AI skaitļošanas jaudas rīkle tiek nosmacētamateriāliem.
Intel izpilddirektors Lip{0}}Bu Tan ir nosaucis dimantu, silīcija karbīdu (SiC), indija fosfīdu (InP), gallija nitrīdu (GaN) un stikla substrātus kā piecus galvenos materiālus, kas ir būtiski, lai pārvarētu sašaurinājumu. Tikmēr nozares speciālisti ir nepārprotami brīdinājuši: "Nepietiekama InP lāzera ražošanas jauda ir galvenais -iepakotās optikas (CPO) aizrīšanās punkts."
Tas nozīmē, ka neatkarīgi no tā, cik jaudīgas ir Nvidia GB200/300 mikroshēmas, bez progresīvu materiālu atbalsta dati vienkārši nevar plūst lielā ātrumā.
Tas nav tikai kapacitātes jautājums – tas ir izaicinājums, kas pārsniedz materiālu zinātnes robežas. No SiC/GaN jaudas padeves un stikla{1}}substrāta iepakojuma (kā to uzsver Tan), līdz litija niobātam un SOI optisko savienojumu risinājumiem un dimanta un keramikas substrātiem siltuma izkliedēšanai ekstremālās jaudas slodzēs,materiāliemAI otrajā pusē ir kļuvuši par neredzamo kaujas lauku. Ikvienam, kurš pirmais izlauzīsies, būs atslēga uz skaitļošanas dominējošo stāvokli.
Dimants
Tā kā mākslīgā intelekta skaitļošanas jauda palielinās milzīgā ātrumā, siltuma izkliede augstākās klases mikroshēmās kļūst arvien spēcīgāka. Piemēram, sagaidāms, ka Nvidia Rubin Ultra pārsniegs 2300 W uz mikroshēmu, un vietējā siltuma plūsmas blīvums pārsniegs 1000 W/cm² — gandrīz neiedomājams siltuma līmenis. Tradicionālie vara un alumīnija siltuma izkliedētāji sasniedz savas fiziskās robežas. Dimants ar savu īpaši-augsto siltumvadītspēju ir kļuvis par vadošo kandidātu starp jauniem pusvadītāju materiāliem.
Plaši pazīstams ar savu ārkārtējo cietību — viscietākā dabā sastopamā viela, kuras Mosa cietība ir 10 — dimants ir arī viens no labākajiem dabas siltumvadītājiem, kura siltumvadītspēja ir līdz 2200 W/(m·K), 5,5 reizes lielāka nekā vara un 11 reizes lielāka nekā alumīnija. Tas ir arī elektriskais izolators, un tā termiskās izplešanās koeficients ļoti atbilst silīcija, SiC un GaN koeficientam. Nozares novērotāji ir atzīmējuši: ja vienas -mikroshēmas jauda pārsniedz 1400 W, dimants vairs nav "opcija" — tā kļūst par "nepieciešamību".
Nvidia nākamās-paaudzes Vera Rubin arhitektūras GPU ir pilnībā izmantots "dimanta-vara kompozītmateriāla + 45 pakāpes tiešās-kontakta šķidruma dzesēšanas" risinājums, un nozare pat ir atzīmējusi 2026. gadu kā "pirmo gadu liela mēroga-dimanta siltuma izkliedes ieviešanai".
Silīcija karbīds (SiC)
AI datu centra plauktu jauda pieaug no desmitiem kilovatu līdz simtiem kilovatu, un pie horizonta ir megavatu{0}}mēroga statīvi. Palielinoties strāvas un sprieguma līmenim, tradicionālā silīcija{2}}balstītā enerģijas pārveidošana cieš no pārsteidzošiem zudumiem. Turklāt mākslīgais intelekts prasa materiālus, kas ātri izkliedē siltumu, patērē mazāk enerģijas, aizņem minimālu vietu un iztur augstu temperatūru.
