Pastiprinoties AI sacensībām, augstas{0}}klases GPU mikroshēmu enerģijas patēriņš turpina dramatiski pieaugt. NVIDIA H100 vienas -kartes jaudas patēriņš sasniedz 700 W, jaunā Blackwell sērija palielina to līdz 1000–1400 W, un jaunākās Vera Rubin arhitektūras GPU maksimālais enerģijas patēriņš pārsniedz 2300 W. Šādi ekstrēmi jaudas līmeņi ir kļuvuši par galveno šķērsli nākamās paaudzes AI mikroshēmu izstrādei.
Pašlaik nozarē servera līmeņa siltuma pārvaldībai tiek plaši izmantota šķidruma dzesēšana un iegremdēšanas dzesēšana. Tomēr šīs pieejas nevar atrisināt pamatproblēmu par gandrīz mikroshēmu lokalizētu siltuma uzkrāšanos. Pastāvīgi karstie punkti izraisa frekvences samazināšanos un veiktspējas pasliktināšanos, būtiski ierobežojot augstākās klases AI mikroshēmu iespējas. Uz dimantiem balstīta siltuma izkliedes tehnoloģija ir kļuvusi par efektīvu veidu, kā pārvarēt šo izaicinājumu.
Tirgū izplatīts nepareizs uzskats ir tāds, ka dimanta galvenā priekšrocība ir tikai tā augstā siltumvadītspēja. Patiesībā dimanta galvenā konkurētspēja ir tā divējāda spēja: īpaši augsta siltumvadītspēja apvienojumā ar izcilu termiskās izplešanās atbilstību šķembu materiāliem-, ko nevar viegli sasniegt ar tradicionālajiem materiāliem, piemēram, varu, sudrabu un silīcija karbīdu.
Galvenie dati liecina, ka CVD vienkristāla dimanta siltumvadītspēja pārsniedz 2000 W/(m·K), un izotopiski attīrītu versiju vērtība pārsniedz 3000 W/(m·K){2}}apmēram piecas reizes lielāka nekā parastajam vara. Vēl svarīgāk ir tas, ka dimants piedāvā izcilu termisko savietojamību: tā termiskās izplešanās koeficients (CTE) ir tikai 1,0–1,1 ppm/K, kas ir cieši līdzīgs silīcija 2,6 ppm/K, kā rezultātā termiskā neatbilstība ir tikai 1,5 ppm/K. Turpretim vara, ko parasti izmanto rūpniecībā, CTE ir 16,5–17 ppm/K, tādējādi neatbilstība ar silīciju ir aptuveni 14 ppm/K{12}}, kas ir par kārtu augstāka nekā dimantam.
Pašreizējās AI mikroshēmas parasti izmanto 2,5 D un 3D sakraušanas procesus, kas blīvi koncentrē siltuma avotus starp slāņiem un pasliktina termisko šķērsrunu. Uz vara bāzes izgatavotas konstrukcijas ar to lielo termisko neatbilstību tiek pakļautas nepārtrauktai izplešanās un kontrakcijai atkārtotas temperatūras cikliskuma ietekmē, viegli izraisot lodēšanas savienojumu nogurumu un saskarnes plaisāšanu,{3}}būtiski apdraudot mikroshēmas uzticamību un kalpošanas laiku. Dimants, pateicoties tā ļoti zemajai termiskajai neatbilstībai, būtiski samazina termisko spriegumu mikroshēmu saskarnēs un novērš iepakojuma atteices risku, padarot to labi saskaņotu ar augstākās klases AI mikroshēmu attīstības tendencēm.
Polikristāliskais dimants sasniedz siltumvadītspēju 1000–2200 W/(m·K) ar tādu pašu CTE kā viena kristāla dimants, un to var ražot lielos izmēros par zemākām izmaksām, padarot to piemērotu liela mēroga izvietošanai kā siltuma izlietnes AI serveros. Dimanta un vara kompozītmateriālu siltumvadītspēja ir 500–650 W/(m·K), ar regulējamu CTE un labu apstrādājamību -kas ir rentabls kompromiss, kas atrisina tradicionālo dilemmu “augsta siltumvadītspēja, bet slikta mikroshēmu savietojamība”.
