لم تعد القيود على بنية الذكاء الاصطناعي محددة فقط بعدد المسرعات التي يمكن تصنيعها. يتم تعريفها بشكل متزايد بناء على كمية الطاقة التي يمكن توصيلها وتحويلها وتبديدها داخل الرف. لقد حول هذا التحول بهدوء تحويل الطاقة إلى أحد أكثر أسواق أشباه الموصلات تأثيرا في العقد، وهو يعيد رسم الحدود بين كربيد السيليكون ونتريد الغاليوم بطرق تهم أي شخص يحدد الركائز أو رقائق الإبيتاكسيال.

توضح هذه المقالة مكان كل مادة في العمارة الناشئة، ولماذا يحدث هذا الانقسام، وما يعنيه ذلك على مواصفات المواد خلال بقية العقد.

1. مشكلة طاقة الرف: من 10 كيلوواط إلى أكثر من 100 كيلوواط

تم تصميم رفوف المؤسسات التقليدية حول مستويات طاقة تتراوح بين 6–10 كيلوواط. تتجاوز رفوف تدريب الذكاء الاصطناعي بانتظام 50 كيلوواط اليوم، ويتم بناء عمليات نشر تقترب أو تتجاوز 100 كيلوواط لكل رف. عند هذه الكثافات، كل نقطة مئوية من فقدان التحويل تصبح حرارة يجب إزالتها، وكل سنتيمتر مكعب يشغله المغناطيسي والمشتتات الحرارية هو مساحة غير مشغولة بالحوسبة.

تكافح مراحل تحويل الطاقة التقليدية القائمة على السيليكون في تجاوز كفاءة تقارب 90٪ في هذه الظروف. الفجوة بين 90٪ و98٪ تبدو صغيرة؛ عند 100 كيلوواط لكل رف، يكون الفرق بين 8 كيلوواط و2 كيلوواط من الحرارة المهدرة لكل رف، مضروبا عبر آلاف الرفوف. هذا الحساب هو الحجة التجارية الكاملة لتبني الفجوة الواسعة في مراكز البيانات.

2. لماذا 800 فولت تيار مستمر، ولماذا الآن

مع ارتفاع طاقة الرف، يصبح التيار المطلوب عند جهود التوزيع التقليدية غير عملي: حيث تتغير مقاطع الكابلات، وتصنيفات الموصلات، وخسائر المقاومة كلها مع التيار. نقل ناقل التوزيع إلى 800 فولت تيار مستمر يقلل التيار بشكل نسبي، مما يقلل خسائر التوزيع بشكل كبير ويقلل من حجم النحاس.

يتم اعتماد بنية HVDC بجهد 800 فولت بالتوازي مع تطورين مرتبطين: محولات الحالة الصلبة (SST) التي تتعامل مع تحويل التيار المتردد متوسط الجهد إلى 800 فولت تيار مستمر في مرحلة واحدة، والتحول نحو تحويل التيار المتردد إلى التيار المستمر أحادي المرحلة عند الرف. كلاهما يدفع أجهزة أشباه الموصلات نحو جهود حجب أعلى وترددات تبديل أعلى في نفس الوقت — وهو مزيج لا يستطيع السيليكون تحقيقه.

الشكل 1 — رقاقة الإبيتاكسي GaN HEMT. تجعل حركة GaN العالية للإلكترونات وفقدان التبديل المنخفض خيارا افتراضيا لتحويل الحافلات المتوسطة عالية التردد.

3. تأخذ SiC الواجهة الأمامية عالية الجهد

في بنية 800 فولت، تعمل مراحل المواجهة للشبكة — التصحيح، تصحيح معامل القدرة، والواجهة لتوزيع الجهد المتوسط — عند مستويات الفولتية ومستويات الطاقة حيث تعتبر MOSFETs السي سي الخيار العملي. تصل أجهزة SiC في هذه المواقع إلى كفاءة تزيد عن 97٪ أثناء العمل عند درجات حرارة وكثافات طاقة لا تستطيع أجهزة IGBT السيليكون الحفاظ عليها. تخدم نفس الأجهزة أيضا مزودات الطاقة غير المنقطعة ومحولات التخزين التي تقع بجانب حمل الحاسوب.

