S tím, jak se závody v oblasti umělé inteligence zintenzivňují, spotřeba energie-GPU čipů vyšší třídy i nadále dramaticky roste. Spotřeba jedné karty NVIDIA H100-dosahuje 700 W, nová řada Blackwell to posouvá na 1 000–1 400 W a nejnovější GPU s architekturou Vera Rubin má špičkovou spotřebu přesahující 2 300 W. Takové extrémní úrovně výkonu se staly zásadní překážkou pro vývoj čipů AI nové generace.
V současné době jsou v průmyslu široce používány kapalinové chlazení a ponorné chlazení pro správu teploty na úrovni serveru. Tyto přístupy však nemohou vyřešit zásadní problém akumulace tepla v blízkosti čipu. Trvalá horká místa vedou k omezení frekvence a snížení výkonu, což výrazně omezuje možnosti špičkových čipů AI. Technologie odvodu tepla založená na diamantu se ukázala jako účinná cesta k překonání této výzvy.
Běžná mylná představa na trhu je, že primární výhodou diamantu je pouze jeho vysoká tepelná vodivost. Ve skutečnosti spočívá hlavní konkurenceschopnost diamantu v jeho dvojí schopnosti: ultra vysoká tepelná vodivost v kombinaci s vynikající tepelnou roztažností odpovídající materiálům čipu-, což je kombinace, kterou tradiční materiály, jako je měď, stříbro a karbid křemíku, nemohou snadno dosáhnout.
Klíčová data ukazují, že CVD monokrystalický diamant má tepelnou vodivost přesahující 2000 W/(m·K) a izotopicky čištěné verze přesahují 3000 W/(m·K)-, což je přibližně pětkrát větší než u konvenční mědi. Ještě důležitější je, že diamant nabízí vynikající tepelnou kompatibilitu: jeho koeficient tepelné roztažnosti (CTE) je pouze 1,0–1,1 ppm/K, což je velmi podobné křemíku 2,6 ppm/K, což vede k tepelnému nesouladu pouhých 1,5 ppm/K. Naproti tomu měď, běžně používaná v průmyslu, má CTE 16,5–17 ppm/K, což dává nesoulad s křemíkem asi 14 ppm/K-o řád vyšší než diamant.
Současné AI čipy obecně využívají 2,5D a 3D stohovací procesy, které koncentrují zdroje tepla hustě mezi vrstvami a zhoršují tepelné přeslechy. Struktury na bázi mědi s velkým tepelným nesouladem podléhají neustálému roztahování a smršťování při opakovaném cyklování teploty, což snadno způsobuje únavu pájeného spoje a praskání na rozhraní-významně ohrožuje spolehlivost a životnost čipu. Diamond díky svému velmi nízkému tepelnému nesouladu zásadně snižuje tepelné namáhání na rozhraních čipů a předchází riziku selhání obalu, takže je dobře v souladu s trendy vývoje špičkových AI čipů.
Polykrystalický diamant dosahuje tepelné vodivosti 1000–2200 W/(m·K) se stejným CTE jako monokrystalický diamant a lze jej vyrábět ve velkých velikostech s nižšími náklady, díky čemuž je vhodný pro rozsáhlé nasazení jako chladiče v serverech AI. Kompozity diamant-měď nabízejí tepelnou vodivost 500–650 W/(m·K), s laditelným CTE a dobrou obrobitelností-což je nákladově efektivní kompromis, který řeší tradiční dilema „vysoká tepelná vodivost, ale špatná kompatibilita čipů“.
Navzdory těmto vynikajícím materiálovým výhodám čelí průmyslové přijetí stále dvěma hlavním technickým výzvám.
Za prvé, tepelný odpor rozhraní. Existuje rozšířená mylná představa, že jakýkoli materiál obsahující diamant automaticky poskytuje pětkrát lepší chlazení než měď. Ve skutečnosti mohou špatné procesy lepení vytvořit velmi vysoký tepelný odpor mezi rozhraními, čímž se zničí vlastní vynikající vodivost diamantu a vážně se sníží výkon rozptylu tepla. Za druhé, ultra přesné obrábění a mezifázové slučování. Extrémní tvrdost diamantu vyžaduje specializované vybavení a procesy pro všechny přesné kroky, což zvyšuje bariéru zpracování. Navíc slabá mezifázová vazba mezi diamantem a mědí vyžaduje techniky modifikace rozhraní, jako je titanový nebo wolframový povlak, aby se dosáhlo stabilního složení a zajistil se dlouhodobý spolehlivý provoz.
Současná spotřeba energie čipu AI roste rychlostí „ztrojnásobení za tři roky“ a rozšířené přijetí 3D stohování způsobilo, že akumulace tepla mezi vrstvami a lokalizovaná horká místa jsou stále výraznější. Tato horká místa jsou hlavní příčinou snížení výkonu a nuceného snížení frekvence. Je důležité objasnit, že diamantové šíření tepla a kapalinové chlazení nejsou náhražkou, ale doplňkovým řešením: diamant slouží ke zploštění extrémních lokálních tepelných toků a eliminaci akumulace horkých míst-řešení koncentrace tepla v blízkosti křižovatky-, zatímco kapalinové chlazení odvádí rovnoměrně rozptýlené teplo ze systému a dokončuje tak odvod tepla na vzdáleném konci.
Domácí diamantový průmyslový řetězec rozptylu tepla vykazuje vzor síly u vstupních surovin, ale relativní slabost v navazujících hlavních procesech. V předřazeném růstu syntetických diamantů jsou technické možnosti Číny pro velkoplošné polykrystalické diamanty na stejné úrovni nebo v některých metrikách dokonce předstihují zahraniční protějšky. Přetrvávají však mezery v navazujících klíčových technologiích, jako je přímé spojování bez pájení na úrovni plátků a přesné řízení procesu s nízkým tepelným odporem.
Z hlediska nákladů je hlavním tlakem na náklady pro hromadnou výrobu vysoká spotřeba elektrické energie zařízení MPCVD. Za tímto účelem přední domácí společnosti jako SF Diamond, Huanghe Whirlwind a Huifeng Diamond strategicky budují výrobní kapacity v regionech s nízkými cenami elektřiny, jako je Sin-ťiang a Vnitřní Mongolsko, využívající levnou energii, velkokomorové výrobní zařízení a vlastní vývoj procesů k neustálému snižování výrobních nákladů.
Celkově vzato, vzhledem k trendu neustále se zvyšující spotřeby energie u čipů AI dosáhly tradiční materiály pro odvod tepla na bázi mědi svých limitů fyzického výkonu a jen stěží mohou splnit požadavky špičkových čipů nové generace. Diamond se svou jedinečnou kombinací ultra vysoké tepelné vodivosti a nízkého tepelného nesouladu vyniká jako efektivní řešení správy teploty pro pokročilé čipy AI.