Tekoälyn laskentatehon kurkku tukehtuumateriaaleja.
Intelin toimitusjohtaja Lip-Bu Tan on nimennyt timantin, piikarbidin (SiC), indiumfosfidin (InP), galliumnitridin (GaN) ja lasisubstraatiksi viideksi avainmateriaaliksi, jotka ovat kriittisiä pullonkaulan katkaisemisessa. Samaan aikaan alan sisäpiiriläiset ovat varoittaneet suoraan: "Riittämätön InP-lasertuotantokapasiteetti on co-packed optics (CPO) ydinkuristuskohta."
Tämä tarkoittaa, että riippumatta siitä, kuinka tehokkaita Nvidian GB200/300-sirut ovat, ilman edistyneiden materiaalien tukea data ei yksinkertaisesti voi virrata suurella nopeudella.
Tämä ei ole vain kapasiteettikysymys – se on haaste, joka työntää materiaalitieteen rajoja. SiC/GaN tehonsiirrosta ja lasi-substraattipakkauksista (kuten Tan korostaa), litiumniobaattiin ja SOI:iin optisten liitäntäratkaisujen sekä timantti- ja keraamisten alustojen lämmönpoistoon äärimmäisissä tehokuormissamateriaalejaon tullut näkymätön taistelukenttä tekoälyn jälkipuoliskolla. Se, joka murtautuu ensimmäisenä, pitää hallussaan avain tietotekniikan dominointiin.
Timantti
Tekoälyn laskentatehon kiihtyessä huimaa vauhtia, lämmön haihtumista huippuluokan siruissa{0}} on tulossa yhä vakavampaa. Esimerkiksi Nvidian Rubin Ultran odotetaan ylittävän 2 300 wattia sirua kohden, ja paikallisen lämpövuon tiheydet ylittävät 1 000 W/cm² – lähes käsittämätön lämpötaso. Perinteiset kupari- ja alumiinilämmönlevittimet ovat saavuttamassa fyysisiä rajojaan. Timantti on erittäin-korkealla lämmönjohtavuudellaan noussut johtavaksi ehdokkaksi uusien puolijohdemateriaalien joukossa.
Laajalti äärimmäisestä kovuudestaan tunnettu timantti on kovin luonnossa esiintyvä aine, jonka Mohsin kovuus on 10. Timantti on myös yksi luonnon parhaista lämmönjohtimista, ja sen lämmönjohtavuus on jopa 2 200 W/(m·K), 5,5 kertaa kuparin ja 11 kertaa alumiinin. Se on myös sähköeriste, ja sen lämpölaajenemiskerroin vastaa läheisesti piin, SiC:n ja GaN:n lämpölaajenemiskerrointa. Alan tarkkailijat ovat huomanneet: kun yhden-sirun teho ylittää 1 400 W, timantti ei ole enää "vaihtoehto" - siitä tulee "välttämättömyys".
Nvidian seuraavan-sukupolven Vera Rubin -arkkitehtuurin GPU:t ovat täysin omaksuneet "timantti-kupari-komposiittimateriaalista + 45 asteen suoran-kosketusnestejäähdytyksen" ratkaisun, ja ala on jopa merkinnyt vuoden 2026 "ensimmäiseksi suuren-mittakaavan timanttilämpöhäviön käyttöönoton vuodeksi".
Piikarbidi (SiC)
Tekoälyn palvelinkeskuksen telineiden teho kasvaa kymmenistä kilowateista satoihin kilowatteihin, ja horisontissa on megawattimittakaavaisia{0}}telineitä. Kun virta- ja jännitetasot nousevat, perinteinen pii{2}}tehomuunnos kärsii hämmästyttävistä häviöistä. Lisäksi tekoäly vaatii materiaaleja, jotka haihduttavat lämpöä nopeasti, kuluttavat vähemmän virtaa, vievät vähän tilaa ja kestävät korkeita lämpötiloja.
