Grlo računalniške moči AI se dušimaterialov.
Intelov generalni direktor Lip-Bu Tan je imenoval diamant, silicijev karbid (SiC), indijev fosfid (InP), galijev nitrid (GaN) in steklene podlage kot pet ključnih materialov, ki so ključni za odpravo ozkega grla. Medtem pa poznavalci industrije odkrito opozarjajo: "Nezadostna proizvodna zmogljivost laserja InP je glavna ovira za ko-zapakirano optiko (CPO)."
To pomeni, da ne glede na to, kako zmogljivi so Nvidijini čipi GB200/300, brez podpore naprednih materialov podatki preprosto ne morejo teči z visoko hitrostjo.
To ni le vprašanje zmogljivosti – je izziv, ki premika meje znanosti o materialih. Od napajanja SiC/GaN in embalaže stekla-substrata (kot je poudaril Tan) do litijevega niobata in SOI za rešitve za optično medsebojno povezovanje ter diamantnih in keramičnih substratov za odvajanje toplote pri ekstremnih močnih obremenitvah,materialovso postali nevidno bojišče v drugi polovici AI. Kdor se prvi prebije, bo imel ključ do računalniške prevlade.
Diamant
Ker se računalniška moč umetne inteligence pospešuje z vrtoglavo hitrostjo, postaja odvajanje toplote v visoko{0}}čipih vse hujše. Nvidijin Rubin Ultra, na primer, naj bi presegel 2.300 W na čip, z lokalno gostoto toplotnega toka, ki presega 1.000 W/cm² – skoraj nepredstavljiva raven toplote. Tradicionalni bakreni in aluminijasti delilniki toplote dosegajo svoje fizične meje. Diamant s svojo ultra-visoko toplotno prevodnostjo se je izkazal kot vodilni kandidat med novimi polprevodniškimi materiali.
Splošno znan po svoji izjemni trdoti – najtrši naravni material s trdoto 10 po Mohsu – je diamant tudi eden najboljših prevodnikov toplote v naravi s toplotno prevodnostjo do 2200 W/(m·K), kar je 5,5-krat več kot baker in 11-krat več kot aluminij. Je tudi električni izolator in njegov koeficient toplotne razteznosti se zelo ujema s koeficientom silicija, SiC in GaN. Opazovalci iz industrije so opazili: ko moč enega-čipa preseže 1400 W, diamant ni več »možnost« – postane »nuja«.
Nvidijina naslednja-generacija grafičnih procesorjev z arhitekturo Vera Rubin je v celoti prevzela rešitev "kompozitni material diamant-baker + 45 stopinj neposredno-kontaktno tekočinsko hlajenje", industrija pa je celo označila leto 2026 kot "prvo leto-uvedbe diamantnega odvajanja toplote v velikem obsegu."
Silicijev karbid (SiC)
Moč omaric podatkovnih centrov z umetno inteligenco narašča z več deset kilovatov na stotine kilovatov, na obzorju pa so omarice v -megavatnem obsegu. Ko nivoji toka in napetosti naraščajo, tradicionalna pretvorba-napajanja na osnovi silicija trpi zaradi osupljivih izgub. Poleg tega umetna inteligenca zahteva materiale, ki hitro odvajajo toploto, porabijo manj energije, zavzamejo minimalen prostor in prenesejo visoke temperature.
SiC ponuja visoko prebojno napetost, stabilno delovanje pri visokih temperaturah in izgube pri preklopu, ki so veliko nižje od silicija. Zaradi kompaktnega odtisa naprave in odlične zanesljivosti je idealna izbira za visoko{2}}napetostne arhitekture 800 V DC (HVDC) – doseganje učinkovitosti nad 97 % v stopnjah visoko{4}}napetostnega usmerjanja vhoda in korekcije faktorja moči (PFC) ter zmanjšanje izgub pri prenosu za več kot 30 % v sistemih 800 V HVDC. Novi podatkovni centri, ki so jih zgradili Nvidia, Microsoft in drugi tehnološki velikani, so kot standard že sprejeli napajalne arhitekture, ki temeljijo na SiC-. Domači kitajski proizvajalci, kot je TankeBlue Semiconductor, pospešujejo masovno proizvodnjo 8-palčnih substratov in epitaksialnih materialov, da bi zmanjšali stroške rezin.
Galijev nitrid (GaN)
GaN in SiC tvorita jasno razdelitev »visoka-napetost v primerjavi z nizko-napetostjo«: SiC ostane v strežniški sobi, medtem ko se GaN premakne v omarice.
GaN ima visoko mobilnost elektronov in izjemno gostoto moči ter se odlikuje po pretvorbi moči visoke-frekvenčnosti, nizke-napetosti in visoke-gostote. V napajalnih modulih GPE, visoko{4}}frekvenčnih-DC pretvornikih in strežniških napajalnikih – kjer sta prostor in odzivna hitrost ključnega pomena – lahko GaN skrči velikost napajalnika, hkrati pa poveča gostoto moči. Samsungov 8--palčni proces GaN je že dosegel 30-odstotno znižanje stroškov in pospešuje svojo prilagoditev za uvedbo obsežnih podatkovnih centrov.
Indijev fosfid (InP)
Indijev fosfid je nenadomestljiv – je edini substratni material za množično-proizvodnjo laserskih in fotodetektorskih čipov, ki se popolnoma ujema z nizkimi-izgubnimi okni 1310 nm in 1550 nm optične-komunikacije. V domeni CPO glavni pristop industrije združuje optične motorje in električne čipe na istem substratu, visokohitrostne-naprave za oddajanje svetlobe v jedru CPO pa so 100 % odvisne od InP laserjev.
