Gardło mocy obliczeniowej AI zostaje zadławioneprzybory.
Dyrektor generalny firmy Intel, Lip{0}}Bu Tan, nazwał diament, węglik krzemu (SiC), fosforek indu (InP), azotek galu (GaN) i podłoża szklane jako pięć kluczowych materiałów niezbędnych do pokonania wąskiego gardła. Tymczasem znawcy branży bez ogródek ostrzegają: „Niewystarczająca zdolność produkcyjna lasera InP jest głównym problemem dla-optyki pakowanej wspólnie (CPO)”.
Oznacza to, że niezależnie od tego, jak potężne są chipy GB200/300 Nvidii, bez wsparcia zaawansowanych materiałów, dane po prostu nie mogą przepływać z dużą prędkością.
To nie tylko kwestia wydajności – to wyzwanie przesuwające granice inżynierii materiałowej. Od zasilania SiC/GaN i pakowania-podłoża szklanego (jak podkreślił Tan), po niobian litu i SOI do optycznych rozwiązań wzajemnych, a także podłoża diamentowe i ceramiczne do rozpraszania ciepła przy ekstremalnych obciążeniach mocy,przyborystały się niewidzialnym polem bitwy w drugiej połowie AI. Ktokolwiek przebije się pierwszy, będzie miał klucz do komputerowej dominacji.
Diament
W miarę jak moc obliczeniowa sztucznej inteligencji rośnie z zawrotną szybkością, rozpraszanie ciepła w-najwyższych chipach staje się coraz poważniejsze. Oczekuje się, że na przykład procesor Rubin Ultra firmy Nvidia będzie przekraczał 2300 W na chip, a lokalne gęstości strumienia ciepła przekraczają 1000 W/cm² – co stanowi niemal niewyobrażalny poziom ciepła. Tradycyjne miedziane i aluminiowe rozpraszacze ciepła osiągają swoje fizyczne granice. Diament dzięki swojej-bardzo wysokiej przewodności cieplnej stał się wiodącym kandydatem wśród nowych materiałów półprzewodnikowych.
Powszechnie znany ze swojej wyjątkowej twardości – najtwardszej naturalnie występującej substancji o twardości w skali Mohsa wynoszącej 10 – diament jest również jednym z najlepszych przewodników ciepła w naturze, o przewodności cieplnej do 2200 W/(m·K), 5,5 razy większej niż miedź i 11 razy większej niż aluminium. Jest także izolatorem elektrycznym, a jego współczynnik rozszerzalności cieplnej jest bardzo zbliżony do współczynnika krzemu, SiC i GaN. Obserwatorzy branży zauważyli: gdy moc pojedynczego-chipu przekracza 1400 W, diament nie jest już „opcją” – staje się „koniecznością”.
Procesory graficzne nowej-firmy Nvidia oparte na architekturze Vera Rubin w pełni wykorzystują rozwiązanie „materiał kompozytowy diament-miedź o + 45 stopniu bezpośredniego-kontaktowego chłodzenia cieczą”, a branża określiła nawet rok 2026 jako „pierwszy rok zastosowania rozpraszania ciepła w diamentach na-skalową skalę”.
Węglik krzemu (SiC)
Moc szaf w centrach danych ze sztuczną inteligencją rośnie z dziesiątek kilowatów do setek kilowatów, a na horyzoncie pojawiają się szafy o skali megawatów. Wraz ze wzrostem poziomu prądu i napięcia tradycyjna konwersja mocy oparta-na krzemie powoduje ogromne straty. Co więcej, sztuczna inteligencja wymaga materiałów, które szybko odprowadzają ciepło, zużywają mniej energii, zajmują minimalną przestrzeń i wytrzymują wysokie temperatury.
