Ο λαιμός της υπολογιστικής ισχύος AI πνίγεται απόυλικά.
Ο Διευθύνων Σύμβουλος της Intel Lip-Bu Tan έχει ονομάσει το διαμάντι, το καρβίδιο του πυριτίου (SiC), το φωσφίδιο του ινδίου (InP), το νιτρίδιο του γαλλίου (GaN) και τα γυάλινα υποστρώματα ως πέντε βασικά υλικά που είναι κρίσιμα για το σπάσιμο της συμφόρησης. Εν τω μεταξύ, οι εμπειρογνώμονες του κλάδου έχουν προειδοποιήσει ευθαρσώς: "Η ανεπαρκής ικανότητα παραγωγής λέιζερ InP είναι το βασικό σημείο πνιγμού για co-συσκευασμένα οπτικά (CPO)."
Αυτό σημαίνει ότι ανεξάρτητα από το πόσο ισχυρά είναι τα τσιπ GB200/300 της Nvidia, χωρίς την υποστήριξη προηγμένων υλικών, τα δεδομένα απλά δεν μπορούν να ρέουν με υψηλή ταχύτητα.
Αυτό δεν είναι απλώς ένα ζήτημα χωρητικότητας – είναι μια πρόκληση που ωθεί τα όρια της επιστήμης των υλικών. Από παροχή ισχύος SiC/GaN και γυάλινες-συσκευασίες υποστρώματος (όπως επισημαίνεται από το Tan), έως νιοβικό λίθιο και SOI για λύσεις οπτικής διασύνδεσης και διαμάντια και κεραμικά υποστρώματα για απαγωγή θερμότητας υπό ακραία φορτία ισχύος,υλικάέχουν γίνει το αόρατο πεδίο μάχης στο δεύτερο μισό του AI. Όποιος ξεπεράσει πρώτος θα κρατήσει το κλειδί για την κυριαρχία των υπολογιστών.
Διαμάντι
Καθώς η υπολογιστική ισχύς της τεχνητής νοημοσύνης επιταχύνεται με ιλιγγιώδη ταχύτητα, η διάχυση θερμότητας στα τσιπ υψηλών-τελών γίνεται ολοένα και πιο σοβαρή. Το Rubin Ultra της Nvidia, για παράδειγμα, αναμένεται να ξεπεράσει τα 2.300 W ανά τσιπ, με τοπική πυκνότητα ροής θερμότητας που ξεπερνά τα 1.000 W/cm² – ένα σχεδόν αδιανόητο επίπεδο θερμότητας. Οι παραδοσιακοί διανομείς θερμότητας χαλκού και αλουμινίου ξεπερνούν τα φυσικά τους όρια. Το Diamond, με την εξαιρετικά{8}}υψηλή θερμική αγωγιμότητά του, έχει αναδειχθεί ως ο κορυφαίος υποψήφιος μεταξύ των νέων υλικών ημιαγωγών.
Ευρέως γνωστό για την εξαιρετική σκληρότητά του - η πιο σκληρή ουσία που απαντάται στη φύση, με σκληρότητα Mohs 10 - το διαμάντι είναι επίσης ένας από τους καλύτερους θερμικούς αγωγούς της φύσης, με θερμική αγωγιμότητα έως και 2.200 W/(m·K), 5,5 φορές αυτή του χαλκού και 11 φορές αυτή του αλουμινίου. Είναι επίσης ένας ηλεκτρικός μονωτήρας και ο συντελεστής θερμικής διαστολής του ταιριάζει πολύ με αυτόν του πυριτίου, του SiC και του GaN. Οι παρατηρητές του κλάδου έχουν σημειώσει: όταν η ισχύς ενός-τσιπ ξεπερνά τα 1.400 W, το διαμάντι δεν είναι πλέον "επιλογή" – γίνεται "αναγκαιότητα".
Η επόμενη-γενιά των GPU της αρχιτεκτονικής Vera Rubin της Nvidia υιοθέτησαν πλήρως μια λύση "υγρού ψύξης από σύνθετο υλικό διαμαντιού-χαλκού + 45 βαθμού άμεσης-επαφής υγρού ψύξης" και η βιομηχανία έχει μάλιστα χαρακτηρίσει το 2026 ως το "πρώτο έτος υιοθέτησης της διάχυσης θερμότητας διαμαντιών μεγάλης- κλίμακας."
