Guši se grlo računalne snage umjetne inteligencijematerijala.
Generalni direktor Intela Lip-Bu Tan naveo je dijamant, silicijev karbid (SiC), indijev fosfid (InP), galijev nitrid (GaN) i staklene podloge kao pet ključnih materijala koji su ključni za probijanje uskog grla. U međuvremenu, poznavatelji industrije otvoreno su upozorili: "Nedovoljan proizvodni kapacitet InP lasera ključna je točka za ko-zapakiranu optiku (CPO)."
To znači da bez obzira na to koliko su snažni Nvidijini GB200/300 čipovi, bez podrške naprednih materijala, podaci jednostavno ne mogu teći velikom brzinom.
Ovo nije samo pitanje kapaciteta – to je izazov koji pomiče granice znanosti o materijalima. Od SiC/GaN napajanja i pakiranja staklenih-supstrata (kao što je istaknuo Tan), do litij niobata i SOI za optička rješenja za međusobno povezivanje, te dijamantnih i keramičkih supstrata za odvođenje topline pod ekstremnim energetskim opterećenjima,materijalapostali su nevidljivo bojno polje u drugoj polovici AI. Tko se prvi probije, držat će ključ računalne dominacije.
Dijamant
Dok računalna snaga umjetne inteligencije raste vrtoglavom brzinom, rasipanje topline u vrhunskim-čipovima postaje sve teže. Nvidijin Rubin Ultra, na primjer, očekuje se da će premašiti 2300 W po čipu, s lokalnom gustoćom toplinskog toka koja prelazi 1000 W/cm² – što je gotovo nezamisliva razina topline. Tradicionalni bakreni i aluminijski razdjelnici topline dosežu svoje fizičke granice. Dijamant, sa svojom ultra-visokom toplinskom vodljivošću, pojavio se kao vodeći kandidat među novim poluvodičkim materijalima.
Nadaleko poznat po svojoj ekstremnoj tvrdoći – najtvrđoj prirodnoj tvari, s Mohsovom tvrdoćom 10 – dijamant je također jedan od najboljih toplinskih vodiča u prirodi, s toplinskom vodljivošću do 2200 W/(m·K), 5,5 puta većom od bakra i 11 puta većom od aluminija. Također je električni izolator, a njegov koeficijent toplinskog širenja vrlo je sličan koeficijentu silicija, SiC i GaN. Promatrači iz industrije primijetili su: kada snaga jednog-čipa prijeđe 1400 W, dijamant više nije "opcija" – on postaje "nužan."
Nvidijina sljedeća-generacija Vera Rubin arhitekture GPU-a u potpunosti je usvojila rješenje "kompozitni materijal dijamant-bakar + 45 stupnjeva izravno-kontaktno tekuće hlađenje", a industrija je čak označila 2026. kao "prvu godinu-usvajanja dijamantnog rasipanja topline velikih razmjera."
silicijev karbid (SiC)
Snaga stalaka za podatkovne centre umjetne inteligencije raste s desetaka kilovata na stotine kilovata, a na horizontu su stalci veličine megavata-. Kako struje i naponi rastu, tradicionalna pretvorba-napona temeljena na siliciju trpi zapanjujuće gubitke. Štoviše, AI zahtijeva materijale koji brzo odvode toplinu, troše manje energije, zauzimaju minimalan prostor i podnose visoke temperature.
SiC nudi visok probojni napon, stabilnu izvedbu na visokim temperaturama i gubitke sklopke daleko manje od silicija. Njegov kompaktni otisak uređaja i izvrsna pouzdanost čine ga idealnim izborom za 800V visoko{2}}naponske DC (HVDC) arhitekture – postižući učinkovitost iznad 97% u visoko-naponskom ulaznom ispravljanju i korekciji faktora snage (PFC) stupnjevima i smanjujući gubitke u prijenosu za više od 30% u 800V HVDC sustavima. Novi podatkovni centri koje su izgradili Nvidia, Microsoft i drugi tehnološki divovi već su usvojili arhitekture napajanja temeljene na SiC-kao standard. Domaći kineski proizvođači kao što je TankeBlue Semiconductor ubrzavaju masovnu proizvodnju supstrata od 8 inča i epitaksijalnih ploča kako bi smanjili troškove pločica.
Galijev nitrid (GaN)
GaN i SiC čine jasnu podjelu "visokog-napona naspram niskog-napona": SiC ostaje u serverskoj sobi, dok se GaN seli u police.
GaN ima visoku pokretljivost elektrona i iznimnu gustoću snage, ističući se u pretvorbi energije visoke-frekventnosti, niskog-napona, visoke-gustoće. U GPU modulima napajanja, visoko{4}}frekventnim-DC pretvaračima i napajanjima poslužitelja – gdje su prostor i brzina odziva kritični – GaN može smanjiti veličinu napajanja dok povećava gustoću snage. Samsungov 8-inčni GaN proces već je postigao smanjenje troškova od 30% i ubrzava svoju prilagodbu za implementaciju velikih podatkovnih centara.
Indijev fosfid (InP)
Indijev fosfid je nezamjenjiv – to je jedini materijal supstrata za masovnu-proizvodnju laserskih i fotodetektorskih čipova, koji savršeno odgovara 1310nm i 1550nm malim-prozorima gubitaka-optičke komunikacije. U domeni CPO-a, glavni pristup industrije integrira optičke motore i električne čipove na istoj podlozi, a uređaji koji -odašilju svjetlost- velike brzine u središtu CPO-a 100% se oslanjaju na InP lasere.