Neskatoties uz šīm izcilajām materiālajām priekšrocībām, rūpnieciskā pieņemšana joprojām saskaras ar divām galvenajām tehniskām problēmām.
Pirmkārt, saskarnes termiskā pretestība. Pastāv plaši izplatīts nepareizs uzskats, ka jebkurš materiāls, kurā ir dimants, automātiski nodrošina piecas reizes labāku dzesēšanu nekā varš. Patiesībā slikti savienošanas procesi var radīt ļoti augstu saskarnes termisko pretestību, liedzot dimantam raksturīgo izcilo vadītspēju un būtiski pasliktinot siltuma izkliedes veiktspēju. Otrkārt, īpaši precīza apstrāde un saskarnes savienošana. Dimanta ārkārtējā cietība prasa specializētu aprīkojumu un procesus visiem precīzas darbības posmiem, paaugstinot apstrādes barjeru. Turklāt vājajai dimanta un vara saskarnes saitei ir nepieciešamas saskarnes modifikācijas metodes, piemēram, titāna vai volframa pārklājums, lai panāktu stabilu savienojumu un nodrošinātu ilgstošu uzticamu darbību.
Pašreizējais mākslīgā intelekta mikroshēmas enerģijas patēriņš pieaug ar ātrumu "trīskāršoties trīs gados", un plaši izplatītā 3D sakraušanas izmantošana ir padarījusi starpslāņu siltuma uzkrāšanos un lokālos karstos punktus arvien pamanāmākus. Šie karstie punkti ir galvenais veiktspējas pasliktināšanās un piespiedu frekvences samazināšanas cēlonis. Ir svarīgi precizēt, ka dimanta siltuma izkliedēšana un šķidruma dzesēšana nav aizstājēji, bet gan papildinoši risinājumi: dimants palīdz izlīdzināt ārkārtējas lokālas siltuma plūsmas un novērst karsto punktu uzkrāšanos, -risinot siltuma koncentrāciju tuvu savienojuma vietai-, savukārt šķidruma dzesēšana no sistēmas noņem vienmērīgi izkliedēto siltumu, pabeidzot atgrūšanas tālāko galu.
Vietējā dimanta siltuma izkliedes rūpnieciskā ķēde uzrāda stiprības modeli iepriekšējā posma izejmateriālos, bet relatīvo vājumu pakārtotajos pamatprocesos. Augšējā sintētisko dimantu audzēšanā Ķīnas tehniskās iespējas attiecībā uz liela laukuma polikristālisko dimantu ir līdzvērtīgas ārzemju partneriem vai dažos rādītājos pat apsteidz tos. Tomēr joprojām ir nepilnības tādās pakārtotajās galvenajās tehnoloģijās kā plātņu līmeņa bezlodēšanas tiešā savienošana un precīza zemas termiskās pretestības procesa kontrole.
Izmaksu ziņā MPCVD iekārtu lielais elektroenerģijas patēriņš ir galvenais izmaksu spiediens masveida ražošanai. Lai to risinātu, vadošie vietējie uzņēmumi, piemēram, SF Diamond, Huanghe Whirlwind un Huifeng Diamond, stratēģiski veido ražošanas jaudu reģionos ar zemām elektroenerģijas cenām, piemēram, Siņdzjanā un Iekšējā Mongolijā, izmantojot lētu enerģiju, lielas kameras ražošanas iekārtas un patentētu procesu attīstību, lai nepārtraukti samazinātu ražošanas izmaksas.
Kopumā, ņemot vērā tendences, ka mākslīgā intelekta mikroshēmās pastāvīgi palielinās enerģijas patēriņš, tradicionālie uz vara bāzes izgatavotie siltuma izkliedes materiāli ir sasnieguši savas fiziskās veiktspējas robežas un diez vai var apmierināt nākamās paaudzes augstākās klases mikroshēmu prasības. Dimants ar savu unikālo īpaši augstas siltumvadītspējas un zemas termiskās neatbilstības kombināciju izceļas kā efektīvs siltuma pārvaldības risinājums progresīvām AI mikroshēmām.