袁理：给手机和汽车充满电，未来可能就是几分钟的事 | 造就

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造就第219位讲者：袁理

上海微技术工业研究院功率器件部总监

我今天的演讲题目是：超越摩尔定律。摩尔定律于1965年由戈登·摩尔博士提出，其内容是：单位面积集成电路上可容纳的元器件数目，约每隔18-24个月便会增加一倍。

在这个定律的推动下，我们可以想见，每隔一个周期，集成电路的元器件尺寸会缩小、密度会增加、性能会提高、成本会降低。

摩尔定律推动了半导体行业长达半个多世纪的发展，随着技术的进步，最先进的半导体集成已经到了几个纳米的程度，但摩尔定律越往下走会越困难，所需资源会越来越多。

现在，我们需要来思考：是否半导体行业的每一个分支、每一个领域都需要遵循摩尔定律的发展？是否未来的困难度在每一个分支下都会增加？答案其实不是的。

 “超越摩尔”技术

这里有一张图，左边紫色的部分是传统摩尔定律的一些分支，主要以数字电路为主，比如说CPU和内存，它们会随着时间的推进变得越来越小、性能越来越好。

但是，在半导体行业，大量的领域其实并不遵循这个规律，他们并不追求器件尺寸的减小，而是追求开发出更多新的材料，以用在更多种类的器件、更多精彩的应用当中。我们把这样一些不遵循摩尔定律的分支称为“超越摩尔”的领域。

超越摩尔大概包括哪些具体的方向？比如说常见的微波通讯器件、无人器件、工艺器件、MEMS器件、手机里的加速度机、陀螺仪，身份证里的小型接触式的芯片等等……这些都是超越摩尔领域的一个范畴。

今天我就用超越摩尔领域的具体例子来给大家做一些展望。谈到超越摩尔，就不可避免的要提到一个新的半导体材料，因为任何新技术的发展都离不开材料的推动。在我们国内有这样一个讲法，常见的半导体材料一共分为三代。

到目前为止，第一代半导体材料以硅为代表，第二代半导体材料以砷化镓为代表，它们具有很高的电子迁移率，特别适用于高速应用场景；新的第三代半导体材料以氮化镓、碳化硅为代表，它们特别适合于高功率、高效率的工作。这三代材料互相补充、互相丰富。

讲到第三代半导体材料，我们首先从氮化镓谈起。

氮化镓是什么？

这种材料的历史其实挺长的，第一次人工合成的氮化镓材料早在摩尔定律之前，于1964年提出，但直到上世纪80年代才首次实现产业化的应用，它的第一个应用方向就是LED。

氮化镓第二个应用领域是微波器件。微波器件最早大家拿它来做军用的雷达，现在民用的基站等也开始用到它。随着氮化镓材料的不断发展，它的可接受电压越来越高。

氮化镓的第三个应用领域是被拿来做电源、适配器等各种基础功率的工作。

新材料的未来前景

下面我要谈谈，未来几年，这种新材料可能给大家生活带来的一些改变。

首先第一个就是Micro LED。现代的LED尺寸相对比较大，可能有几十到上百个微米，主要起提供亮度的作用。

随着技术的发展，LED可能会越做越小，小到显示屏的每一个像素点都由一个单独的LED灯组成，而一个像素点又会发出红绿蓝三色光，由此使得我们的显示屏亮度更高、效率更好、色彩更真、也更省电。

目前来看，消费类领域普遍认为，Micro Led可以成为下一代显示技术的主流之一。未来几年，我们会在可穿戴式设备、智能手机、个人终端里看到这样的应用。

第二个未来可能发生的是，用最新的材料加强氮化镓。我们都知道钻石很名贵，平时大多用来做装饰，但并不清楚它还有很多工业用途。我们可以用人工合成金刚石加工成一个圆盘，在上面覆一层氮化镓的薄膜，再做成各种我们想要的器件结构。

拿这么名贵的材料来做这个工作有什么好处？它可以提升氮化镓的性能。氮化镓的新材料生长在碳化硅上，其输出功率密度可达到过去氮化镓或硅的10倍，若再将氮化镓覆在钻石上，则其输出功率密度可达过去的30倍，这个意义非常巨大。

