Гърлото на AI изчислителната мощ е задушено отматериали.
Главният изпълнителен директор на Intel Лип-Бу Тан назова диаманта, силициевия карбид (SiC), индиевия фосфид (InP), галиевия нитрид (GaN) и стъклените субстрати като пет ключови материала от решаващо значение за преодоляване на препятствията. Междувременно хора от индустрията направо предупредиха: „Недостатъчният капацитет за производство на InP лазери е основната запушваща точка за ко-опакованата оптика (CPO).“
Това означава, че без значение колко мощни са GB200/300 чиповете на Nvidia, без поддръжката на модерни материали, данните просто не могат да текат с висока скорост.
Това не е просто проблем с капацитета – това е предизвикателство, което разширява границите на материалознанието. От SiC/GaN захранване и опаковане на стъклен-субстрат (както подчерта Тан), до литиев ниобат и SOI за решения за оптично свързване и диамантени и керамични субстрати за разсейване на топлината при екстремни мощностни натоварвания,материалисе превърнаха в невидимото бойно поле във втората половина на AI. Който пробие пръв, ще държи ключа към компютърното господство.
Диамант
Тъй като изчислителната мощност на AI се ускорява с главоломна скорост, разсейването на топлината в чиповете от висок клас става все по-тежко. Rubin Ultra на Nvidia, например, се очаква да надхвърли 2300 W на чип, с локална плътност на топлинния поток над 1000 W/cm² – почти невъобразимо ниво на топлина. Традиционните медни и алуминиеви разпределители на топлина достигат своите физически граници. Диамантът със своята ултра-висока топлопроводимост се очертава като водещ кандидат сред новите полупроводникови материали.
Широко известен със своята изключителна твърдост – най-твърдото естествено срещащо се вещество, с твърдост по Моос 10 – диамантът е и един от най-добрите топлопроводници в природата, с топлопроводимост до 2200 W/(m·K), 5,5 пъти по-голяма от тази на медта и 11 пъти по-голяма от тази на алуминия. Освен това е електрически изолатор и неговият коефициент на топлинно разширение съвпада много с този на силиций, SiC и GaN. Наблюдатели от индустрията отбелязаха: когато мощността на един-чип надвиши 1400 W, диамантът вече не е „опция“ – той се превръща в „необходимост“.
Следващото{0}}генерация на Nvidia с архитектура Vera Rubin графични процесори са възприели изцяло решение за „диамантено-медно композитен материал + 45 градуса директно-контактно течно охлаждане“ и индустрията дори отбеляза 2026 г. като „първата година на широкомащабно-приемане на диамантено разсейване на топлината“.
Силициев карбид (SiC)
Мощността на стелажите в центъра за данни с изкуствен интелект нараства от десетки киловати до стотици киловати, като на хоризонта се задават стелажи с мегаватова-мащаб. Тъй като нивата на ток и напрежение нарастват, традиционното преобразуване на енергия,-базирано на силиций, страда от зашеметяващи загуби. Освен това AI изисква материали, които разсейват топлината бързо, консумират по-малко енергия, заемат минимално пространство и издържат на високи температури.
SiC предлага високо напрежение на пробив, стабилна производителност при високи температури и загуби при превключване, много по-ниски от силиция. Неговият компактен отпечатък на устройството и отличната надеждност го правят идеалният избор за 800V високо{2}}волтажни DC (HVDC) архитектури – постигане на ефективност над 97% в етапи на високо-изправяне на входа на напрежението и корекция на фактора на мощността (PFC) и намаляване на загубите при предаване с над 30% в 800V HVDC системи. Новите центрове за данни, изградени от Nvidia, Microsoft и други технологични гиганти, вече са приели захранващи архитектури, базирани на SiC-, като стандарт. Местни китайски производители като TankeBlue Semiconductor ускоряват масовото производство на 8-инчови субстрати и епитаксиални пластини, за да намалят разходите за пластини.
Галиев нитрид (GaN)
GaN и SiC формират ясно разделение на „високо-волтаж срещу ниско-напрежение“: SiC остава в сървърната стая, докато GaN се премества в стелажите.
GaN се отличава с висока подвижност на електрони и изключителна плътност на мощността, отлични при преобразуване на енергия с висока-честота, ниско-напрежение и висока-плътност. В GPU захранващи модули, високо-честотни DC-DC преобразуватели и сървърни захранвания – където пространството и скоростта на реакция са критични – GaN може да намали размера на захранването, като същевременно повишава плътността на мощността. 8--инчовият GaN процес на Samsung вече постигна 30% намаление на разходите и ускорява адаптирането си за внедряване в широкомащабни центрове за данни.
Индиев фосфид (InP)
Индиевият фосфид е незаменим – той е единственият субстратен материал-за масово производство за лазерни и фотодетекторни чипове, идеално съответстващ на 1310nm и 1550nm прозорци с ниски-загуби на оптична-комуникация. В домейна на CPO основният подход на индустрията интегрира оптични двигатели и електрически чипове върху една и съща основа, а високо{6}}светлоизлъчващите-устройства в основата на CPO разчитат 100% на InP лазери.
