La gola de la potència de càlcul de la IA està sent ofegadamaterials.
El CEO d'Intel, Lip-Bu Tan, ha nomenat el diamant, el carbur de silici (SiC), el fosfur d'indi (InP), el nitrur de gal·li (GaN) i els substrats de vidre com a cinc materials clau crítics per trencar el coll d'ampolla. Mentrestant, els experts de la indústria han advertit sense embuts: "La capacitat de producció de làser InP insuficient és el punt d'obstaculització bàsic de l'òptica co-empaquetada (CPO)".
Això vol dir que, per molt potents que siguin els xips GB200/300 de Nvidia, sense el suport de materials avançats, les dades simplement no poden fluir a gran velocitat.
Això no és només un problema de capacitat, sinó que és un repte que supera els límits de la ciència dels materials. Des del subministrament d'energia de SiC/GaN i l'envasament de substrats de vidre-(com destaca Tan), fins al niobat de liti i SOI per a solucions d'interconnexió òptica i substrats de diamant i ceràmica per a la dissipació de calor sota càrregues de potència extremes,materialss'han convertit en el camp de batalla invisible a la segona meitat de la IA. Qui arribi primer tindrà la clau del domini informàtic.
Diamant
A mesura que la potència de càlcul de l'IA s'accelera a una velocitat vertiginosa, la dissipació de calor als-xips de gamma alta és cada cop més severa. S'espera que el Rubin Ultra de Nvidia, per exemple, superi els 2.300 W per xip, amb densitats de flux de calor locals que superin els 1.000 W/cm², un nivell de calor gairebé inimaginable. Els dispersors de calor tradicionals de coure i alumini estan arribant als seus límits físics. El diamant, amb la seva conductivitat tèrmica ultra-, s'ha convertit en un candidat líder entre els nous materials semiconductors.
Ampliament conegut per la seva duresa extrema, la substància natural més dura, amb una duresa Mohs de 10, el diamant també és un dels millors conductors tèrmics de la natura, amb una conductivitat tèrmica de fins a 2.200 W/(m·K), 5,5 vegades la del coure i 11 vegades la de l'alumini. També és un aïllant elèctric i el seu coeficient d'expansió tèrmica coincideix molt amb el de silici, SiC i GaN. Els observadors del sector han observat: quan la potència d'un-xip supera els 1.400 W, el diamant ja no és una "opció"; es converteix en una "necessitat".
Les GPU d'arquitectura Vera Rubin de -generació de Nvidia han adoptat totalment una solució de "refrigeració líquida de contacte directe de + 45 graus-de material compost diamant i coure", i la indústria fins i tot ha marcat el 2026 com el "primer any d'adopció de la calor del diamant a gran-escala".
Carbur de silici (SiC)
La potència dels bastidors del centre de dades d'IA està augmentant de desenes de quilowatts a centenars de quilowatts, amb bastidors d'escala de megawatts{0}}a l'horitzó. A mesura que augmenten els nivells de corrent i tensió, la conversió d'energia tradicional basada en silici- pateix pèrdues sorprenents. A més, la IA exigeix materials que dissipin la calor ràpidament, consumeixin menys energia, ocupin un espai mínim i suportin altes temperatures.
SiC ofereix un alt voltatge de ruptura, un rendiment estable a altes temperatures i pèrdues de commutació molt inferiors a les del silici. La seva empremta compacta del dispositiu i la seva excel·lent fiabilitat el converteixen en l'opció ideal per a arquitectures de 800 V d'alt voltatge DC (HVDC), aconseguint eficiència per sobre del 97% en etapes de rectificació d'entrada d'alta tensió i correcció del factor de potència (PFC) i reduint les pèrdues de transmissió en més d'un 30% en sistemes de 800 V HVDC. Els nous centres de dades construïts per Nvidia, Microsoft i altres gegants tecnològics ja han adoptat arquitectures d'energia basades en SiC-com a estàndard. Els fabricants nacionals xinesos com TankeBlue Semiconductor estan accelerant la producció massiva de substrats de 8 polzades i epitaxis per reduir els costos de les hòsties.
Nitrur de gal·li (GaN)
El GaN i el SiC formen una clara divisió "d'alt-tensió versus baixa-tensió": el SiC es queda a la sala de servidors, mentre que el GaN es mou als bastidors.
GaN ofereix una gran mobilitat d'electrons i una densitat de potència excepcional, excel·lent en la conversió d'energia d'alta-freqüència, baixa-tensió i alta-densitat. En els mòduls d'alimentació de GPU, els convertidors de CC-d'alta freqüència- i les fonts d'alimentació del servidor, on l'espai i la velocitat de resposta són crítics, GaN pot reduir la mida de la font d'alimentació alhora que augmenta la densitat de potència. El procés GaN de 8-polzades de Samsung ja ha aconseguit una reducció de costos del 30% i està accelerant la seva adaptació per al desplegament de centres de dades a gran escala.
Fosfur d'indi (InP)
El fosfur d'indi és insubstituïble: és l'únic material de substrat de producció massiva-per a xips làser i fotodetectors, que coincideix perfectament amb les finestres de baixa-pèrdua-de la comunicació-de fibra òptica de 1310 nm i 1550 nm. En el domini CPO, l'enfocament principal de la indústria integra motors òptics i xips elèctrics al mateix substrat, i els dispositius que emeten llum-d'alta velocitat- al nucli de CPO depenen al 100% dels làsers InP.
