【金融业分布式数据库选型及HTAP场景实践】作为数据基础设施的重要组成部分，数据库在其中扮演着重要的角色。近些年来，数据库整体发展也呈现出较之以往很大的不同。其一、是开源数据库受到更为广泛的关注，从多家机构的最新报告来看，开源数据库无论从产品数量还是受关注程度都超过商业数据库。开源这一新模式，正成为未来数据库发展的主流。其二、是云计算成为未来主要资源供给方式得到普遍共识。已经有越来越多的企业选择在云上构建基础环境，包括云上数据库的发展速度也远高于非云环境。据乐观估计，在未来5~10年云数据库将占据整体数据库市场的七成以上。此外，对迁移到公有云、使用多云环境等问题，也普遍被企业所接受。其三、是数据融合趋势，针对数据多场景应用，使用融合技术简化访问，提升效率。作为数据使用高地，金融行业一方面对数据库有着极高的要求，一方面又面临很多来自数据新的挑战，诸如海量规模、高并发、数据安全、实时分析等诉求亟待解决。分布式数据库的出现，迎合这一发展趋势，对于金融企业解决上述问题带来新的解决思路。本文从金融用户角度入手，对如何选择分布式数据库及选型后的最优实践进行阐述。
1. 金融业数据库选型背景
随着企业数字化转型深入，对于数据使用场景也呈现多元化趋势，正有越来越多数据被企业利用起来。金融行业作为数据库应用“高地”，这一趋势表现更为明显。同时我们也看到，近些年来数据库领域也发展迅速，有分布式数据库、多模数据库、云数据库为代表的产品不断涌现。这些新兴数据库在特定场景有很好的使用前景。基于上面两种趋势，金融行业很多企业都在面临选择数据库的问题。
1).选型技术层面要素分析
从技术角度来看，在数据库选型中有哪些要素需要考虑呢？下面以近期比较关注的分布式数据库的选型为例，说明下重点考量的技术要素。
分布式事务
分布式架构，自然会带来分布式事务的问题。由于需要跨节点的网络交互，因此较单机事务会有很多损耗。随之带来的是事务处理时间较长、事务期间的锁持有时间也会增加，数据库的并发性和扩展性也会受到影响。针对单笔事务来说，分布式事务执行效率是肯定会有降低的，分布式带来的更多是整体处理能力的提升。
性能
由于分布式数据库通常使用的二阶段提交和各节点之间的网络交互会有性能损耗，分布式数据库优势不是单个简单SQL的性能，而是大数据量的SQL查询，每个节点会将过滤之后的数据集进行返回，会提升性能，并且分布式数据库的优势是并发，大量的SQL并发也会比单机数据库强大，应用需要做分布式架构的适配，将串行执行机制尽量都改造成并发处理。对于含有需要节点间数据流动的SQL语句的事务，OLTP类的分布式数据库处理效率一般较差，事务处理时间会较长，事务期间的锁持有时间也会增加，数据库的并发性和扩展性也会受到影响。建议尽量改造存在跨节点数据流动的SQL语句（主要是多表关联）的事务。
数据备份
分布式数据库的一致性保证通过内部时钟机制所提供的全局时间戳，所有节点都会遵循该机制，所以备份恢复的增量也是基于全局时间戳，但是分布式数据库的备份解决方案最重要的标志为是否支持物理级的备份，物理级的备份会比逻辑的备份性能吞吐大很多，还有就是是否支持一些分布式备份方案，比如S3协议接口，是否支持压缩等功能。分布式数据库基本都具备备份和恢复方案，通常从备节点进行连续备份（全量+日志），恢复的时候指定节点进行恢复到指定时间点，整个过程可配置自动任务、自动执行。
高可用
分布式数据库大多都是基于多数派协议，同城双中心不适合多数派的要求，同城数据级多活建议采用三中心部署。如果同城主备可以采用集群级的异步复制，异地建议采用集群级的binlog异步复制，建议实例的主备节点设置在同城两个双活数据中心，仲裁节点三机房部署；异地灾备单独启实例与本地实例进行数据库间同步，也可以将本地备份文件T+1恢复到异地灾备。
数据一致性
分布式数据库大多都是通过获取全局时钟时间戳，采用二阶段提交，可以实现一致性的保证，分库分表架构对于事务的一致性，需要应用层考虑，比如通过合理的分区键设计来规避。部分分布式数据库对于跨节点事务目前还是实现的最终一致，对于全局一致性读，一般通过引入类似全局时间戳的组件统一管理全局事务，在数据库选型时可以重点关注厂商对这一块的实现。如果目前暂时无法提供全局一致性读的分布式数据库，对于要依赖分布式事务“中间状态”的业务，优先进行业务改造进行规避，其次通过合理的数据分片设计让其在单节点内完成。
数据分析
分布式数据库，多采用存算分离架构。针对数据分析场景，需要对数据从下层存储节点上移到计算节点，这对分布式数据库提出了更高的要求。一方面可通过算子下推等技术，减少需传输到计算节点的数量；一方面针对汇聚后的结果需要通过流式处理等方式，规避诸如OOM的问题；此外也可采用如MPP等并行处理技术，加速数据分析过程。
2).选型过程问题痛点分析
在选型过程中，会遇到来自以下几方面的痛点。
一是由于分布式数据库整体架构还比较新，也是近十年来逐步发展完善的。针对新型架构的诸多特点，包括厂商和用户还都在不断摸索积累之中，还需要有个长期实践的过程。此外，新架构也需要有个逐步成熟完善的过程。
二是大量产品来自国内数据库厂商，其发展周期相对较短，还需要在产品成熟度、稳定性、周边生态等方面不断完善。对于用户来说，一方面需面临产品多、技术栈多的现状；另一方面还需面对成熟度不足等问题，存在较多痛点。
三是近些年金融行业发展迅速，各种新的业态产品不断涌现，这些对作为底层数据基础的数据库也提出了更高的要求。
四是随着内外部环境的变化，自主可控等问题受到更多的关注。金融行业首当其冲，针对上述问题也需要引起足够的重视。在数据库选型问题上，也需要考虑这一因素。这无疑对用户选择带来一定困难。
2. 数据库选型技术架构
1).分布式路线分析
针对分布式数据库的发展路线，大体可分为两种：
分布式中间件
这种架构是从中间件路线演进而来。其采用存储与计算分离架构，底层采用标准单机数据库，副本间基于数据库主从复制机制。上层承担计算，并可将部分计算下推到存储节点执行。这种架构在分布式事务、全局MVCC等方面，往往存在一定难点，各厂商也有各自解决之道。
原生分布式
这种架构正是受到Google论文影响演进而来。其采用存储与计算分离架构，底层采用单机库(不一定是关系型)，副本间采用分布式一致性协议完成复制，支持多数派提交。上层承担计算，并可将部分计算下推到存储节点执行。
2).重点需求满足情况
针对上述遇到的痛点，两类产品实现逻辑也所有不同。
3). 路线场景分析
从数据使用场景来讲，可大致按下面进行划分：
针对不同的场景，不同分布式数据库路线产品各有所长。
针对事务类场景下，强调高并发联机交易、对分析能力要求不高的场景比较适合分布式中间件路线产品。
针对事务类及事务/分析混合类场景，既要满足常规联机交易场景的同时，还需满足分析类的一部分能力，这种情况比较适合原生分布式产品。基于原生分布式的 HTAP 数据库，用一个数据平台应对规模化交易和实时分析，提升业务决策的时效性，降低数据技术栈的复杂性，越来越多的混合负载需求推动了 HTAP 在金融场景的落地。
3. 金融业 HTAP 应用场景实践
1). 金融场景下 HTAP 的分析