Če se vrnemo k opozorilu direktorja industrije: za temi besedami se skrivajo očitne številke. Leta 2025 je svetovno povpraševanje po substratu InP ocenjeno na 2,0–2,1 milijona kosov, medtem ko je dejanska ponudba le 600.000–700.000 kosov – vrzel v ponudbi-v povpraševanju, ki presega 70 %, naj bi trajala do leta 2030. Goldman Sachs je izdal še bolj neposredno napoved: »Dobava svetlobnih virov bo ostala omejena do leta 2027 in se bo morda šele začela uravnotežiti v drugi polovici leta 2028, ko bodo na voljo razširitve zmogljivosti dobavne verige."
Tanko{0}}slojni litijev niobat (TFLN)
Z izkoriščanjem močnega linearnega elektro{0}}optičnega učinka (Pockelsov učinek) litijevega niobata tank{1}}slojni litijev niobat omogoča modulacijo optičnega signala z visoko-pasovno širino, visoko-linearnostjo (visoka-zvestoba) pri nizkih pogonskih napetostih. Zaradi tega je-primeren za srednje{7}} do-razdalje, visoko-pasovne širine optičnih prenosnih aplikacij, kot so hrbtenična omrežja in podzemna omrežja. Poleg tega visok kontrast lomnega količnika in odlična optična omejitev omogočata večjo integracijo, izboljšanje velikosti naprave in porabe energije.
V optičnih modulatorjih ponuja tank{0}}slojni litijev niobat elektro-optični koeficient, trikrat večji od InP in več kot stokrat večji od silicijeve fotonike. S samo 1,8 V lahko doseže ultra{4}}hitro-modulacijo nad 100 GHz, s čimer zmanjša porabo energije za 30–50 %, medtem ko lahko en sam kanal zlahka deluje pri 400 G.
Ko računalniška moč umetne inteligence eksplodira, optične povezave podatkovnih centrov hitijo od 400G do 800G, 1,6T in 3,2T. Omejitve delovanja tradicionalnih materialov postajajo vse bolj očitne in tanko-slojni litijev niobat je pripravljen, da postane kritičen material za naslednjo-generacijo visoko-hitrostne modulacije optičnega prenosa. Trenutno so samo štiri podjetja po vsem svetu obvladala zmogljivosti množične-proizvodnje 8-palčnih visoko{12}}rezin, pri čemer vrzel med ponudbo in povpraševanjem presega 70 %.
SOI (Silicij-na-izolatorju)
Če je silicij "meso" čipa, je SOI "okostje" silicijeve fotonike. Ta sendvič struktura "zgornji silicij-zakopan oksid-substrat" z vstavitvijo izolacijske plasti silicijevega dioksida pod silicijevo plast popolnoma odpravi preslušavanje med elektroni in fotoni. Zmanjša parazitsko kapacitivnost za več kot 60 %, kar omogoča hitrejše in učinkovitejše delovanje električnih signalov. Še pomembneje pa je, da velika razlika lomnega količnika med vrhnjim silicijem in plastjo oksida naravno tvori "stene" optičnega valovoda, kar omogoča, da se optični signali upogibajo in prenašajo z minimalno izgubo na čipu.
V dobi umetne inteligence je SOI nenadomestljiv temeljni substrat za proizvodnjo optičnih modulov, motorjev CPO in kvantnih čipov. Globalne proizvodne zmogljivosti so močno skoncentrirane v francoskem Soitecu, zaradi česar je domača lokalizacija nujna prednostna naloga.
Steklene podlage
Ker grafični procesorji, HBM in zlaganje čipletov usmerjajo embalažo k velikim faktorjem oblike, visoki gostoti in hitrim-povezavam, se tradicionalni organski substrati in silicijevi vmesniki vedno bolj soočajo z omejitvami glede velikosti, stroškov in zmogljivosti.
Stekleni substrati s steklenimi prehodi (TGV) za vertikalno električno medsebojno povezavo natančno zapolnjujejo tržno vrzel med organskimi substrati in silicijevimi vmesniki. Ponujajo nastavljiv koeficient toplotnega raztezanja (ki se ujema s silicijevimi čipi), izjemno nizko dielektrično izgubo in ultra-visoko ravnost površine. Intelovi testi so pokazali, da lahko zmanjšajo popačenje vzorcev za 50 % in povečajo gostoto medsebojnih povezav do 10-krat.
Vodilni svetovni proizvajalci polprevodnikov hitro pospešujejo svoje naložbe – Intel, TSMC, Samsung Electro-Mechanics, SK Group in LG Group so vstopili v prizorišče in začeli komercialno tekmo okoli steklenih substratov.
Keramične podlage
V integrirani embalaži z visoko-gostoto visoko{1}}zmogljive naprave, ki delujejo hkrati, ustvarjajo ogromne količine koncentrirane toplote, embalažni substrat pa je primarna komponenta-odvajanja toplote. Ko moč čipa AI preseže prag 2000 W, se tradicionalni organski substrati FR-4 s svojo slabo toplotno prevodnostjo (samo 0,3 W/(m·K)) in neusklajenostjo toplotnega raztezanja soočajo z resnimi nevarnostmi zvijanja in razslojevanja. Keramične podlage so z lastnimi prednostmi visoke toplotne prevodnosti, visoke električne izolacije in odličnega toplotnega ujemanja postale nujne za scenarije visoke moči.
Med njimi je aluminijev nitrid (AlN) s toplotno prevodnostjo 170–220 W/(m·K) najboljša izbira za odvajanje toplote v visokohitrostnih optičnih modulih 800G/1,6T. Silicijev nitrid (Si₃N₄) s svojo odlično upogibno trdnostjo in odpornostjo na toplotne udarce služi kot embalažna osnova za visoko-napetostne močnostne module SiC/GaN.