液冷技術(shù)59%增長(zhǎng)下，半導(dǎo)體器件何去何從？

日前，英國(guó)知名調(diào)研機(jī)構(gòu)Omdia，發(fā)布了的名為《Beyond the backlog how low voltage drive vendors can win in the new normal》報(bào)告，這份報(bào)告總結(jié)并預(yù)測(cè)了一個(gè)半導(dǎo)體趨勢(shì)：雙相直接芯片液冷技術(shù)的復(fù)合年增長(zhǎng)率將高達(dá)59%!

圖/Omdia研報(bào)截取

這一趨勢(shì)不僅宣告了散熱技術(shù)的范式革命，更向半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈拋出了一份“高壓”考卷:

面對(duì)液冷技術(shù)時(shí)代對(duì)能效、空間和智能的極致需求，從功率半導(dǎo)體器件到半導(dǎo)體控制芯片，再到模擬傳感半導(dǎo)體器件，半導(dǎo)體器件將如何進(jìn)化以抓住這確定性的增長(zhǎng)浪潮?

一、59% vs -8.7%：液冷系統(tǒng)或成為半導(dǎo)體行業(yè)新的增長(zhǎng)極

站在2026年的起點(diǎn)回望過去，半導(dǎo)體行業(yè)在經(jīng)歷了前兩年的供應(yīng)鏈動(dòng)蕩與庫(kù)存修正后，正急切地尋找下一個(gè)具備“確定性”的增長(zhǎng)極。

Omdia這份報(bào)告中統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)揭示了當(dāng)前半導(dǎo)體市場(chǎng)的“冰火兩重天”格局：一方面，受制于機(jī)械制造商與分銷渠道的去庫(kù)存壓力，以及離散自動(dòng)化需求的疲軟，2024年全球低壓變頻器市場(chǎng)規(guī)模同比下滑了8.7%。這一數(shù)據(jù)的下行，宣告了依賴同質(zhì)化通用半導(dǎo)體器件、簡(jiǎn)單擴(kuò)大半導(dǎo)體產(chǎn)能的舊增長(zhǎng)模式已難以為繼。

另一方面，數(shù)據(jù)中心熱管理也就是液冷散熱這一細(xì)分領(lǐng)域卻展現(xiàn)出了驚人的爆發(fā)力。Omdia的這份報(bào)告預(yù)測(cè)，在2024年至2029年期間，雙相直接芯片液冷技術(shù)的復(fù)合年增長(zhǎng)率將高達(dá)59%!在液冷技術(shù)高增長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)下，液冷市場(chǎng)勢(shì)必也將迎來爆發(fā)式增長(zhǎng)!

圖/Omdia研報(bào)截取

液冷系統(tǒng)，尤其是雙相液冷技術(shù)，其核心的冷卻液分配單元、浸沒式泵組以及相變控制系統(tǒng)，也就是說液冷系統(tǒng)本質(zhì)上是一套高度復(fù)雜的電子電氣架構(gòu)。

隨著單機(jī)柜功率密度從20kW向100kW甚至更高功率跨越，傳統(tǒng)風(fēng)冷技術(shù)已逼近物理散熱極限，PUE(電源使用效率)的邊際改善成本急劇上升。想要讓數(shù)據(jù)中心的算力繼續(xù)不斷提升，就必須用液冷技術(shù)來解決熱管理問題，這也意味著液冷技術(shù)會(huì)成為數(shù)據(jù)中心的“標(biāo)配”。

圖/AI生成

對(duì)于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)而言，這意味著未來的增量市場(chǎng)將高度集中于支撐這59%高增長(zhǎng)背后的核心半導(dǎo)體器件，也意味著液冷對(duì)半導(dǎo)體器件提出了更高的性能要求——在極高的功率密度下實(shí)現(xiàn)極低的熱損耗，在極復(fù)雜的流體環(huán)境中實(shí)現(xiàn)極精準(zhǔn)的控制。

二、歐盟新規(guī)“紅線”：第三代半導(dǎo)體將成功率器件主力?

液冷架構(gòu)的普及，對(duì)功率半導(dǎo)體器件提出了前所未有的物理空間與能效挑戰(zhàn)。Omdia報(bào)告中提到的一個(gè)關(guān)鍵政策：歐盟的《(EU) 2024/1834號(hào)條例》規(guī)定，從2026年7月起，新的生態(tài)設(shè)計(jì)目標(biāo)(相比于2011年的舊標(biāo)準(zhǔn)大幅提高最低能效等級(jí))將強(qiáng)制覆蓋125-500W功率范圍的工業(yè)風(fēng)扇與輔助冷卻設(shè)備。

圖/Omdia研報(bào)截取

這一法規(guī)精準(zhǔn)鎖定了數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)中最常用的輔助散熱單元(如冷液分配裝置中的循環(huán)泵、輔助風(fēng)扇陣列)。