在金融企业数字化转型的过程中，各类业务对“海量、实时、在线”的数据需求变得愈发迫切。在金融企业运营场景中，实时推荐、精准营销是企业提升竞争力的一大因素。在企业风险控制场景中，实时风控、反欺诈等业务开展可以更早地识别和阻断风险可以让企业减少损失，HTAP正是基于上述背景诞生出的需求，为各类实时数据处理需求提供了解决方案。
2).某金融用户 HTAP 的架构设计和实践
随着金融市场同业业务的蓬勃发展，业务部门对于交易数据的实时统计分析和展现有了急切的需求。基于大数据技术栈的 T+1 报表模式，已无法满足业务部门通过实时分析交易发生情况来防范风险以及提供决策的需求，迫切的需要找到一种能让数据实时变现的解决方案。结合金融行业特点，在技术选型过程中，重点考察待选产品如下能力：包括承载业务复杂查询处理、海量数据容量存储、应用透明无侵入、开发协议可适配及混合负载下的表现等。经过测试，选择 TiDB 作为基础数据库平台。通过一段时间上线使用，满足业务场景，基于其 HTAP 的特性，打造金融市场实时数据平台，目前已投产了灵活报表和交易对手分析等功能。整个处理流程包括：
Flink 消费交易系统产生的实时增量数据，对部分事实表进行拉宽处理并写入TiDB
维表和其他明细表直接写入 TiDB
BI 工具直接连接 TiDB，提供秒级的实时计算和分析能力
这一案例中，构建千万及以上数据规模、超过五张表的复杂关联实时查询能力，让业务人员在极短的时间内（大部分报表执行时间为几十到几百毫秒、个别报表秒级别）获得实时交易的详情。
3).未来 HTAP 的场景发展
实时数据处理技术还以某些具体的应用场景为主，从现状来看以事件驱动类、流式管道数据计算类为代表的场景，已经开始使用 HTAP 场景的。未来随着 HTAP 计算能力进一步的提升，实时全量数据的计算将带来更多场景。
4. 面向未来的架构趋势
1).云原生
从未来的发展趋势来看，云方向是一个大的趋势。
从上图可见，云数据库的发展经历了几个阶段，从云托管、云服务、云原生之路。
云托管，是最接近传统数据库系统的部署模式。本质是将原本部署于IDC机房内物理服务器上的传统数据库软件部署在了云主机上。这种模式下，云平台提供诸如高可用、异地灾备、备份恢复、数据安全、SQL审计、性能优化和状态监测等企业级数据库管理能力，用户可减少运维投入即可享受之前同等的服务水平。
云服务，之前的托管架构中，受限于传统数据库架构的局限，未能完全发挥云计算的优势。在诸如弹性扩展、高性能、高可用等方面，均有不足。到了云服务时代，充分利用云基础设施的底层能力，提供定制化的数据库产品。
云原生，与之前的云服务架构不同，这一阶段产品将更为充分地利用云基础设施的能力，通过多层资源解耦，可享受云带来的弹性扩展、按需供给、超大规模能力。真正做到了数据库与云的深度结合。从长期来看，金融机构逐渐把业务和技术向云原生演进，实现传统应用迁移上云和云原生改造是重要的方向。在这个过程中需要考虑分布式数据库对 K8s、微服务应用的支持，提供高效、弹性调度能力，同时需要兼顾开发运维和敏捷度。
2).多云方向
云作为未来主流的资源供给方式，多云必然是企业不得不考虑的问题。多云通常指金融机构同时采用多种不同的云环境组合来满足业务需求的多样性和金融业监管的要求。如何围绕数据打造面向未来的多云 IT 架构，满足在多云之间提供数据服务能力，摆脱单一供应商的弊端，是必须考虑的问题。多云架构对分布式数据库的考察重点聚焦于跨地域、跨公有私有云、跨本地 IDC 和 K8S 的部署、服务提供与统一运维能力等。
1. 金融业数据库选型背景
随着企业数字化转型深入，对于数据使用场景也呈现多元化趋势，正有越来越多数据被企业利用起来。金融行业作为数据库应用“高地”，这一趋势表现更为明显。同时我们也看到，近些年来数据库领域也发展迅速，有分布式数据库、多模数据库、云数据库为代表的产品不断涌现。这些新兴数据库在特定场景有很好的使用前景。基于上面两种趋势，金融行业很多企业都在面临选择数据库的问题。
1).选型技术层面要素分析
从技术角度来看，在数据库选型中有哪些要素需要考虑呢？下面以近期比较关注的分布式数据库的选型为例，说明下重点考量的技术要素。
分布式事务
分布式架构，自然会带来分布式事务的问题。由于需要跨节点的网络交互，因此较单机事务会有很多损耗。随之带来的是事务处理时间较长、事务期间的锁持有时间也会增加，数据库的并发性和扩展性也会受到影响。针对单笔事务来说，分布式事务执行效率是肯定会有降低的，分布式带来的更多是整体处理能力的提升。
性能
由于分布式数据库通常使用的二阶段提交和各节点之间的网络交互会有性能损耗，分布式数据库优势不是单个简单SQL的性能，而是大数据量的SQL查询，每个节点会将过滤之后的数据集进行返回，会提升性能，并且分布式数据库的优势是并发，大量的SQL并发也会比单机数据库强大，应用需要做分布式架构的适配，将串行执行机制尽量都改造成并发处理。对于含有需要节点间数据流动的SQL语句的事务，OLTP类的分布式数据库处理效率一般较差，事务处理时间会较长，事务期间的锁持有时间也会增加，数据库的并发性和扩展性也会受到影响。建议尽量改造存在跨节点数据流动的SQL语句（主要是多表关联）的事务。
数据备份
分布式数据库的一致性保证通过内部时钟机制所提供的全局时间戳，所有节点都会遵循该机制，所以备份恢复的增量也是基于全局时间戳，但是分布式数据库的备份解决方案最重要的标志为是否支持物理级的备份，物理级的备份会比逻辑的备份性能吞吐大很多，还有就是是否支持一些分布式备份方案，比如S3协议接口，是否支持压缩等功能。分布式数据库基本都具备备份和恢复方案，通常从备节点进行连续备份（全量+日志），恢复的时候指定节点进行恢复到指定时间点，整个过程可配置自动任务、自动执行。
高可用
分布式数据库大多都是基于多数派协议，同城双中心不适合多数派的要求，同城数据级多活建议采用三中心部署。如果同城主备可以采用集群级的异步复制，异地建议采用集群级的binlog异步复制，建议实例的主备节点设置在同城两个双活数据中心，仲裁节点三机房部署；异地灾备单独启实例与本地实例进行数据库间同步，也可以将本地备份文件T+1恢复到异地灾备。
数据一致性
分布式数据库大多都是通过获取全局时钟时间戳，采用二阶段提交，可以实现一致性的保证，分库分表架构对于事务的一致性，需要应用层考虑，比如通过合理的分区键设计来规避。部分分布式数据库对于跨节点事务目前还是实现的最终一致，对于全局一致性读，一般通过引入类似全局时间戳的组件统一管理全局事务，在数据库选型时可以重点关注厂商对这一块的实现。如果目前暂时无法提供全局一致性读的分布式数据库，对于要依赖分布式事务“中间状态”的业务，优先进行业务改造进行规避，其次通过合理的数据分片设计让其在单节点内完成。
数据分析
分布式数据库，多采用存算分离架构。针对数据分析场景，需要对数据从下层存储节点上移到计算节点，这对分布式数据库提出了更高的要求。一方面可通过算子下推等技术，减少需传输到计算节点的数量；一方面针对汇聚后的结果需要通过流式处理等方式，规避诸如OOM的问题；此外也可采用如MPP等并行处理技术，加速数据分析过程。