SiC oferuje wysokie napięcie przebicia, stabilną pracę w wysokich temperaturach i straty przełączania znacznie niższe niż krzem. Kompaktowe wymiary urządzenia i doskonała niezawodność czynią go idealnym wyborem dla architektur wysokiego-napięcia prądu stałego (HVDC) 800 V – osiągając sprawność powyżej 97% w stopniach prostowania wejścia wysokiego napięcia i korekcji współczynnika mocy (PFC) oraz redukując straty przesyłowe o ponad 30% w systemach HVDC 800 V. Nowe centra danych zbudowane przez Nvidię, Microsoft i innych gigantów technologicznych już w standardzie przyjęły architekturę zasilania opartą na SiC. Krajowi chińscy producenci, tacy jak TankeBlue Semiconductor, przyspieszają produkcję 8-calowych substratów i mas epitaksjalnych, aby obniżyć koszty płytek.
Azotek Galu (GaN)
GaN i SiC tworzą wyraźny podział na „wysokie- i niskie-napięcie”: SiC pozostaje w serwerowni, podczas gdy GaN przenosi się do szaf.
GaN charakteryzuje się dużą ruchliwością elektronów i wyjątkową gęstością mocy, doskonale radząc sobie z konwersją mocy o wysokiej-niskiej-częstotliwości i napięciu oraz o dużej-gęstości. W modułach mocy GPU, przetwornikach-DC-DC o wysokiej częstotliwości i zasilaczach serwerowych – gdzie przestrzeń i szybkość reakcji mają kluczowe znaczenie – GaN może zmniejszyć rozmiar zasilacza, jednocześnie zwiększając gęstość mocy. 8-calowy proces GaN firmy Samsung pozwolił już obniżyć koszty o 30% i przyspiesza jego adaptację do zastosowań w centrach danych na dużą skalę.
Fosforek Indu (InP)
Fosforek indu jest niezastąpiony – to jedyny-masowy materiał podłoża do chipów laserowych i fotodetektorów, doskonale pasujący do okien o niskich-stratach 1310 nm i 1550 nm-komunikacji światłowodowej. W dziedzinie CPO główne podejście branżowe integruje silniki optyczne i chipy elektryczne na tym samym podłożu, a szybkie-urządzenia-emitujące światło stanowiące podstawę CPO w 100% opierają się na laserach InP.
Wracając do ostrzeżenia tego dyrektora branżowego: za tymi słowami kryje się wyraźna liczba liczb. W 2025 r. światowy popyt na substraty InP szacuje się na 2,0–2,1 mln sztuk, podczas gdy efektywna podaż wyniesie zaledwie 600 000–700 000 sztuk – luka w popycie-podażowym przekracza 70% i oczekuje się, że utrzyma się do 2030 r. Goldman Sachs przedstawił jeszcze bardziej bezpośrednią prognozę: „Podaż źródeł światła pozostanie na niskim poziomie do 2027 r. i zacznie się równoważyć dopiero w drugiej połowie 2027 r. 2028, kiedy nastąpi rozwój wydajności łańcucha dostaw.”
Cienka-niobian litu (TFLN)
Wykorzystując silny liniowy efekt elektro-optyczny (efekt Pockelsa) niobianu litu, cienkowarstwowy-niobian litu umożliwia modulację sygnału optycznego o wysokiej-przepustowości i wysokiej-liniowości (wysokiej-wierności) przy niskich napięciach sterujących. Dzięki temu dobrze-nadaje się do zastosowań w transmisji optycznej na średnie- i duże-odległości-o dużej przepustowości, takich jak sieci szkieletowe i sieci metropolitalne. Ponadto wysoki kontrast współczynnika załamania światła i doskonałe zamknięcie optyczne pozwalają na większą integrację, poprawiając rozmiar urządzenia i zużycie energii.
W modulatorach optycznych cienkowarstwowy-niobian litu zapewnia współczynnik elektro-optyczny trzykrotnie większy niż InP i ponad sto razy większy niż fotonika krzemowa. Przy napięciu zaledwie 1,8 V może osiągnąć ultra-szybką-modulację powyżej 100 GHz, zmniejszając zużycie energii o 30–50%, podczas gdy pojedynczy kanał może z łatwością pracować z szybkością 400 Gb.
