专业观点：半导体初创企业瞄准电力浪费问题，这一全球性挑战日益严峻——《华尔街日报》

iDEAL半导体实验室中的失效分析工程师约翰·帕克斯图片来源：史蒂文·罗森布什，《华尔街日报》宾夕法尼亚州伯利恒——一家半导体初创公司表示，其开发出了一种减少电力转换损耗的新方法。随着交通、云计算和人工智能等领域用电需求增长，电力浪费已成为日益严重的全球性问题。

iDEAL半导体设备公司研发出了一种新型高效电源芯片。从太阳能板、家用电器到数据中心服务器、电动汽车和工业设备，几乎所有电子设备都需要使用这类元件。

问题在于电网以标准电压（如美国为120伏）向家庭或企业供电。而设备根据用途不同工作电压范围差异巨大，例如AI处理器需0.8伏，电动汽车则需1000伏以上。这些设备都需要专用芯片将电力转换为可用形式，在此过程中不可避免地会产生能量损耗。

iDEAL的芯片采用硅材料制造。部分科学家和工程师认为，硅材料的能效已接近物理极限。安森美等公司已使用替代材料制造出更高效率的电源芯片。由于电动汽车需求激增，安森美2022年销售额达83.3亿美元。

“2014年整个行业都在鼓吹硅材料已走到尽头，我们需要转向新材料体系，“拥有数十年半导体经验的贝尔实验室老兵、iDEAL联合创始人兼首席执行官马克·格拉纳汉说，“我天生喜欢逆向思考，当时就想’肯定存在更好的解决方案’"。

2014年，格拉纳汉从收购了他联合创立的初创公司Ciclon半导体器件的德州仪器退休。2015至2016年间，他在宾州州立大学材料研究所纳米加工实验室验证了关于新型功率芯片的构想。

这项被他命名为SuperQ的技术借鉴了光伏电池（太阳能产业的核心组件）的部分理念。格拉纳汉认为半导体薄膜工艺可应用于新一代硅功率芯片，将其性能指标提升高达500%。据iDEAL公司表示，将该技术与最先进的数字逻辑芯片制造设备结合是关键突破。

格拉纳汉称，这使得iDEAL能在原子尺度开展工作，科学家和工程师得以通过操控器件特定区域的单个原子，实现提升功率半导体运行效率的电学特性。

2017年成立的iDEAL于今年五月结束隐匿运营模式。该公司透露其投资者包括总部位于加州圣克拉拉的半导体设备、服务及软件公司应用材料的投资部门，以及多家家族办公室，融资总额达7500万美元。鉴于亚洲供应链可能存在的风险，该公司着力开发了北美供应链体系。

目前iDEAL在总部——距离已关闭的伯利恒钢铁厂数英里远的创业孵化器内进行器件设计与测试，其芯片主要由明尼苏达州布卢明顿市的Polar半导体公司负责生产。

iDEAL表示，其封装组件的组装和测试工作正在亚洲进行，并计划在北美扩大产能。

Granahan指出，在电源转换应用中，平均效率通常维持在84%左右。他解释道，转换损耗主要表现为热量，需要通过冷却来维持最佳工作条件。

“具有讽刺意味的是，这些冷却技术往往需要额外的能源消耗，进一步加剧了能源效率低下的问题，“他说，“寻找创新解决方案来提高电源转换效率并最大限度地减少散热，对于实现更可持续和节能的系统至关重要。”

Granahan表示，SuperQ技术可以将电源转换中的损耗从16%降低到12.8%，提高了20%。

Granahan说，硅的替代品可能要贵三到四倍。通过使用熟悉且容易获得的硅材料，iDEAL可以提供更高效的芯片，其性价比对于工作电压低于850伏的设备来说具有经济意义，据Granahan称，这些设备占当今功率半导体市场的95%。

该公司表示，将所有电子设备的能效提高约20%，将节省足够的电力，相当于减少318座化石燃料发电厂。

Gartner新兴技术和趋势分析师副总裁Gaurav Gupta表示，电力和模拟半导体公司一直在研究碳化硅和氮化镓等材料，用于高频、高压、高温应用。

人们一直认为硅在热性能和电阻方面已达到或接近其性能极限。他表示，各公司都在寻找替代材料，硅已不再像iDEAL那样成为关注焦点。

“如果一切顺利，从应用角度来看，你将获得一个成本低得多的替代方案。可以实现更高产量、更高良率和更低成本，这可能会彻底改变整个行业格局——但前提是技术真的可行。“古普塔说道。

总部位于北卡罗来纳州研究三角园的半导体公司Wolfspeed使用碳化硅材料生产晶圆和功率半导体。Wolfspeed表示，虽然碳化硅比硅更昂贵，但具有巨大的系统级优势。采用碳化硅构建的系统体积更小、重量更轻且效率更高，能为工业、能源和汽车等广泛领域带来成本效益。该公司第三财季营收达2.287亿美元。

安森美公司电源解决方案集团首席技术官帕维尔·弗罗因德利希表示，该公司正在开发更高效的硅基器件与技术，同时也在引入创新技术。

弗罗因德利希称，安森美预计其下一代硅基技术将使这些硅芯片的效率提升约20%。但他表示，将性能推向物理极限"会带来器件和工艺复杂度增加的弊端，导致产品成本上升和生产良率下降”。iDEAL董事会成员、投资人Cuong Do指出，关于化石燃料与替代能源的讨论掩盖了对高效电能转换的需求。“当前我们谈及能源时，总是关注供给端，却从未考虑需求侧及能效问题，“正在开发阿尔茨海默症等疾病疗法的BioVie首席执行官Do表示，“我认为这类半导体需求将呈指数级增长。”

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