2).选型过程问题痛点分析
在选型过程中，会遇到来自以下几方面的痛点。
一是由于分布式数据库整体架构还比较新，也是近十年来逐步发展完善的。针对新型架构的诸多特点，包括厂商和用户还都在不断摸索积累之中，还需要有个长期实践的过程。此外，新架构也需要有个逐步成熟完善的过程。
二是大量产品来自国内数据库厂商，其发展周期相对较短，还需要在产品成熟度、稳定性、周边生态等方面不断完善。对于用户来说，一方面需面临产品多、技术栈多的现状；另一方面还需面对成熟度不足等问题，存在较多痛点。
三是近些年金融行业发展迅速，各种新的业态产品不断涌现，这些对作为底层数据基础的数据库也提出了更高的要求。
四是随着内外部环境的变化，自主可控等问题受到更多的关注。金融行业首当其冲，针对上述问题也需要引起足够的重视。在数据库选型问题上，也需要考虑这一因素。这无疑对用户选择带来一定困难。
2. 数据库选型技术架构
1).分布式路线分析
针对分布式数据库的发展路线，大体可分为两种：
分布式中间件
这种架构是从中间件路线演进而来。其采用存储与计算分离架构，底层采用标准单机数据库，副本间基于数据库主从复制机制。上层承担计算，并可将部分计算下推到存储节点执行。这种架构在分布式事务、全局MVCC等方面，往往存在一定难点，各厂商也有各自解决之道。
原生分布式
这种架构正是受到Google论文影响演进而来。其采用存储与计算分离架构，底层采用单机库(不一定是关系型)，副本间采用分布式一致性协议完成复制，支持多数派提交。上层承担计算，并可将部分计算下推到存储节点执行。
2).重点需求满足情况
针对上述遇到的痛点，两类产品实现逻辑也所有不同。
3). 路线场景分析
从数据使用场景来讲，可大致按下面进行划分：
针对不同的场景，不同分布式数据库路线产品各有所长。
针对事务类场景下，强调高并发联机交易、对分析能力要求不高的场景比较适合分布式中间件路线产品。
针对事务类及事务/分析混合类场景，既要满足常规联机交易场景的同时，还需满足分析类的一部分能力，这种情况比较适合原生分布式产品。基于原生分布式的 HTAP 数据库，用一个数据平台应对规模化交易和实时分析，提升业务决策的时效性，降低数据技术栈的复杂性，越来越多的混合负载需求推动了 HTAP 在金融场景的落地。
3. 金融业 HTAP 应用场景实践
1). 金融场景下 HTAP 的分析
在金融企业数字化转型的过程中，各类业务对“海量、实时、在线”的数据需求变得愈发迫切。在金融企业运营场景中，实时推荐、精准营销是企业提升竞争力的一大因素。在企业风险控制场景中，实时风控、反欺诈等业务开展可以更早地识别和阻断风险可以让企业减少损失，HTAP正是基于上述背景诞生出的需求，为各类实时数据处理需求提供了解决方案。
2).某金融用户 HTAP 的架构设计和实践
随着金融市场同业业务的蓬勃发展，业务部门对于交易数据的实时统计分析和展现有了急切的需求。基于大数据技术栈的 T+1 报表模式，已无法满足业务部门通过实时分析交易发生情况来防范风险以及提供决策的需求，迫切的需要找到一种能让数据实时变现的解决方案。结合金融行业特点，在技术选型过程中，重点考察待选产品如下能力：包括承载业务复杂查询处理、海量数据容量存储、应用透明无侵入、开发协议可适配及混合负载下的表现等。经过测试，选择 TiDB 作为基础数据库平台。通过一段时间上线使用，满足业务场景，基于其 HTAP 的特性，打造金融市场实时数据平台，目前已投产了灵活报表和交易对手分析等功能。整个处理流程包括：
Flink 消费交易系统产生的实时增量数据，对部分事实表进行拉宽处理并写入TiDB
维表和其他明细表直接写入 TiDB
BI 工具直接连接 TiDB，提供秒级的实时计算和分析能力
这一案例中，构建千万及以上数据规模、超过五张表的复杂关联实时查询能力，让业务人员在极短的时间内（大部分报表执行时间为几十到几百毫秒、个别报表秒级别）获得实时交易的详情。
3).未来 HTAP 的场景发展
实时数据处理技术还以某些具体的应用场景为主，从现状来看以事件驱动类、流式管道数据计算类为代表的场景，已经开始使用 HTAP 场景的。未来随着 HTAP 计算能力进一步的提升，实时全量数据的计算将带来更多场景。
4. 面向未来的架构趋势
1).云原生
从未来的发展趋势来看，云方向是一个大的趋势。
从上图可见，云数据库的发展经历了几个阶段，从云托管、云服务、云原生之路。
云托管，是最接近传统数据库系统的部署模式。本质是将原本部署于IDC机房内物理服务器上的传统数据库软件部署在了云主机上。这种模式下，云平台提供诸如高可用、异地灾备、备份恢复、数据安全、SQL审计、性能优化和状态监测等企业级数据库管理能力，用户可减少运维投入即可享受之前同等的服务水平。
云服务，之前的托管架构中，受限于传统数据库架构的局限，未能完全发挥云计算的优势。在诸如弹性扩展、高性能、高可用等方面，均有不足。到了云服务时代，充分利用云基础设施的底层能力，提供定制化的数据库产品。
云原生，与之前的云服务架构不同，这一阶段产品将更为充分地利用云基础设施的能力，通过多层资源解耦，可享受云带来的弹性扩展、按需供给、超大规模能力。真正做到了数据库与云的深度结合。从长期来看，金融机构逐渐把业务和技术向云原生演进，实现传统应用迁移上云和云原生改造是重要的方向。在这个过程中需要考虑分布式数据库对 K8s、微服务应用的支持，提供高效、弹性调度能力，同时需要兼顾开发运维和敏捷度。
2).多云方向
云作为未来主流的资源供给方式，多云必然是企业不得不考虑的问题。多云通常指金融机构同时采用多种不同的云环境组合来满足业务需求的多样性和金融业监管的要求。如何围绕数据打造面向未来的多云 IT 架构，满足在多云之间提供数据服务能力，摆脱单一供应商的弊端，是必须考虑的问题。多云架构对分布式数据库的考察重点聚焦于跨地域、跨公有私有云、跨本地 IDC 和 K8S 的部署、服务提供与统一运维能力等。
MTBF产品平均无故障运行时间测试 MTBF寿命测试产品寿命测试 耐久试验MTBF测试 MTBF可靠性测试 MTBF连续运行试验 MTBF无故障运行时间试验
寿命试验（MTBF）是研究产品寿命特征的方法，这种方法可在实验室模拟各种使用条件来进行。寿命试验是可靠性试验中最重要最基本的项目之一，它是将产品放在特定的试验条件下考察其失效
（损坏）随时间变化规律。连续无故障运行时间MTBF试验报告 平均5万小时寿命试验 连续工作10万小时报告 无故障运行5万小时报告 MTBF平均无故障运行时间报告
寿命试验的用途有哪些呢？
通过寿命试验，可以了解产品的寿命特征、失效规律、失效率、平均寿命以及在寿命试验过程中可能出现的各种失效模式。如结合失效分析，可进一步弄清导致产品失效的主要失效机理，作为可靠性
设计、可靠性预测、改进新产品质量和确定合理的筛选、例行（批量保证）试验条件等的依据。如果为了缩短试验时间可在不改变失效机理的条件下用加大应力的方法进行试验，这就是加速寿命试验。 寿命试验（MTBF）是研究产品寿命特征的方法，这种方法可在实验室模拟各种使用条件来进行。寿命试验是可靠性试验中最重要最基本的项目之一，它是将产品放在特定的试验条件下考察其失效（损坏）随时间变化规律。