Wraz z eksplozją mocy obliczeniowej sztucznej inteligencji, szybkości połączeń optycznych w centrach danych gwałtownie rosną z 400 G do 800 G, 1,6 T i 3,2 T. Ograniczenia wydajności tradycyjnych materiałów stają się coraz bardziej widoczne, a cienkowarstwowy-niobian litu może stać się materiałem krytycznym dla szybkiej modulacji transmisji optycznej nowej-generacji-. Obecnie tylko cztery firmy na całym świecie opanowały możliwości-masowej produkcji 8-calowych-płytek wysokiej klasy, przy luce między podażą a popytem przekraczającej 70%.
SOI (krzem-na-izolatorze)
Jeśli krzem jest „miąższem” chipa, SOI jest „szkieletem” fotoniki krzemowej. Ta struktura warstwowa z „najwyższym podłożem tlenkowym zakopanym w krzemie”, poprzez umieszczenie warstwy izolacyjnej dwutlenku krzemu pod warstwą krzemu, całkowicie eliminuje przesłuch między elektronami i fotonami. Zmniejsza pojemność pasożytniczą o ponad 60%, umożliwiając szybsze i wydajniejsze przesyłanie sygnałów elektrycznych. Co ważniejsze, duża różnica współczynnika załamania światła pomiędzy górną warstwą krzemu a warstwą tlenku w naturalny sposób tworzy „ściany” światłowodu, umożliwiając zaginanie i transmisję sygnałów optycznych przy minimalnych stratach na chipie.
W erze sztucznej inteligencji SOI jest niezastąpionym podłożem podstawowym do produkcji modułów optycznych, silników CPO i chipów kwantowych. Globalne moce produkcyjne są w dużej mierze skoncentrowane we francuskiej firmie Soitec, co sprawia, że lokalizacja na rynku krajowym staje się pilnym priorytetem.
Podłoża szklane
Ponieważ procesory graficzne, HBM i układy chipletów skłaniają opakowania do dużych rozmiarów, dużej gęstości i-szybkich połączeń wzajemnych, tradycyjne podłoża organiczne i przekładki krzemowe coraz częściej borykają się z ograniczeniami pod względem rozmiaru, kosztów i wydajności.
Podłoża szklane, poprzez przelotki szklane (TGV) do pionowych połączeń elektrycznych, precyzyjnie wypełniają lukę rynkową pomiędzy podłożami organicznymi a przekładkami krzemowymi. Oferują regulowany współczynnik rozszerzalności cieplnej (dopasowany do chipów krzemowych), wyjątkowo niskie straty dielektryczne i wyjątkowo-wysoką płaskość powierzchni. Testy firmy Intel wykazały, że mogą one zmniejszyć zniekształcenia wzorca o 50% i zwiększyć gęstość połączeń między sobą nawet 10-krotnie.
Światowi liderzy półprzewodników szybko przyspieszają swoje inwestycje – Intel, TSMC, Samsung Electro-Mechanics, SK Group i LG Group weszły na arenę, rozpoczynając komercyjny wyścig wokół podłoży szklanych.
Podłoża ceramiczne
W zintegrowanych opakowaniach o dużej-gęstości, urządzenia-o dużej mocy działające jednocześnie generują ogromne ilości skoncentrowanego ciepła, a podłoże opakowania jest głównym-elementem rozpraszającym ciepło. Gdy moc chipów AI przekracza próg 2000 W, tradycyjne podłoża organiczne FR-4, charakteryzujące się słabą przewodnością cieplną (tylko 0,3 W/(m·K)) i niedopasowaniem rozszerzalności cieplnej, są narażone na poważne ryzyko wypaczenia i rozwarstwienia. Podłoża ceramiczne, ze swoimi nieodłącznymi zaletami, takimi jak wysoka przewodność cieplna, wysoka izolacja elektryczna i doskonałe dopasowanie termiczne, stały się koniecznością w scenariuszach o dużej mocy.
Wśród nich azotek glinu (AlN) o przewodności cieplnej 170–220 W/(m·K) jest najlepszym wyborem do rozpraszania ciepła w szybkich modułach optycznych 800G/1,6T-. Azotek krzemu (Si₃N₄), charakteryzujący się doskonałą wytrzymałością na zginanie i odpornością na szok termiczny, służy jako podstawa opakowań wysokonapięciowych modułów mocy SiC/GaN.