Hrdlo výpočetního výkonu umělé inteligence se dusímateriálů.
Generální ředitel společnosti Intel Lip-Bu Tan označil diamant, karbid křemíku (SiC), fosfid india (InP), nitrid galia (GaN) a skleněné substráty za pět klíčových materiálů, které jsou zásadní pro překonání úzkého hrdla. Mezitím zasvěcenci z oboru otevřeně varovali: "Nedostatečná kapacita výroby laseru InP je hlavním škrtícím bodem pro co{2}}balenou optiku (CPO)."
To znamená, že bez ohledu na to, jak výkonné jsou čipy GB200/300 od Nvidie, bez podpory pokročilých materiálů data prostě nemohou proudit vysokou rychlostí.
Nejde jen o problém kapacity – je to výzva posouvající limity materiálové vědy. Od napájení SiC/GaN a balení skleněného-substrátu (jak zdůraznil Tan), po niobát lithný a SOI pro řešení optického propojení a diamantové a keramické substráty pro odvod tepla při extrémním energetickém zatížení,materiálůse staly neviditelným bojištěm v druhé polovině AI. Kdo prorazí první, bude mít klíč k počítačové dominanci.
Diamant
Vzhledem k tomu, že výpočetní výkon umělé inteligence se zrychluje závratnou rychlostí, je rozptyl tepla ve špičkových{0}}čipech stále závažnější. Například Rubin Ultra od Nvidie se očekává, že překročí 2 300 W na čip, s hustotou místního tepelného toku přesahující 1 000 W/cm² – téměř nepředstavitelná úroveň tepla. Tradiční měděné a hliníkové rozvaděče tepla narážejí na své fyzikální limity. Diamant se svou ultra-vysokou tepelnou vodivostí se ukázal jako přední kandidát mezi novými polovodičovými materiály.
Diamant, široce známý pro svou extrémní tvrdost – nejtvrdší přirozeně se vyskytující látka, s tvrdostí podle Mohse 10 – je také jedním z nejlepších přírodních tepelných vodičů s tepelnou vodivostí až 2 200 W/(m·K), což je 5,5krát větší než u mědi a 11krát větší než u hliníku. Je to také elektrický izolant a jeho koeficient tepelné roztažnosti se těsně shoduje s koeficientem křemíku, SiC a GaN. Průmysloví pozorovatelé zaznamenali: když výkon jednoho-čipu překročí 1 400 W, diamant již není „možností“ – stává se „nezbytností“.
GPU s architekturou Vera Rubin nové{0}}generace společnosti Nvidia plně přijaly řešení z „diamantového a měděného kompozitního materiálu + 45 stupňů přímého-kontaktního chlazení kapalinou“ a průmysl dokonce označil rok 2026 za „první rok-rozsáhlého zavedení diamantového rozptylu tepla“.
Karbid křemíku (SiC)
Výkon racků datových center s umělou inteligencí roste z desítek kilowattů na stovky kilowattů, přičemž na obzoru jsou rozvaděče v megawattovém{0}}rozsahu. S rostoucími úrovněmi proudu a napětí trpí tradiční přeměna energie-na křemíku závratnými ztrátami. Umělá inteligence navíc vyžaduje materiály, které rychle odvádějí teplo, spotřebovávají méně energie, zabírají minimální prostor a odolávají vysokým teplotám.
SiC nabízí vysoké průrazné napětí, stabilní výkon při vysokých teplotách a spínací ztráty mnohem nižší než křemík. Díky kompaktním rozměrům zařízení a vynikající spolehlivosti je ideální volbou pro 800V vysokonapěťové stejnosměrné (HVDC) architektury – dosahuje účinnosti nad 97 % ve stupních usměrnění vysokonapěťového vstupu a korekce účiníku (PFC) a snižuje přenosové ztráty o více než 30 % v systémech 800 V HVDC. Nová datová centra postavená společnostmi Nvidia, Microsoft a dalšími technologickými giganty již standardně přijala energetické architektury založené na SiC-. Domácí čínští výrobci, jako je TankeBlue Semiconductor, urychlují 8palcovou substrátovou a epitaxní hromadnou výrobu, aby snížili náklady na wafery.
Gallium nitrid (GaN)
GaN a SiC tvoří jasné rozdělení „vysoké-napětí vs. nízké-napěťové“: SiC zůstává v serverové místnosti, zatímco GaN se přesouvá do stojanů.
GaN se vyznačuje vysokou mobilitou elektronů a výjimečnou hustotou výkonu, vyniká vysokou-frekvencí, nízkým{1}}napětím a vysokou{2}}hustotou přeměny energie. V napájecích modulech GPU, vysokofrekvenčních DC-konvertorech DC a serverových zdrojích – kde je prostor a rychlost odezvy kritické – může GaN zmenšit velikost napájecího zdroje a zároveň zvýšit hustotu výkonu. 8-palcový proces GaN společnosti Samsung již dosáhl 30% snížení nákladů a urychluje svou adaptaci pro nasazení ve velkém datovém centru.
Indium fosfid (InP)
Fosfid india je nenahraditelný – je to jediný sériově{0}}produkovaný substrátový materiál pro laserové a fotodetekční čipy, který dokonale odpovídá 1310nm a 1550nm nízkoztrátovým -oknům optické-komunikace. V oblasti CPO hlavní proud tohoto odvětví integruje optické motory a elektrické čipy na stejném substrátu a vysokorychlostní zařízení emitující světlo- v jádru CPO se 100% spoléhají na lasery InP.
