Tekoälykilpailun kiihtyessä huippuluokan{0}}GPU-sirujen virrankulutus kasvaa edelleen dramaattisesti. NVIDIAn H100 yhden-kortin virrankulutus on 700 W, uusi Blackwell-sarja nostaa sen 1000–1400 W:iin, ja uusimman Vera Rubin -arkkitehtuurin GPU:n huippuvirrankulutus on yli 2 300 W. Tällaisista äärimmäisistä tehotasoista on tullut seuraavan sukupolven AI-sirun kehittämisen ydin.
Tällä hetkellä nestejäähdytys ja upotusjäähdytys ovat laajalti käytössä teollisuudessa palvelintason lämmönhallinnassa. Nämä lähestymistavat eivät kuitenkaan pysty ratkaisemaan perusongelmaa, joka liittyy lähellä sirua tapahtuvaan paikalliseen lämmön kertymiseen. Jatkuvat hot spotit johtavat taajuuden kuristukseen ja suorituskyvyn heikkenemiseen, mikä rajoittaa vakavasti huippuluokan AI-sirujen kykyä. Timanttipohjainen lämmönpoistoteknologia on noussut tehokkaaksi väyläksi tämän haasteen voittamiseksi.
Markkinoilla yleinen väärinkäsitys on, että timantin tärkein etu on vain sen korkea lämmönjohtavuus. Todellisuudessa timantin ydinkilpailukyky piilee sen kahdessa ominaisuudessa: erittäin korkea lämmönjohtavuus yhdistettynä erinomaiseen lämpölaajenemiseen sopivaan lastumateriaalien kanssa-yhdistelmä, jota perinteiset materiaalit, kuten kupari, hopea ja piikarbidi, eivät voi helposti saavuttaa.
Tärkeimmät tiedot osoittavat, että CVD-yksikidetimantin lämmönjohtavuus ylittää 2000 W/(m·K) ja isotooppisesti puhdistetut versiot ylittävät 3000 W/(m·K)-noin viisi kertaa perinteisen kuparin. Vielä kriittisemmin timantti tarjoaa erinomaisen lämpöyhteensopivuuden: sen lämpölaajenemiskerroin (CTE) on vain 1,0–1,1 ppm/K, mikä vastaa tiiviisti piin arvoa 2,6 ppm/K, mikä johtaa vain 1,5 ppm/K lämpöeroon. Sitä vastoin teollisuudessa yleisesti käytetyn kuparin CTE on 16,5–17 ppm/K, mikä antaa noin 14 ppm/K-eron piin kanssa suuruusluokkaa suurempi kuin timanttien.
Nykyiset AI-sirut käyttävät yleensä 2,5D- ja 3D-pinoamisprosesseja, jotka keskittävät lämmönlähteet tiheästi kerrosten väliin ja heikentävät lämpöä ylikuulumista. Kuparipohjaiset rakenteet, joilla on suuri terminen epäsuhta, laajenevat ja supistuvat jatkuvasti toistuvien lämpötilajaksojen aikana, mikä aiheuttaa helposti juotosliitosten väsymistä ja rajapinnan halkeilua, mikä heikentää merkittävästi sirun luotettavuutta ja käyttöikää. Timantti pienentää erittäin alhaisen lämpöeristyksensä ansiosta perusteellisesti lämpöjännitystä sirujen liitännöissä ja välttää pakkauksen epäonnistumisriskit, mikä tekee siitä hyvin linjassa huippuluokan AI-sirun kehitystrendien kanssa.
Monikiteinen timantti saavuttaa lämmönjohtavuuden 1000–2200 W/(m·K) samalla CTE:llä kuin yksikiteinen timantti, ja sitä voidaan valmistaa suuria kokoja pienemmillä kustannuksilla, mikä tekee siitä sopivan laajamittaiseen käyttöön jäähdytyselementeinä tekoälypalvelimissa. Timantti-kuparikomposiitit tarjoavat lämmönjohtavuuden 500–650 W/(m·K) viritettävällä CTE:llä ja hyvällä työstettävyydellä -kustannustehokas kompromissi, joka ratkaisee perinteisen "korkean lämmönjohtavuuden mutta huonon sirun yhteensopivuuden" ongelman.