Καρβίδιο του πυριτίου (SiC)
Η ισχύς rack του κέντρου δεδομένων AI αυξάνεται από δεκάδες κιλοβάτ σε εκατοντάδες κιλοβάτ, με ράφι κλίμακας μεγαβάτ- στον ορίζοντα. Καθώς τα επίπεδα ρεύματος και τάσης αυξάνονται, η παραδοσιακή μετατροπή ισχύος που βασίζεται σε πυρίτιο-υποφέρει από εκπληκτικές απώλειες. Επιπλέον, η τεχνητή νοημοσύνη απαιτεί υλικά που διαχέουν γρήγορα τη θερμότητα, καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια, καταλαμβάνουν ελάχιστο χώρο και αντέχουν σε υψηλές θερμοκρασίες.
Το SiC προσφέρει υψηλή τάση διάσπασης, σταθερή απόδοση σε υψηλές θερμοκρασίες και απώλειες μεταγωγής πολύ χαμηλότερες από το πυρίτιο. Το συμπαγές αποτύπωμα συσκευής και η εξαιρετική αξιοπιστία το καθιστούν την ιδανική επιλογή για αρχιτεκτονικές υψηλής τάσης 800V-DC (HVDC) – επιτυγχάνοντας αποδόσεις άνω του 97% σε στάδια διόρθωσης εισόδου υψηλής τάσης και διόρθωσης συντελεστή ισχύος (PFC) και μειώνοντας τις απώλειες μετάδοσης σε συστήματα 80VC πάνω από 30V. Νέα κέντρα δεδομένων που κατασκευάστηκαν από τη Nvidia, τη Microsoft και άλλους τεχνολογικούς γίγαντες έχουν ήδη υιοθετήσει αρχιτεκτονικές ισχύος βασισμένες στο SiC{8}}στο βασικό εξοπλισμό. Οι εγχώριοι Κινέζοι κατασκευαστές, όπως η TankeBlue Semiconductor, επιταχύνουν τη μαζική παραγωγή υποστρώματος 8 ιντσών και επιταξιακού επιπέδου για να μειώσουν το κόστος της γκοφρέτας.
Νιτρίδιο του γαλλίου (GaN)
Το GaN και το SiC σχηματίζουν μια σαφή διαίρεση "υψηλής-τάσης έναντι χαμηλής-τάσης: το SiC παραμένει στο δωμάτιο διακομιστή, ενώ το GaN μετακινείται στα rack.
Το GaN διαθέτει υψηλή κινητικότητα ηλεκτρονίων και εξαιρετική πυκνότητα ισχύος, υπερέχοντας στη μετατροπή ισχύος υψηλής-συχνότητας, χαμηλής-τάσης, υψηλής-πυκνότητας. Σε μονάδες τροφοδοσίας GPU,-μετατροπείς DC-DC υψηλής συχνότητας και τροφοδοτικά διακομιστή – όπου ο χώρος και η ταχύτητα απόκρισης είναι κρίσιμες – το GaN μπορεί να συρρικνώσει το μέγεθος του τροφοδοτικού ενώ ενισχύει την πυκνότητα ισχύος. Η διαδικασία GaN των 8{9}} ιντσών της Samsung έχει ήδη επιτύχει μείωση κόστους κατά 30% και επιταχύνει την προσαρμογή της για ανάπτυξη κέντρων δεδομένων μεγάλης κλίμακας.
Φωσφίδιο ινδίου (InP)
Το φωσφίδιο του ινδίου είναι αναντικατάστατο – είναι το μόνο υλικό υποστρώματος μαζικής παραγωγής-για τσιπ λέιζερ και φωτοανιχνευτών, που ταιριάζει απόλυτα με τα παράθυρα οπτικής επικοινωνίας οπτικών ινών στα 1310nm και στα 1550nm. Στον τομέα CPO, η βασική προσέγγιση του κλάδου ενσωματώνει οπτικούς κινητήρες και ηλεκτρικά τσιπ στο ίδιο υπόστρωμα, και οι συσκευές εκπομπής φωτός υψηλής ταχύτητας- στον πυρήνα του CPO βασίζονται 100% σε λέιζερ InP.
