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来源:36氪
当波士顿动力Atlas机器人完成后空翻的瞬间 ,全球科技界意识到,人形机器人的肢体灵活性已不再是科幻想象 。但鲜为人知的是,支撑这一系列高难度动作的核心 ,逃不开功率器件的性能跃迁。
据悉,头部具身智能厂商上海智元机器人已经开始搭载英诺赛科的氮化镓(GaN)芯片,标志着GaN器件正式突破消费电子领域 ,成为人形机器人产业的 “功率神经 ”。
这场跨界融合不仅改写了机器人核心元器件的技术路径,更是在催生一个价值万亿美元的新市场生态。
01 GaN:人形机器人的 “功率核心”
如果拆开一个人形机器人的髋关节模块,你会发现 ,这个直径十几厘米的关节腔内,密密麻麻排列着20余颗指甲盖大小的黑色芯片——这些正是GaN器件 。而传统硅基MOSFET根本塞不进这么小的空间,与MOSFET相比,GaN整个功率器件的芯片面积减小了50%以上。
这种空间焦虑折射出人形机器人对功率器件的极致需求。
当前主流人形机器人搭载30个至40个关节电机 ,按照关节尺寸分级配置 GaN 器件:手指等小关节需3至6颗,肘关节等中等关节需约12颗,而最大的关节则需要24颗 。据此计算 ,单台机器人的GaN基础用量约300颗。
而随着五指灵巧手、腰部扭转关节等新自由度的加入,机器人单机GaN用量将突破1000颗。
需求爆发的三大引擎正在加速这一进程:一是电机数量增长,从现有40个关节向60个自由度演进;二是功能模块扩展 ,GPU 电源管理 、电池管理系统(BMS)等新应用场景涌现;三是功率密度提升,关节电机功率从当前80W向200W升级 。
作为第三代半导体材料的代表,GaN实际上早已在LED照明和激光显示等显示技术领域占据重要地位。近年来 ,凭借其卓越的击穿电场、热导率、电子饱和率和高频双向导通等特性,氮化镓在半导体功率器件领域的应用前景愈发受到行业关注。
如今GaN之所以能在人形机器人产业被大规模应用,源于GaN的性能优势 ,颠覆了传统功率器件的性能边界 。这片看似普通的晶圆,蕴藏着让机器人“舒展筋骨”的核心密码。
首先,当人形机器人做出类似抓取玻璃杯的精细动作时,手指关节电机需要在0.1秒内完成从静止到500rpm 转速的切换。这要求驱动器件支持更高的PWM(脉冲宽度调制)频率 ,而GaN FET的开关速度比硅基MOSFET更高 。
其次,机器人续航焦虑的背后,是功率器件的能耗黑洞。传统硅基器件在开关过程中会产生巨大能量损耗 ,占电机总功耗的23%。而GaN器件通过独特的异质结结构,栅极电容(CG)和输出电容(Coss)都更小,开关损耗较硅基器件降低 85%。
此外 ,如前文所述,在机器人关节这个“寸土寸金 ”的战场,GaN还展现出惊人的空间压缩能力 。英诺赛科的实际测试显示 ,采用GaN后关节驱动板体积缩减约50%,同时实现显著节能效果,推动机器人续航与运动灵活性双提升。
02 头部的选择 ,未来的方向
上海智元作为人形机器人领域领先企业,率先将集成了英诺赛科GaN器件的关节电机驱动应用至机器人,通过GaN技术解决了传统硅基器件在功率密度与控制精度上的瓶颈。
据介绍,目前 ,智元人形机器人已在脖子 、手肘等关键活动关节的3个电机中应用GaN器件,每个电机集成3颗GaN芯片,GaN器件已装配至数百台人形机器人 。
机器人龙头的选择 ,从根本上决定了产业的潜力发展方向。
而英诺赛科眼下开始批量供货,标志着GaN在机器人领域从技术验证阶段正式迈入商业化落地阶段,为后续大规模应用奠定了基础。
摩根士丹利则在报告中描绘了人形机器人惊人的增长轨迹:2030年全球销量900万台 ,2040年1.34亿台,2050年突破10亿台 。
传导至供应链透率逐年提升。
上游,根据弗若斯特沙利文的数据 ,2023年,氮化镓功率半导体的市场规模为人民币18亿元,占全球功率半导体市场的0.5% ,伴随着技术的愈发成熟以及下游应用范围更加广泛,2023年被视为氮化镓行业录得指数级增长的开局之年。
预计到2028年,全球氮化镓功率半导体的市场规模将达人民币501亿元,占据功率半导体市场10.1%的份额 ,渗透率逐年提升 。
这直线上涨的增长曲线背后,是GaN等核心器件的成本下降曲线与机器人渗透率的正反馈循环。
摩根士丹利特别强调了中国在这场产业革命中的核心地位:预计2050年中国将占据全球人形机器人市场60%的份额,成为最大的消费市场和生产基地。
当10亿台人形机器人走进工厂、家庭和服务业 ,人类社会将面临前所未有的变革 。英诺赛科应用于智元机器人,正是这场变革的微观缩影。
站在2025年的技术隘口回望,英诺赛科与智元的“合体”恰似一道分水岭。在此之前 ,GaN 是消费电子的“性能升级选项”,自此之后,它成为人形机器人的 “生存必需品 ”。
当数百台搭载GaN器件的机器人在全球各地完成交付 ,我们看到的不仅是一项技术的商业化落地,更是“机器人 + GaN”新产业生态的胎动 。
未来十年,随着GaN成本的持续下降和性能提升 ,人形机器人将从实验室走向生产线,从高端服务业走进普通家庭。这场由中国企业主导的技术革命,不仅将改写全球半导体产业格局,更将重塑人类与机器的协作关系。
或许正如科幻作家阿西莫夫所言 ,“人类的终极进步,在于教会机器如何更好地服务于生命的价值 。” 而GaN,正是这场进步中不可或缺的“功率密码”。