通过寿命试验，可以了解产品的寿命特征、失效规律、失效率、平均寿命以及在寿命试验过程中可能出现的各种失效模式。如结合失效分析，可进一步弄清导致产品失效的主要失效机理，作为可靠性
设计、可靠性预测、改进新产品质量和确定合理的筛选、例行（批量保证）试验条件等的依据。如果为了缩短试验时间可在不改变失效机理的条件下用加大应力的方法进行试验，这就是加速寿命试验。
通过寿命试验可以对产品的可靠性水平进行评价，并通过质量反馈来提高新产品可靠性水平。在合适工作条件下器件使用寿命期内的故障率很低。电子元器件的寿命，与工作温度是有密切关系的。以
电脑主板上常用的也常出故障的电解电容器为例，其寿命会受到温度的影响。
因此，应尽可能使电容器在较低的温度之下工作，如果电容器的实际工作温度超过了其规格范围，不仅其寿命会缩短，而且电容器会受到严重的损毁（例如电解液泄漏）。
寿命试验（MTBF）方法分为定时截尾试验，定数截尾试验，估算方法为：平均寿命的点估计值、单侧置信下限估计、双侧区间估计。高温工作寿命试验高温寿命试验为利用温度及电压加速的方法，藉
短时间的实验来评估IC产品的长时间操作寿命。
MTBF寿命测试
一般常见的寿命实验方法有BI（Burn-in）/EFR（Early Failure Rate）/HTOL（High Temperature Operating Life）/TDDB（Time dependent Dielectric Breakdown），对于不同的产品类别也有相
对应的测试方法及条件，如HTGB（High Temperature Gate Bias）/HTRG（High Temperature Reverse Bias）/BLT（Bias Life Test）/Intermittent Operation Life等。
低温工作寿命试验低温操作寿命试验为利用低温及电压加速的方法，评估该组件于低温环境操作下的寿命。温度工作寿命检测能力GJB899-2009
1.可靠性的定义在我们考虑可靠性预计之前，让我们来看看可靠性的定义。普遍被接受的可靠性的定义是产品在其指定应用环境条件下和在规定时间内正常工作的概率。
这就涉及到两个判断问题：
1.怎样才算”正常工作”？
2.什么是“指定的应用条件”？如果一台汽车的收音机具有合适的AM接受功能，但不能接收FM电台，是不是整台汽车不可靠？如果某司机驾驶汽车通过积水的道路，在行进过程中汽车突然走不动，是不
是说明汽车不可靠？上述两个问题的回答当然是否定的。因此，可靠性工程师在计算MTBF之前应对各种不同类型的问题进行分类。
2.通过预计计算来得到MTBF有几个个普遍被接受的标准可用来计算MTBF。大多数军品规划都用版本的MIL-STD-217FN2和GJB299B，而许多商用产品规划则用Bellcore方法来计算MTBF。MlL-STD-217FN2是
美国可靠性分析中心和罗姆试验室多年开展的工作总结为依据的，GJB299B是中国国内自己的预计标准，而Bellcore版本则是贝尔电信研究公司即现在的TelcordiaTechnologies公司对该手册进行修改和
简化而成的。
每个标准都包括用于典型电子产品中元器件的失效率模型，比如IC、二极管、晶体管、电容器、继电器、开关和连接器。失效率是以实际应用中获得的最适用的数据为依据的。这两种方法之间有几个不
同点，其中最明显的一个不同点是失效率的表示法，MIL-STD-217和GJB299B中都将失效率表示为失效次数106h，而Bellcore失效率表示为失效次数109h。作为MTBF计算的实例，应假定一个具有4个元器
件的产品。
对这些元器件在给定温度下估计出的失效数106h应从制造商那里获得。加入估计出的失效率，我们就得到整个产品的失效率。为了测定MTBF，我们用106除于产品的失效率，这样就能估计出两个失效数
之间的平均小时数。
尽管我们知道它们只是估计值我们确定元器件失效的工作温度对于我们的应用来说是正确的预计产品的MTBF有两个好处。首先，这样可满足客户的要求；其次，这种预计是在设计方案用于生产之前要花
较长时间来做的工作，它甚至揭示产品的弱点，这样就可使制造商以最少的费用来对这些弱点进行改进。随着科技进步和软件行业的迅速发展，当代的可靠性工程师可利用软件来简化可靠性计算。计算
机使人们能选择诸如工作电压和工作温度之类的应力等级来模拟产品将要经受的实际工作条件。
3.通过失效报告来评估失效率产品已经交付使用几个月之后，真实情况初见端倪。失效报告所显示的失效率可能高于或低于预计值。如果是这样，那是什么原因？是否意味着你的MTBF计算是一个无效的
过程？答案是否定的。如果失效在几个小数点内匹配，这是否意味着不必分析现场失效报告？答案同样是否定的。失效分析的两种方法都是重要的，任何重大差别都是有其原因的。
寿命试验（MTBF）是研究产品寿命特征的方法，这种方法可在实验室模拟各种使用条件来进行。寿命试验是可靠性试验中最重要最基本的项目之一，它是将产品放在特定的试验条件下考察其失效
（损坏）随时间变化规律。连续无故障运行时间MTBF试验报告 平均5万小时寿命试验 连续工作10万小时报告 无故障运行5万小时报告 MTBF平均无故障运行时间报告
寿命试验的用途有哪些呢？
通过寿命试验，可以了解产品的寿命特征、失效规律、失效率、平均寿命以及在寿命试验过程中可能出现的各种失效模式。如结合失效分析，可进一步弄清导致产品失效的主要失效机理，作为可靠性
设计、可靠性预测、改进新产品质量和确定合理的筛选、例行（批量保证）试验条件等的依据。如果为了缩短试验时间可在不改变失效机理的条件下用加大应力的方法进行试验，这就是加速寿命试验。 寿命试验（MTBF）是研究产品寿命特征的方法，这种方法可在实验室模拟各种使用条件来进行。寿命试验是可靠性试验中最重要最基本的项目之一，它是将产品放在特定的试验条件下考察其失效（损坏）随时间变化规律。
通过寿命试验，可以了解产品的寿命特征、失效规律、失效率、平均寿命以及在寿命试验过程中可能出现的各种失效模式。如结合失效分析，可进一步弄清导致产品失效的主要失效机理，作为可靠性
设计、可靠性预测、改进新产品质量和确定合理的筛选、例行（批量保证）试验条件等的依据。如果为了缩短试验时间可在不改变失效机理的条件下用加大应力的方法进行试验，这就是加速寿命试验。
通过寿命试验可以对产品的可靠性水平进行评价，并通过质量反馈来提高新产品可靠性水平。在合适工作条件下器件使用寿命期内的故障率很低。电子元器件的寿命，与工作温度是有密切关系的。以
电脑主板上常用的也常出故障的电解电容器为例，其寿命会受到温度的影响。
因此，应尽可能使电容器在较低的温度之下工作，如果电容器的实际工作温度超过了其规格范围，不仅其寿命会缩短，而且电容器会受到严重的损毁（例如电解液泄漏）。
寿命试验（MTBF）方法分为定时截尾试验，定数截尾试验，估算方法为：平均寿命的点估计值、单侧置信下限估计、双侧区间估计。高温工作寿命试验高温寿命试验为利用温度及电压加速的方法，藉
短时间的实验来评估IC产品的长时间操作寿命。
