性能强过碳化硅！第三代半导体材料之后第四代呼之欲出 日本已重金加码

《科创板日报》（上海，研究员 何律衡）讯， 近期，以氮化镓、碳化硅为首的第三代半导体材料在A股市场引领了一波 科技 股回暖的热潮，引发市场对功率半导体的瞩目。与此同时，在该领域走在全球前列的日本，却已向号称第四代半导体的氧化镓展露了野心。

据日本媒体最新报道，日本经济产业省（METI）正准备为致力于开发新一代低能耗半导体材料“三氧化镓”的私营企业和大学提供财政支持，METI将为明年留出大约2030万美元的资金，预计未来5年的投资额将超过8560万美元。

在此基础上，第三代半导体材料由于普遍具有直接禁带结构，且禁带宽度更大、电子饱和漂移速度更高等特点，被越来越多地应用到功率半导体上。

在这其中，碳化硅和氮化镓当前应用最为广泛，前者具有宽禁带、高临界击穿电场、高饱和电子迁移速度和高热导率等特性，已在新能源 汽车 的电源管理中有所应用，后者则具有宽禁带、高饱和电子漂移速度、高电子迁移率等物理特性，在消费电子快充产品上得以应用。

而氧化镓被认为是继碳化硅和氮化镓之后的“第三代用于功率元件的宽禁带半导体”。这种材料最初计划用于LED（发光二极管）基板、深紫外光（Deep Ultra Violet）受光素子等，在近十年才被应用于功率半导体方向，继而引发全球研发的热潮。

研究表明，氧化镓的禁带宽度为4.9eV，超过碳化硅、氮化镓等材料，采用禁带更宽的材料可以制成系统更薄、更轻、功率更高的功率器件；击穿场强高于碳化硅和氮化硅，目前 β-Ga2O3 的击穿场强可以达到 8MV/cm，是碳化硅的两倍。

中银证券分析师赵琦3月27日报告指出，氧化镓更有可能在扩展超宽禁带系统可用的功率和电压范围方面发挥作用，其中最有希望的应用可能是电力调节和配电系统中的高压整流器，如电动 汽车 和光伏太阳能系统。

不过，氧化镓的导热率低，散热性能差是限制氧化镓市场运用的主要因素。氧化镓的热管理研究是当前各国研究的主要方向。赵琦认为，如若未来氧化镓的散热问题被攻克，氧化镓将是未来高功率、高压运用的功率半导体材料的有力竞争者。

据外媒报道，今年4月，美国纽约州立大学布法罗分校（the University at Buffalo）正在研发一款基于氧化镓的晶体管，能够承受8000V以上的电压，而且只有一张纸那么薄，将用于制造更小、更高效的电子系统，用在电动 汽车 、机车和飞机上，用于控制和转换电子，同时帮助延长此类交通工具的续航里程。

除了美国之外，从全球范围来看，日本作为全球首个研究氧化镓材料的国家，同样具备竞争优势。METI认为，日本公司将能够在本世纪20年代末开始为数据中心、家用电器和 汽车 供应基于氧化镓的半导体。一旦氧化镓取代目前广泛使用的硅材料，每年将减少1440万吨二氧化碳的排放。

“事实上，日本在氧化镓相关技术方面远远领先于包括韩国在内的竞争对手，”该行业的一位专家向媒体表示，“一旦氧化镓成功商业化，将适用于许多领域，因为它可以比其他材料更大幅度地降低半导体制造成本。”

而在中国，尽管起步较晚，但对于氧化镓的研究也同样不断推进状态中。据国内媒体报道，在去年举行的全国 科技 活动周上，北京镓族 科技 公司公开展示了其研发的氧化镓晶胚、外延片以及基日盲紫外线探测阵列器件。

此外，中国电科46所采用导模法成功已制备出高质量的4英寸氧化镓单晶，其宽度接近100mm，总长度达到250mm，可加工出4英寸晶圆、3英寸晶圆和2英寸晶圆。经测试，晶体具有很好的结晶质量，将为国内相关器件的研制提供有力支撑。

CTR是“Cycle Time Reduction”缩写，是通过省略不必要的工作步骤来缩短业务流程或产品设计的循环时间，从而使公司能对客户需求做出快速反应持续实施的系统方法。

临界温度热敏电阻CTR（Crit1Cal Temperature Resistor）具有负电阻突变特性，在某一温度下，电阻值随温度的增加激剧减小，具有很大的负温度系数．构成材料是钒、钡、锶、磷等元素氧化物的混合烧结体，是半玻璃状的半导体，也称CTR为玻璃态热敏电阻．骤变温度随添加锗、钨、钼等的氧化物而变．这是由于不同杂质的掺入，使氧化钒的晶格间隔不同造成的．若在适当的还原气氛中五氧化二钒变成二氧化钒，则电阻急变温度变大；若进一步还原为三氧化二钒，则急变消失．产生电阻急变的温度对应于半玻璃半导体物性急变的位置，因此产生半导体-金属相移．CTR能够作为控温报警等应用．

