AI arvutusvõimsuse kõri lämbubmaterjalid.
Inteli tegevjuht Lip{0}}Bu Tan on nimetanud teemanti, ränikarbiidi (SiC), indiumfosfiidi (InP), galliumnitriidi (GaN) ja klaassubstraate kui viis võtmematerjali, mis on kitsaskoha murdmisel kriitilised. Vahepeal on tööstusharu asjatundjad otsekohe hoiatanud: "Ebapiisav InP laseri tootmisvõimsus on ko-pakendatud optika (CPO) põhiline tõmbepunkt."
See tähendab, et hoolimata sellest, kui võimsad on Nvidia GB200/300 kiibid, ei saa ilma täiustatud materjalide toetuseta andmed lihtsalt suurel kiirusel voolata.
See ei ole ainult suutlikkuse küsimus – see on väljakutse, mis nihutab materjaliteaduse piire. Alates SiC/GaN toiteallikast ja klaas-substraadi pakendist (nagu rõhutas Tan), lõpetades liitiumniobaadi ja SOI-ga optiliste ühenduslahenduste jaoks ning teemant- ja keraamiliste substraatidega soojuse hajutamiseks äärmuslike võimsuskoormuste korral,materjalidon muutunud AI teisel poolel nähtamatuks lahinguväljaks. See, kes esimesena läbi murrab, hoiab andmetöötluse domineerimise võtit.
Teemant
Kuna tehisintellekti arvutusvõimsus kiireneb meeletu kiirusega, muutub soojuse hajumine tipptasemel{0}}kiipides üha tõsisemaks. Näiteks Nvidia Rubin Ultra peaks ületama 2300 W kiibi kohta, kusjuures kohaliku soojusvoo tihedus ületab 1000 W/cm² – see on peaaegu kujuteldamatu soojustase. Traditsioonilised vasest ja alumiiniumist soojusjaoturid on saavutamas oma füüsilised piirid. Ülikõrge soojusjuhtivusega teemant on tõusnud uute pooljuhtmaterjalide seas juhtivaks kandidaadiks.
Laialdaselt tuntud oma äärmise kõvaduse poolest – kõige kõvem looduslikult esinev aine, mille Mohsi kõvadus on 10 –, teemant on ka üks looduse parimaid soojusjuhte, mille soojusjuhtivus on kuni 2200 W/(m·K), 5,5 korda suurem kui vasel ja 11 korda suurem kui alumiiniumil. See on ka elektriisolaator ja selle soojuspaisumise koefitsient ühtib täpselt räni, SiC ja GaN omaga. Tööstusharu vaatlejad on märkinud: kui ühe-kiibi võimsus ületab 1400 W, pole teemant enam "valik" – see muutub "vajaduseks".
Nvidia järgmise-põlvkonna Vera Rubini arhitektuuriga GPU-d on täielikult kasutusele võtnud "teemant-vask komposiitmaterjalist + 45-kraadise otsese-kontaktvedeliku jahutuse" lahenduse ja tööstus on isegi tähistanud 2026. aastat "esimeseks aastaks ulatusliku -teemantsoojuse hajutamise kasutuselevõtuks".
Ränikarbiid (SiC)
Tehisintellekti andmekeskuse riiuli võimsus kasvab kümnetelt kilovattidelt sadadele kilovattidele ja silmapiiril on megavati-skaala riiulid. Kuna voolu- ja pingetasemed tõusevad, kannatab traditsiooniline räni{2}}põhine võimsuse muundamine hämmastavate kadude all. Lisaks nõuab AI materjale, mis hajutavad soojust kiiresti, tarbivad vähem energiat, võtavad minimaalselt ruumi ja taluvad kõrgeid temperatuure.
