很多人想不明白為何美國(guó)以軍事用途為由列舉出海量的半導(dǎo)體禁運(yùn)名單中，其中絕大部分并不是最先進(jìn)的處理器，而是很多看似工藝并不先進(jìn)的模擬類芯片。

半導(dǎo)體作為現(xiàn)代信息技術(shù)的基石，其技術(shù)迭代直接推動(dòng)國(guó)防裝備的性能躍升。從第一代硅（Si）半導(dǎo)體到第二代砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體，再到以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體，每一次材料體系的革新，都為國(guó)防軍事裝備帶來革命性變化。與前兩代半導(dǎo)體相比，第三代半導(dǎo)體具備高飽和電子遷移速率、高擊穿電壓、高熱導(dǎo)率、抗輻射等核心優(yōu)勢(shì)，完美適配高溫、高壓、高頻、大功率的極端軍工應(yīng)用場(chǎng)景，成為先進(jìn)雷達(dá)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)、激光武器、高超音速裝備等核心軍事裝備的“心臟”部件。第三代半導(dǎo)體技術(shù)的突破，不僅能提升一國(guó)的國(guó)防裝備性能，更能重塑其在全球國(guó)防科技領(lǐng)域的話語權(quán)。

化合物半導(dǎo)體由元素周期表中不同族的元素組成，具備最適合現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)嚴(yán)苛環(huán)境的特定性能。碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）均屬于化合物半導(dǎo)體。這些芯片能夠承受超高電壓和高溫，優(yōu)化了速度、重量和功率（SWaP）指標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)器件小型化，且具有更寬的禁帶寬度和更高的電子遷移速率。

區(qū)別于民用第三代半導(dǎo)體產(chǎn)品主要用于功率器件和無線射頻，基于GaN和SiC的單片微波集成電路（MMICs）主要用于特殊應(yīng)用場(chǎng)景。與硅基半導(dǎo)體相比，它們具備更優(yōu)異的性能、更高的效率和更快的開關(guān)速度。化合物半導(dǎo)體具有更強(qiáng)的化學(xué)惰性，在高溫、高壓環(huán)境下穩(wěn)定性極佳，且傳輸損耗極低，因此非常適合極端環(huán)境應(yīng)用。除氮化鎵芯片外，砷化鎵（GaAs）化合物芯片也被廣泛應(yīng)用。盡管兩者在高頻數(shù)據(jù)傳輸方面均優(yōu)于硅基芯片，但適用于不同的功率需求場(chǎng)景。砷化鎵芯片適用于中低功率需求及微波應(yīng)用場(chǎng)景，性價(jià)比高（常用于手機(jī)和衛(wèi)星）；而氮化鎵芯片憑借更優(yōu)異的電子遷移率，適用于高功率、高溫場(chǎng)景 —— 其可在高達(dá) 1000 攝氏度的環(huán)境下穩(wěn)定工作。

一塊輸出功率為 30 瓦的氮化鎵芯片，尺寸僅為 3.5 毫米 ×3 毫米，開關(guān)速度是硅基芯片的 300 倍。該芯片廣泛應(yīng)用于軍事平臺(tái) —— 先進(jìn)軍用無人機(jī)、導(dǎo)彈、雷達(dá)、戰(zhàn)斗機(jī)和海軍平臺(tái)。化合物芯片最關(guān)鍵的應(yīng)用領(lǐng)域是傳感器，這類傳感器可分析運(yùn)動(dòng)、熱量、聲音、光線和壓力變化，并將物理參數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。這些信號(hào)不僅用于觸發(fā)動(dòng)能反應(yīng)，還可用于環(huán)境監(jiān)測(cè)與參數(shù)測(cè)量。

化合物半導(dǎo)體對(duì)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)至關(guān)重要，在高要求的軍事應(yīng)用中，其性能遠(yuǎn)超硅基芯片。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，硅基芯片可能無法滿足某些特定需求。為了說明這些需求以及對(duì)某類特定芯片的迫切需求，我們以現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上無人機(jī)的功能為例。這種無人機(jī)需要具備四項(xiàng)核心能力：續(xù)航能力，即能在更大空間和更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)懸停并穿越戰(zhàn)場(chǎng)；探測(cè)與識(shí)別的精準(zhǔn)性；打擊目標(biāo)的殺傷力；以及跨網(wǎng)絡(luò)、跨領(lǐng)域、跨編隊(duì)中繼數(shù)據(jù)的連通性。續(xù)航能力要求芯片具備高耐熱性（熱量來源有三：芯片本身、電機(jī)線圈和螺旋槳的運(yùn)轉(zhuǎn)，以及大氣摩擦）。因此，要實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間和航程，必須解決芯片的耐熱問題。硅基芯片的耐熱極限約為 150 攝氏度，超過這一溫度就會(huì)進(jìn)入 “熱失控” 狀態(tài) —— 芯片會(huì)變?yōu)閷?dǎo)體，進(jìn)而導(dǎo)致短路。