بالنسبة لتطبيقات المحولات ذات الجهد المتوسط والحالة الصلبة، يرتفع متطلب الجهد إلى فئة 3.3 كيلو فولت وما فوق. هذا قطاع مهم هيكليا لأنه يفضل تأهيل الجهاز على حساب تكلفة الوحدة، ولأن الهياكل الإبيتاكسيالية المعنية — طبقات الانجراف السميكة مع منشطات محكمة الرقابة — تعد من بين أكثر الإنتاج الضخم لسيلوك تطلبا.

4. GaN يمتلك البوصة الأخيرة: 48 فولت إلى 12 فولت وما دون

بمجرد أن تصل الحافلة إلى 800 فولت أو 48 فولت، يحدث التحويل المتبقي بالقرب من الحمل، عند الجهود التي يحدد فيها تردد التبديل — وليس الجهد الحجب — الأداء. هنا تهيمن هيمنت GaN HEMTs. يعمل GaN بتشغيل طوبولوجيات رنين LLC ومماثلة عند تردد 500 كيلوهرتز إلى 1 ميجاهرتز، مما يتيح كفاءات تزيد عن 98٪ مع تقليص المحولات والمحاثات والمكثفات، وهو ما يسمح بزيادة كثافة طاقة إمداد الخادم بحوالي 30٪ دون زيادة مماثلة في الطلب على التبريد.

تعتمد اقتصاديات هذا الانتقال على GaN-on-Si. نمو إبيتاكسي GaN على ركائز السيليكون يسمح باستخدام بنية تحتية لتصنيع السيليكون منخفضة التكلفة وقائمة، وقد أفيد أن التحول من 6 إنش إلى 8 إنش GaN-on-Si يقلل من تكلفة الوحدة بحوالي 30٪. هذه الخطوة هي ما ينقل GaN من خيار مميز في شواحن المستهلك السريعة إلى خيار افتراضي في طاقة الخادم.

5. خريطة المواصفات: مكان كل مادة

الشكل 2 — رقاقة فوق البكاء في SiC. تعتمد مراحل الواجهة الأمامية عالية الجهد في معماريات 800 فولت على طبقات انحراف سميكة وموحدة.

6. ماذا يعني هذا لمشتري الركيزة والتخدير

يتبع اتجاهين للمواصفات مباشرة من هذا الانقسام المعماري، وكلاهما واضح بالفعل في طلبات التأهيل.

6.1 SiC: السماكة والتجانس، وليس فقط المقاومة

مع تقدم التصاميم نحو منصات 1200 فولت و1700 فولت — ونحو 3.3 كيلو فولت للمعدات المجاورة للشبكة — يصبح سمك الإبيتاكسي وتوحيد التطعيم يحدان من العائد. يجب على المشترين الذين يحددون SiC epi لهذه التطبيقات تحديد حدود تحمل سمك الرقاقة داخل الرقاق، وتحمل تركيز التطعيم، وكثافة العيوب بشكل صريح، ويجب أن يطلبوا التحقق على مستوى الدفعات بدلا من القيم النموذجية.

6.2 GaN: السلوك الديناميكي وتجانس مستوى الرقاقة

بالنسبة لأجهزة GaN HEMT، تجاوزت مناقشة المواصفات المقاومة الثابتة. أصبح سلوك المقاومة الديناميكي، وانهيار التيار، واستقرار جهد العتبة تحت الإجهاد الحراري والكهربائي الآن مركزيا، وجميعها تعود إلى جودة الظلام: تصميم المخازن، كثافة الفخ، تركيب الحاجز وسماكته، وخشونة الواجهة. في هياكل InAlN/GaN ذات الحواجز فائقة الرقة المستخدمة في التشغيل عالي التردد وموجات المليمتر، يعد التحكم في سمك الحاجز على مقياس النانومتر وقمع فصل الطور هما العوامل الحاسمة.

عمليا، هذا يعني أن مشتري GaN epi يجب أن يطلبوا رسم خرائط مقاومة الورق، وبيانات التنقل والكثافة 2DEG، وأدلة على تكرار الرقائق إلى الرقائق — وليس مجرد مخطط هيكلي اسمي.

