根据云岫资本，随着算力的提升，能源矛盾也随之凸显。据悉，目前单颗算力芯片低功耗已经从过去的300W左右提升到至如今的1000W甚至更高。这种功耗的提升给数据中心等基础设施带来了更高的电源要求和更大的能源压力。2023年，全球数据中心用电量占比约为2％，预计到2030年，这个数字将增长到4％。我国2019年数据中心的耗能约为800亿千瓦时，而到了2030年，这一数字将增长为1800亿千瓦时。马斯克也曾预测，到2025年电力供应将不足以为越来越多的人工智能的芯片供电。
在能源紧张的背景下，提高功率半导体的转换效率是降低能耗、缓解能源压力的关键。目前，业界已经通过采用先进的制程工艺和架构改进来提高功率半导体的转换效率。例如，80Plus白金标准的服务器电源在20%轻载和满载下的额定输出时的转换效率已经达到89%以上，50%典型负载下达到92%。然而，面对更高的功耗需求，这些转换效率仍然需要进一步提升。此外，较高的工作温度可降低服务器冷却系统的能源成本，这也对功率半导体提出了在高温下要具有稳定性的要求。
图：随着算力提升 能源矛盾凸显
硅基功率器件发展到极限，第三代半导体将引领数据中心电源系统革新
根据云岫资本，SJ MOSFET、SiC和GaN功率芯片在服务器PSU种应用广泛，第三代半导体的性能优势使其更好满足数据中心的应用需求。第三代半导体材料以碳化硅和氮化镓等化合物为代表，具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的饱和电子漂移速率以及更高的导热率等优点。这些特性使得第三代半导体材料在高频、高温、高功率以及高能效等领域具有显著优势。
在数据中心电源系统中，第三代半导体材料的应用可以显著提高电源效率、降低能耗、提升功率密度以及增强系统的稳定性和可靠性。例如，碳化硅二极管在功率因数校正（PFC）电路中的应用可以显著提高PFC的效率；氮化镓功率器件在服务器电源中的应用则可以实现更高的转换效率和功率密度。数据中心的计算能力往往受到功率限制的制约。SiC和GaN的高击穿电压使得它们能承受更大的功率输入，从而在极端条件下也能保持稳定的运行，有效扩展计算能力。另外，第三代半导体能够将电能转换效率提升至90%以上，远超传统硅基器件的效率。它们的散热性能更优越，使得设备能够在更高负载下运行而不会过热，节省了大量的成本，提升了整体的经济效益。
图：材料核心性能优势
新能源车、光储、充电桩、数据中心等市场带动SiC渗透全面提速
根据云岫资本，通过当前碳化硅功率器件性能对比和下游应用工作条件分析，碳化硅器件当前以电压等级600-1700v，功率等级10kW-1MW的硅基IGBT为主要替代对象。SiC功率器件在新能源汽车领域主要应用于逆变器、OBC（车载充电器）以及DC/DC转换器。相比于硅器件，SiC器件可以减轻设备重量和体积，降低开关损耗，提高工作温度和系统效率。预计到2027年，全球导电型SiC功率器件市场规模有望达到63亿美元，其中新能源汽车市场规模有望达到50亿美元，占比高达79%。随着国家“双碳”战略的推进，光储充一体化电站作为新型充电设施，正在全国多地投入运营。这种电站结合了光伏发电、储能和充电桩，能够提供绿色充电解决方案，并在电力系统中发挥重要作用。根据市场调查和预测，全球SiC功率半导体市场规模有望持续扩大，预计到2028年市场规模将突破89亿美元，市场渗透率将达到55%。
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