Näistä merkittävistä materiaalieduista huolimatta teollinen käyttöönotto kohtaa edelleen kaksi keskeistä teknistä haastetta.
Ensinnäkin rajapinnan lämpövastus. On laajalle levinnyt väärinkäsitys, että mikä tahansa timanttimateriaali jäähdyttää automaattisesti viisi kertaa paremmin kuin kupari. Todellisuudessa huonot sidosprosessit voivat luoda erittäin korkean rajapinnan lämpövastuksen, mikä heikentää timantin luontaista ylivoimaista johtavuutta ja heikentää vakavasti lämmönpoistokykyä. Toiseksi erittäin tarkka koneistus ja rajapintojen yhdistäminen. Timantin äärimmäinen kovuus vaatii erikoislaitteita ja prosesseja kaikkiin tarkkuusvaiheisiin, mikä nostaa käsittelyn estettä. Lisäksi timantin ja kuparin välinen heikko rajapintojen sidos vaatii rajapinnan modifiointitekniikoita, kuten titaani- tai volframipinnoitusta, jotta saavutetaan vakaa seos ja varmistetaan pitkän aikavälin luotettava toiminta.
Nykyinen AI-sirun virrankulutus kasvaa "kolminkertaistaa kolmessa vuodessa", ja 3D-pinoamisen laaja käyttö on tehnyt kerrosten välisestä lämmön kertymisestä ja paikallisista kuumista pisteistä entistä näkyvämpiä. Nämä kuumat pisteet ovat ensisijainen syy suorituskyvyn heikkenemiseen ja pakotettuun taajuuden laskuun. On tärkeää selventää, että timanttilämmön levitys ja nestejäähdytys eivät ole korvaavia ratkaisuja, vaan toisiaan täydentäviä ratkaisuja: timantti auttaa tasoittamaan äärimmäisiä paikallisia lämpövirtoja ja eliminoimaan kuumapisteen kerääntymisen -korjautumaan lämpöpisteen läheisyyteen-, kun taas nestejäähdytys poistaa tasaisesti levinneen lämmön järjestelmästä ja täydentää hylkäämisen kaukopään.
Kotimaisen timantin lämmönpoistoketjun tuotantoketjun alkupään raaka-aineet ovat vahvoja, mutta loppupään ydinprosesseissa suhteellista heikkoutta. Synteettisten timanttien kasvun alkupäässä Kiinan tekniset valmiudet suuripintaisiin monikiteisiin timantteihin ovat samat tai joissakin mittareissa jopa edellä kuin ulkomaiset vastaavat. Avainteknologioissa, kuten kiekkotason juottamattomassa suorassa liimauksessa ja tarkassa matalan lämmönkestävyyden prosessiohjauksessa, on kuitenkin edelleen aukkoja.
Kustannusten kannalta MPCVD-laitteiden korkea sähkönkulutus on massatuotannon ensisijainen kustannuspaine. Tämän ratkaisemiseksi johtavat kotimaiset yritykset, kuten SF Diamond, Huanghe Whirlwind ja Huifeng Diamond, rakentavat strategisesti tuotantokapasiteettia alhaisen sähköhinnan alueilla, kuten Xinjiangissa ja Sisä-Mongoliassa, hyödyntäen edullista tehoa, suurikammioisia tuotantolaitteita ja omaa prosessikehitystä vähentääkseen jatkuvasti valmistuskustannuksia.
Kaiken kaikkiaan, kun otetaan huomioon AI-sirujen jatkuvasti kasvava virrankulutus, perinteiset kuparipohjaiset lämmönpoistomateriaalit ovat saavuttaneet fyysisen suorituskyvyn rajansa ja tuskin pystyvät vastaamaan seuraavan sukupolven huippuluokan sirujen vaatimuksiin. Diamond, jonka ainutlaatuinen yhdistelmä ultrakorkeaa lämmönjohtavuutta ja alhaista lämpöeroa, erottuu tehokkaasta lämmönhallintaratkaisusta edistyneille AI-siruille.