Vrátíme-li se k varování vedoucího pracovníka v oboru: za těmito slovy se skrývá strohá sada čísel. V roce 2025 se celosvětová poptávka po substrátu InP odhaduje na 2,0–2,1 milionu kusů, zatímco skutečná nabídka je pouze 600 000–700 000 kusů – mezera mezi nabídkou-poptávkou přesahující 70 % a očekává se, že bude přetrvávat až do roku 2030. Goldman Sachs vydala ještě přímější prognózu: „Světelná rovnováha ve 22. roce zůstane napjatá, pouze polovina zdroje světla zůstane napjatá. 2028, kdy dojde k online rozšíření kapacity dodavatelského řetězce."
Tenký-film Lithium Niobate (TFLN)
Využití silného lineárního elektro{0}}optického efektu (Pockelsův efekt) niobátu lithného, tenký-film niobátu lithného umožňuje modulaci optického signálu s vysokou -šířkou pásma a vysokou-linearitou (vysokou{4}}věrností) při nízkém napájecím napětí. Díky tomu se dobře-hodí pro aplikace optického přenosu na střední- až dlouhé{8}}vzdálenosti s vysokou-šířkou pásma, jako jsou páteřní sítě a metropolitní sítě. Navíc jeho vysoký kontrast indexu lomu a vynikající optické omezení umožňují vyšší integraci, čímž se zlepšuje velikost zařízení a spotřeba energie.
V optických modulátorech nabízí tenký-lithný niobát elektro-optický koeficient třikrát vyšší než InP a více než stokrát vyšší než křemíkové fotoniky. S pouhými 1,8 V může dosáhnout ultra{4}}vysoko{5}}rychlostní modulace nad 100 GHz, což snižuje spotřebu energie o 30–50 %, zatímco jeden kanál může snadno běžet na 400 G.
Jak výpočetní výkon AI exploduje, optická propojení datových center rostou od 400G do 800G, 1,6T a 3,2T. Omezení výkonu tradičních materiálů jsou stále zjevnější a tenkovrstvý niobát lithný se může stát kritickým materiálem pro modulaci vysokorychlostního optického přenosu příští-generace-. V současné době pouze čtyři společnosti na celém světě zvládly možnosti hromadné-výroby 8-palcových špičkových-waferů, přičemž rozdíl mezi nabídkou a poptávkou přesahuje 70 %.
SOI (křemík-na-izolátoru)
Pokud je křemík „masem“ čipu, SOI je „kostra“ křemíkové fotoniky. Tato sendvičová struktura „svrchní oxid-substrát pohřbený v křemíku“ vložením izolační vrstvy oxidu křemičitého pod vrstvu křemíku zcela eliminuje přeslechy mezi elektrony a fotony. Snižuje parazitní kapacitu o více než 60 %, což umožňuje, aby elektrické signály běžely rychleji a efektivněji. Ještě důležitější je, že velký rozdíl indexu lomu mezi vrchní vrstvou křemíku a oxidovou vrstvou přirozeně tvoří „stěny“ optického vlnovodu, což umožňuje ohýbání a přenos optických signálů s minimální ztrátou na čipu.
V éře AI je SOI nenahraditelným základním substrátem pro výrobu optických modulů, CPO motorů a kvantových čipů. Globální výrobní kapacita je silně soustředěna ve francouzském Soitecu, takže domácí lokalizace je naléhavou prioritou.
Skleněné substráty
Vzhledem k tomu, že se GPU, HBM a chiplety skládají z velkých rozměrů, vysoké hustoty a{0}}vysokorychlostních propojení, tradiční organické substráty a křemíkové vložky stále více čelí omezením ve velikosti, ceně a výkonu.
Skleněné substráty přes skleněné prokovy (TGV) pro vertikální elektrické propojení přesně vyplňují mezeru na trhu mezi organickými substráty a křemíkovými vložkami. Nabízejí laditelný koeficient tepelné roztažnosti (odpovídající křemíkovým čipům), extrémně nízké dielektrické ztráty a ultra-vysokou rovinnost povrchu. Testy Intel ukázaly, že mohou snížit zkreslení vzoru o 50 % a zvýšit hustotu propojení až 10krát.
Světoví lídři v oblasti polovodičů rychle zrychlují své investice – Intel, TSMC, Samsung Electro{0}}Mechanics, SK Group a LG Group vstoupily do arény a odstartovaly komerční závod kolem skleněných substrátů.
Keramické substráty
V integrovaných obalech s vysokou-hustotou generují zařízení s vysokým{1}}výkonem, která fungují současně, obrovské množství koncentrovaného tepla a obalový substrát je primární složkou odvádějící teplo-. Jak výkon čipu AI překračuje práh 2 000 W, tradiční organické substráty FR-4 se svou špatnou tepelnou vodivostí (pouze 0,3 W/(m·K)) a nesouladem tepelné roztažnosti čelí vážnému riziku deformace a delaminace. Keramické substráty se svými vlastními výhodami vysoké tepelné vodivosti, vysoké elektrické izolace a vynikajícího tepelného přizpůsobení se staly nezbytností pro scénáře s vysokým výkonem.
Mezi nimi je nitrid hliníku (AlN) s tepelnou vodivostí 170–220 W/(m·K) nejlepší volbou pro odvod tepla ve vysokorychlostních optických modulech 800G/1,6T. Nitrid křemíku (Si₃N₄) se svou vynikající pevností v ohybu a odolností proti tepelným šokům slouží jako základ obalu pro vysokonapěťové výkonové moduly SiC/GaN.