作为半导体行业最大的设计和知识产权供应商，ARM 将其技术授权给英特尔、高通和三星电子等客户，而这些公司与英伟达存在业务上的激烈竞争， 英伟达的收购案可能遭遇行业对手的强烈反对。

如果ARM变为一家美国公司，那么这会加剧ARM客户对于国际贸易风险的担忧。 因此，外界普遍认为，这项交易很可能无法通过包括在英国、中国、欧盟等多国监管机构的批准。 那么，明知收购ARM可能引起"众怒"，英伟达为何还要走出这一步呢？最终收购案的结局将会如何？

在英伟达宣布收购ARM后的几小时后，韩国和中国国内立马出现了质疑的声音。韩国半导体与显示技术学会会长Park Jea-gun表示， 这笔交易将加剧英伟达与三星、高通等公司在自动驾驶和其他未来芯片技术方面的竞争，并引起市场对ARM可能会提高竞争对手专利许可费的忧虑。

一位中国芯片行业高管表示，如果ARM成为美国子公司，那么与ARM合作的美企在华很可能更难销售他们的芯片。

反对的不只有中韩业内人士，还有英国。曾经的ARM联合创始人Hermann Hauser公开反对，认为英国电子产业有数百家公司，其中许多公司都使用ARM的技术， 它们的产品也出口到全球市场，一旦收购完成，英国公司出售产品到哪都要遵循美国的规定，这将是个"灾难"。

ARM在芯片行业到底扮演什么特殊角色，为何能引起业内人士一片担忧？

芯片的架构设计一直被誉为芯片行业的"金字塔尖"，开发难度巨大。 架构是芯片设计的基础，犹如一座建筑里的结构设计，只有具备稳定可靠的结构设计，才能建造各式各样的房子。 在芯片领域，架构对芯片的整体性能起决定性作用， 不同架构的芯片在同样的芯片面积、频率下，性能甚至可以出现几倍的差距。 目前，全球芯片领域的主流架构主要是ARM公司主导的ARM架构和英特尔主导的X86架构。

在移动互联网时代到来之前，英特尔开发的X86架构以高效能的优势，逐渐在服务器、PC机流行起来。 1978年6月8日，英特尔生产出世界上第一款16位的微处理器"i8086"，该处理器的出现同时开创了一个使用X86架构的新时代。 这奠定了后续英特尔在计算机处理器的霸主地位。

不过，随着人们对手机等移动设备需求显著提升，全球芯片领域的主流架构市场孕育巨大变化。 英国ARM 公司创立于上世纪 90 年代，其创立初衷是做"结构简单、功耗低、价格便宜"的芯片 ，并最终做出了理想中的首款CPU。后来的ARM架构，指的就是设计这款CPU时采用的架构。

虽然ARM的研发方向与英特尔不同，但在英特尔的强大统治下，ARM的日子并不好过。在这个情况下 ，ARM决定改变他们的商业模式，不再像英特尔一样，完成整个芯片的设计、制造、封装等环节，而是专做IP授权，即将芯片设计方案转让给其他公司 ，剩下的由购买方自己去完成。万万没想到，这种模式开创了属于ARM的全新时代。 越来越多的公司参与到这种授权模式中，与ARM建立了合作关系。

随着移动智能时代的到来， ARM的芯片架构凭借低功耗、简单等优势受到市场的追捧，因为手机不像电脑需要X86架构来支撑强大的性能，巨大的智能手机出货量使ARM 在芯片领域得到极大普及 ，到 2010 年，ARM 已经成为移动设备最主流的选择。有数据显示， 如今全世界超过95%的智能手机和平板电脑都采用ARM架构，高通、苹果、华为等企业的芯片也无一例外都采用了ARM架构。 同时，ARM基于整个产业链的架构技术也在迅速升级。

在受主流市场欢迎的情况下，ARM架构甚至对X86架构的主导地位发生威胁。 2012年，微软开始尝试让Windows 运行在基于ARM架构的处理器上；今年，苹果宣布 Mac要全部切换到基于ARM 架构的自研芯片。 ARM架构对芯片设计行业的统治力可见一斑，一旦其被英伟达所控制，对很多竞争对手带来的影响不可小觑。

作为全球最大的GPU（图形处理器）设计和制造商， 过去英伟达的业务一直面向 游戏 行业，为市场提供显示芯片，英伟达一度是PC时代的"显卡之王"，占全球市场份额曾高达70％ 以上，为推动 游戏 行业发展发挥巨大作用。2015年，该公司的销售额几乎全部来自 游戏 用半导体。