SiC pakub kõrget läbilöögipinget, stabiilset jõudlust kõrgetel temperatuuridel ja lülituskadusid, mis on palju väiksemad kui ränil. Seadme kompaktne jalajälg ja suurepärane töökindlus muudavad selle ideaalseks valikuks 800 V kõrge- alalispinge (HVDC) arhitektuuride jaoks – saavutades kõrge-pinge sisendi alaldi ja võimsusteguri korrigeerimise (PFC) etappides efektiivsuse üle 97% ning vähendades edastuskadusid üle 30% HVDC 800 V süsteemides. Nvidia, Microsofti ja teiste tehnoloogiahiiglaste ehitatud uued andmekeskused on juba standardina kasutusele võtnud SiC{8}}põhised toitearhitektuurid. Kodumaised Hiina tootjad, nagu TankeBlue Semiconductor, kiirendavad 8-tollise substraadi ja epitaksiaalse masstootmist, et vähendada vahvlikulusid.
Galliumnitriid (GaN)
GaN ja SiC moodustavad selge jaotuse "kõrge{0}}vs madal{2}}pinge": SiC jääb serveriruumi, GaN aga liigub riiulitesse.
GaN-il on suur elektronide liikuvus ja erakordne võimsustihedus, mis paistab silma kõrge-sageduse, madala-pinge ja suure-tihedusega võimsuse muundamise poolest. GPU toitemoodulites, kõrgsageduslikes-alalisvoolu-alalisvoolumuundurites ja serveri toiteallikates – kus ruum ja reageerimiskiirus on kriitilised – võib GaN vähendada toiteallika suurust, suurendades samal ajal voolutihedust. Samsungi 8-tollise GaN-i protsess on juba saavutanud 30% kulude vähenemise ja kiirendab selle kohandamist suuremahuliseks andmekeskuste juurutamiseks.
Indiumfosfiid (InP)
Indiumfosfiid on asendamatu – see on laser- ja fotodetektorkiipide ainus masstootmise substraatmaterjal-, mis sobib ideaalselt fiiberoptilise side 1310nm ja 1550nm madala-kaoga akendega. CPO-valdkonnas integreerib tööstuse peavoolu lähenemisviis optilised mootorid ja elektrikiibid samale substraadile ning CPO tuumaks olevad kiired valgust{7}}kiirgavad seadmed toetuvad 100% InP laseritele.
Tulles tagasi selle valdkonna juhi hoiatuse juurde: nende sõnade taga peitub karm numbrite komplekt. Aastal 2025 on globaalne InP-substraadi nõudlus hinnanguliselt 2,0–2,1 miljonit tükki, samas kui efektiivne pakkumine on vaid 600 000–700 000 tükki – nõudluse vahe ületab 70%, eeldatavasti püsib see kuni 2030. aastani. Goldman Sachs on välja andnud prognoosi, et pakkumine jätkub veelgi otsesemast allikast2. 2028. aasta teisel poolel, kuna tarneahela võimsuse suurendamine on võrgus."
Õhuke{0}}kile liitiumniobaat (TFLN)
Kasutades liitiumniobaadi tugevat lineaarset elektro-optilist efekti (Pockelsi efekt), võimaldab õhukese-kile liitiumniobaat suure-ribalaiusega, kõrge-lineaarsusega (kõrge-truudusega) optilise signaali modulatsiooni madalal juhtimispingel. See muudab selle hästi-sobivaks keskmise- kuni-suure ribalaiusega-optiliste edastusrakenduste jaoks, nagu magistraalvõrgud ja metroovõrgud. Lisaks võimaldavad selle kõrge murdumisnäitaja kontrastsus ja suurepärane optiline piiratus paremat integreerimist, parandades seadme suurust ja energiatarbimist.
Optilistes modulaatorites pakub õhukese{0}}kile liitiumniobaat elektro-optilist koefitsienti InP-st kolm korda ja ränifotoonika omast üle saja korra. Vaid 1,8 V pingega suudab see saavutada ülikiire-kiirusega modulatsiooni üle 100 GHz, vähendades energiatarbimist 30–50%, samal ajal kui üks kanal töötab hõlpsalt 400 G juures.
