鐵廠數英里遠的創業孵化器內進行器件設計與測試，其芯片主要由明尼蘇達州布盧明頓市的Polar半導體公司負責生產。

iDEAL表示，其封裝組件的組裝和測試工作正在亞洲進行，並計劃在北美擴大產能。

Granahan指出，在電源轉換應用中，平均效率通常維持在84%左右。他解釋道，轉換損耗主要表現為熱量，需要通過冷卻來維持最佳工作條件。

“具有諷刺意味的是，這些冷卻技術往往需要額外的能源消耗，進一步加劇了能源效率低下的問題，“他説，“尋找創新解決方案來提高電源轉換效率並最大限度地減少散熱，對於實現更可持續和節能的系統至關重要。”

Granahan表示，SuperQ技術可以將電源轉換中的損耗從16%降低到12.8%，提高了20%。

Granahan説，硅的替代品可能要貴三到四倍。通過使用熟悉且容易獲得的硅材料，iDEAL可以提供更高效的芯片，其性價比對於工作電壓低於850伏的設備來説具有經濟意義，據Granahan稱，這些設備佔當今功率半導體市場的95%。

該公司表示，將所有電子設備的能效提高約20%，將節省足夠的電力，相當於減少318座化石燃料發電廠。

Gartner新興技術和趨勢分析師副總裁Gaurav Gupta表示，電力和模擬半導體公司一直在研究碳化硅和氮化鎵等材料，用於高頻、高壓、高温應用。

人們一直認為硅在熱性能和電阻方面已達到或接近其性能極限。他表示，各公司都在尋找替代材料，硅已不再像iDEAL那樣成為關注焦點。

“如果一切順利，從應用角度來看，你將獲得一個成本低得多的替代方案。可以實現更高產量、更高良率和更低成本，這可能會徹底改變整個行業格局——但前提是技術真的可行。“古普塔説道。

總部位於北卡羅來納州研究三角園的半導體公司Wolfspeed使用碳化硅材料生產晶圓和功率半導體。Wolfspeed表示，雖然碳化硅比硅更昂貴，但具有巨大的系統級優勢。採用碳化硅構建的系統體積更小、重量更輕且效率更高，能為工業、能源和汽車等廣泛領域帶來成本效益。該公司第三財季營收達2.287億美元。

安森美公司電源解決方案集團首席技術官帕維爾·弗羅因德利希表示，該公司正在開發更高效的硅基器件與技術，同時也在引入創新技術。

弗羅因德利希稱，安森美預計其下一代硅基技術將使這些硅芯片的效率提升約20%。但他表示，將性能推向物理極限"會帶來器件和工藝複雜度增加的弊端，導致產品成本上升和生產良率下降”。iDEAL董事會成員、投資人Cuong Do指出，關於化石燃料與替代能源的討論掩蓋了對高效電能轉換的需求。“當前我們談及能源時，總是關注供給端，卻從未考慮需求側及能效問題，“正在開發阿爾茨海默症等疾病療法的BioVie首席執行官Do表示，“我認為這類半導體需求將呈指數級增長。”

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