کاربید سیلیکون در برابر گالیم نیتراید؛ نبرد نیمه‌رساناها برای نجات هوش مصنوعی از بحران انرژی

به گزارش پایگاه تحلیلی-خبری درسا نیوز، صنعت هوش مصنوعی این روزها با چالش بزرگی به نام «دیوار انرژی» دست‌وپنجه نرم می‌کند. مصرف برق مراکز داده در سال ۲۰۲۴ حدود ۱.۵ درصد از کل برق جهان را به خود اختصاص داده است. پیش‌بینی‌ها حاکی از آن است که این رقم تا سال ۲۰۳۰ به ۳ درصد خواهد رسید. در چنین شرایطی، دو فناوری نیمه‌رسانای پیشرفته یعنی گالیم نیتراید (GaN) و کاربید سیلیکون (SiC) به عنوان راه‌حل‌های اصلی مطرح شده‌اند. اما سوال اینجاست که کدام یک در این نبرد سرنوشت‌ساز پیروز میدان خواهد بود؟

چالش بزرگ پیش روی هوش مصنوعی

هر تراشه گرافیکی (GPU) صدها وات برق مصرف می‌کند. علاوه بر این، به ازای هر دلار هزینه سخت‌افزار، یک دلار نیز صرف هزینه برق و خنک‌سازی می‌شود. در پاسخ به این بحران، مراکز داده به سمت معماری ۸۰۰ ولت حرکت می‌کنند. این تغییر به نوبه خود، تقاضا برای نسل جدیدی از نیمه‌رساناهای قدرتمند را به شدت افزایش داده است.

با این وجود، پاسخ به این سوال که کدام یک از دو فناوری GaN و SiC برنده این میدان است، آنطور که تحلیل‌گران ارشد می‌گویند، به یک معمای ساده بله/نه تبدیل نمی‌شود. در واقع، هر یک از این فناوری‌ها قلمرو مشخصی را در مراکز داده تصرف خواهند کرد.

دو فناوری، دو قلمرو مجزا

برای درک بهتر این موضوع، بهتر است مسیر جریان برق را در یک مرکز داده دنبال کنیم. برق از شبکه سراسری وارد ساختمان می‌شود (قسمت خاکستری یا Gray Area) و سپس درون کابینت‌های سرور به ولتاژهای پایین‌تر تبدیل می‌شود (قسمت سفید یا White Area). به اعتقاد تحلیلگران مؤسسه CICC، یک خط مرزی مشخص بین این دو حوزه وجود دارد.

 کاربید سیلیکون (SiC)؛ پادشاه بخش ورودی برق

نیمه‌رساناهای کاربید سیلیکون (SiC) برای تحمل دماها و ولتاژهای بسیار بالا طراحی شده‌اند. در بخش ابتدایی مرکز داده، جایی که برق ۲۰ کیلوولت AC به ۸۰۰ ولت DC تبدیل می‌شود، این فناوری بهترین عملکرد را از خود نشان می‌دهد. برای مثال، شرکت‌هایی مانند Navitas با معرفی ماژول‌های SiCPAK با ولتاژهای ۳۳۰۰ و ۲۳۰۰ ولت، به نیاز ترانسفورماتورهای حالت جامد (SST) پاسخ داده‌اند. این ترانسفورماتورها راندمانی بالای ۹۸ درصد را در تبدیل برق شبکه به ولتاژ DC ممکن می‌سازند.

دلایل برتری SiC در این حوزه عبارتند از:

• تحمل دمای بالا: عملکرد عالی در شرایط سخت و پرفشار ورودی برق.

• سوئیچینگ با ولتاژ بالا: توانایی مدیریت انتقال‌های سنگین برق با تلفات کمتر.

 گالیم نیتراید (GaN)؛ سلطان بخش داخلی سرورها

به محض اینکه برق با ولتاژ ۸۰۰ ولت وارد کابینت سرور می‌شود، نبرد تازه‌ای شکل می‌گیرد. در این مرحله، برای تغذیه پردازنده‌های حساس هوش مصنوعی، ولتاژ باید به مقادیر بسیار پایین‌تری مانند ۶ ولت یا ۵۰ ولت کاهش یابد. اینجا دقیقاً قلمروی فناوری گالیم نیتراید (GaN) است.

به گفته کریس آلکساندر، مدیرعامل Navitas، وقتی نوبت به تبدیل DC-DC درون رک می‌رسد، چاره‌ای جز استفاده از GaN وجود ندارد. دلیل این ادعا، سرعت فوق‌العاده بالای سوئیچینگ GaN است. این ویژگی به مهندسان اجازه می‌دهد تا منابع تغذیه‌ای بسیار کوچک‌تر، چگال‌تر و با راندمان بالاتر طراحی کنند. به عنوان شاهد عینی، شرکت Navitas به تازگی از یک پلتفرم ۲۰ کیلوواتی رونمایی کرده است. این پلتفرم با تبدیل مستقیم ۸۰۰ ولت به ۶ ولت و حذف مرحله میانی ۴۸ ولت، به دنبال دستیابی به راندمان پیک ۹۷.۵ درصدی است.