Vraćajući se na upozorenje direktora industrije: iza tih riječi krije se čist niz brojeva. U 2025. globalna potražnja za InP supstratom procjenjuje se na 2,0–2,1 milijuna komada, dok je efektivna ponuda samo 600 000–700 000 komada – jaz-u potražnji koji prelazi 70%, očekuje se da će se zadržati do 2030. Goldman Sachs je izdao još izravniju prognozu: "Opskrba izvorima svjetla ostat će ograničena do 2027. i možda će se tek početi uspostavljati u ravnoteži u drugoj polovici 2028. kada proširenja kapaciteta opskrbnog lanca budu dostupna."
Tanki-sloj litij niobata (TFLN)
Iskorištavanjem snažnog linearnog elektro{0}}optičkog učinka (Pockelsov učinak) litij niobata, tanki-sloj litij niobata omogućuje veliku-pojasnu širinu, visoku{3}}linearnost (visoka-vjernost) modulaciju optičkog signala pri niskim pogonskim naponima. Zbog toga je-prikladan za srednje- do velike-aplikacije optičkog prijenosa-velike-pojasne širine kao što su okosnice mreža i metro mreže. Uz to, kontrast visokog indeksa loma i izvrsno optičko ograničenje omogućuju veću integraciju, poboljšavajući veličinu uređaja i potrošnju energije.
U optičkim modulatorima, tanko{0}}slojni litij niobat nudi elektro-optički koeficijent tri puta veći od InP i preko stotinu puta veći od silicijeve fotonike. Sa samo 1,8 V, može postići ultra{4}}brzu-modulaciju iznad 100 GHz, smanjujući potrošnju energije za 30–50%, dok jedan kanal može lako raditi na 400G.
Kako računalna snaga AI eksplodira, optičke interkonekcije podatkovnih centara jure od 400G do 800G, 1,6T i 3,2T. Ograničenja performansi tradicionalnih materijala postaju sve očitija, a tanki-sloj litijevog niobata spreman je postati kritičan materijal za sljedeću-generaciju-brze modulacije optičkog prijenosa. Trenutno su samo četiri tvrtke u svijetu ovladale mogućnostima masovne-proizvodnje za 8-inčne visoke-vafere, s jazom između ponude i potražnje većim od 70%.
SOI (Silicij-na-izolatoru)
Ako je silicij "meso" čipa, SOI je "kostur" silicijske fotonike. Ova sendvič struktura "gornji silicij-ukopani oksid-supstrat", umetanjem izolacijskog sloja silicij-dioksida ispod sloja silicija, potpuno eliminira preslušavanje između elektrona i fotona. Smanjuje parazitni kapacitet za više od 60%, omogućujući električnim signalima da rade brže i učinkovitije. Što je još važnije, velika razlika indeksa loma između gornjeg sloja silicija i oksidnog sloja prirodno tvori "zidove" optičkog valovoda, omogućujući optičkim signalima da se savijaju i prenose uz minimalne gubitke na čipu.
U eri umjetne inteligencije, SOI je nezamjenjiv temeljni supstrat za proizvodnju optičkih modula, CPO motora i kvantnih čipova. Globalni proizvodni kapaciteti uvelike su koncentrirani u francuskom Soitecu, što domaću lokalizaciju čini hitnim prioritetom.
Staklene podloge
Kako GPU-ovi, HBM i slaganje čipleta pokreću pakiranje prema velikim faktorima oblika, visokoj gustoći i brzim-međusobnim povezivanjima, tradicionalni organski supstrati i silikonski interposeri sve se više suočavaju s ograničenjima u veličini, cijeni i izvedbi.
Staklene podloge, kroz staklene otvore (TGV) za vertikalno električno međusobno povezivanje, precizno popunjavaju tržišnu prazninu između organskih podloga i silikonskih interposera. Nude podesivi koeficijent toplinske ekspanzije (usklađen sa silikonskim čipovima), izuzetno nizak dielektrični gubitak i ultra-visoku ravnost površine. Intelovi testovi pokazali su da mogu smanjiti izobličenje uzorka za 50% i povećati gustoću međusobnog povezivanja do 10 puta.
Globalni vodeći proizvođači poluvodiča brzo ubrzavaju svoja ulaganja – Intel, TSMC, Samsung Electro-Mechanics, SK Group i LG Group ušli su u arenu, započevši komercijalnu utrku oko staklenih podloga.
Keramičke podloge
U integriranom pakiranju visoke-gustoće, uređaji velike-snage koji rade istovremeno stvaraju ogromne količine koncentrirane topline, a supstrat pakiranja je primarna komponenta-koja rasipa toplinu. Kako snaga AI čipa prelazi prag od 2000 W, tradicionalni FR-4 organski supstrati, sa svojom slabom toplinskom vodljivošću (samo 0,3 W/(m·K)) i neusklađenošću toplinskog širenja, suočavaju se s ozbiljnim rizicima od savijanja i raslojavanja. Keramičke podloge, sa svojim inherentnim prednostima visoke toplinske vodljivosti, visoke električne izolacije i izvrsne toplinske usklađenosti, postale su nužne za scenarije velike snage.
Među njima, aluminijev nitrid (AlN), s toplinskom vodljivošću od 170–220 W/(m·K), najbolji je izbor za raspršivanje topline u 800G/1,6T optičkim modulima velike-brzine. Silicijev nitrid (Si₃N₄), sa svojom izvrsnom čvrstoćom na savijanje i otpornošću na toplinske udare, služi kao temelj pakiranja za SiC/GaN visoko-naponske module napajanja.