MTBF寿命测试
一般常见的寿命实验方法有BI（Burn-in）/EFR（Early Failure Rate）/HTOL（High Temperature Operating Life）/TDDB（Time dependent Dielectric Breakdown），对于不同的产品类别也有相
对应的测试方法及条件，如HTGB（High Temperature Gate Bias）/HTRG（High Temperature Reverse Bias）/BLT（Bias Life Test）/Intermittent Operation Life等。
低温工作寿命试验低温操作寿命试验为利用低温及电压加速的方法，评估该组件于低温环境操作下的寿命。温度工作寿命检测能力GJB899-2009
1.可靠性的定义在我们考虑可靠性预计之前，让我们来看看可靠性的定义。普遍被接受的可靠性的定义是产品在其指定应用环境条件下和在规定时间内正常工作的概率。
这就涉及到两个判断问题：
1.怎样才算”正常工作”？
2.什么是“指定的应用条件”？如果一台汽车的收音机具有合适的AM接受功能，但不能接收FM电台，是不是整台汽车不可靠？如果某司机驾驶汽车通过积水的道路，在行进过程中汽车突然走不动，是不
是说明汽车不可靠？上述两个问题的回答当然是否定的。因此，可靠性工程师在计算MTBF之前应对各种不同类型的问题进行分类。
2.通过预计计算来得到MTBF有几个个普遍被接受的标准可用来计算MTBF。大多数军品规划都用版本的MIL-STD-217FN2和GJB299B，而许多商用产品规划则用Bellcore方法来计算MTBF。MlL-STD-217FN2是
美国可靠性分析中心和罗姆试验室多年开展的工作总结为依据的，GJB299B是中国国内自己的预计标准，而Bellcore版本则是贝尔电信研究公司即现在的TelcordiaTechnologies公司对该手册进行修改和
简化而成的。
每个标准都包括用于典型电子产品中元器件的失效率模型，比如IC、二极管、晶体管、电容器、继电器、开关和连接器。失效率是以实际应用中获得的最适用的数据为依据的。这两种方法之间有几个不
同点，其中最明显的一个不同点是失效率的表示法，MIL-STD-217和GJB299B中都将失效率表示为失效次数106h，而Bellcore失效率表示为失效次数109h。作为MTBF计算的实例，应假定一个具有4个元器
件的产品。
对这些元器件在给定温度下估计出的失效数106h应从制造商那里获得。加入估计出的失效率，我们就得到整个产品的失效率。为了测定MTBF，我们用106除于产品的失效率，这样就能估计出两个失效数
之间的平均小时数。
尽管我们知道它们只是估计值我们确定元器件失效的工作温度对于我们的应用来说是正确的预计产品的MTBF有两个好处。首先，这样可满足客户的要求；其次，这种预计是在设计方案用于生产之前要花
较长时间来做的工作，它甚至揭示产品的弱点，这样就可使制造商以最少的费用来对这些弱点进行改进。随着科技进步和软件行业的迅速发展，当代的可靠性工程师可利用软件来简化可靠性计算。计算
机使人们能选择诸如工作电压和工作温度之类的应力等级来模拟产品将要经受的实际工作条件。
3.通过失效报告来评估失效率产品已经交付使用几个月之后，真实情况初见端倪。失效报告所显示的失效率可能高于或低于预计值。如果是这样，那是什么原因？是否意味着你的MTBF计算是一个无效的
过程？答案是否定的。如果失效在几个小数点内匹配，这是否意味着不必分析现场失效报告？答案同样是否定的。失效分析的两种方法都是重要的，任何重大差别都是有其原因的。
【又一国产芯逆袭之门！特斯拉带飞，国内多位大佬谈碳化硅 如何跑得更快更远 - 原创 ZeR0 芯东西 2022-7-04 发表于北京】
碳化硅SiC的春天，终于来了！
“双碳”战略开启了新能源转换黄金时代，也开启了功率半导体发展的黄金时代。这一趋势下，拥有优越性能的碳化硅，正成为功率器件的宠儿。用碳化硅器件全面替代硅器件做能量转换，能极大提高能量转化效率，大概会降低75%以上的能量损耗。其经济效益毋庸置疑是巨大的。
这个被特斯拉带飞的第三代半导体材料，正迎来爆发式增长。国家政策也在大力扶持：“十四五”规划和二〇三五远景目标纲要，明确指出“支持碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体发展”。
随着新能源汽车、人工智能、光伏风能发电、大数据、5G通信等一系列新应用领域的出现，以碳化硅为代表的第三代半导体正呈现蓬勃之势。
相比硅和砷化镓等半导体材料，在碳化硅等第三代半导体领域，我国与国际巨头之间的整体技术差距相对更小，更有希望实现换道超车，降低国际供应链的风险。
但与此同时，国内碳化硅产业链发展仍面临重重挑战，任重道远。当下国内碳化硅半导体的单晶材料、衬底、器件研发面临哪些核心痛点？接下来产业链发展还需怎样的助力？
在6月26日举行的“2022中国·南沙国际集成电路产业论坛”宽禁带半导体论坛上，山东大学晶体材料实验室、南砂晶圆创始人兼首席科学家徐现刚教授，广东芯粤能CTO相奇，中电化合物董事潘尧波，上海瞻芯电子CTO陈俭等专家发表主题演讲，分享了来自产业一线的观察和思考。
1. 碳化硅爆发式增长新能源汽车成主战场
碳化硅材料有半绝缘型和导电型两种衬底。半绝缘型主要应用于以5G通信、国防军工、航空航天为代表的射频领域；导电型主要用于制造功率器件，用在以新能源汽车、“新基建”为代表的电力电子领域，这也是当前碳化硅的主赛道。
第一个吃螃蟹的是马斯克的特斯拉。特斯拉Model 3率先将意法（ST）的碳化硅MOSFET功率模块应用到负责控制电动机的主逆变器中，证明了碳化硅技术足够成熟，并具有显著优势。
上海瞻芯电子CTO陈俭将“特斯拉的Model 3”类比“2007年的iPhone 4”，这是他决心离开做了21年的硅、转向碳化硅行业的原因。他回忆道，2014~2015年的碳化硅模块，据称已经将功率提高10%、体积缩小57%、重量降低40%，而现在比当时做得还要好。
新能源汽车的爆发，引发了一波碳化硅的“上车潮”。
特斯拉、保时捷、比亚迪汉、现代等纷纷在上碳化硅，碳化硅逐渐成为了高端汽车的标配；国内小鹏、蔚来、理想等造车新势力，都已推出或宣布推出碳化硅模块；宇通客车、上汽、北汽也在做这方面的筹备工作，而且商用车领域更容易导入一些新技术。
据法国知名行业咨询机构Yole预测，2022年车用碳化硅器件占比达68.8%，到2025年碳化硅功率器件的市场规模有望增至25.62亿美元，复合年增长率约30%。碳化硅之所以适合做功率器件，根由在于其材料性能。
碳化硅的禁带宽度是硅的3倍，热导率是硅的3倍，电子饱和速率是硅的2倍，最重要的是临界击穿电场是硅的8-10倍。因此，碳化硅器件有耐高温、低导通电阻、开关速度快、耐高压等特点，使得碳化硅系统更小、更轻、能效更高、驱动力更强。
广东芯粤能CTO相奇分享了一组预测数据，到2030年，中国大陆年度用电总量将超过10.5万亿度，如果用碳化硅器件全面替代硅器件做能量转换，那么每年可以节约上万亿度的电，这一数目，相当于10个三峡大坝的年发电总量。