Kuna tehisintellekti arvutusvõimsus plahvatuslikult kasvab, on andmekeskuste optilised ühendused 400 G kuni 800 G, 1,6 T ja 3,2 T. Traditsiooniliste materjalide jõudluspiirangud muutuvad üha ilmsemaks ja õhukese{5}}liitiumniobaatkile võib muutuda kriitiliseks materjaliks järgmise-põlvkonna kiirel{7}}optilise ülekande modulatsioonil. Praegu on maailmas ainult neli ettevõtet omandanud 8-tolliste tipptasemel{12}plaatide masstootmisvõimalusi, kusjuures pakkumise ja nõudluse vahe ületab 70%.
SOI (räni-isolaatoril-)
Kui räni on kiibi "liha", siis SOI on räni fotoonika "skelett". See "ülemine räni-maetud oksiid-substraadi" sandwich-struktuur, sisestades ränidioksiidi isolatsioonikihi ränikihi alla, kõrvaldab täielikult elektronide ja footonite vahelise läbirääkimise. See vähendab parasiitmahtuvust üle 60%, võimaldades elektrilistel signaalidel töötada kiiremini ja tõhusamalt. Veelgi olulisem on see, et ülemise räni ja oksiidikihi suur murdumisnäitaja erinevus moodustab loomulikult optilise lainejuhi "seinad", võimaldades optilistel signaalidel painduda ja edastada kiibil minimaalse kaoga.
Tehisintellekti ajastul on SOI asendamatu põhisubstraat optiliste moodulite, CPO mootorite ja kvantkiipide tootmiseks. Ülemaailmne tootmisvõimsus on tugevalt koondunud Prantsusmaa Soitecile, mistõttu on kodumaine lokaliseerimine kiireloomuline prioriteet.
Klaasist aluspinnad
Kuna GPU-d, HBM-i ja kiibikeste virnastamine suunavad pakkimist suuremate vormitegurite, suure tiheduse ja suure{0}}kiirusega ühenduste poole, seisavad traditsioonilised orgaanilised substraadid ja ränisubstraadid üha enam silmitsi suuruse, kulude ja jõudluse piirangutega.
Klaassubstraadid läbi klaasavade (TGV) vertikaalseks elektriühenduseks täidavad täpselt turu tühimiku orgaaniliste aluspindade ja räni vahekihtide vahel. Need pakuvad häälestatavat soojuspaisumistegurit (ühildatakse ränikiipidega), äärmiselt madalat dielektrilist kadu ja üli-kõrget pinnatasasust. Inteli testid on näidanud, et need võivad vähendada mustri moonutusi 50% ja suurendada ühenduste tihedust kuni 10 korda.
Ülemaailmsed pooljuhtide liidrid kiirendavad oma investeeringuid kiiresti – Intel, TSMC, Samsung Electro{0}}Mechanics, SK Group ja LG Group on kõik areenile astunud, käivitades kaubandusliku võidujooksu klaasaluspindade ümber.
Keraamilised aluspinnad
Suure -tihedusega integreeritud pakendites toodavad suure-võimsusega seadmed, mis töötavad üheaegselt, tohutul hulgal kontsentreeritud soojust ja pakendamisalus on peamine soojust-hajutav komponent. Kuna tehisintellekti kiibi võimsus ületab 2000 W künnise, seisavad traditsioonilised FR-4 orgaanilised substraadid oma halva soojusjuhtivuse (ainult 0,3 W/(m·K)) ja soojuspaisumise ebakõlaga silmitsi tõsiste väändumise ja kihistumise ohuga. Keraamilised aluspinnad, millel on kõrge soojusjuhtivus, kõrge elektriisolatsioon ja suurepärane soojussobivus, on muutunud suure võimsusega stsenaariumide jaoks vajalikuks.
Nende hulgas on alumiiniumnitriid (AlN), mille soojusjuhtivus on 170–220 W/(m·K), parim valik soojuse hajutamiseks 800G/1,6T suure kiirusega optilistes moodulites. Räninitriid (Si₃N₄), millel on suurepärane paindetugevus ja vastupidavus termilistele löökidele, on SiC/GaN kõrgepinge{6}}toitemoodulite pakendamisaluseks.