它意味着什么？我们以雷达来举例，这意味着可以使雷达的探测距离增长，性能上得到180%~200%的提升，这在军事上意义重大，意味着我们的战机可以优先于对手发现对方。

同时，这对民用领域也同等重要，在民用基站里增大基站的输出功率，意味着单个基站的覆盖面积可以大大增加，还意味着更高的基站密度及更少的硬件设备投入，以降低日常电讯使用开销 。

再一个是指在消费类电源部分，氮化镓可能将在未来几年掀起一场电源革命。

首先是充电的部分，过去一个手机充电需要两小时，现在可以做到半小时、20分钟。现在的技术还是基于传统的硅技术，如果我们把氮化镓这种新的材料、技术引入手机快充领域，我们还可以把充电时间再大幅缩短，缩至10分钟、5分钟，甚至更短。

同时，我们还可以把充电器做得更小、更精致。除此之外，未来基于氮化镓的快充还可以同时支持好几台设备，比如说同时给手机、iPad、电脑等等充电。

除了有线充电，氮化镓在无线充电上也有了很大的技术提升。

无线充电这个概念早在几年前就被提出，但该产品还未全面在市场铺开。一方面是因为它性能上的缺陷，例如囿于传统硅的限制，无线充电的输出功率较低；另一方面是无线充电速度较慢，且需让手机与无线充电器近距离接触，一次也只能充一台手机。

但随着氮化镓等新材料的应用，我们可以大幅提高无线充电的功率，可以使无线充电同时为好几台设备供电，可以把它放在离手机比较远的地方。

我们可以想像这样一个场景，几个朋友一起去餐馆吃饭，假如说餐馆的餐桌上安装了氮化镓的无线充电器，我们就可以在吃饭的过程中，随意将手机摆在桌面上。吃好饭之后，我们每个人的手机都充好电了。

建设绿色数据中心

还有一个应用场景，虽然不直接跟我们个人接触，但却非常重要，那就是数据中心。

大家都知道现在是智能时代、云计算时代、互联网时代，我们强调万物互联，所有东西都要上网。在万物互联的背后，其实需要大量的数据中心来处理并存储那些网络数据。

虽然目前全球的数据中心规模在不断的上涨，但全球的数据中心耗电量也已达到一个不容忽视的程度。

据统计，去年全球数据中心总耗电量超四千亿度，这超过了英国全年的发电量总和，也占了全人类总发电量约2%~3%的比例。

我们知道，智能时代才刚刚开始，随着智能技术的进步，未来需要更多的数据中心。由此可见，随着技术的发展，可能未来数据中心的耗电量会占到人类耗电量的很大比例，甚至超过一半的比例。

该形势还给世界各国带来了巨大的能源安全及环境污染压力，各国都在追求一个新的解决方案，是什么呢？就是绿色数据中心。

我们希望通过一些技术手段，降低数据中心对能源的依赖，其中氮化镓就是一个很好的方式。比如说用氮化镓来做数据中心的电源，这可使同等情况下，电源体积减少30%~70%，电源功耗降低30%~40%。

根据我们现在的一个推算，在全球，如果所有的数据中心都用上氮化镓的电源，我们可以每年节省十亿美金的电费。

我们前面讲了很多氮化镓目前的应用及未来几年对日常生活的改变，其实这些新的改变都离不开材料的不断迭代。

比如LED方面，很多氮化镓长在蓝宝石上。未来，随着技术的发展，我们可以看到更多新的材料形态的诞生。我们会看到氮化镓长在自己支撑的氮化镓上，这样就可以大大提高LED的发光亮度和效率。

在一些特定领域，氮化镓的性能已不能满足人类的需求，我们希望产生更新的材料，那么就可以从超越摩尔领域的大范畴里，寻找这些细的分支材料。

我相信，在超越摩尔领域，随着技术的进一步发展，未来会对人类的生活带来更多、更直观的促进和保护。

谢谢大家。