Зарядные устройства GaN: долгий путь к триумфу
Все чаще на глаза попадаются анонсы и обзоры техники с зарядками на базе GaN. Складывается впечатление, что число таких устройств растет не просто быстро, а буквально в геометрической прогрессии — и это недалеко от истины. Поэтому важно вовремя разобраться, что на самом деле стоит за этой аббревиатурой и в каких случаях технология действительно уместна и востребована.
Технология
Итак, за латинскими буквами GaN скрывается название полупроводникового материала — нитрида галлия. В последние годы он активно используется вместо кремния в чипах зарядных устройств для смартфонов, планшетов, ноутбуков и другой техники — особенно в премиум-сегменте. Основные преимущества нитрида галлия по сравнению с кремнием — это энергоэффективность (до 95% против 85% у кремния), компактность и высокая мощность. Кристаллы GaN обладают лучшей теплопроводностью: чипы на его основе выделяют меньше тепла, эффективнее его отводят, выдерживают более высокие частоты и напряжения — при этом оставаясь надежными. Использование GaN-чипов позволяет уменьшить размеры и вес зарядных устройств на 30–50%, сохранив ту же мощность, что и у кремниевых аналогов. Грубо говоря, классическая зарядка на 30 Вт и GaN-зарядка на 60–70 Вт будут примерно одинаковы по габаритам. Благодаря поддержке различных технологий быстрой зарядки и высокой мощности, GaN-устройства позволяют одновременно заряжать несколько энергоемких гаджетов от одного адаптера. Например, с помощью одного мощного GaN-ЗУ вполне реально запитать увесистый ноутбук и пару смартфонов одновременно.
Сегодня зарядными устройствами на базе GaN-чипов снабжают в основном игровые ноутбуки и премиум-смартфоны. Также их продают в виде отдельных аксессуаров, рассчитанных на зарядку разных устройств. Пока что основным недостатком GaN-зарядок остается высокая стоимость, однако тенденция к ее снижению, скорее всего, сохранится в ближайшие годы. Что касается верхней планки по мощности для бытовых устройств, здесь технологии (нитрид галлия и кремний) почти сравнялись. Де-факто GaN-чипы постепенно становятся (возможно, уже стали) стандартом для зарядных устройств, по крайней мере в категории мощных ЗУ. С учетом того, что большая часть современных смартфонов, ноутбуков и прочей техники поддерживает быструю зарядку, спрос на GaN-зарядки постоянно растет. Однако в ряде случаев до сих пор можно обойтись обычными кремниевыми зарядками: особенно если речь идет о старых гаджетах или современных, но не требовательных к мощности (меньше 30 Вт).
Важный момент: технология GaN никак не влияет на сроки службы аккумуляторных батарей смартфонов и другой техники. ЗУ на базе GaN-чипов используются для зарядки тех же самых литий-ионных (Li-Ion) и литий-полимерных (Li-Po) аккумуляторов. Технология GaN — это про эффективность зарядки, но никак не про тип самой батареи. Принципы зарядки аккумулятора остаются неизменными, а процесс осуществляется через стандартные протоколы, в том числе так называемые умные для быстрой зарядки (в частности, PD 3.0). Сама по себе GaN-зарядка не может навредить литий-ионным батареям, однако от производителя требуется соблюдать правильные соотношения напряжения и силы тока, впрочем, как и с кремниевыми ЗУ. С другой стороны, GaN-зарядки не увеличивают срок службы батарей, который зависит исключительно от циклов заряда-разряда, средней рабочей температуры и качества исполнения.
Базовый элемент
Галлий (Ga) — это редкий мягкий металл серебристого цвета, который в природе почти не встречается в чистом виде. Чаще всего его находят в бокситах (алюминиевых) и цинковых рудах. Получается, что в определенном смысле это побочный продукт переработки алюминия и цинка. Причем обычно его концентрация в этих рудах чрезвычайно мала, около 50–100 граммов на 1 тонну бокситов, а извлекается еще меньше. До 80% (по некоторым оценкам, до 90%) мирового производства чистого галлия приходится на Китай, но свой вклад также вносят Япония, Южная Корея, Россия, Казахстан, Венгрия и Канада. В очистке галлия и производстве нитрида галлия (GaN) лидируют Германия, Южная Корея и Япония. Соответствующие производства есть и в США, но их деятельность ограничена из-за экологических рисков и высокой стоимости технологических процессов. К слову, сам по себе галлий не токсичен.
Baseus GaN5 Pro Fast Charger 2C+U 160W: на все случаи жизни
В России предприятия РУСАЛ и УГМК добывают галлий, но степень его очистки не превышает 4N-5N (99,99–99,999%), тогда как для использования в микроэлектронике требуется 6N-7N (99,9999–99,99999%). Чем больше N (от англ. nine — девять), тем чище конечный продукт от примесей железа, цинка, серы. Дело в том, что даже 0,001% примесей (степень очистки 5N) нередко приводит к дефектам кристаллической решетки GaN, снижению КПД транзисторов, сделанных из этого материала, и в конечном счете к перегреву чипов. В связи с этим российский галлий, который предполагается использовать в микроэлектронике, отправляют на дополнительную очистку в другие страны либо сразу импортируют галлий 6N-7N.
Считается, что впервые успешно синтезировали нитрид галлия (GaN) в 1932 году в Нидерландах с помощью метода аммонолиза (прямая реакция металлического галлия с аммиаком при высокой температуре). Однако из-за использования простейших печей и низкой чистоты исходных материалов полученный GaN был поликристаллическим, а следовательно, непригодным для электроники. В современном мире нитрид галлия (GaN) получают в основном с помощью метода металлоорганической газофазной эпитаксии (MOCVD).
