Tekak kuasa pengkomputeran AI sedang dicekik olehbahan.
Ketua Pegawai Eksekutif Intel Lip-Bu Tan telah menamakan berlian, silikon karbida (SiC), indium fosfida (InP), galium nitrida (GaN) dan substrat kaca sebagai lima bahan utama yang penting untuk memecahkan kesesakan. Sementara itu, orang dalam industri secara terang-terangan memberi amaran: "Kapasiti pengeluaran laser InP yang tidak mencukupi ialah titik tercekik teras untuk-optik berpakej (CPO) bersama."
Ini bermakna tidak kira betapa berkuasanya cip GB200/300 Nvidia, tanpa sokongan bahan termaju, data tidak boleh mengalir pada kelajuan tinggi.
Ini bukan sekadar isu kapasiti - ia adalah cabaran yang menolak had sains bahan. Daripada penghantaran kuasa SiC/GaN dan{1}}pembungkusan substrat kaca (seperti yang diserlahkan oleh Tan), kepada litium niobate dan SOI untuk penyelesaian intersambung optik serta substrat berlian dan seramik untuk pelesapan haba di bawah beban kuasa yang melampau,bahantelah menjadi medan pertempuran yang tidak kelihatan pada separuh kedua AI. Sesiapa yang menerobos terlebih dahulu akan memegang kunci penguasaan pengiraan.
berlian
Apabila kuasa pengkomputeran AI memecut pada kelajuan yang sangat pantas, pelesapan haba dalam cip-tinggi menjadi semakin teruk. Rubin Ultra Nvidia, misalnya, dijangka melebihi 2,300W setiap cip, dengan ketumpatan fluks haba tempatan melebihi 1,000 W/cm² – tahap haba yang hampir tidak dapat dibayangkan. Penyebar haba tembaga dan aluminium tradisional mencapai had fizikalnya. Diamond, dengan kekonduksian terma ultra-tinggi, telah muncul sebagai calon utama dalam kalangan bahan semikonduktor baharu.
Dikenali secara meluas dengan kekerasan yang melampau – bahan semulajadi yang paling sukar, dengan kekerasan Mohs 10 – berlian juga merupakan salah satu konduktor terma terbaik alam semula jadi, dengan kekonduksian terma sehingga 2,200 W/(m·K), 5.5 kali ganda kuprum dan 11 kali ganda daripada aluminium. Ia juga merupakan penebat elektrik, dan pekali pengembangan habanya hampir sepadan dengan silikon, SiC, dan GaN. Pemerhati industri telah menyatakan: apabila kuasa cip tunggal-melebihi 1,400W, berlian bukan lagi "pilihan" – ia menjadi "keperluan".
GPU seni bina Vera Rubin generasi-nvidia seterusnya telah menggunakan sepenuhnya penyelesaian "bahan komposit berlian–tembaga + 45 darjah-penyejukan cecair hubungan terus" dan industri telah menandakan tahun 2026 sebagai "tahun pertama penggunaan pelesapan haba berlian berskala besar-."
Silikon Karbida (SiC)
Kuasa rak pusat data AI melonjak daripada puluhan kilowatt kepada ratusan kilowatt, dengan rak berskala megawatt-di kaki langit. Apabila paras arus dan voltan meningkat, penukaran kuasa berasaskan silikon tradisional-mengalami kerugian yang mengejutkan. Selain itu, AI memerlukan bahan yang menghilangkan haba dengan cepat, menggunakan kuasa yang lebih sedikit, menduduki ruang yang minimum dan menahan suhu tinggi.