長(zhǎng)期以來，這一功率段充斥著低成本、低效率的交流感應(yīng)電機(jī)。新規(guī)的實(shí)施意味著這些低效設(shè)備必須被淘汰，取而代之的是采用永磁同步電機(jī)或無刷直流電機(jī)的高效驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

為了在滿足新規(guī)的同時(shí)，應(yīng)對(duì)液冷系統(tǒng)對(duì)空間的極致壓縮，第三代半導(dǎo)體——也就是是碳化硅(SiC)與氮化鎵(GaN)或?qū)⒊蔀楣β拾雽?dǎo)體器件的主力軍。

原因如下：

GaN的優(yōu)勢(shì)

針對(duì)歐盟新規(guī)重點(diǎn)覆蓋的125W-500W中小功率段(如輔助電源與終止循環(huán)泵)，GaN憑借比SiC更緊湊的功能，發(fā)揮出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。數(shù)據(jù)中心冷液分配裝置(CDU)內(nèi)部寸土寸金。GaN沒有反向恢復(fù)電位，切換起來具有決定性的干脆這意味著同樣的功率下，GaN能跑得更快(開關(guān)頻率更高)且發(fā)熱極低，幫助工程師節(jié)省下寶貴的交換機(jī)空間。此外得益于GaN的與微型化，工程師可以將高效驅(qū)動(dòng)電路直接“塞”進(jìn)電機(jī)內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)“機(jī)電一體化”設(shè)計(jì)。這不僅徹底省去了外部驅(qū)動(dòng)器的安裝位置，還大量減少了復(fù)雜的線束連接，完美解決了液冷機(jī)柜內(nèi)部空間被極大壓縮的痛點(diǎn)。

SiC不可替代的地位

在更高功率的主泵或高壓直流母線應(yīng)用中，SiC MOSFET則利用其“耐高壓、耐高溫”的優(yōu)勢(shì)確立了不可替代的地位。傳統(tǒng)的硅基IGBT關(guān)斷時(shí)總有一點(diǎn)余量關(guān)不干凈，限制了速度。SiC MOSFET雖然在電機(jī)應(yīng)用中不需要推到極高的頻率，但它開關(guān)極快，允許工程師預(yù)設(shè)大致的死區(qū)時(shí)間，簡(jiǎn)單來說，就是讓電機(jī)控制更精準(zhǔn)，大幅降低了低頻下的諧振，讓電流波形更流暢、更清晰。而SiC越熱越穩(wěn)定的特性，使得在液冷系統(tǒng)負(fù)載拉滿的高溫工況下得以增強(qiáng)，也能保持低電阻運(yùn)行。這大大降低了驅(qū)動(dòng)電路本身的發(fā)熱量，不僅提升了PUE，更增加了液冷回路本身的熱負(fù)荷。

9%溢價(jià)背后的邏輯

Omdia的這份報(bào)告指出，美洲地區(qū)高端驅(qū)動(dòng)設(shè)備的平均售價(jià)預(yù)計(jì)將以9%的年復(fù)合增長(zhǎng)率上升。這一溢價(jià)主要源于市場(chǎng)對(duì)高能效和高可靠性的追求。

雖然SiC與GaN功率器件的單價(jià)目前仍高于硅器件，但即便如此，其對(duì)于數(shù)據(jù)中心液冷散熱的價(jià)值依舊無可替代。

圖/AI生成

隨著液冷技術(shù)59%的增長(zhǎng)推動(dòng)，SiC與GaN功率器件的應(yīng)用場(chǎng)景將從新能源汽車加速外溢至數(shù)據(jù)中心熱管理領(lǐng)域也就是液冷散熱，成為支撐算力基礎(chǔ)設(shè)施高溢價(jià)能力的中流砥柱。

三、7.5%的軟件增速：半導(dǎo)體控制芯片的算力重構(gòu)與邊緣智能

如果說功率半導(dǎo)體器件解決了液冷系統(tǒng)的“動(dòng)力”問題，那么控制芯片(MCU/DSP)則決定了系統(tǒng)的“智商”。

Omdia的這份報(bào)告指出：雖然2024年硬件市場(chǎng)萎縮，但軟件和服務(wù)市場(chǎng)卻逆勢(shì)增長(zhǎng)了3.2%，且未來幾年的復(fù)合年增長(zhǎng)率將達(dá)到7.5%，遠(yuǎn)超硬件的4.4%。這一數(shù)據(jù)表明，液冷系統(tǒng)的價(jià)值核心正在從單純的“執(zhí)行”轉(zhuǎn)向“智能控制”。

圖/Omdia研報(bào)截取

與風(fēng)冷系統(tǒng)簡(jiǎn)單的啟停控制不同，液冷系統(tǒng)涉及復(fù)雜的熱流體動(dòng)力學(xué)過程。這對(duì)液冷控制芯片提出了算力重構(gòu)與集成邊緣AI的要求：