Долгое время нитрид галлия оставался экспериментальным веществом, не востребованным в коммерческом сегменте. Но в 1990-х годах к нему стали проявлять интерес японские ученые, которые создали первые эффективные светодиоды на базе GaN. В 2000-х GaN-полупроводники начали применять в военных и космических разработках. В 2010-е годы появились первые коммерческие GaN-транзисторы для микроэлектроники, однако они оставались дорогими и в реальности использовались крайне редко. Лишь в 2018–2020 годы произошел прорыв, когда на рынке появились первые доступные GaN-чипы для зарядных устройств от американских компаний Navitas Semiconductor (лидер мирового рынка в потребительском секторе по сей день), Power Integrations и других. В тот период на массовый потребительский рынок вышли первые GaN-зарядки от Anker, Baseus, RAVPower и Xiaomi. В 2020–2022 годы тренд прямо или косвенно (через партнеров, например, Belkin для Apple) подхватили крупные корпорации вроде Apple и Samsung. В период с 2022 по 2025 год использование технологии GaN для мощных (от 60 Вт и более) и компактных зарядок продолжает нарастать. Очевидно, что на данный момент рано говорить о полном вытеснении ЗУ на кремниевых чипах, однако, согласно прогнозам, уже к 2026–2027 годам GaN-зарядки будут доминировать даже в сегменте ЗУ от 30 Вт.
Помимо доминирующих американских компаний среди мировых производителей GaN-чипов необходимо отметить и германскую Infineon, канадскую GaN Systems (в 2023 году приобретена Infineon), нидерландскую Nexperia, китайские Innoscience и Southchip. В России по состоянию на 2025 год не существует массового коммерческого производства GaN-чипов для потребительского сегмента, однако выпускаются ограниченные партии для использования в сфере ВПК, космических и телекоммуникационных проектах. В то же время нитрид-галлиевая (GaN) технология внесена в список ключевых направлений научно-технического развития в рамках «Стратегии развития электронной промышленности Российской Федерации на период до 2030 года», ведутся научно-исследовательские работы.
Ассортимент
Итак, зарядные устройства на базе нитрид-галлиевой технологии уже заняли свою нишу в категории мощных и многофункциональных зарядок. GaN-зарядок с мощностью меньше 30 Вт на рынке почти не представлено, так как это нерентабельно — в данной категории отлично справляются кремниевые модели, причем их габариты не до такой степени велики, чтобы массовый пользователь переживал об этом.
В категории 30–45 Вт представлено ограниченное число моделей: один из показательных примеров — Anker Nano II 30W (хороший вариант для некоторых Apple iPhone).
Чаще всего GaN-зарядки встречаются в диапазоне 60–100 Вт. Пример — Baseus 65W 2C1A (подходит для одновременной зарядки ноутбука и смартфона).
Следующий сегмент — 120–300 Вт. Такая мощность обычно нужна для зарядки игровых ноутбуков, другой профессиональной техники или нескольких требовательных устройств одновременно. В данной категории стоит вспомнить про UGREEN Nexode 300W на 4 USB-порта — это премиум-устройство, являющееся на сегодня рекордсменом по мощности и возможностям среди коммерческих GaN-зарядок для широкой аудитории. Следует заметить, что даже именитые бренды далеко не всегда поставляют свои гаджеты с GaN-зарядками в базовой комплектации, однако часто рекомендуют их использование. В последнее время наметилась тенденция к применению GaN-технологий в многопортовых, универсальных ЗУ, которые поддерживают умное распределение мощности между потребителями в режиме реального времени (например, Baseus и Satechi). Имеет смысл лишний раз подчеркнуть, что для зарядки устройств, потребляющих не больше 25–30 Вт, искать подходящую GaN-зарядку не стоит. Кроме того, GaN-технология не нужна для гаджетов предыдущих поколений, например, использующих разъемы Micro-USB или несовместимых с технологиями быстрой зарядки USB Power Delivery (PD). Если же речь идет о современных устройствах, нуждающихся в мощности от 50 Вт, высока вероятность получить GaN-адаптер, что называется, из коробки.
Несмотря на то что четкого отраслевого стандарта по GaN-технологиям не существует, в описании некоторых моделей зарядок указано их поколение, где-то римскими цифрами, где-то арабскими. На данный момент можно выделить три условных поколения, однако нужно помнить, что у каждой компании свои критерии соответствия устройства следующему поколению. Например, китайские бренды нумеруют поколения просто: GaN, GaN 2.0, GaN 3.0. GaN-чипы первого поколения выпускались с 2018 по 2020 год. Их мощность не превышала 70 Вт, к тому же при пиковых нагрузках они были склонны к перегреву. В GaN-чипах второго поколения (2020–2023 гг.) появились дополнительные контроллеры, а мощность ЗУ увеличилась в среднем до 120 Вт. Также чипы этого поколения стали более энергоэффективными, прибавив по этому показателю 10–20%. Технология GaN третьего поколения (с 2023 года по настоящее время) может похвастать наибольшей мощностью и интеллектуальным управлением несколькими портами. Если ЗУ позиционируется в качестве гаджета четвертого или пятого поколения, вероятнее всего, производитель лукавит и это просто маркетинговая уловка.
Да, четких спецификаций по технологии пока нет, однако возможности GaN-чипов у основных производителей плюс-минус схожие. Кроме того, реальные отличия между GaN-зарядками второго и третьего поколения часто несущественны: немного отличаются КПД (на 2–3%), вес и габариты (на 5%), добавлена поддержка еще одного протокола быстрой зарядки. Но главное, на что при выборе GaN-зарядки действительно нужно обратить внимание, –— это, конечно, мощность и ее распределение по портам (если их несколько).