不过，随着人工智能时代的到来，大型数据中心对人工智能芯片的需求加速扩张，英伟达的业务开始考虑转向数据中心。在数据中心这种应用场景下， 英伟达领先的GPU并行处理能力使其成为行业训练人工智能系统等数据密集型业务的主要引擎，并带动了公司数据中心业务大幅增长。

在截至7月26日的第二财季，英伟达实现收入38.7亿美元，同比增长50%； 其中，英伟达的数据中心业务收入首次超过 游戏 业务，达到17.5亿美元，大幅增长167%。 拉长时间来看，英伟达的数据中心用半导体营收在5年内更是猛增了24倍。

得益于新业务表现优异，今年英伟达的股价一路高涨。今年7月8日，英伟达取代英特尔，成为美国市值最高的芯片制造商。 9月16日，英伟达的总市值达到3209亿美元，排在全球半导体企业第3，仅次于台积电和三星。

现在大多数数据中心的服务器都是基于X86架构的CPU构建，有 AI 计算需求。 英伟达的GPU擅长并行计算，非常适合 AI 的计算需求，但仍不能满足数据中心的需求，比如数据中心的很多任务还是需要CPU来完成。而 ARM拥有设计CPU的经验优势和架构技术，能帮助英伟达研发出高性能、更符合市场要求的GPU芯片处理器。如果能够收购芯片设计公司ARM， 英伟达有望巩固在人工智能半导体领域的霸主地位。

英伟达创办人兼首席执行官黄仁勋曾表示："整合英伟达与ARM的实力，将创造出一家在AI 时代站稳脚步的企业。" "对于ARM的产业生态系统而言，此次结合将运用英伟达引领全球的GPU 和AI技术扩大其知识产权组合。"

事实上，英伟达有意收购ARM早有端倪。2019年3月，英伟达就表示正在和ARM共同开发人工智能专用芯片； 2019年6月，在国际超算大会上，英伟达宣布将利用其芯片与使用ARM架构的CPU协作打造超级计算机。

今年以来，英伟达更是频频发起收购行动，表露其在AI半导体领域大展拳脚的决心。今年3月11日，英伟达击败对手英特尔， 宣布收购以色列芯片厂商Mellanox Technologies，以扩大数据中心和人工智能业务。 7月12日，英伟达宣布收购Deep Instinct公司，加强其在人工智能领域的优势。除了上述收购之外，英伟达还投资了包括Datalogue、ABEJA、Fastdata等在内的八家国际人工智能领域的公司。

虽然英伟达收购ARM主要是出于其深耕AI半导体的雄心，但这也能够为英伟达打开更广阔的市场前景， 发力AI半导体可能只是个开端，英伟达的终极目标应该是成为芯片领域的霸主。

在智能手机兴起时，英伟达曾涉及移动芯片Tegra的设计，但由于与高通、三星在竞争中落了下风，这成为了英伟达的一大败笔。 在新智能时代来临之际，英伟达在机器人和自动驾驶 汽车 等其他人工智能芯片市场也很活跃 ，目前缺少在智能手机、边缘计算、物联网等方面的芯片研发技术。 如果能成功收购ARM，英伟达还可以开发更多的新兴芯片业务，产品阵容也将更加完善，成为在芯片领域的超级公司。

这也意味着英伟达将可能与其他芯片巨头在服务器、PC、移动终端、AI以及自动驾驶和物联网等多个领域展开竞争。也因此业内普遍反感英伟达的收购行为。 而且，英伟达收购成功的后果可能是全球芯片格局变成"美国人自己的 游戏 "。

不过，英伟达在书写自己的远大宏图之前，还面临一个难以跨过的挑战——国际反垄断审批。 按照国际规定，企业有涉及并购的垄断行为，需要通过全球九个市场（包括中国）的监管审批。 英伟达的竞争对手很可能会推动国家监管部门否决这笔交易。 另外，在当前美国动用 科技 力量打压其他国家发展的背景下，这笔交易审批前景也难言乐观。英伟达预计光是审批过程可能就要长达18个月时间。

如果这笔收购交易没通过垄断审批，那么英伟达估计也不会"轻言放弃"，有可能会发起联合入股行动 ，即相关的芯片需求巨头各自出资，联合控股ARM，这样的结果更为理想。比如，2012年，台积电、英特尔、三星在2012年一起入股荷兰ASML，以支持后者研发下一代的EUV光刻机。但不知道英伟达能否找到可以一起入股的竞争对手。

文 | 钟志生 题 | 曾艺 图 | 饶建宁 审 | 程远

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