A mesura que la carrera d'IA s'intensifica, el consum d'energia dels xips de GPU-de gamma alta continua augmentant de manera espectacular. El consum d'energia de la targeta única-H100 de NVIDIA arriba als 700 W, la nova sèrie Blackwell ho fa entre 1000 i 1400 W, i la darrera GPU d'arquitectura Vera Rubin té un consum màxim d'energia que supera els 2300 W. Aquests nivells de potència extrems s'han convertit en un coll d'ampolla bàsic per al desenvolupament de xips AI de nova generació.
Actualment, la refrigeració líquida i la refrigeració per immersió s'adopten àmpliament a la indústria per a la gestió tèrmica a nivell de servidor. Tanmateix, aquests enfocaments no poden resoldre el problema fonamental de l'acumulació de calor localitzada a prop del xip. Els punts calents persistents provoquen una limitació de freqüència i una degradació del rendiment, limitant greument la capacitat dels xips d'IA de gamma alta. La tecnologia de dissipació de calor basada en diamants ha sorgit com una via eficaç per superar aquest repte.
Un error comú al mercat és que l'avantatge principal del diamant és només la seva alta conductivitat tèrmica. En realitat, la competitivitat bàsica del diamant rau en la seva doble capacitat: una conductivitat tèrmica ultra alta combinada amb una excel·lent expansió tèrmica que s'adapta als materials d'encenalls-una combinació que els materials tradicionals com el coure, la plata i el carbur de silici no poden aconseguir fàcilment.
Les dades clau mostren que el diamant d'un sol cristall CVD té una conductivitat tèrmica que supera els 2000 W/(m·K) i les versions purificades isotòpicament superen els 3000 W/(m·K)-aproximadament cinc vegades la del coure convencional. Encara més crític, el diamant ofereix una compatibilitat tèrmica excepcional: el seu coeficient d'expansió tèrmica (CTE) és de només 1,0–1,1 ppm/K, que coincideix molt amb els 2,6 ppm/K del silici, donant lloc a un desajust tèrmic de només 1,5 ppm/K. En canvi, el coure, que s'utilitza habitualment a la indústria, té un CTE de 16,5-17 ppm/K, la qual cosa dóna un desajust amb el silici d'uns 14 ppm/K-un ordre de magnitud superior al del diamant.
Els xips actuals d'IA generalment adopten processos d'apilament 2.5D i 3D, que concentren densament les fonts de calor entre capes i empitjoren la diafonia tèrmica. Les estructures basades en coure, amb el seu gran desajust tèrmic, pateixen una expansió i contracció contínua sota cicles de temperatura repetits, provocant fàcilment fatiga de la junta de soldadura i esquerdes interfacials-que comprometen significativament la fiabilitat i la vida útil dels xips. Diamond, gràcies al seu baix desajust tèrmic, redueix fonamentalment l'estrès tèrmic a les interfícies dels xips i evita els riscos de fallada de l'embalatge, fent-lo ben alineat amb les tendències de l'evolució dels xips d'IA de gamma alta.
El diamant policristalí aconsegueix una conductivitat tèrmica de 1000–2200 W/(m·K) amb el mateix CTE que el diamant monocristal·lí, i es pot produir en grans mides a un cost més baix, cosa que el fa adequat per al desplegament a gran escala com a dissipadors de calor en servidors d'IA. Els compostos de coure i diamant ofereixen una conductivitat tèrmica de 500 a 650 W/(m·K), amb un CTE ajustable i una bona mecanització-un compromís rendible que resol el dilema tradicional d'"alta conductivitat tèrmica però poca compatibilitat dels xips".
Malgrat aquests avantatges materials excepcionals, l'adopció industrial encara s'enfronta a dos reptes tècnics bàsics.
En primer lloc, la resistència tèrmica interfacial. Hi ha una idea errònia generalitzada que qualsevol material que inclogui el diamant ofereix automàticament un refredament cinc vegades millor que el coure. En realitat, els processos d'unió pobres poden crear una resistència tèrmica interfacial molt alta, negant la conductivitat superior inherent al diamant i soscavant greument el rendiment de la dissipació de calor. En segon lloc, mecanitzat d'ultra precisió i compostatge interfacial. L'extrema duresa del diamant requereix equips i processos especialitzats per a tots els passos de precisió, augmentant la barrera del processament. A més, la feble unió interfacial entre el diamant i el coure requereix tècniques de modificació de la interfície, com ara el recobriment de titani o tungstè, per aconseguir una composició estable i garantir un funcionament fiable a llarg termini.
El consum d'energia actual dels xips d'IA està creixent a un ritme de "triplicat en tres anys" i l'adopció generalitzada de l'apilament 3D ha fet que l'acumulació de calor entre capes i els punts calents localitzats cada cop siguin més destacats. Aquests punts calents són la causa principal de la degradació del rendiment i la reducció forçada de la freqüència. És important aclarir que la propagació de la calor del diamant i el refredament líquid no són substituts, sinó solucions complementàries: el diamant serveix per aplanar els fluxos de calor locals extrems i eliminar l'acumulació de punts calents-abordant la concentració de calor de la unió propera-mentre que el refredament líquid elimina la calor distribuïda uniformement del sistema, completant el rebuig de calor de l'extrem llunyà.
La cadena industrial domèstica de dissipació de calor de diamants mostra un patró de força a les matèries primeres aigües amunt, però una debilitat relativa en els processos bàsics aigües avall. En el creixement del diamant sintètic aigües amunt, les capacitats tècniques de la Xina per al diamant policristal·lí de gran àrea estan a l'altura, o en algunes mètriques, fins i tot per davant dels seus homòlegs estrangers. No obstant això, hi ha llacunes en tecnologies clau aigües avall, com ara l'enllaç directe sense soldadura a nivell d'hòsties i un control precís de processos de baixa resistència tèrmica.
Pel que fa al cost, l'elevat consum d'electricitat dels equips MPCVD és la pressió de cost principal per a la producció en massa. Per fer-ho, les principals empreses nacionals com SF Diamond, Huanghe Whirlwind i Huifeng Diamond estan construint estratègicament la capacitat de producció a regions amb preus d'electricitat baixos, com Xinjiang i Mongòlia Interior, aprofitant l'energia econòmica, equips de producció de cambra gran i desenvolupaments de processos propietaris per reduir contínuament els costos de fabricació.
En general, donada la tendència de consum d'energia cada cop més gran dels xips d'IA, els materials tradicionals de dissipació de calor basats en coure han assolit els seus límits de rendiment físic i difícilment poden satisfer les demandes dels xips de gamma alta de nova generació. Diamond, amb la seva combinació única de conductivitat tèrmica ultra alta i baixa discrepància tèrmica, destaca com una solució de gestió tèrmica eficaç per a xips d'IA avançats.