Връщайки се към предупреждението на изпълнителния директор на индустрията: зад тези думи се крие ярък набор от числа. През 2025 г. глобалното търсене на InP субстрат се оценява на 2,0–2,1 милиона броя, докато ефективното предлагане е само 600 000–700 000 броя – недостиг на -търсене над 70%, се очаква да се запази до 2030 г. Goldman Sachs издаде още по-директна прогноза: „Достъпите на източници на светлина ще останат ограничени до 2027 г. и може едва да започнат да се балансират през втората половина на 2028 г., когато разширяването на капацитета на веригата за доставки стане онлайн."
Тънко{0}}слоен литиев ниобат (TFLN)
Използвайки силния линеен електро{0}}оптичен ефект (ефект на Покълс) на литиевия ниобат, тънко-слойният литиев ниобат позволява висока-широчина на честотната лента, висока-линейност (висока-прецизност) оптична модулация на сигнала при ниски управляващи напрежения. Това го прави-подходящ за приложения за оптично предаване на средни- до-далечни-честотни ленти, като например опорни мрежи и метро мрежи. Освен това контрастът с висок коефициент на пречупване и отличното оптично ограничение позволяват по-висока интеграция, подобрявайки размера на устройството и консумацията на енергия.
В оптичните модулатори тънко-слойният литиев ниобат предлага електро-оптичен коефициент три пъти по-голям от InP и над сто пъти по-голям от силициевата фотоника. Само с 1,8 V той може да постигне ултра{4}}високо-скоростна модулация над 100 GHz, намалявайки консумацията на енергия с 30–50%, докато един канал може лесно да работи при 400G.
Докато изчислителната мощност на AI експлодира, оптичните връзки на центровете за данни се надпреварват от 400G до 800G, 1.6T и 3.2T. Ограниченията на производителността на традиционните материали стават все по-очевидни и тънко-слойният литиев ниобат е готов да се превърне в критичен материал за следващо-поколение високо-скоростна оптична модулация на предаване. Понастоящем само четири компании в света са усвоили възможностите за масово-производство на 8-инчови пластини с висок-край, като разликата между търсенето и предлагането надхвърля 70%.
SOI (силициев-върху-изолатор)
Ако силицийът е „плътта“ на чипа, SOI е „скелетът“ на силициевата фотоника. Тази сандвич структура "горен силициев заровен оксид-субстрат", чрез вмъкване на изолационен слой от силициев диоксид под силициевия слой, напълно елиминира кръстосаното прекъсване между електрони и фотони. Той намалява паразитния капацитет с над 60%, позволявайки на електрическите сигнали да протичат по-бързо и по-ефективно. По-важното е, че голямата разлика в индекса на пречупване между горния силиций и оксидния слой естествено формира "стените" на оптичния вълновод, позволявайки на оптичните сигнали да се огъват и предават с минимални загуби в чипа.
В ерата на ИИ SOI е незаменимият основен субстрат за производство на оптични модули, CPO двигатели и квантови чипове. Глобалният производствен капацитет е силно концентриран във френската Soitec, което прави местната локализация спешен приоритет.
Стъклени субстрати
Тъй като графичните процесори, HBM и подреждането на чиплети насочват опаковането към големи форм-фактори, висока плътност и високо{0}}скоростни връзки, традиционните органични субстрати и силиконовите интерпозери все повече се сблъскват с ограничения по отношение на размера, цената и производителността.
Стъклените субстрати, чрез стъклени отвори (TGV) за вертикално електрическо свързване, прецизно запълват празнината на пазара между органичните субстрати и силициевите междинни елементи. Те предлагат регулируем коефициент на термично разширение (съвпадащ със силициевите чипове), изключително ниски диелектрични загуби и ултра-висока плоскост на повърхността. Тестовете на Intel показаха, че могат да намалят изкривяването на модела с 50% и да увеличат плътността на свързването до 10 пъти.
Световните лидери в областта на полупроводниците бързо ускоряват инвестициите си – Intel, TSMC, Samsung Electro-Mechanics, SK Group и LG Group навлязоха на арената, поставяйки началото на търговска надпревара около стъклените субстрати.
Керамични субстрати
В интегрираните опаковки с висока-плътност устройствата с висока-мощност, работещи едновременно, генерират огромни количества концентрирана топлина, а опаковъчният субстрат е основният компонент,-разсейващ топлината. Тъй като мощността на AI чипа преминава прага от 2000 W, традиционните FR-4 органични субстрати, с тяхната слаба топлопроводимост (само 0,3 W/(m·K)) и несъответствие на топлинното разширение, са изправени пред сериозни рискове от изкривяване и разслояване. Керамичните субстрати, с присъщите им предимства на висока топлопроводимост, висока електрическа изолация и отлично термично съвпадение, се превърнаха в необходимост за сценарии с висока мощност.
Сред тях алуминиевият нитрид (AlN) с топлопроводимост от 170–220 W/(m·K) е най-добрият избор за разсейване на топлината в 800G/1.6T високо-скоростни оптични модули. Силициевият нитрид (Si₃N₄), със своята отлична якост на огъване и устойчивост на термичен шок, служи като основа за пакетиране на SiC/GaN модули за захранване с високо-напрежение.