SiC tarjoaa korkean läpilyöntijännitteen, vakaan suorituskyvyn korkeissa lämpötiloissa ja kytkentähäviöt paljon pienemmät kuin piillä. Sen kompakti laitejalanjälki ja erinomainen luotettavuus tekevät siitä ihanteellisen valinnan 800 V:n korkea-jänniteDC (HVDC) -arkkitehtuureille – saavutetaan yli 97 %:n hyötysuhde korkean Nvidian, Microsoftin ja muiden teknologiajättien rakentamat uudet datakeskukset ovat jo ottaneet SiC-pohjaiset tehoarkkitehtuurit vakiona. Kotimaiset kiinalaiset valmistajat, kuten TankeBlue Semiconductor, kiihdyttävät 8 tuuman alustan ja epitaksiaalisen massatuotantoa vähentääkseen kiekkojen kustannuksia.
galliumnitridi (GaN)
GaN ja SiC muodostavat selkeän "korkea{0}}jännite vs. matala-jännite" -jaon: SiC pysyy palvelinhuoneessa, kun taas GaN siirtyy telineisiin.
GaN:ssa on suuri elektronien liikkuvuus ja poikkeuksellinen tehotiheys. Se on erinomaista korkean-taajuuden, matalan-jännitteen ja suuren{2}}tiheyden tehomuunnoksena. GPU-virtamoduuleissa, suur-DC-DC-muuntimissa ja palvelinvirtalähteissä – missä tila ja vastenopeus ovat kriittisiä – GaN voi pienentää virtalähteen kokoa samalla kun tehotiheys kasvaa. Samsungin 8- tuuman GaN-prosessi on jo saavuttanut 30 prosentin kustannussäästön ja nopeuttaa mukautumistaan laajamittaiseen datakeskusten käyttöönottoon.
Indiumfosfidi (InP)
Indiumfosfidi on korvaamaton – se on ainoa laser- ja valodetektorisirujen massatuotantosubstraattimateriaali, joka sopii täydellisesti kuituoptisen viestinnän 1310nm ja 1550nm pienihäviöiseen-ikkunaan. CPO-alueella alan valtavirran lähestymistapa integroi optiset moottorit ja sähkösirut samalle alustalle, ja nopeat valoa lähettävät laitteet, jotka ovat CPO:n ytimessä, ovat 100-prosenttisesti riippuvaisia InP-lasereista.
Palatakseni alan johtajan varoitukseen: näiden sanojen takana piilee jyrkkä numerosarja. Vuonna 2025 maailmanlaajuisen InP-substraattikysynnän arvioidaan olevan 2,0–2,1 miljoonaa kappaletta, kun taas tehokas tarjonta on vain 600 000–700 000 kappaletta – yli 70 %:n kysyntävaje, jonka odotetaan jatkuvan vuoteen 2030 asti. Goldman Sachs on julkaissut ennusteen, jonka mukaan tarjonta jatkuu vieläkin tiukkana2 ja tarjonta jatkuu vieläkin suoremmin2: "7 vuoden 2028 toisella puoliskolla, kun toimitusketjun kapasiteetin laajennukset tulevat verkkoon."
Ohut{0}}kalvo litiumniobaatti (TFLN)
Hyödyntämällä litiumniobaatin voimakasta lineaarista elektro-optista vaikutusta (Pockels-efekti), ohut-kalvolitiumniobaatti mahdollistaa korkean-kaistanleveyden, korkean-lineaarisuuden (korkean-tarkkuuden) optisen signaalin modulaation matalilla käyttöjännitteillä. Tämä tekee siitä-soveltavan hyvin keskipitkän{7}} ja pitkän matkan-suuren kaistanleveyden-optisiin siirtosovelluksiin, kuten runkoverkkoihin ja metroverkkoihin. Lisäksi sen korkea taitekerroinkontrasti ja erinomainen optinen rajoitus mahdollistavat paremman integroinnin, mikä parantaa laitteen kokoa ja virrankulutusta.
Optisissa modulaattoreissa ohut{0}}kalvolitiumniobaatti tarjoaa elektro-optisen kertoimen kolme kertaa InP:hen verrattuna ja yli sata kertaa piin fotoniikan. Vain 1,8 V:lla se voi saavuttaa erittäin-nopeaa-nopeaa modulaatiota yli 100 GHz:n taajuudella, mikä vähentää virrankulutusta 30–50 %, kun taas yksi kanava voi toimia helposti 400 Gt:lla.