到2030年，新能源车的销售量将增长9倍，光伏的装机量将增长5倍，碳化硅将大有用武之地。再加上缺货浪潮的助推，如今进口材料供货紧俏、一再延期，倘若国内碳化硅材料供应商发力赶上，这将为国产材料的导入打开一个突破口。
2. 8英寸时代到来但量产还要等三四年
碳化硅产业链覆盖从最上游的碳化硅粉，到晶锭、衬底、外延，再到晶圆，以及封装后的单管和模块，最后到交付应用。这种半导体材料的历史，最早可追溯至1885年，瑞典科学家发明了碳化硅生长装置，将核心原材料沙子和木炭加热到1500℃左右，通过导电，引发自蔓延反应，得到碳化硅单晶。但此前因材料技术和设备的限制，碳化硅长期没有发展起来。山东大学晶体材料实验室、南砂晶圆创始人兼首席科学家徐现刚教授介绍说，碳化硅单晶的研究可以分为三个阶段：第一阶段是90年代光电应用，碳化硅作为衬底，成功应用在光电领域；第二阶段是微波电子，我国做的已经不比国外差；第三阶段是功率电子应用，希望上下游通力合作，在这方面赶超国外。经过30多年的研发，国内碳化硅研究已具备一定条件，可以为器件研发提供衬底材料。
碳化硅衬底正不断向大尺寸方向发展，衬底尺寸越大，单位衬底可制造的芯片数量越多，单位芯片成本越低。目前业内主要量产产品集中在4英寸及6英寸，并演化向8英寸。国外在十年前突破了6英寸衬底技术，在“十三五”期间攻克了8英寸衬底技术。国际行业龙头科锐今年成功将8英寸衬底导入量产，全球首条8英寸晶圆工厂已经通线，很快就要建第二个8英寸碳化硅器件生产厂。在产业化方面，国内碳化硅企业已完成4-6英寸的升级。徐现刚教授谈道，目前国内已有8英寸碳化硅，与国际差距在2~3年之内，这个差距会越来越小。国内4英寸碳化硅晶体在2010年出现，从2017年4英寸导电衬底开始批量销售，中间间隔7年时间；国内6英寸批量销售是2019年，从研发开始也用了三四年。
中电化合物董事潘尧波判断，4寸的量会越来越少，6寸是当前主流，8寸是发展趋势，8英寸如果今年出来，按以往时间周期推演，需要等到2025年、2026年才能导入量产。
在他看来，“8英寸时代到来”还面临一些挑战，包括籽晶依赖于扩径、晶体良率、晶体质量、8英寸衬底加工、成本、生态等方面的问题，希望产业上下游紧密协同来解决问题。据他分析，根据中国电子材料协会统计数据，目前国内碳化硅规划投资300亿元，规划年产能200万片。2020年全国碳化硅产量约11万片，其中还包括很大一部分4英寸产量。规划的产能存在一定水分，规划的投资量偏大，实际落地的投资量有衰减，所以规划产能大于落地产能。从产能到产量，涉及到良率、成本、设备问题，据其统计，目前国内的长晶炉超过3000台，但实际供货量很少，今年6英寸的量大概率能超10万片，不过离需求情况还有很大的差距。汽车对材料有非常高的可靠性要求，这就引申到材料质量需要更高的要求，国内很多材料还在验证中，能满足车规级要求的占比不高。因此潘尧波判断，碳化硅材料，特别是车规级材料，会长期偏紧。他建议8英寸的扩展可以适当慢一点，如果材料供应不及却投了大量设备，这些产能则会空置，将导致产生很多投资的成本。
3.国内产业链面临的外忧与内患
目前碳化硅材料和功率器件都主要由海外企业垄断。器件方面，五家头部企业来自欧洲、日本、美国，合计市占率约90%；材料方面的垄断更加集中，Wolfspeed、Ⅱ-Ⅵ全面领先衬底市场，Wolfspeed和昭和电工两巨头几乎垄断外延片市场。国内碳化硅产业链则相对集中在长三角、京津冀和粤港澳大湾区。
相奇认为，国内碳化硅产业链面临着全面挑战：
1、碳化硅材料。
国内长晶技术和国际先进水平仍有距离，8英寸至少还需要2~3年才能追赶并突破，带动外延的发展。目前技术相对成熟，但设备还需要依赖于进口。
2、器件设计。
受限于制造工艺水平，材料优势没有被充分发挥，包括器件结构的优化创新，因为工艺能力的限制比较欠缺，生态也有待完善。
3、器件制造。
首先，衬底外延成本占比高，合资占比大概超过了50%；其次，器件良率受限于材料的缺陷及质量；其三，缺乏大规模的生产平台，过去碳化硅的规模相对较小，生产模式基本是实验室和小规模的小作坊模式；其四，专业设备还需要依赖于进口。
4、模组封装。
需找到更耐高温的封装材料，因为封装尺寸更小，散热及可靠性的要求更高。
5、汽车厂商。
问题是“缺芯”，尤其是“缺中国芯”。他总结道，国内碳化硅产业的强项是产业链较完整，弱项是现在成本还很高，尤其是在材料方面需要一些突破，其次是国产设备很少，专业设备还需依赖进口。我国的碳化硅产业链发展还需要平衡，才能与国外巨头进行竞争。
为什么碳化硅这么贵？
潘尧波解释说，碳化硅的成本很高，晶体存在质量、尺寸、厚度、良率、成本等痛点，且部分石墨依赖进口，供应紧张。碳化硅是硬脆材料，硬度仅次于金刚石，加工难度较大。
简单的衬底加工工序是从晶锭出来，做多线切割，做倒角，然后做研磨、CMP、清洗、检验，最后出货。其中切碳化硅，6英寸切一刀需要120小时左右，8英寸切一刀需要200小时左右，中间不能出任何差错，否则对切的质量会造成很大的影响。
相对于衬底，碳化硅外延技术门槛低一点，但也存在4个主要痛点：
1、进口外延设备交期长。
全球有4家进口主流供应商，国内主要采用的是3家，目前交期很长，有的甚至要60个月，即需五年时间。现在做碳化硅外延设备的有六七家，有的设备经过了批量销售，接下来国产化外延设备会进入产业主流。
2、外延的三个核心参数（缺陷、浓度、厚度）等检测设备依赖进口，交期长。目前国内缺陷领域有一家在demo过程中。
3、外延设备的单台产能低，每月仅300片左右，这个数量很低，可能会有新的设备和路线出来。
4、备件耗材寿命短，成本高。
外延过程经常要做保养，备件过程中会沉淀一些碳化硅颗粒，对碳化硅外延缺陷造成很大影响，所以备件耗材的生命比较短，一定程度上影响了碳化硅的产量。
在碳化硅器件方面，相奇分享了他观察到的一些趋势：
首先，沟槽MOSFET结构创新备受关注，已有多款沟槽器件产业化、商品化，且沟槽器件结构变化多端，创新空间变化也很大；
再者界面质量导致迁移率低，亟待技术突破，碳化硅器件的优势还没完全发挥出来，需利用新技术、新材料，提高界面质量和迁移率，提高可靠性。
除此之外，万伏千安智能电网需要超高压器件，所以超高压的MOSFET和超高压的IGBT也是器件研发的另一个方向。
有了大规模量产的平台、众多设计公司后，器件设计和制造生态系统则呼之欲出，从而提供一个桥梁，使得设计公司和量产平台能更好、更有效地合作。
4. “最根本的，是要做产业链的创新”
最后，陈俭分享了他看到的碳化硅产业潜力。
首先看定位。Yole数据显示，碳化硅从“三高”（高端、高频、高压）打入，慢慢蚕食硅IGBT市场。“我觉得这是「城市进入农村」的方式，做降维打击，成本做好，它是具有品牌效应的，这是势无可挡的应用。”陈俭说。
其次，上下游要协调好关系。下游车厂希望客户交货更快，现在有的周期要一年的时间，快则要6-7个月，太长了。
其三，价格要低，质量好，配合好。随叫随到是本土化优势，但质量还有待提高。上游会担心投资有没有希望、定价是否合理、付款方式好不好等问题。
至于上下游怎么协调？