精準(zhǔn)性要求無人機(jī)能在更遠(yuǎn)距離上探測(cè)和識(shí)別目標(biāo)，這意味著需要更高的頻率，而更高頻率又依賴于高電子遷移速率。然而，更高的頻率會(huì)限制信號(hào)傳輸范圍，因此需要更大的功率密度，以確保信號(hào)能夠到達(dá)預(yù)定目標(biāo)，并以足夠強(qiáng)的強(qiáng)度反射回來，完成探測(cè)過程。

殺傷力的實(shí)現(xiàn)方式分為兩種：動(dòng)能打擊和非動(dòng)能打擊。動(dòng)能打擊即向目標(biāo)發(fā)射投射物。假設(shè)無人機(jī)足夠大且穩(wěn)定，能夠發(fā)射導(dǎo)彈，那么當(dāng)導(dǎo)彈突破特定速度屏障后，大氣摩擦產(chǎn)生的高溫可能會(huì)燒毀導(dǎo)彈內(nèi)部的電路，這種情況在高超音速導(dǎo)彈上尤為突出。非動(dòng)能打擊方案則要求無人機(jī)的發(fā)射器能夠?qū)嵤└蓴_，或在敵方干擾下正常工作。這兩種場(chǎng)景都需要更高的功率密度，而硅基芯片無法滿足這一要求。

連通性需要建立實(shí)時(shí)的 “傳感器到射手” 鏈路，并具備充足的帶寬，涵蓋衛(wèi)星和地面數(shù)據(jù)鏈路，尤其是在毫米波頻譜（大多數(shù)衛(wèi)星通信和 5G/6G 均在此頻段運(yùn)行）中。這同樣需要與硅基芯片不同的特殊芯片。

在無人機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景，采用化合物芯片組件能在多個(gè)維度提升其性能。在無人機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制器中使用碳化硅基開關(guān)，可增強(qiáng)其續(xù)航能力 —— 碳化硅具有高導(dǎo)熱性，即便在飛行中承受高電壓，也能讓無人機(jī)保持較低溫度，從而顯著延長(zhǎng)任務(wù)時(shí)長(zhǎng)。

在精準(zhǔn)性方面，基于氮化鎵的小型化有源相控陣（AESA）雷達(dá)，憑借其幾乎瞬時(shí)切換波束的能力，能夠在更遠(yuǎn)距離上探測(cè)到無人機(jī)等小型目標(biāo)，且可同時(shí)追蹤多個(gè)目標(biāo)。這一優(yōu)勢(shì)得益于氮化鎵芯片中電子遷移速率提升了 30%。

無人機(jī)發(fā)射的導(dǎo)彈中若采用碳化硅基芯片，其耐熱溫度可達(dá) 600 攝氏度 —— 這能確保半導(dǎo)體在高溫環(huán)境下保持原有性能，且散熱速度是硅基芯片的三倍，意味著導(dǎo)彈在高速飛行時(shí)仍能保持精準(zhǔn)制導(dǎo)。

對(duì)于非動(dòng)能打擊方案，氮化鎵基系統(tǒng)能提供更高的功率密度（是硅基芯片的 5 至 10 倍），可實(shí)現(xiàn)有效干擾；而在反干擾方面，這些芯片能將大量能量集中在單一頻率上，從而突破敵方干擾。

最后，連通性要求跨領(lǐng)域平臺(tái)間建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)鏈路，化合物半導(dǎo)體因具備寬禁帶特性，成為最理想的選擇。

化合物半導(dǎo)體完全契合現(xiàn)代軍隊(duì)開展多域作戰(zhàn)的需求 ——“在陸地、海洋、空中、網(wǎng)絡(luò)、太空和認(rèn)知六個(gè)領(lǐng)域，協(xié)調(diào)、整合、同步運(yùn)用軍事和非軍事能力”。相比于我們熟知的數(shù)字半導(dǎo)體，這些第三代半導(dǎo)體芯片無需數(shù)十億美元級(jí)別的晶圓廠，也不要求大規(guī)模生產(chǎn)，即便是初創(chuàng)企業(yè)也能進(jìn)行制造。不過，其礦物和氣體供應(yīng)鏈必須具備抵御地緣政治和自然災(zāi)害沖擊的能力。

隨著戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)發(fā)生范式轉(zhuǎn)變 —— 從有人平臺(tái)向無人平臺(tái)演進(jìn)，從依賴型系統(tǒng)向能夠瞬間決策的自主系統(tǒng)升級(jí) —— 傳感器的作用變得至關(guān)重要。加之人工智能和量子技術(shù)引發(fā)的另一輪技術(shù)革命，化合物芯片的重要性將進(jìn)一步提升。具體應(yīng)用包括精準(zhǔn)導(dǎo)航、電子戰(zhàn)、測(cè)距、夜視與監(jiān)視、偽裝探測(cè)、目標(biāo)跟蹤、導(dǎo)彈制導(dǎo)以及霧天或云層中的成像 —— 這些都是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的核心必備能力。

圖 GaN市場(chǎng)規(guī)模變化圖