Επιστρέφοντας στην προειδοποίηση αυτού του στελέχους του κλάδου: πίσω από αυτές τις λέξεις κρύβεται ένα έντονο σύνολο αριθμών. Το 2025, η παγκόσμια ζήτηση υποστρώματος InP εκτιμάται σε 2,0–2,1 εκατομμύρια τεμάχια, ενώ η πραγματική προσφορά είναι μόνο 600.000–700.000 τεμάχια – ένα κενό προσφοράς-στην ζήτησης που υπερβαίνει το 70%, αναμένεται να διατηρηθεί έως το 2030. Η Goldman Sachs έχει εκδώσει ακόμη πιο άμεση πρόβλεψη για την προσφορά, μπορεί να παραμείνει ακόμη πιο άμεσο: να εξισορροπηθεί το δεύτερο εξάμηνο του 2028, καθώς οι επεκτάσεις της χωρητικότητας της εφοδιαστικής αλυσίδας έρχονται στο διαδίκτυο».
Λεπτό-Νιοβικό λίθιο μεμβράνης (TFLN)
Αξιοποιώντας το ισχυρό γραμμικό ηλεκτρο{0}}οπτικό εφέ (φαινόμενο Pockels) του νιοβικού λιθίου, το λεπτό-φιλμ νιοβικού λιθίου επιτρέπει τη διαμόρφωση οπτικού σήματος υψηλού-εύρους ζώνης, υψηλής-γραμμικότητας (υψηλής-πιστότητας) σε χαμηλές τάσεις οδήγησης. Αυτό το καθιστά-κατάλληλο για εφαρμογές οπτικής μετάδοσης μεσαίας- έως μεγάλης-απόστασης, υψηλού-εύρους ζώνης, όπως δίκτυα κορμού και δίκτυα μετρό. Επιπλέον, η αντίθεση του με υψηλό δείκτη διάθλασης και ο εξαιρετικός οπτικός περιορισμός επιτρέπουν μεγαλύτερη ενσωμάτωση, βελτιώνοντας το μέγεθος της συσκευής και την κατανάλωση ενέργειας.
Στους οπτικούς διαμορφωτές, το νιοβικό λίθιο λεπτής-μεμβράνης προσφέρει ηλεκτρο-οπτικό συντελεστή τριπλάσιο από αυτόν του InP και πάνω από εκατό φορές αυτόν του φωτονικού πυριτίου. Με μόλις 1,8 V, μπορεί να επιτύχει διαμόρφωση εξαιρετικά{4}}υψηλής-ταχύτητας πέραν των 100 GHz, μειώνοντας την κατανάλωση ενέργειας κατά 30–50%, ενώ ένα μόνο κανάλι μπορεί να τρέξει εύκολα στα 400 G.
Καθώς η υπολογιστική ισχύς AI εκρήγνυται, οι οπτικές διασυνδέσεις κέντρων δεδομένων κυλούν από 400G σε 800G, 1,6T και 3,2T. Οι περιορισμοί απόδοσης των παραδοσιακών υλικών γίνονται ολοένα και πιο εμφανείς και το νιοβικό λίθιο λεπτής μεμβράνης-είναι έτοιμο να γίνει ένα κρίσιμο υλικό για τη διαμόρφωση οπτικής μετάδοσης υψηλής ταχύτητας επόμενης-γενιάς-. Επί του παρόντος, μόνο τέσσερις εταιρείες σε όλο τον κόσμο έχουν κατακτήσει τις δυνατότητες μαζικής-παραγωγής για γκοφρέτες 8-ιντσών υψηλής-τελικής, με διαφορά προσφοράς-ζήτησης που υπερβαίνει το 70%.
SOI (Πυρίτιο-σε-μονωτή)
Αν το πυρίτιο είναι η «σάρκα» ενός τσιπ, το SOI είναι ο «σκελετός» της φωτονικής του πυριτίου. Αυτή η δομή σάντουιτς "υπόστρωμα θαμμένου οξειδίου πυριτίου", με την εισαγωγή ενός μονωτικού στρώματος διοξειδίου του πυριτίου κάτω από το στρώμα πυριτίου, εξαλείφει εντελώς τη διαφωνία μεταξύ ηλεκτρονίων και φωτονίων. Μειώνει την παρασιτική χωρητικότητα κατά πάνω από 60%, επιτρέποντας στα ηλεκτρικά σήματα να τρέχουν πιο γρήγορα και πιο αποτελεσματικά. Το πιο σημαντικό, η μεγάλη διαφορά δείκτη διάθλασης μεταξύ του επάνω στρώματος πυριτίου και του οξειδίου σχηματίζει φυσικά τα "τοιχώματα" ενός οπτικού κυματοδηγού, επιτρέποντας στα οπτικά σήματα να κάμπτονται και να μεταδίδονται με ελάχιστη απώλεια στο τσιπ.