陈俭认为，首先，下游需要明确的态度，要拓展应用，把市场做大，这是共赢之选；第二，上游要加大投资，给下游确保能供货且价格合理的信心；第三，有了技术，资金和人才才会加入。
在上游，现在SBD在充电桩领域的应用，市场不是红海了，是血海，卖的成本非常低，所以自己做器件、材料的厂商，要把碳化硅MOSFET的应用拓展起来。
只要有技术，碳化硅MOSFET做得好，市场还是很大的，SDB要区分于市场来做，价格要慢慢回归市场。技术进步需要时间，两三年之内很难做出很大的改善。
因此他们初步判断，大概在2024年前，衬底都是比较紧张的，外延则可能好一点，到2025年可能会缓解，但真正落实要到2026年，市场也可能会比预想得快，到时候又有一轮紧张。
在陈俭看来，最根本的，是要做产业链的创新，包括衬底技术、外延技术、Fab工艺、封装、碳化硅专用设备以及应用端的创新。
此外，他认为还需对创新者予以保护。首先做好专利布局；其次实现利益共享，定价机制要合理；第三，创新方要换位思考，要引入资金和推动标准建立；第四，尊重知识产权，抵制反授权，从法律层面保护创新者；第五，建立像IMEC一样的第三方合作开发平台。
5. 结语：碳化硅春天已至国产供应链迎新机遇
陈俭认为：碳化硅的春天来了，当前第三代半导体的碳化硅和氮化镓则比较火热，成长速度远超硅基功率器件。但还有很多挑战，要上下游共同共勉，以创新制胜，知识产权也要保驾护航。
徐现刚教授看来，碳化硅取得了新机遇，这么重要的材料，要降低国际供应链的风险性，对于进入国产和试用是非常好的机遇。
潘尧波亦判断：碳化硅产业处于成长期，在光伏、LED、硅产业等产业，新玩家会不断涌入，新技术会不断出现，这将给后来企业很多新机会。
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碳化硅SiC的春天，终于来了！
“双碳”战略开启了新能源转换黄金时代，也开启了功率半导体发展的黄金时代。这一趋势下，拥有优越性能的碳化硅，正成为功率器件的宠儿。用碳化硅器件全面替代硅器件做能量转换，能极大提高能量转化效率，大概会降低75%以上的能量损耗。其经济效益毋庸置疑是巨大的。
这个被特斯拉带飞的第三代半导体材料，正迎来爆发式增长。国家政策也在大力扶持：“十四五”规划和二〇三五远景目标纲要，明确指出“支持碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体发展”。
随着新能源汽车、人工智能、光伏风能发电、大数据、5G通信等一系列新应用领域的出现，以碳化硅为代表的第三代半导体正呈现蓬勃之势。
相比硅和砷化镓等半导体材料，在碳化硅等第三代半导体领域，我国与国际巨头之间的整体技术差距相对更小，更有希望实现换道超车，降低国际供应链的风险。
但与此同时，国内碳化硅产业链发展仍面临重重挑战，任重道远。当下国内碳化硅半导体的单晶材料、衬底、器件研发面临哪些核心痛点？接下来产业链发展还需怎样的助力？
在6月26日举行的“2022中国·南沙国际集成电路产业论坛”宽禁带半导体论坛上，山东大学晶体材料实验室、南砂晶圆创始人兼首席科学家徐现刚教授，广东芯粤能CTO相奇，中电化合物董事潘尧波，上海瞻芯电子CTO陈俭等专家发表主题演讲，分享了来自产业一线的观察和思考。
1. 碳化硅爆发式增长新能源汽车成主战场
碳化硅材料有半绝缘型和导电型两种衬底。半绝缘型主要应用于以5G通信、国防军工、航空航天为代表的射频领域；导电型主要用于制造功率器件，用在以新能源汽车、“新基建”为代表的电力电子领域，这也是当前碳化硅的主赛道。
第一个吃螃蟹的是马斯克的特斯拉。特斯拉Model 3率先将意法（ST）的碳化硅MOSFET功率模块应用到负责控制电动机的主逆变器中，证明了碳化硅技术足够成熟，并具有显著优势。
上海瞻芯电子CTO陈俭将“特斯拉的Model 3”类比“2007年的iPhone 4”，这是他决心离开做了21年的硅、转向碳化硅行业的原因。他回忆道，2014~2015年的碳化硅模块，据称已经将功率提高10%、体积缩小57%、重量降低40%，而现在比当时做得还要好。
新能源汽车的爆发，引发了一波碳化硅的“上车潮”。
特斯拉、保时捷、比亚迪汉、现代等纷纷在上碳化硅，碳化硅逐渐成为了高端汽车的标配；国内小鹏、蔚来、理想等造车新势力，都已推出或宣布推出碳化硅模块；宇通客车、上汽、北汽也在做这方面的筹备工作，而且商用车领域更容易导入一些新技术。
据法国知名行业咨询机构Yole预测，2022年车用碳化硅器件占比达68.8%，到2025年碳化硅功率器件的市场规模有望增至25.62亿美元，复合年增长率约30%。碳化硅之所以适合做功率器件，根由在于其材料性能。
碳化硅的禁带宽度是硅的3倍，热导率是硅的3倍，电子饱和速率是硅的2倍，最重要的是临界击穿电场是硅的8-10倍。因此，碳化硅器件有耐高温、低导通电阻、开关速度快、耐高压等特点，使得碳化硅系统更小、更轻、能效更高、驱动力更强。
广东芯粤能CTO相奇分享了一组预测数据，到2030年，中国大陆年度用电总量将超过10.5万亿度，如果用碳化硅器件全面替代硅器件做能量转换，那么每年可以节约上万亿度的电，这一数目，相当于10个三峡大坝的年发电总量。
到2030年，新能源车的销售量将增长9倍，光伏的装机量将增长5倍，碳化硅将大有用武之地。再加上缺货浪潮的助推，如今进口材料供货紧俏、一再延期，倘若国内碳化硅材料供应商发力赶上，这将为国产材料的导入打开一个突破口。
2. 8英寸时代到来但量产还要等三四年
碳化硅产业链覆盖从最上游的碳化硅粉，到晶锭、衬底、外延，再到晶圆，以及封装后的单管和模块，最后到交付应用。这种半导体材料的历史，最早可追溯至1885年，瑞典科学家发明了碳化硅生长装置，将核心原材料沙子和木炭加热到1500℃左右，通过导电，引发自蔓延反应，得到碳化硅单晶。但此前因材料技术和设备的限制，碳化硅长期没有发展起来。山东大学晶体材料实验室、南砂晶圆创始人兼首席科学家徐现刚教授介绍说，碳化硅单晶的研究可以分为三个阶段：第一阶段是90年代光电应用，碳化硅作为衬底，成功应用在光电领域；第二阶段是微波电子，我国做的已经不比国外差；第三阶段是功率电子应用，希望上下游通力合作，在这方面赶超国外。经过30多年的研发，国内碳化硅研究已具备一定条件，可以为器件研发提供衬底材料。
碳化硅衬底正不断向大尺寸方向发展，衬底尺寸越大，单位衬底可制造的芯片数量越多，单位芯片成本越低。目前业内主要量产产品集中在4英寸及6英寸，并演化向8英寸。国外在十年前突破了6英寸衬底技术，在“十三五”期间攻克了8英寸衬底技术。国际行业龙头科锐今年成功将8英寸衬底导入量产，全球首条8英寸晶圆工厂已经通线，很快就要建第二个8英寸碳化硅器件生产厂。在产业化方面，国内碳化硅企业已完成4-6英寸的升级。徐现刚教授谈道，目前国内已有8英寸碳化硅，与国际差距在2~3年之内，这个差距会越来越小。国内4英寸碳化硅晶体在2010年出现，从2017年4英寸导电衬底开始批量销售，中间间隔7年时间；国内6英寸批量销售是2019年，从研发开始也用了三四年。