SiC menawarkan voltan pecahan tinggi, prestasi stabil pada suhu tinggi, dan kehilangan pensuisan jauh lebih rendah daripada silikon. Jejak peranti yang padat dan kebolehpercayaan yang sangat baik menjadikannya pilihan ideal untuk seni bina DC (HVDC) voltan tinggi 800V (HVDC) – mencapai kecekapan melebihi 97% dalam-peringkat pembetulan input voltan tinggi dan pembetulan faktor kuasa (PFC), serta mengurangkan kerugian penghantaran lebih 30% dalam sistem HVDC 800V. Pusat data baharu yang dibina oleh Nvidia, Microsoft dan gergasi teknologi lain telah pun menggunakan seni bina kuasa berasaskan SiC-sebagai standard. Pengeluar China domestik seperti TankeBlue Semiconductor sedang mempercepatkan pengeluaran substrat 8-inci dan besar-besaran epitaxial untuk mengurangkan kos wafer.
Gallium Nitride (GaN)
GaN dan SiC membentuk bahagian "voltan-tinggi vs. voltan-rendah" yang jelas: SiC kekal di dalam bilik pelayan, manakala GaN bergerak ke rak.
GaN menampilkan mobiliti elektron yang tinggi dan ketumpatan kuasa yang luar biasa, cemerlang dalam-frekuensi tinggi,-rendah,-penukaran kuasa berketumpatan tinggi. Dalam modul kuasa GPU, penukar DC-kekerapan tinggi-tinggi dan bekalan kuasa pelayan – di mana ruang dan kelajuan tindak balas adalah kritikal – GaN boleh mengecilkan saiz bekalan kuasa sambil meningkatkan ketumpatan kuasa. Proses GaN 8-inci Samsung telah pun mencapai pengurangan kos sebanyak 30% dan sedang mempercepatkan penyesuaiannya untuk penempatan pusat data berskala besar.
Indium Phosphide (InP)
Indium phosphide tidak boleh ditukar ganti – ia adalah satu-satunya-bahan substrat pengeluaran jisim untuk cip laser dan pengesan foto, padanan sempurna dengan komunikasi optik-rendah 1310nm dan 1550nm{3}}kehilangan-yang sempurna. Dalam domain MSM, pendekatan arus perdana industri menyepadukan enjin optik dan cip elektrik pada substrat yang sama, dan peranti pemancar cahaya-tinggi-tinggi pada teras CPO bergantung 100% pada laser InP.
Kembali kepada amaran eksekutif industri itu: di sebalik kata-kata itu terdapat satu set nombor yang jelas. Pada tahun 2025, permintaan substrat InP global dianggarkan pada 2.0–2.1 juta keping, manakala bekalan berkesan hanya 600,000–700,000 keping – jurang permintaan-bekalan melebihi 70%, dijangka berterusan sehingga 2030. Goldman Sachs telah mengeluarkan unjuran bekalan yang lebih ketat dan lebih langsung hanya akan bermula: 702. separuh kedua 2028 apabila pengembangan kapasiti rantaian bekalan datang dalam talian."
Nipis-Filem Lithium Niobate (TFLN)
Memanfaatkan kesan elektro-optik linear yang kuat (kesan Pockels) litium niobate, litium niobate filem-nipis membolehkan-lebar jalur tinggi,{3}}kelinearan tinggi (tinggi-kesetiaan) modulasi isyarat optik pada voltan pemanduan rendah. Ini menjadikannya sangat-sesuai untuk aplikasi penghantaran optik jarak sederhana- hingga jauh-tinggi-tinggi seperti rangkaian tulang belakang dan rangkaian metro. Selain itu, kontras indeks biasannya yang tinggi dan kurungan optik yang sangat baik membolehkan penyepaduan yang lebih tinggi, meningkatkan saiz peranti dan penggunaan kuasa.
Dalam modulator optik,-filem litium niobate nipis menawarkan pekali-elektronik tiga kali ganda daripada InP dan lebih seratus kali ganda daripada fotonik silikon. Dengan hanya 1.8V, ia boleh mencapai modulasi ultra-tinggi-kelajuan melebihi 100GHz, mengurangkan penggunaan kuasa sebanyak 30–50%, manakala satu saluran boleh berjalan dengan mudah pada 400G.