Tornant a l'advertència d'aquest executiu de la indústria: darrere d'aquestes paraules s'amaga una sèrie de números. El 2025, la demanda global de substrats d'InP s'estima entre 2,0 i 2,1 milions de peces, mentre que l'oferta efectiva és només de 600.000 a 700.000 peces, una bretxa de demanda-de l'oferta superior al 70%, que s'espera que persisteixi fins al 2030. Goldman Sachs ha emès una previsió encara més directa de l'oferta: a la segona meitat del 2028, a mesura que les expansions de la capacitat de la cadena de subministrament entren en línia".
Niobat de liti de-pel·lícula fina (TFLN)
Aprofitant el fort efecte electro-òptic lineal (efecte Pockels) del niobat de liti, el niobat de liti de pel·lícula fina permet una modulació del senyal òptica d'alta-ample de banda i alta-linealitat (alta-fidelitat) a baixes tensions de conducció. Això fa que sigui molt-adequat per a aplicacions de transmissió òptica de mitjana- a llarga-distància i-ample de banda, com ara xarxes troncals i xarxes de metro. A més, el seu alt contrast d'índex de refracció i un excel·lent confinament òptic permeten una major integració, millorant la mida del dispositiu i el consum d'energia.
En els moduladors òptics, el niobat de liti-pel·lícula fina ofereix un coeficient electro-óptic tres vegades superior al de l'InP i més de cent vegades al de la fotònica de silici. Amb només 1,8 V, pot aconseguir una modulació d'ultra-alta- velocitat més enllà dels 100 GHz, reduint el consum d'energia entre un 30 i un 50%, mentre que un sol canal pot funcionar fàcilment a 400 G.
A mesura que la potència informàtica de l'IA augmenta, les interconnexions òptiques del centre de dades passen de 400G a 800G, 1.6T i 3.2T. Les limitacions de rendiment dels materials tradicionals són cada cop més evidents, i el niobat de liti-pel·lícula fina està a punt de convertir-se en un material crític per a la modulació de transmissió òptica d'alta-generació de la propera-generació. Actualment, només quatre empreses a tot el món dominen les capacitats de-producció massiva de hòsties de gamma alta-de 8-polzades, amb una bretxa entre l'oferta i la demanda que supera el 70%.
SOI (silici-a-aïllant)
Si el silici és la "carn" d'un xip, SOI és l'"esquelet" de la fotònica del silici. Aquesta estructura sandvitx de "substrat d'òxid enterrat de silici superior", mitjançant la inserció d'una capa aïllant de diòxid de silici sota la capa de silici, elimina completament la diafonia entre electrons i fotons. Redueix la capacitat dels paràsits en més d'un 60%, permetent que els senyals elèctrics funcionin de manera més ràpida i eficient. Més important encara, la gran diferència d'índex de refracció entre el silici superior i la capa d'òxid forma naturalment les "parets" d'una guia d'ones òptica, permetent que els senyals òptics es dobleguin i transmetin amb una pèrdua mínima al xip.
A l'era de la IA, SOI és el substrat bàsic insubstituïble per a la fabricació de mòduls òptics, motors CPO i xips quàntics. La capacitat de producció mundial està molt concentrada a la francesa Soitec, la qual cosa fa de la localització nacional una prioritat urgent.
Substrats de vidre
A mesura que les GPU, l'HBM i l'apilament de xips impulsen l'embalatge cap a grans factors de forma, alta densitat i interconnexions d'alta{0}}velocitat, els substrats orgànics tradicionals i els interposadors de silici s'enfronten cada vegada més a limitacions de mida, cost i rendiment.
Els substrats de vidre, mitjançant vies de vidre (TGV) per a la interconnexió elèctrica vertical, omplen amb precisió el buit del mercat entre els substrats orgànics i els interposadors de silici. Ofereixen un coeficient d'expansió tèrmica ajustable (adaptat als xips de silici), una pèrdua dielèctrica extremadament baixa i una planitud superficial ultra-elevada. Les proves d'Intel han demostrat que poden reduir la distorsió del patró en un 50% i augmentar la densitat d'interconnexió fins a 10 vegades.
Els líders mundials dels semiconductors estan accelerant ràpidament les seves inversions: Intel, TSMC, Samsung Electro-Mechanics, SK Group i LG Group han entrat a l'escenari, donant el començament a una carrera comercial al voltant dels substrats de vidre.
Substrats ceràmics
En els envasos integrats d'alta-densitat, els dispositius d'alta-potència que funcionen simultàniament generen quantitats massives de calor concentrada i el substrat d'envasament és el component principal-dissipador de calor. A mesura que la potència del xip d'IA creua el llindar dels 2.000 W, els substrats orgànics tradicionals FR-4, amb la seva baixa conductivitat tèrmica (només 0,3 W/(m·K)) i desajustament d'expansió tèrmica, s'enfronten a greus riscos de deformació i delaminació. Els substrats ceràmics, amb els seus avantatges inherents d'alta conductivitat tèrmica, alt aïllament elèctric i excel·lent adaptació tèrmica, s'han convertit en una necessitat per a escenaris d'alta potència.
Entre ells, el nitrur d'alumini (AlN), amb una conductivitat tèrmica de 170-220 W/(m·K), és la millor opció per a la dissipació de calor en mòduls òptics d'alta velocitat de 800G/1,6T. El nitrur de silici (Si₃N₄), amb la seva excel·lent resistència a la flexió i resistència al xoc tèrmic, serveix com a base d'embalatge per als mòduls de potència d'alta tensió SiC/GaN.