在特斯拉的推动下 电动汽车芯片不止于硅

  据外媒报道，最近几十年来，储量丰富、易于加工的硅一直都是半导体行业的首选材料，但是在追求能源效率的过程中，电动汽车正在帮助其他材料逐渐崛起，挑战硅的主导地位。

  一直以来，特斯拉都是推动这种变化的主要力量。特斯拉成为破冰者，是首家在大规模生产的汽车中使用了碳化硅芯片的公司，他们在部分Model 3车型中使用了这种芯片。凭借特斯拉此举，碳化硅这种省电材料在电动汽车供应链中站稳了脚跟，并且对整个芯片行业都产生了影响。

  日本芯片制造商罗姆半导体（Rohm）的首席战略官一秀井野（Kazuhide Ino）说道：“到目前为止，芯片制造商已经合作建立了碳化硅市场，但我们也已确定进入了相互竞争的阶段。”

  碳化硅的缩写为SiC，还有碳和硅两种元素，它的化学键比硅更强，是世界上硬度排在第三的物质。碳化硅的加工需要先进的技术，但这样一种材料的稳定性和其他特性使它与标准硅片相比能减少一半以上的能量损失。

  芯片的散热性也很好，因此能使用更小的逆变器，这是一个关键的电动车部件，能调节流向电机的电流。日本名古屋大学的教授山本正义（Masayoshi Yamamoto）就表示：“Model 3的空气阻力系数和跑车一样低，缩小逆变器的体积有助于其实现精简的设计。”

  特斯拉的举动震动了芯片行业。6月，德国芯片制造商英飞凌科技公司推出了一种用于电动汽车逆变器的碳化硅模块。英飞凌日本部门的一位管理人员表示：“很显然，扩展碳化硅的时机比我们此前预期得更近了。”

  现代汽车就将在其下一代电动汽车中使用英飞凌生产的碳化硅芯片。有报道称，与传统硅芯片相比，碳化硅芯片能使车辆的续航能力提高5%以上。

  今年6月份，法国汽车制造商雷诺瑞士的意法半导体公司签署了一项协议，后者将从2026年开始为雷诺供应碳化硅芯片。该协议还包括用氮化镓制造的芯片，氮化镓是半导体晶圆的另一种替代材料。

  法国市场研究机构Yole Developpement预测，到2026年，碳化硅功率芯片的市场规模将比2020年增长六倍，达到44.8亿美元。

  此外，硅和价格更高的碳化硅之间的价格差距正在缩小。大规模生产和其他因素已经将二者之间的成本差距缩小到大约一倍，而最近五年前的差距大约为十倍。随着一些芯片行业的供应商开始生产体积更大的碳化硅晶圆，这一差距还可能进一步缩小。

  罗姆半导体一直都是这一领域的领先者，该公司在2010年大规模生产了世界上第一批碳化硅晶体。2009年收购的德国SiCrystal公司生产碳化硅晶圆，使罗姆具有从头到尾的碳化硅芯片生产能力。这家日本公司的目标是，到2025财年，让其碳化硅芯片占据全球30%的市场占有率。他们最近在日本福冈县的一家工厂开设了一个额外的生产设施，这是该公司让其产能提升超过4倍的计划的一部分。

  罗姆公司表示，一些即将推出的电动汽车型号将使用其碳化硅芯片。该公司还与中国电动汽车制造商吉利达成了关于下一代芯片技术的协议。

  硅并不是第一种芯片材料。1974年，美国贝尔实验室开创性地发明了晶体管时，他们使用的是锗晶体。随着半导体工业的起飞，硅在20世纪60年代取代了这种元素。世界上最大的两家硅片供应商（信越化学和Sumco）都位于日本。

  作为硅的替代品，碳化硅也有自己的竞争对手。氮化镓（GaN）有可能将能量损失减少到硅芯片的十分之一左右。这种材料在半导体中的应用是在日本开发的，用来制造蓝光发光二极管。虽然氮化镓芯片被用于某些领域，如充电器设备，但这样一种材料还没有显示出它的全部潜力，因为大多数情况下，它需要与其他材料一起使用，包括硅。

  寻找硅的替代品，反映出了一个现实：人们越来越希望提高芯片的性能。体积更小但是能力更强的电子科技类产品需要更细微的电路图案。随着电路尺度达到5纳米（1纳米等于十亿分之一米），摩尔定律受到了前所未有的考验。摩尔定律的内容是晶体管密度大约每两年翻一番。

  能源保护也推动了芯片材料的创新速度。如果不采取对应的措施来提高能源销量，电动汽车、数据中心和数字化的经济的其他组成部分的扩张，将产生大量电力消耗。

  美国初创企业Lab 91是一家诞生于德克萨斯大学奥斯汀分校的公司，目前该公司正在开发在芯片晶圆上覆盖石墨烯的技术，他们的初期试验已经取得了成功，目前正在与芯片制造商就评估该技术的大规模生产进行谈判。石墨烯有可能是在广泛的应用中提高芯片的性能，从电动汽车到LED，再到智能手机摄像头中使用的图像传感器等。

  一些人将钻石成为终极半导体，它是一直可能改变整个行业但是成本很高的替代硅的材料。位于东京的制造商Adamant Namiki Precision Jewel已经开发出用钻石生产电源芯片的技术。这种世界上最硬的物质在理论上能够将能量损失减少到硅的五万分之一。能否获得足够的经济消息，是这样一种材料能否最终取代硅的重要的条件。现在，钻石芯片的价格是硅晶圆的数千倍。

  由于半导体对国家安全和经济竞争力至关重要，中国、美国和欧洲的政府正在寻求支持新的芯片材料的研究和开发。今年6月，日本经济产业省发布了半导体战略，对该领域的研发和投资提供支持，正是这一战略的重要组成部分。此前，硅和钢铁一同被视为20世纪最重要的材料。而未来几十年中，新的优秀半导体材料可能将成为国际竞争新的驱动力。