鄭華琦 / 工研院產科國際所
AI時代的瓶頸已由算力轉向電力，資料中心耗電劇增使產業KPI轉為追求極致的「每瓦效能」。因傳統矽材料達物理極限，具備高耐壓、高頻低損耗的寬能隙半導體（SiC、GaN）引領高效電力革命。全球功率半導體市場預計於2035年達208億美元，競爭也由單一元件轉為「系統級競爭」。台灣雖未主導上游材料，但憑藉一條龍半導體鏈、AI伺服器聚落與「封裝加散熱」強項，能優先與國際巨頭協同設計，轉型為全球AI的「能源效率守護者」。政策上應將其納入國家戰略，建立驗證平台與示範基地，奠定產業護城河。對於台灣而言，這正是一次重塑全球科技版圖的歷史性機遇。在這場全球性的AI電力革命中，次世代功率半導體將成為台灣的「隱形核心」。透過守護AI時代的綠色能源與算力效率，台灣將在晶圓代工與先進封裝之外，為自己鍛造出另一座兼具經濟價值與國際競爭力的技術矽盾，繼續定義未來全球智慧科技的關鍵命脈。
【內文精選】
AI時代為何推升功率半導體需求？
功率半導體是現代科技的電力心臟，本質上是「控制電力流動的半導體元件」，廣泛負責電力轉換、電壓控制、馬達驅動與能源管理等核心任務。隨著AI資料中心與電動車對高功率的需求激增，傳統的矽(Si)材料已面臨耐壓不足、高溫效率下降、開關損耗高、散熱困難及體積難以縮小等物理極限。為了突破瓶頸，全球產業正加速導入「寬能隙半導體(Wide-bandgap Semiconductors)」。目前主流的次世代材料各具優勢：碳化矽(Silicon Carbide; SiC)具備高耐壓與耐高溫特性；氮化鎵(Gallium Nitride; GaN)主打高頻高速與小型化，兩者皆已正式進入產業化階段。此外，氧化鎵(Ga2O3)擁有超高耐壓潛力，而金剛石則被視為極致散熱與高功率的終極解方，共同開啟高效能源管理的新時代。簡略之次世代功率半導體應用如圖一所示，次世代半導體最關鍵之應用仍以AI和數據中心、電動車、工業和可再生能源以及消費性電子產品為主。對於AI發展需求上，高效率電源則肩負著重中之重的任務。
圖一、次世代功率半導體關鍵應用
1.AI資料中心耗電成長，催生「高效率電力電子革命」
近年全球正式進入AI高速成長階段，從生成式AI到未來的Physical AI（實體AI），人類社會正加速邁向「全面智慧化」。然而，這場算力革命的背後，隱藏著電力消耗爆炸性成長的嚴峻挑戰。AI運算的本質是高密度的電能消耗，當傳統伺服器功率僅約數百瓦時，單一AI GPU模組的功耗已突破1,000 W，而高密度的AI機櫃(Rack)功耗更高達100 kW以上。面對未來資料中心朝向48 V甚至800 V的高壓架構發展，高效率的AC/DC轉換與高密度電源模組已成為剛性需求。若系統仍沿用傳統的矽(Si)元件，將面臨巨大的能源浪費與難以承受的散熱問題，這正迫使全球科技產業掀起一場「高效電力電子革命」。
2.KPI的轉移，AI伺服器追求極致的「效能」
在這場用電變革中，資料中心最重要的關鍵績效指標(KPI)已從單純的「運算效能」，轉變為追求極致的「每瓦效能(Performance per Watt)」，也就是用更少的電完成更多AI運算。具備寬能隙特性的次世代功率半導體—碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)，因為能顯著降低開關損耗、傳導損耗並大幅減少熱能浪費，已正式成為AI電源供應器(PSU)與電源管理的技術核心 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》476期，更多資料請見下方附檔。