中电化合物董事潘尧波判断，4寸的量会越来越少，6寸是当前主流，8寸是发展趋势，8英寸如果今年出来，按以往时间周期推演，需要等到2025年、2026年才能导入量产。
在他看来，“8英寸时代到来”还面临一些挑战，包括籽晶依赖于扩径、晶体良率、晶体质量、8英寸衬底加工、成本、生态等方面的问题，希望产业上下游紧密协同来解决问题。据他分析，根据中国电子材料协会统计数据，目前国内碳化硅规划投资300亿元，规划年产能200万片。2020年全国碳化硅产量约11万片，其中还包括很大一部分4英寸产量。规划的产能存在一定水分，规划的投资量偏大，实际落地的投资量有衰减，所以规划产能大于落地产能。从产能到产量，涉及到良率、成本、设备问题，据其统计，目前国内的长晶炉超过3000台，但实际供货量很少，今年6英寸的量大概率能超10万片，不过离需求情况还有很大的差距。汽车对材料有非常高的可靠性要求，这就引申到材料质量需要更高的要求，国内很多材料还在验证中，能满足车规级要求的占比不高。因此潘尧波判断，碳化硅材料，特别是车规级材料，会长期偏紧。他建议8英寸的扩展可以适当慢一点，如果材料供应不及却投了大量设备，这些产能则会空置，将导致产生很多投资的成本。
3.国内产业链面临的外忧与内患
目前碳化硅材料和功率器件都主要由海外企业垄断。器件方面，五家头部企业来自欧洲、日本、美国，合计市占率约90%；材料方面的垄断更加集中，Wolfspeed、Ⅱ-Ⅵ全面领先衬底市场，Wolfspeed和昭和电工两巨头几乎垄断外延片市场。国内碳化硅产业链则相对集中在长三角、京津冀和粤港澳大湾区。
相奇认为，国内碳化硅产业链面临着全面挑战：
1、碳化硅材料。
国内长晶技术和国际先进水平仍有距离，8英寸至少还需要2~3年才能追赶并突破，带动外延的发展。目前技术相对成熟，但设备还需要依赖于进口。
2、器件设计。
受限于制造工艺水平，材料优势没有被充分发挥，包括器件结构的优化创新，因为工艺能力的限制比较欠缺，生态也有待完善。
3、器件制造。
首先，衬底外延成本占比高，合资占比大概超过了50%；其次，器件良率受限于材料的缺陷及质量；其三，缺乏大规模的生产平台，过去碳化硅的规模相对较小，生产模式基本是实验室和小规模的小作坊模式；其四，专业设备还需要依赖于进口。
4、模组封装。
需找到更耐高温的封装材料，因为封装尺寸更小，散热及可靠性的要求更高。
5、汽车厂商。
问题是“缺芯”，尤其是“缺中国芯”。他总结道，国内碳化硅产业的强项是产业链较完整，弱项是现在成本还很高，尤其是在材料方面需要一些突破，其次是国产设备很少，专业设备还需依赖进口。我国的碳化硅产业链发展还需要平衡，才能与国外巨头进行竞争。
为什么碳化硅这么贵？
潘尧波解释说，碳化硅的成本很高，晶体存在质量、尺寸、厚度、良率、成本等痛点，且部分石墨依赖进口，供应紧张。碳化硅是硬脆材料，硬度仅次于金刚石，加工难度较大。
简单的衬底加工工序是从晶锭出来，做多线切割，做倒角，然后做研磨、CMP、清洗、检验，最后出货。其中切碳化硅，6英寸切一刀需要120小时左右，8英寸切一刀需要200小时左右，中间不能出任何差错，否则对切的质量会造成很大的影响。
相对于衬底，碳化硅外延技术门槛低一点，但也存在4个主要痛点：
1、进口外延设备交期长。
全球有4家进口主流供应商，国内主要采用的是3家，目前交期很长，有的甚至要60个月，即需五年时间。现在做碳化硅外延设备的有六七家，有的设备经过了批量销售，接下来国产化外延设备会进入产业主流。
2、外延的三个核心参数（缺陷、浓度、厚度）等检测设备依赖进口，交期长。目前国内缺陷领域有一家在demo过程中。
3、外延设备的单台产能低，每月仅300片左右，这个数量很低，可能会有新的设备和路线出来。
4、备件耗材寿命短，成本高。
外延过程经常要做保养，备件过程中会沉淀一些碳化硅颗粒，对碳化硅外延缺陷造成很大影响，所以备件耗材的生命比较短，一定程度上影响了碳化硅的产量。
在碳化硅器件方面，相奇分享了他观察到的一些趋势：
首先，沟槽MOSFET结构创新备受关注，已有多款沟槽器件产业化、商品化，且沟槽器件结构变化多端，创新空间变化也很大；
再者界面质量导致迁移率低，亟待技术突破，碳化硅器件的优势还没完全发挥出来，需利用新技术、新材料，提高界面质量和迁移率，提高可靠性。
除此之外，万伏千安智能电网需要超高压器件，所以超高压的MOSFET和超高压的IGBT也是器件研发的另一个方向。
有了大规模量产的平台、众多设计公司后，器件设计和制造生态系统则呼之欲出，从而提供一个桥梁，使得设计公司和量产平台能更好、更有效地合作。
4. “最根本的，是要做产业链的创新”
最后，陈俭分享了他看到的碳化硅产业潜力。
首先看定位。Yole数据显示，碳化硅从“三高”（高端、高频、高压）打入，慢慢蚕食硅IGBT市场。“我觉得这是「城市进入农村」的方式，做降维打击，成本做好，它是具有品牌效应的，这是势无可挡的应用。”陈俭说。
其次，上下游要协调好关系。下游车厂希望客户交货更快，现在有的周期要一年的时间，快则要6-7个月，太长了。
其三，价格要低，质量好，配合好。随叫随到是本土化优势，但质量还有待提高。上游会担心投资有没有希望、定价是否合理、付款方式好不好等问题。
至于上下游怎么协调？
陈俭认为，首先，下游需要明确的态度，要拓展应用，把市场做大，这是共赢之选；第二，上游要加大投资，给下游确保能供货且价格合理的信心；第三，有了技术，资金和人才才会加入。
在上游，现在SBD在充电桩领域的应用，市场不是红海了，是血海，卖的成本非常低，所以自己做器件、材料的厂商，要把碳化硅MOSFET的应用拓展起来。
只要有技术，碳化硅MOSFET做得好，市场还是很大的，SDB要区分于市场来做，价格要慢慢回归市场。技术进步需要时间，两三年之内很难做出很大的改善。
因此他们初步判断，大概在2024年前，衬底都是比较紧张的，外延则可能好一点，到2025年可能会缓解，但真正落实要到2026年，市场也可能会比预想得快，到时候又有一轮紧张。
在陈俭看来，最根本的，是要做产业链的创新，包括衬底技术、外延技术、Fab工艺、封装、碳化硅专用设备以及应用端的创新。
此外，他认为还需对创新者予以保护。首先做好专利布局；其次实现利益共享，定价机制要合理；第三，创新方要换位思考，要引入资金和推动标准建立；第四，尊重知识产权，抵制反授权，从法律层面保护创新者；第五，建立像IMEC一样的第三方合作开发平台。
5. 结语：碳化硅春天已至国产供应链迎新机遇
陈俭认为：碳化硅的春天来了，当前第三代半导体的碳化硅和氮化镓则比较火热，成长速度远超硅基功率器件。但还有很多挑战，要上下游共同共勉，以创新制胜，知识产权也要保驾护航。
徐现刚教授看来，碳化硅取得了新机遇，这么重要的材料，要降低国际供应链的风险性，对于进入国产和试用是非常好的机遇。
潘尧波亦判断：碳化硅产业处于成长期，在光伏、LED、硅产业等产业，新玩家会不断涌入，新技术会不断出现，这将给后来企业很多新机会。
『又一国产芯逆袭之门！特斯拉带飞，国内多位大佬谈碳化硅』https://t.cn/A6SAXrmu
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