從標(biāo)量控制到矢量算力的躍升

液冷系統(tǒng)中的冷卻液流速必須跟隨算力芯片的實(shí)時(shí)負(fù)載進(jìn)行毫秒級(jí)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。算力負(fù)載的瞬間波動(dòng)(如AI訓(xùn)練任務(wù)的突發(fā)啟動(dòng))要求液冷系統(tǒng)做出即時(shí)響應(yīng)。

這種液冷系統(tǒng)的控制需求要求MCU從傳統(tǒng)的標(biāo)量控制全面轉(zhuǎn)向矢量控制。為了支撐高頻FOC算法，市場(chǎng)急需集成了浮點(diǎn)運(yùn)算單元、三角函數(shù)加速器以及高精度定時(shí)器的高性能MCU。這類芯片需要在幾十微秒的控制周期內(nèi)，完成電流采樣、坐標(biāo)變換、PID運(yùn)算以及SVPWM波形生成，并在邊緣端實(shí)時(shí)解算流體壓力與溫度模型，以防止局部熱點(diǎn)或氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

邊緣AI與預(yù)測(cè)性維護(hù)的落地

為了匹配軟件服務(wù)市場(chǎng)7.5%的高增速，控制芯片還必須具備邊緣AI能力。在雙相液冷系統(tǒng)中，液冷泵體的健康狀態(tài)直接關(guān)系到整個(gè)數(shù)據(jù)中心的安全。

通過在MCU中集成NPU(神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理單元)或利用高性能DSP(數(shù)字信號(hào)處理技術(shù))運(yùn)行輕量級(jí)推理模型，控制器可以實(shí)時(shí)分析電流紋波的頻譜特征與流體壓力波形。例如，識(shí)別出軸承磨損導(dǎo)致的特定頻率振動(dòng)，或泵體氣蝕引發(fā)的壓力脈動(dòng)。這種基于邊緣側(cè)的預(yù)測(cè)性維護(hù)，能夠在故障發(fā)生前發(fā)出預(yù)警，避免災(zāi)難性的停機(jī)事故。這種“硬件+算法”的交付模式，正是半導(dǎo)體器件廠商切入高增長(zhǎng)軟件服務(wù)市場(chǎng)的關(guān)鍵抓手。

圖/AI生成

四、可靠性與集成的終極考驗(yàn)：模擬傳感半導(dǎo)體芯片的新機(jī)遇

液冷環(huán)境的特殊性，也為模擬傳感半導(dǎo)體器件帶來了全新的技術(shù)挑戰(zhàn)與市場(chǎng)機(jī)遇。Omdia報(bào)告強(qiáng)調(diào)，隨著網(wǎng)絡(luò)安全和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施保護(hù)成為硬性指標(biāo)(如IEC 62443標(biāo)準(zhǔn))，具備高級(jí)功能的產(chǎn)品將獲得市場(chǎng)溢價(jià)。這一點(diǎn)在液冷傳感器領(lǐng)域體現(xiàn)得尤為明顯。

在雙相液冷系統(tǒng)中，冷卻液在氣態(tài)與液態(tài)之間循環(huán)相變，這對(duì)壓力與溫度的監(jiān)測(cè)精度提出了極高要求。傳統(tǒng)的通用傳感器往往難以在充滿電磁干擾且溫度劇烈變化的數(shù)據(jù)中心內(nèi)部保持穩(wěn)定性。

因此，Omdia的數(shù)據(jù)增長(zhǎng)預(yù)期背后，也隱含著對(duì)高精度、高集成度模擬前端芯片的巨大需求。這些芯片需要具備極低的溫漂系數(shù)與極高的共模抑制比，以確保在復(fù)雜的電氣環(huán)境中精準(zhǔn)捕捉流體的每一次微小波動(dòng)。

此外，為了適應(yīng)數(shù)據(jù)中心高密度的部署需求，智能功率模塊(IPM)與系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)將成為主流。將功率開關(guān)、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)邏輯甚至隔離接口集成在單一封裝內(nèi)，不僅能夠縮小體積，還能提升系統(tǒng)的抗干擾能力與可靠性，從而滿足關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)“零停機(jī)”的嚴(yán)苛要求。

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對(duì)于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)而言，液冷技術(shù)的爆發(fā)式增長(zhǎng)預(yù)示著一個(gè)由數(shù)據(jù)中心熱管理領(lǐng)域催生的半導(dǎo)體器件“藍(lán)海”正在形成。

從碳化硅的能效替代，到高性能MCU的算力升級(jí)，再到模擬傳感的精密進(jìn)化，液冷時(shí)代的到來，或?qū)氐赘膶懓雽?dǎo)體器件在熱管理領(lǐng)域的價(jià)值坐標(biāo)。

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