Στην εποχή της τεχνητής νοημοσύνης, το SOI είναι το αναντικατάστατο υπόστρωμα πυρήνα για την κατασκευή οπτικών μονάδων, κινητήρων CPO και κβαντικών τσιπ. Η παγκόσμια παραγωγική ικανότητα συγκεντρώνεται σε μεγάλο βαθμό στη γαλλική Soitec, καθιστώντας την εγχώρια τοπική αγορά επείγουσα προτεραιότητα.
Γυάλινα Υποστρώματα
Καθώς οι GPU, το HBM και η στοίβαξη chiplet οδηγούν τη συσκευασία σε μεγάλους παράγοντες μορφής, υψηλής πυκνότητας και{0}}διασυνδέσεις υψηλής ταχύτητας, τα παραδοσιακά οργανικά υποστρώματα και οι παρεμβολές πυριτίου αντιμετωπίζουν ολοένα και περισσότερο περιορισμούς σε μέγεθος, κόστος και απόδοση.
Τα γυάλινα υποστρώματα, μέσω γυάλινων αγωγών (TGV) για κάθετη ηλεκτρική διασύνδεση, καλύπτουν με ακρίβεια το κενό της αγοράς μεταξύ οργανικών υποστρωμάτων και παρεμβολών πυριτίου. Προσφέρουν έναν συντονιζόμενο συντελεστή θερμικής διαστολής (που ταιριάζει με τα τσιπ πυριτίου), εξαιρετικά χαμηλή διηλεκτρική απώλεια και εξαιρετικά{1}}υψηλή επιπεδότητα επιφάνειας. Οι δοκιμές της Intel έχουν δείξει ότι μπορούν να μειώσουν την παραμόρφωση του μοτίβου κατά 50% και να αυξήσουν την πυκνότητα διασύνδεσης έως και 10 φορές.
Οι παγκόσμιοι ηγέτες ημιαγωγών επιταχύνουν γρήγορα τις επενδύσεις τους – η Intel, η TSMC, η Samsung Electro-Mechanics, η SK Group και η LG Group έχουν μπει στην αρένα, ξεκινώντας έναν εμπορικό αγώνα γύρω από τα γυάλινα υποστρώματα.
Κεραμικά Υποστρώματα
Σε ενσωματωμένες συσκευασίες υψηλής πυκνότητας,-συσκευές υψηλής ισχύος που λειτουργούν ταυτόχρονα παράγουν τεράστιες ποσότητες συγκεντρωμένης θερμότητας και το υπόστρωμα συσκευασίας είναι το κύριο συστατικό που διαχέει-τη θερμότητα. Καθώς η ισχύς τσιπ AI ξεπερνά το όριο των 2.000 W, τα παραδοσιακά οργανικά υποστρώματα FR-4, με την κακή θερμική αγωγιμότητα (μόνο 0,3 W/(m·K)) και την αναντιστοιχία θερμικής διαστολής, αντιμετωπίζουν σοβαρούς κινδύνους παραμόρφωσης και αποκόλλησης. Τα κεραμικά υποστρώματα, με τα εγγενή τους πλεονεκτήματα της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας, της υψηλής ηλεκτρικής μόνωσης και της εξαιρετικής θερμικής αντιστοίχισης, έχουν γίνει αναγκαιότητα για σενάρια υψηλής ισχύος.
Μεταξύ αυτών, το νιτρίδιο αλουμινίου (AlN), με θερμική αγωγιμότητα 170–220 W/(m·K), είναι η κορυφαία επιλογή για απαγωγή θερμότητας σε οπτικές μονάδες υψηλής ταχύτητας 800G/1,6T-. Το νιτρίδιο του πυριτίου (Si3N4), με την εξαιρετική αντοχή σε κάμψη και αντοχή σε θερμικές κρούσεις, χρησιμεύει ως βάση συσκευασίας για μονάδες ισχύος υψηλής-τάσης SiC/GaN.