證券時報記者 康殷

2025年是人形機器人量產(chǎn)元年，氮化鎵（GaN）半導(dǎo)體正以“性能革命者”的姿態(tài)，縮短機器人從實驗室走向規(guī)模化商用的距離。

相較于傳統(tǒng)硅基芯片，這種第三代半導(dǎo)體材料憑借高頻、高能效、耐高壓等特性，成為破解機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動精度、功率密度與散熱難題的“金鑰匙”，為機器人產(chǎn)業(yè)崛起做“鎵”衣。從英諾賽科推出芯片方案，到意優(yōu)科技應(yīng)用于關(guān)節(jié)模組驅(qū)動，再到德州儀器等國際大廠，均紛紛前瞻布局氮化鎵材料新產(chǎn)品。

機器人性能的“金鑰匙”

7月的蘇州艷陽高照，走進(jìn)英諾賽科位于蘇州的氮化鎵芯片制造基地，沿著參觀通道前行，無塵車間內(nèi)超百臺自動化設(shè)備以超高精度24小時不間斷運轉(zhuǎn)。

作為全球范圍內(nèi)開創(chuàng)性實現(xiàn)8英寸硅基氮化鎵晶圓量產(chǎn)的半導(dǎo)體企業(yè)，記者在英諾賽科展廳內(nèi)看到，一塊指甲蓋大小的氮化鎵芯片被置于展臺中央。據(jù)介紹，這顆芯片的開關(guān)速度極高，導(dǎo)通損耗比傳統(tǒng)硅基器件降低70%。這顆不起眼的芯片，將成為機器人手腕關(guān)節(jié)的驅(qū)動核心，出現(xiàn)在未來量產(chǎn)機型中。

氮化鎵是極具性能優(yōu)勢的第三代半導(dǎo)體材料之一。近年來，隨著AI、電動汽車、機器人蓬勃興起，相比傳統(tǒng)硅材質(zhì)，氮化鎵憑借高頻、高能效、耐高壓、耐高溫等綜合優(yōu)勢在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域嶄露頭角。

在機器人領(lǐng)域，氮化鎵芯片相較于傳統(tǒng)硅基芯片展現(xiàn)出多方面優(yōu)勢。英諾賽科產(chǎn)品開發(fā)部副總經(jīng)理王懷鋒在接受證券時報記者采訪時指出，氮化鎵芯片具有更小的導(dǎo)通損耗、更低的開關(guān)損耗、沒有反向恢復(fù)損耗以及更小的器件體積。這些優(yōu)勢在機器人關(guān)節(jié)電機驅(qū)動等關(guān)鍵應(yīng)用中，切實解決了傳統(tǒng)技術(shù)面臨的諸多痛點。

“以關(guān)節(jié)電機驅(qū)動為例，氮化鎵芯片能夠提高電機功率，滿足機器人高負(fù)荷載重需求。”王懷鋒說，“它還能滿足人形機器人對高精度動態(tài)控制的要求，比如靈活運動和平衡維持。利用氮化鎵的高頻特性，通過提升電機驅(qū)動的開關(guān)頻率，從而減小關(guān)節(jié)電機的尺寸和重量，提升電機轉(zhuǎn)換效率，延長機器人的續(xù)航時間。”

在載重機器人上，市場對于承重指標(biāo)的需求在不斷提升。譬如要求機器人在更小體積下實現(xiàn)大于100公斤承重，爆發(fā)功率需達(dá)到數(shù)十千瓦，而這一需求已遠(yuǎn)超硅基芯片的能力范圍。王懷鋒強調(diào)，當(dāng)機器人需要突破現(xiàn)有功率密度限制，實現(xiàn)如抱起老人等實用化場景時，氮化鎵芯片將成為不可或缺的選擇。

人形機器人集成多種子系統(tǒng)，在等同人類體積內(nèi)保持復(fù)雜系統(tǒng)平穩(wěn)運行，難以滿足尺寸和散熱要求，其中關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)空間受限最大。集邦咨詢指出，約40個電機及控制系統(tǒng)分布于機器人身體各部位，手部可能集成十多個微型電機，不同部位電機電源要求不同，且與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，人形機器人關(guān)節(jié)系統(tǒng)控制精度、尺寸和散熱要求更高。氮化鎵芯片可以實現(xiàn)更精確的控制、減少開關(guān)損耗，并且其尺寸更小。