SiC piedāvā augstu pārrāvuma spriegumu, stabilu veiktspēju augstās temperatūrās un pārslēgšanas zudumus, kas ir daudz zemāki nekā silīcijā. Tā kompaktais ierīces nospiedums un lieliskā uzticamība padara to par ideālu izvēli 800 V augstsprieguma līdzstrāvas (HVDC) arhitektūrām — panākot efektivitāti virs 97% augstsprieguma ieejas taisnošanas un jaudas koeficienta korekcijas (PFC) posmos un samazinot pārraides zudumus par vairāk nekā 30% HV līdzstrāvas (HVDC) sistēmās. Jaunajos Nvidia, Microsoft un citu tehnoloģiju gigantu izveidotajos datu centros standartā jau ir pieņemtas SiC{8}}barošanas arhitektūras. Vietējie Ķīnas ražotāji, piemēram, TankeBlue Semiconductor, paātrina 8 collu substrātu un epitaksiālo masveida ražošanu, lai samazinātu vafeļu izmaksas.
Gallija nitrīds (GaN)
GaN un SiC veido skaidru "augsts{0}}sprieguma un zema- sprieguma sadalījumu: SiC paliek servera telpā, bet GaN pārvietojas plauktos.
GaN piedāvā augstu elektronu mobilitāti un izcilu jaudas blīvumu, kas izceļas ar augstas-frekvences, zema-sprieguma, augsta-blīvuma jaudas pārveidošanu. GPU barošanas moduļos, augstfrekvences līdzstrāvas -līdzstrāvas pārveidotājos un servera barošanas avotos — kur vieta un reakcijas ātrums ir ļoti svarīgas — GaN var samazināt barošanas avota izmēru, vienlaikus palielinot jaudas blīvumu. Samsung 8-collu GaN process jau ir samazinājis izmaksas par 30%, un tas paātrina pielāgošanos liela mēroga datu centru izvietošanai.
Indija fosfīds (InP)
Indija fosfīds ir neaizstājams — tas ir vienīgais lāzera un fotodetektoru mikroshēmu{0}}masveida ražošanas substrāta materiāls, kas lieliski atbilst 1310 nm un 1550 nm zemu-zaudējumu logiem optiskās šķiedras{4}}komunikācijā. CPO jomā nozares galvenā pieeja integrē optiskos dzinējus un elektriskās mikroshēmas uz viena un tā paša substrāta, un ātrdarbīgās gaismas{7}}ierīces, kas ir CPO pamatā, ir 100% atkarīgas no InP lāzeriem.
Atgriežoties pie šī nozares vadītāja brīdinājuma: aiz šiem vārdiem slēpjas stingrs skaitļu kopums. Tiek lēsts, ka 2025. gadā globālais InP substrāta pieprasījums ir 2,0–2,1 miljons vienību, savukārt efektīvais piedāvājums ir tikai 600 000–700 000 vienību — piedāvājuma -pieprasījuma starpība, kas pārsniedz 70%, paredzams, ka tā saglabāsies līdz 2030. gadam. Goldman Sachs ir izdevusi prognozi, ka piedāvājums būs vēl saspringtāks2, un līdzsvars būs tikai tiešāks2: "7. 2028. gada otrajā pusē, kad tiešsaistē sāksies piegādes ķēdes jaudas paplašināšana.
Plāna{0}}Litija niobāta plēve (TFLN)
Izmantojot litija niobāta spēcīgo lineāro elektro-optisko efektu (Pokelsa efektu), plānas-plēves litija niobāts nodrošina liela-joslas platuma, augstas-linearitātes (augstas-precizitātes) optiskā signāla modulāciju pie zemiem braukšanas spriegumiem. Tas padara to labi-piemērotu vidēja- un liela attāluma-, liela-joslas platuma optiskās pārraides lietojumprogrammām, piemēram, mugurkaula tīkliem un metro tīkliem. Turklāt tā augstais refrakcijas indeksa kontrasts un izcilā optiskā norobežošanās nodrošina lielāku integrāciju, uzlabojot ierīces izmēru un enerģijas patēriņu.
Optiskajos modulatoros plānās{0}}plāniņas litija niobāts nodrošina elektro-optisko koeficientu, kas trīs reizes pārsniedz InP un vairāk nekā simts reizes lielāku nekā silīcija fotonikai. Izmantojot tikai 1,8 V, tas var sasniegt īpaši -lielu-ātruma modulāciju, kas pārsniedz 100 GHz, samazinot enerģijas patēriņu par 30–50%, savukārt viens kanāls var viegli darboties ar 400 G.
