AI 芯片高功耗困境，碳化硅成关键破局材料

碳化硅（SiC）作为第三代宽禁带半导体材料，凭借其耐高温、耐高压以及高频的特性，在性能上相较于传统硅基器件有着显著的优势。在当前科技发展的大背景下，它已广泛应用于新能源汽车、光伏储能、5G 通信等多个重要领域。随着 AI 算力进入指数级增长阶段，碳化硅更是迎来了全新的增量空间，成为破解高功耗芯片散热难题、支撑数据中心能效升级的核心材料，其产业链上游及技术领先企业将在未来长期受益。

一、AI 算力爆发催生痛点，碳化硅成关键解决方案

在 AI 芯片功耗随算力飙升持续突破上限：英伟达 H100 GPU 功耗已达 700W，下一代 Rubin 处理器预计突破 1000W。传统硅中介层的性能瓶颈愈发凸显 —— 热导率仅 150W/mK，热膨胀系数（4.2ppm/℃）与芯片材料适配性不足，导致散热效率低下，直接引发芯片性能降频、可靠性下降。

碳化硅的材料特性恰好匹配这一需求：其热导率达 490W/mK（为硅的 3 倍以上），热膨胀系数（4.3ppm/℃）与芯片材料高度契合，既能高效散热，又能保障封装稳定性。在芯片封装领域，英伟达计划将 CoWoS 封装中的硅中介层替换为 SiC，实测显示：采用 SiC 中介层后，H100 芯片工作温度可从 95℃降至 75℃，散热成本降低 30%，芯片寿命延长 2 倍；同时，SiC 支持高深宽比通孔设计，可使互连距离缩短 50%，数据传输速度提升 20%，相当于为 AI 芯片搭建了一条 “高速数据通道”。

从时间线来看，2025 - 2026 年，第一代 Rubin GPU 仍将沿用硅中介层，台积电将同步推进 SiC 封装工艺研发；到 2027 年起，SiC 中介层将正式导入 CoWoS 封装，初期产能预计能够满足 10% 的高端 GPU 需求。这一发展趋势表明，碳化硅在 AI 芯片散热及性能提升方面具有巨大的潜力和应用前景。

二、800V HVDC 架构：碳化硅重塑 AI 数据中心能源体系

AI 算力的爆发式增长带动了电力需求的激增。英伟达创始人黄仁勋指出，AI 服务器的电力消耗将增长近 100 倍。传统的 54V 供电架构在功耗、空间利用率以及转换效率上已经接近极限，无法支撑 G 瓦级 AI 算力负载。

为此，英伟达计划于 2027 年全面量产 800V 高压直流（HVDC）数据中心架构，碳化硅成为该 “电力大革命” 的核心：采用 SiC 器件后，数据中心铜材使用量减少 45%，每 10MW 规模数据中心年均节电 120 万度，电费节省超 10 万美元，显著提升能源利用效率与成本效益。

这不仅有助于降低数据中心的运营成本，还能推动整个行业向更加绿色、高效的方向发展。

三、产业链受益核心：上游材料占比高，技术迭代驱动增长

在碳化硅产业链中，上游材料环节技术壁垒最高、价值量占比最大。其中，衬底占器件总成本的 47%，外延片占比 23%，是核心受益环节。

当前，国内碳化硅衬底市场正经历着 “6 英寸主导→8 英寸替代→12 英寸探索” 的技术跃迁，不同尺寸的产品对应着差异化的需求场景:

6 英寸衬底目前仍是国内主流，2024 年占衬底总出货量的 70% 以上，但受产能过剩影响，价格从 2022 年的 5000 元 / 片降至 2024 年的 2500 - 2800 元 / 片，已接近成本线，这也促使行业加速淘汰落后产能。

8 英寸衬底作为 800V 高压平台电驱模块的核心材料，国内 70% 以上的车规级 MOSFET 采用该规格，2024 年车规领域需求占 8 英寸衬底应用的 60%，比亚迪、蔚来等车企通过英飞凌、博世等 Tier1 间接采购。

12 英寸衬底代表着全球碳化硅材料技术的巅峰，可适配 AI 数据中心与新能源汽车下一代平台。比亚迪规划 2028 年推出基于 12 英寸衬底的 SiC - IGBT 模块，目标实现续航提升 10%、充电速度加快 20%，这将为新能源汽车和 AI 数据中心的发展带来新的突破。

碳化硅在 AI 芯片散热、数据中心能源体系以及产业链发展等方面都展现出了巨大的潜力和重要的价值。随着技术的不断进步和应用的不断拓展，碳化硅有望在未来的科技领域发挥更加关键的作用。