國際大廠同樣密切關(guān)注氮化鎵在人形機器人上的應(yīng)用。今年2月，德州儀器就發(fā)表報告指出，氮化鎵可以在高PWM頻率下以低損耗輕松實現(xiàn)更高精度的電機控制。氮化鎵的高功率密度特性與德州儀器的集成式驅(qū)動器的特性相結(jié)合，可進(jìn)一步減小尺寸。由于這些優(yōu)勢，氮化鎵電機驅(qū)動器可能會成為人形機器人的首選設(shè)計，帶來更高效、更穩(wěn)定和更智能的機器人設(shè)計。

與此同時，英諾賽科、中科無線半導(dǎo)體等國內(nèi)企業(yè)正積極布局。據(jù)了解，英諾賽科的氮化鎵產(chǎn)品已在人形機器人的多個核心部件和系統(tǒng)中實現(xiàn)應(yīng)用并取得顯著效果。其100V氮化鎵產(chǎn)品已成功應(yīng)用于人形機器人的上下身肢體關(guān)節(jié)，使功率提升了30%，轉(zhuǎn)換效率提升5%。在48VDC/DC電源應(yīng)用中，更是讓電源體積減少30%，有效節(jié)省了機器人有限的空間。

此外，中科無線半導(dǎo)體近期也推出了首顆基于氮化鎵可編程具身機器人動力系統(tǒng)芯片。

核心部件率先使用

在人形機器人產(chǎn)業(yè)爆發(fā)前夕，核心零部件廠商正成為技術(shù)突破的關(guān)鍵力量。作為人形機器人零部件頭部供應(yīng)商，意優(yōu)科技在機器人關(guān)節(jié)模組領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新備受關(guān)注。而氮化鎵半導(dǎo)體技術(shù)的引入，成為意優(yōu)科技在機器人關(guān)節(jié)模組領(lǐng)域的重要布局。

位于江蘇無錫的意優(yōu)科技研發(fā)總部，有一條半自動化生產(chǎn)線，由機械臂與工人協(xié)同完成關(guān)節(jié)組裝。據(jù)了解，不久前完成新一輪融資的意優(yōu)科技，已在無錫錫山、上海張江兩地布局了先進(jìn)產(chǎn)能，預(yù)計2025年總產(chǎn)能將達(dá)到18萬套。

意優(yōu)科技技術(shù)總監(jiān)李戰(zhàn)猛表示，相較于傳統(tǒng)硅基MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）器件，氮化鎵器件在關(guān)節(jié)驅(qū)動層面具有寄生參數(shù)小、開關(guān)速度快、導(dǎo)通損耗小、封裝緊湊等顯著優(yōu)勢。這些特性帶來了兩方面的提升：一方面大幅減小了硬件電路面積，推動驅(qū)動系統(tǒng)小型化；另一方面提高了PWM控制分辨率，降低電流紋波，實現(xiàn)更精細(xì)的電流控制，從而提升關(guān)節(jié)電機的運動精度。

在效率表現(xiàn)上，傳統(tǒng)硅基方案的效率通常在85%至95%之間，而氮化鎵驅(qū)動器可實現(xiàn)98.5%以上的轉(zhuǎn)換效率。“這意味著在相同面積下，我們可以獲得更高的功率輸出，滿足人形機器人高爆發(fā)力運動的需求。”李戰(zhàn)猛表示。

目前，意優(yōu)科技已將英諾賽科的氮化鎵芯片ISG3204應(yīng)用于關(guān)節(jié)內(nèi)部驅(qū)動板。考慮到不同規(guī)格關(guān)節(jié)模組的電流需求差異，意優(yōu)科技在功率器件選型上采取了精細(xì)化策略。“小功率關(guān)節(jié)應(yīng)用中，氮化鎵方案可以節(jié)省板內(nèi)面積、減少分立元器件數(shù)量，幫助降低成本。”

事實上，成本問題是氮化鎵芯片推廣應(yīng)用的重要因素。在機器人領(lǐng)域，國內(nèi)半導(dǎo)體廠家正通過釋放規(guī)模效應(yīng)、提升良率、改善工藝等方式降低氮化鎵制造成本。

英諾賽科是全球首家實現(xiàn)8英寸硅基氮化鎵晶圓量產(chǎn)的企業(yè)，這項技術(shù)相比行業(yè)常見的6英寸晶圓，能使單片晶圓晶粒產(chǎn)出提升80%，單顆芯片成本降低30%。隨著產(chǎn)能進(jìn)一步擴(kuò)大，單位固定成本將顯著降低。此外，通過優(yōu)化外延緩沖技術(shù)和工藝參數(shù)，英諾賽科的晶圓良率已達(dá)95%，低缺陷率大幅減少了廢品損失。