AI skaitļošanas jaudai strauji pieaugot, datu centru optiskie starpsavienojumi svārstās no 400 G līdz 800 G, 1,6 T un 3,2 T. Tradicionālo materiālu veiktspējas ierobežojumi kļūst arvien skaidrāki, un plāns{5}}litija niobāts ir gatavs kļūt par svarīgu materiālu nākamās-paaudzes ātrgaitas{7}}optiskās pārraides modulācijai. Pašlaik tikai četri uzņēmumi visā pasaulē ir apguvuši 8-collu augstākās klases vafeļu masveida{9}ražošanas iespējas, un piedāvājuma un pieprasījuma atšķirība pārsniedz 70%.
SOI (silīcijs{0}}uz-izolatora)
Ja silīcijs ir mikroshēmas "gaļa", SOI ir silīcija fotonikas "skelets". Šī "augšējā silīcija oksīda-substrāta" sviestmaižu struktūra, zem silīcija slāņa ievietojot silīcija dioksīda izolācijas slāni, pilnībā novērš šķērsrunu starp elektroniem un fotoniem. Tas samazina parazitāro kapacitāti par vairāk nekā 60%, ļaujot elektriskajiem signāliem darboties ātrāk un efektīvāk. Vēl svarīgāk ir tas, ka lielā refrakcijas indeksa atšķirība starp augšējo silīciju un oksīda slāni dabiski veido optiskā viļņvada "sienas", ļaujot optiskajiem signāliem saliekties un pārraidīt ar minimāliem zaudējumiem mikroshēmā.
AI laikmetā SOI ir neaizstājams pamata substrāts optisko moduļu, CPO dzinēju un kvantu mikroshēmu ražošanai. Globālās ražošanas jaudas ir lielā mērā koncentrētas Francijas Soitec, padarot vietējo lokalizāciju par steidzamu prioritāti.
Stikla substrāti
Tā kā GPU, HBM un mikroshēmu sakraušana veicina iepakošanu pret lieliem formas faktoriem, augstu blīvumu un ātrdarbīgiem starpsavienojumiem, tradicionālie organiskie substrāti un silīcija starpposma līdzekļi arvien vairāk saskaras ar izmēra, izmaksu un veiktspējas ierobežojumiem.
Stikla substrāti, izmantojot stikla caurumus (TGV) vertikālam elektriskam savienojumam, precīzi aizpilda tirgus plaisu starp organiskajiem substrātiem un silīcija starplikām. Tie piedāvā regulējamu termiskās izplešanās koeficientu (saskaņotu ar silīcija mikroshēmām), ārkārtīgi zemus dielektriskos zudumus un īpaši -augstu virsmas līdzenumu. Intel testi ir parādījuši, ka tie var samazināt modeļa izkropļojumus par 50% un palielināt starpsavienojumu blīvumu līdz pat 10 reizēm.
Pasaules pusvadītāju līderi strauji paātrina investīcijas — Intel, TSMC, Samsung Electro-Mechanics, SK Group un LG Group ir ieradušies arēnā, uzsākot komerciālu sacensību ap stikla pamatnēm.
Keramikas substrāti
Augsta{0}}blīvuma integrētā iepakojumā lielas-jaudas ierīces, kas darbojas vienlaikus, ģenerē milzīgu daudzumu koncentrēta siltuma, un iepakojuma substrāts ir primārais siltumu-izkliedējošais komponents. Tā kā mākslīgā intelekta mikroshēmas jauda pārsniedz 2000 W slieksni, tradicionālie FR-4 organiskie substrāti ar slikto siltumvadītspēju (tikai 0,3 W/(m·K)) un termiskās izplešanās neatbilstību saskaras ar nopietnu deformācijas un atslāņošanās risku. Keramikas pamatnes ar tām raksturīgajām priekšrocībām, piemēram, augstu siltumvadītspēju, augstu elektrisko izolāciju un lielisku termisko saskaņošanu, ir kļuvušas par nepieciešamību lieljaudas scenārijos.
Tostarp alumīnija nitrīds (AlN) ar siltumvadītspēju 170–220 W/(m·K) ir labākā izvēle siltuma izkliedēšanai 800 G/1,6 T liela ātruma optiskajos moduļos. Silīcija nitrīds (Si₃N₄) ar izcilo lieces izturību un termisko triecienizturību kalpo kā SiC/GaN augstsprieguma{6}} jaudas moduļu iepakojuma pamats.