7. ما وراء السائقين الفائق: حيث يقع التدفق

لا تقتصر قدرة الفجوة الواسعة على نطاق التكنولوجيا، ومعرفة العمليات، وبيانات التأهيل التي تولدها برامج الطاقة بالذكاء الاصطناعي في مراكز البيانات فقط. ثلاثة أسواق مجاورة تستوعب هذا التداعي:

• البنية التحتية للتخزين والشبكة الثابتة.نفس أجهزة SiC عالية الجهد المطورة لتوزيع 800 فولت تيار مستمر تنطبق مباشرة على محولات التخزين ومحولات تشكيل الشبكة، حيث تحدد الكفاءة والسلوك الحراري تكلفة الملكية الإجمالية.
• محركات المركبات الكهربائية.تستفيد منصات المركبات ذات الجهد العالي مباشرة من تخفيضات التكاليف التي تتحقق عند بناء سعة 8 إنش لتلبية طلب مراكز البيانات، رغم أن جداول تأهيل السيارات لا تزال أطول بكثير.
• الإلكترونيات البصرية والاستشعار.تستند الفوتونيات والروابط البصرية التي تربط عناقيد الذكاء الاصطناعي إلى نفس منصة مواد GaN التي تستخدم أجهزة الطاقة: حيث تشترك دايودات الليزر، وكواشف الضوء، وهياكل الاستشعار فوق البنفسجية في البنية التحتية الفوق بينية والكثير من المعرفة الأساسية للعملية.

8. الخلاصة المستخلصة من تخطيط عام 2026

أنظف طريقة لقراءة هذا السوق هي كتقسيم للعمل وليس كمنافسة بين المواد. تفوز SiC عندما يكون الجهد مرتفعا وتردد التبديل متوسطا؛ GaN يفوز عندما يكون التردد مرتفعا والجهد متوسطا؛ يحتفظ السيليكون بالوظائف الحساسة للتكلفة والتحكم حيث لا يهم أي منهما. الرف لا يختار بينهما — بل يستخدم الثلاثة جميعا، بكميات متزايدة، في نفس سلسلة الطاقة.

بالنسبة لمشتري المواد، المخاطرة في عام 2026 ليست في اختيار المادة الخاطئة. إنه يحدد تلك المادة بشكل فضفاض جدا بحيث لا يمكن نقلها بين الموردين عندما يتم تشديد التخصيص. الهياكل تتقارب، مما يعني أن التمييز يزداد اتساقا في التسلسل العرضي — والاتساق هو شيء يجب تحديده قبل أن يمكن شراؤه.

9. كيف تدعم PWG برامج الطاقة ذات الفجوة الواسعة

توفر مجموعة باور وافرتك ركائز SiC والرقائق الإبيتاكسيالية، وهياكل GaN الإبيتاكسيالية على الياقوت الأزرق والسيليكون والسيليكون والسيليكون والركائز المستقلة من GaN، والمواد ذات الفجوة الواسعة ذات الصلة لتطبيقات الطاقة والفوتوإلكترونيات. بالنسبة للفرق التي تتأهل لتصاميم المقدمة 800 فولت، الدعم المطلوب هو تصميم الهيكل الفوق السطحي مقابل جهد حجب الهدف، مع سمك موثق وتوحيد في التطعيم. بالنسبة لبرامج GaN، فهي هندسة حواجز ومخزن مؤقت تستهدف مقاييس الأداء الديناميكي الموضحة أعلاه، مدعومة برسم الخرائط الكهربائية على مستوى الرقاقة.

مصادر البيانات

• مجموعة مصنعي السيليكون SEMI وSEMI، إحصائيات الشحنات والسوق الفصلية.
• توقعات إنفاق معدات تصنيع SEMI 300 مم وتعليقات استثمارية على الذكاء الاصطناعي.
• تحليلات SUMCO والصناعة حول شدة الطلب على السيليكون والرقائق المتعلقة بالذكاء الاصطناعي.
• أعمال منشورة حول هندسة الإلكترونيات الكهربائية على 800 فولت HVDC، والمحولات الصلبة، وتحويل التيار المتردد إلى التيار المستمر أحادي المرحلة، عرضت في مؤتمرات صناعية بما في ذلك مؤتمر APEC 2026.
• أبحاث السوق حول تبني أجهزة الطاقة GaN في مراكز البيانات والتطبيقات الاستهلاكية والسيارات والمستهلكين؛ تختلف تقديرات حجم السوق بشكل كبير بين المؤسسات البحثية وتعرض هنا كاتجاهات اتجاهية بدلا من أرقام دقيقة.
• أرقام عدد الأجهزة وخفض التكاليف المذكورة في GaN-on-Si هي تقديرات صناعية تم الإبلاغ عنها عبر مصادر متعددة.