此外，英諾賽科推出合封芯片，將驅(qū)動電路、保護(hù)電路與氮化鎵器件集成，簡化了機器人關(guān)節(jié)電機驅(qū)動設(shè)計，減少外圍元件30%以上。例如100W關(guān)節(jié)電機驅(qū)動模組已量產(chǎn)，在提升系統(tǒng)能效的同時，降低了整體系統(tǒng)成本。

盡管氮化鎵技術(shù)優(yōu)勢顯著，但大規(guī)模應(yīng)用仍需突破驗證關(guān)。李戰(zhàn)猛坦言，氮化鎵器件在消費電子領(lǐng)域已大規(guī)模普及，但在機器人電機驅(qū)動領(lǐng)域尚處于批量驗證階段。意優(yōu)科技已在某些關(guān)節(jié)驅(qū)動型號中實現(xiàn)小批量生產(chǎn)，“從當(dāng)前驗證結(jié)果來看，我們認(rèn)為規(guī)模化量產(chǎn)的時間點會比較快，但仍需要一定時間和大批量的產(chǎn)品驗證”。

支撐機器人千億市場

當(dāng)前，人形機器人產(chǎn)業(yè)正處于爆發(fā)前夕，但核心零部件領(lǐng)域仍面臨諸多挑戰(zhàn)。李戰(zhàn)猛認(rèn)為，硬件發(fā)展速度跟不上AI技術(shù)進(jìn)步，是制約行業(yè)發(fā)展的重要因素。“軟件在AI加持下發(fā)展迅猛，但硬件在材料、工藝等方面仍需突破。”李戰(zhàn)猛指出，北京機器人馬拉松出現(xiàn)的狀況，就凸顯電機發(fā)熱、散熱設(shè)計等硬件問題亟待解決。

盡管目前機器人產(chǎn)業(yè)仍處于發(fā)展早期，存在承重能力低、擬人化差等問題，但王懷鋒認(rèn)為，氮化鎵芯片已經(jīng)成為機器人性能進(jìn)一步提升和量產(chǎn)落地的剛需，并透露，公司已全面執(zhí)行下一代機器人的設(shè)計方案，有部分產(chǎn)品已經(jīng)在頭部客戶實現(xiàn)量產(chǎn)。

據(jù)了解，英諾賽科與機器人廠商建立了基于技術(shù)互補、深入聯(lián)合的合作模式。王懷鋒指出，機器人廠商負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的定義和開發(fā)，基于系統(tǒng)需求，雙方共同定義氮化鎵的產(chǎn)品規(guī)格，英諾賽科交付相關(guān)氮化鎵產(chǎn)品，并配合客戶完成電機驅(qū)動的功率部分調(diào)試，解決系統(tǒng)測試過程中出現(xiàn)的問題。

對于未來市場增長潛力，王懷鋒充滿信心：“未來5年機器人會爆發(fā)式增長，因應(yīng)用場景豐富，這個市場會比新能源汽車大100倍。未來的機器人，全身都會是氮化鎵產(chǎn)品，將會成為氮化鎵的最大應(yīng)用市場。”

據(jù)了解，目前一臺人形機器人包含大、小關(guān)節(jié)電機約30至40個，小關(guān)節(jié)使用3至6顆GaN器件，最大的關(guān)節(jié)需要使用24顆GaN器件，一臺人形機器人共需要使用氮化鎵器件約300顆。隨著機器人自由度和功率密度的提升，單個機器人在電機驅(qū)動、GPU電源、BMS等部位使用的氮化鎵器件數(shù)量有望超過1000顆。隨著人形機器人產(chǎn)量的飛速增長以及性能的不斷提升，未來氮化鎵在該領(lǐng)域的需求勢必會迎來爆發(fā)。

對于人形機器人未來發(fā)展，李戰(zhàn)猛同樣充滿信心。“未來5年內(nèi)，人形機器人將逐步進(jìn)入工廠，替代枯燥、重復(fù)、危險的工作，形成百億乃至千億級市場；而站在10年的時間維度上，人形機器人有望像汽車一樣走進(jìn)家庭，成為具有萬億級市場的家用智能終端。”