数十年来，丰富、易于加工的硅一直是半导体行业的首选材料，但电动汽车正在削弱硅在追求能源效率方面的主导地位。
特斯拉是这一变化的催化剂。这家美国汽车制造商成为第一家在量产汽车中使用碳化硅芯片的同行，并将其应用于其部分Model 3车型中。这一举措为电动汽车供应链提供了动力，并对芯片行业产生了影响。
日本芯片制造商Rohm的首席战略官Kazuhide Ino表示:“到目前为止，芯片制造商一直在共同打造碳化硅市场，但我们已经到了相互竞争的阶段。”
碳化硅，缩写SiC，含有硅和碳。它的化学键比硅的更强，是世界上第三硬的物质。它的加工需要先进的技术，但这种材料的稳定性和其他特性让芯片制造商比标准硅片减少了一半以上的能量损失。
SiC芯片的散热性能也很好，可以使用更小的逆变器，而逆变器是电动汽车的关键部件，可以调节流向电机的功率。
“Model 3的空气阻力系数和跑车一样低，”日本名古屋大学(Nagoya University)教授山本正义(Masayoshi Yamamoto)说。“缩小逆变器使其流线型设计成为可能。”
特斯拉的举动震惊了芯片行业。今年6月，德国芯片制造商英飞凌科技(Infineon Technologies)推出了一款用于电动汽车逆变器的SiC模块。
英飞凌日本分公司经理Takemi Kouzu表示:“SiC的扩张时间显然比我们预期的要近。”
现代汽车将在新一代电动汽车上使用英飞凌制造的SiC芯片。据称，与硅芯片相比，这些芯片可以使车辆行驶里程增加5%以上。
今年6月，法国汽车制造商雷诺(Renault)与瑞士意法半导体(STMicroelectronics)签署了一项协议，从2026年开始供应SiC芯片。该协议还包括用氮化镓制造的芯片，氮化镓是半导体晶圆的另一种替代材料。
法国市场研究公司Yole Developpement预测，到2026年，SiC功率芯片市场将比2020年增长6倍，达到44.8亿美元。
硅和更昂贵的SiC之间的价格差距正在缩小。山本说，大规模生产和其他因素使成本差距缩小了一倍左右，而五年前的差距还约为10倍。随着一些芯片供应商开始生产更大的SiC晶圆，这一差距可能会进一步缩小。
Rohm一直是该领域的领导者，在2010年批量生产了世界上第一个SiC晶体管。2009年被收购的德国子公司crystal生产SiC晶圆，这让Rohm具备了从头到尾的生产能力。这家日本公司的目标是，到2025财年，SiC芯片的全球市场份额达到30%。该公司最近在日本福冈县的一家工厂新开了一家生产工厂，这是其将产能扩大五倍以上计划的一部分。
Rohm表示，许多即将上市的电动汽车车型将使用该公司的SiC芯片。它还与中国电动汽车制造商吉利(Geely)就下一代芯片技术达成了协议。
硅并不是第一种芯片材料。1947年，美国贝尔实验室开创性地发明了晶体管，之后便使用了锗晶体。20世纪60年代，随着半导体工业的发展，硅取代了这种元素。全球最大的两家硅晶圆供应商——信越化学(Shin-Etsu Chemical)和Sumco——都位于日本。
SiC作为硅的替代品也有竞争对手。氮化镓(GaN)有可能将能量损失减少到硅芯片的十分之一左右。这种材料在半导体中的应用是在日本开发的，用于制造蓝色发光二极管。虽然氮化镓芯片被用于充电设备等领域，但由于它主要是与包括硅在内的其他材料一起使用，因此尚未充分发挥其潜力。
寻找硅的替代品反映出在改善芯片性能方面日益明显的局限性。要发展更小、功能更强的电子产品，就需要蚀刻出更微小的电路图案。现在这个尺寸是5纳米(1纳米等于十亿分之一米)，晶体管密度大约每两年翻一番的预测——即摩尔定律——正在进行前所未有的测试。
节能也推动了芯片材料的创新。电动汽车、数据中心和数字经济的其他基础设施的扩张，如果不采取措施提高能源效率，将产生巨大的未满足的电力需求。
美国初创公司Lab 91是德克萨斯大学奥斯汀分校的分支机构，正在开发将石墨烯(只有一个原子厚的碳薄片)覆盖在晶片上的技术。早期试验已经取得成功，该公司正在与芯片制造商进行谈判，以评估大规模生产的技术。石墨烯在从电动汽车到led到智能手机摄像头中的图像传感器等广泛应用中具有提高芯片性能的潜力。
钻石被一些人称为终极半导体，它是硅的一种可能改变游戏规则但代价高昂的替代品。总部位于东京的制造商Adamant并木精密宝石公司已经开发出了用钻石生产电源芯片的技术。世界上最坚硬的物质理论上有能力将能量损失减少到硅的五万分之一。但使这种芯片具有成本效益将是关键。现在，金刚石衬底的成本是硅片的数千倍。
由于半导体对国家安全和经济竞争力至关重要，中国、美国和欧洲的政府都在寻求支持新芯片材料的研究和开发。今年6月，日本经济产业省发表了半导体战略，其中包括对半导体领域的研究开发(R&D)和投资支援。随着硅与钢铁并肩成为建设20世纪的材料之一，下一种伟大的半导体材料看起来很可能在未来几十年成为国际竞争的驱动力。