Apabila kuasa pengkomputeran AI meletup, sambung optik pusat data berlumba dari 400G kepada 800G, 1.6T dan 3.2T. Had prestasi bahan tradisional semakin ketara dan-filem litium niobate nipis bersedia untuk menjadi bahan kritikal untuk modulasi transmisi optik-kelajuan tinggi-tinggi akan datang. Pada masa ini, hanya empat syarikat di seluruh dunia telah menguasai-keupayaan pengeluaran besar-besaran untuk wafer-bersaiz 8800inci tinggi, dengan jurang permintaan bekalan melebihi 70%.
SOI (Silikon-pada-Penebat)
Jika silikon ialah "daging" cip, SOI ialah "rangka" bagi fotonik silikon. Struktur sandwic "top silikon-terkubur oksida-substrat" ini, dengan memasukkan lapisan penebat silikon dioksida di bawah lapisan silikon, benar-benar menghapuskan crosstalk antara elektron dan foton. Ia mengurangkan kapasiti parasit sebanyak lebih 60%, membolehkan isyarat elektrik berjalan lebih pantas dan lebih cekap. Lebih penting lagi, perbezaan indeks biasan yang besar antara silikon atas dan lapisan oksida secara semula jadi membentuk "dinding" pandu gelombang optik, membolehkan isyarat optik membengkok dan menghantar dengan kehilangan minimum pada cip.
Dalam era AI, SOI ialah substrat teras yang tidak boleh ditukar ganti untuk pembuatan modul optik, enjin MSM dan cip kuantum. Kapasiti pengeluaran global sangat tertumpu di Soitec Perancis, menjadikan penyetempatan domestik sebagai keutamaan segera.
Substrat Kaca
Memandangkan GPU, HBM dan tindanan ciplet memacu pembungkusan ke arah faktor bentuk yang besar, ketumpatan tinggi dan-kelajuan tinggi antara sambung, substrat organik tradisional dan interposer silikon semakin menghadapi had dalam saiz, kos dan prestasi.
Substrat kaca, melalui vias kaca (TGV) untuk sambungan elektrik menegak, mengisi jurang pasaran dengan tepat antara substrat organik dan interposer silikon. Ia menawarkan pekali pengembangan terma yang boleh disesuaikan (dipadanankan dengan cip silikon), kehilangan dielektrik yang sangat rendah dan kerataan permukaan ultra-tinggi. Ujian Intel telah menunjukkan ia boleh mengurangkan herotan corak sebanyak 50% dan meningkatkan ketumpatan antara sambungan sehingga 10 kali ganda.
Pemimpin semikonduktor global dengan pantas mempercepatkan pelaburan mereka – Intel, TSMC, Samsung Electro-Mechanics, SK Group dan LG Group semuanya telah memasuki arena, memulakan perlumbaan komersial di sekitar substrat kaca.
Substrat Seramik
Dalam-pembungkusan bersepadu berketumpatan tinggi,-peranti kuasa tinggi yang beroperasi serentak menjana sejumlah besar haba pekat dan substrat pembungkusan ialah komponen penyerap haba utama-. Apabila kuasa cip AI melangkaui ambang 2,000W, substrat organik FR-4 tradisional, dengan kekonduksian terma yang lemah (hanya 0.3 W/(m·K)) dan ketidakpadanan pengembangan terma, menghadapi risiko ledakan dan penepian yang teruk. Substrat seramik, dengan kelebihan kekonduksian haba yang tinggi, penebat elektrik yang tinggi, dan padanan haba yang sangat baik, telah menjadi keperluan untuk senario berkuasa tinggi.
Antaranya, aluminium nitrida (AlN), dengan kekonduksian terma 170–220 W/(m·K), merupakan pilihan utama untuk pelesapan haba dalam modul optik berkelajuan tinggi-tinggi 800G/1.6T. Silikon nitrida (Si₃N₄), dengan kekuatan lenturan yang sangat baik dan rintangan kejutan haba, berfungsi sebagai asas pembungkusan untuk modul kuasa voltan tinggi-SiC/GaN.