مقایسه فنی و کارایی در عمل

یک تحقیق معتبر ارائه شده در کنفرانس IEEE در سال ۲۰۲۵، به مقایسه مستقیم این دو فناوری در منبع تغذیه سرورهای هوش مصنوعی پرداخته است. نتایج به وضوح نشان می‌دهد که انتخاب بین SiC و GaN به شدت به موقعیت مدار وابسته است.

به عبارت دیگر، یک مطالعه فنی از شرکت آن‌سمی نشان می‌دهد که هر سه فناوری (SiC، GaN و ترانزیستورهای جدید JFET) در مبدل‌های تشدیدکننده، راندمان مشابهی دارند. با این حال، GaN به دلیل تلفات بار گیت کمتر، برای کاربردهای فرکانس بالا ارجحیت دارد.

اقتصاد انرژی و چشم‌انداز آینده بازار

انتقال به معماری ۸۰۰ ولت و استفاده از این نیمه‌رساناهای پیشرفته، تنها یک تغییر تکنولوژیک نیست؛ بلکه یک تحول اقتصادی بزرگ محسوب می‌شود.

 صرفه‌جویی ۵.۱ میلیارد دلاری در سال

مدل‌های انرژی نشان می‌دهد که اگر برای تأمین تقاضای رو به رشد برق تا سال ۲۰۳۰ از روش‌های مبتنی بر سوخت فسیلی استفاده شود، سالانه ۳۰ میلیارد دلار به قبض برق مصرف‌کنندگان اضافه خواهد شد. در مقابل، حرکت به سمت مسیر انرژی پاک و بهره‌مندی از راندمان بالای نیمه‌رساناهای SiC و GaN، این هزینه را تا ۵.۱ میلیارد دلار در سال کاهش می‌دهد که معادل ۱۷ درصد صرفه‌جویی است.

رقابت غول‌های فناوری

بازار این قطعات با سرعت بالایی در حال شکل‌گیری است و شرکت‌های بزرگی برای تصاحب سهم بیشتری از آن رقابت می‌کنند. برای مثال، شرکت Infineon پیش‌بینی کرده که درآمدش از بازار هوش مصنوعی تا سال مالی ۲۰۲۷ به ۲.۵ میلیارد یورو برسد.

رقبای اصلی در این میدان عبارتند از:

• Navitas: این شرکت تنها بازیگری است که هم در GaN (با برند GaNFast) و هم در SiC (با برند GeneSiC) سرمایه‌گذاری کرده و از هر دو فناوری در زنجیره قدرت هوش مصنوعی استفاده می‌کند.

• Infineon: اولین تولیدکننده ویفرهای ۳۰۰ میلی‌متری GaN که استراتژی «SiC در هسته، GaN در گستره» را دنبال می‌کند.

• ON Semiconductor (onsemi): این شرکت با معرفی پلتفرم جدید GaNEXUS و سرمایه‌گذاری روی GaN عمودی (Vertical GaN)، به دنبال عبور از محدودیت‌های فعلی GaN است.

 کدام فناوری برنده میدان است؟

پاسخ به این سوال به سادگی انتخاب یکی از این دو فناوری نیست. در واقع، سناریوی واقعی و پیروزمندانه، هم‌زیستی و استفاده همزمان از هر دو فناوری در معماری جدید مراکز داده است. تحلیلگران از این تغییر به عنوان یک «نقشه راه ۴ مرحله‌ای» یاد می‌کنند که از سال ۲۰۲۶ (سال صفر استقرار) آغاز شده و تا سال ۲۰۳۰ ادامه خواهد یافت.

بنابراین، اگر به دنبال یک سرمایه‌گذاری بلندمدت هستید، شرکت‌هایی که در هر دو حوزه تخصص دارند (مانند Navitas، Infineon و onsemi) گزینه‌های جذابی محسوب می‌شوند. از منظر فنی نیز باید به خاطر داشت که کاربید سیلیکون برای مدیریت ورودی برق و گالیم نیتراید برای چگالی‌سازی درون کابینت، دو بازوی قدرتمند برای حل بحران انرژی هوش مصنوعی هستند.

در نهایت، انقلاب هوش مصنوعی نه تنها به تراشه‌های پردازشی سریع‌تر، بلکه به یک زیرساخت تغذیه‌ای هوشمندتر نیاز دارد. GaN و SiC، دو نیم‌هسته اصلی این انقلاب تغذیه‌ای را تشکیل می‌دهند.