Tekoälyn laskentatehon kasvaessa räjähdysmäisesti datakeskusten optiset liitännät nousevat 400 G:stä 800 G:iin, 1,6 T:iin ja 3,2 T:iin. Perinteisten materiaalien suorituskyvyn rajoitukset tulevat yhä selvemmiksi, ja ohut-litiumniobaatista on tulossa kriittinen materiaali seuraavan-sukupolven nopeassa{7}}optisessa lähetysmodulaatiossa. Tällä hetkellä vain neljä yritystä maailmanlaajuisesti hallitsee 8-tuumaisten huippuluokan{12}kiekkojen massatuotantokapasiteetin, ja kysynnän ja tarjonnan välinen ero on yli 70 %.
SOI (Silicon{0}}on-Insulator)
Jos pii on sirun "liha", SOI on piifotoniikan "luuranko". Tämä "piiin haudattu oksidi-substraatti" sandwich-rakenne lisäämällä piidioksidia eristävän kerroksen piikerroksen alle eliminoi kokonaan elektronien ja fotonien välisen ylikuulumisen. Se vähentää loiskapasitanssia yli 60 %, jolloin sähköiset signaalit voivat toimia nopeammin ja tehokkaammin. Vielä tärkeämpää on, että suuri taitekerroin ero piin ja oksidikerroksen välillä muodostaa luonnollisesti optisen aaltoputken "seinät", mikä mahdollistaa optisten signaalien taipumisen ja siirron minimaalisella häviöllä sirulla.
AI-aikakaudella SOI on korvaamaton ydinsubstraatti optisten moduulien, CPO-moottoreiden ja kvanttisirujen valmistuksessa. Maailmanlaajuinen tuotantokapasiteetti on keskittynyt voimakkaasti ranskalaiseen Soiteciin, joten kotimainen lokalisointi on kiireellinen prioriteetti.
Lasisubstraatit
Kun grafiikkasuorittimet, HBM ja sirujen pinoaminen ohjaavat pakkausta kohti suuria muototekijöitä, suurta tiheyttä ja{0}}nopeita liitäntöjä, perinteiset orgaaniset substraatit ja piivälityslaitteet kohtaavat yhä enemmän kokoa, kustannuksia ja suorituskykyä koskevia rajoituksia.
Lasisubstraatit lasin läpivientien (TGV) läpi pystysuoraan sähköliitäntään täyttävät tarkasti markkinoiden aukon orgaanisten alustojen ja piivälitysmateriaalien välillä. Niissä on säädettävä lämpölaajenemiskerroin (sovitettu piisirujen kanssa), erittäin pieni dielektrinen häviö ja erittäin -korkea pinnan tasaisuus. Intelin testit ovat osoittaneet, että ne voivat vähentää kuvion vääristymiä 50 % ja lisätä yhteyksien tiheyttä jopa 10 kertaa.
Maailman johtavat puolijohdevalmistajat kiihdyttävät investointejaan nopeasti – Intel, TSMC, Samsung Electro{0}}Mechanics, SK Group ja LG Group ovat kaikki tulleet areenalle aloittaen kaupallisen kilpailun lasialustojen ympärillä.
Keraamiset alustat
Integroidussa -tiheyksisessä pakkauksessa suuren Koska AI-sirun teho ylittää 2 000 W:n kynnyksen, perinteiset FR-4 orgaaniset substraatit, joilla on huono lämmönjohtavuus (vain 0,3 W/(m·K)) ja lämpölaajenemishäiriö, kohtaavat vakavia vääntymis- ja delaminaatioriskejä. Keraamisista alustoista, joiden luontaiset edut ovat korkea lämmönjohtavuus, korkea sähköeristys ja erinomainen lämpösovitus, on tullut välttämättömyys suuritehoisissa skenaarioissa.
Niiden joukossa alumiininitridi (AlN), jonka lämmönjohtavuus on 170–220 W/(m·K), on paras valinta lämmönpoistoon 800 G/1,6 T:n nopeissa optisissa moduuleissa. Piinitridi (Si₃N₄), jolla on erinomainen taivutuslujuus ja lämpöiskunkesto, toimii SiC/GaN-korkea{6}}jännitetehomoduulien pakkausperustana.