คอของพลังการประมวลผล AI กำลังถูกจำกัดโดยวัสดุ.
Lip ซีอีโอของ Intel-Bu Tan ได้ตั้งชื่อให้เพชร ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) อินเดียมฟอสไฟด์ (InP) แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) และซับสเตรตแก้วเป็นวัสดุหลักห้าชนิดที่มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำลายปัญหาคอขวด ในขณะเดียวกัน คนในวงการอุตสาหกรรมได้เตือนอย่างตรงไปตรงมา: "กำลังการผลิตเลเซอร์ InP ที่ไม่เพียงพอคือจุดควบคุมหลักสำหรับ-แพ็คเกจออปติก (CPO)"
ซึ่งหมายความว่าไม่ว่าชิป GB200/300 ของ Nvidia จะทรงพลังแค่ไหน หากปราศจากการสนับสนุนของวัสดุขั้นสูง ข้อมูลก็ไม่สามารถไหลด้วยความเร็วสูงได้
นี่ไม่ใช่แค่ปัญหาด้านกำลังการผลิตเท่านั้น แต่ยังเป็นความท้าทายในการผลักดันขีดจำกัดของวัสดุศาสตร์อีกด้วย ตั้งแต่การจ่ายพลังงาน SiC/GaN และบรรจุภัณฑ์พื้นผิวแก้ว- (ดังที่ Tan เน้น) ไปจนถึงลิเธียมไนโอเบตและ SOI สำหรับโซลูชันการเชื่อมต่อระหว่างกันแบบออปติคัล และซับสเตรตเพชรและเซรามิกสำหรับการกระจายความร้อนภายใต้โหลดที่มีกำลังสูงวัสดุได้กลายเป็นสมรภูมิที่มองไม่เห็นในช่วงครึ่งหลังของ AI ใครก็ตามที่ทะลุทะลวงได้ก่อนจะถือกุญแจสำคัญในการครอบงำทางคอมพิวเตอร์
เพชร
เนื่องจากพลังการประมวลผลของ AI เร่งความเร็วอย่างรวดเร็ว การกระจายความร้อนในชิประดับสูง-จึงรุนแรงมากขึ้น ตัวอย่างเช่น Rubin Ultra ของ Nvidia คาดว่าจะเกิน 2,300W ต่อชิป โดยมีความหนาแน่นของฟลักซ์ความร้อนในท้องถิ่นเกินกว่า 1,000 W/cm² ซึ่งเป็นระดับความร้อนที่แทบจะจินตนาการไม่ได้ ตัวกระจายความร้อนทองแดงและอะลูมิเนียมแบบดั้งเดิมกำลังถึงขีดจำกัดทางกายภาพ ไดมอนด์ซึ่งมีการนำความร้อนสูงเป็นพิเศษ- ได้กลายเป็นตัวเลือกชั้นนำในกลุ่มวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ชนิดใหม่
เป็นที่รู้จักอย่างกว้างขวางในเรื่องความแข็งขั้นสุด ซึ่งเป็นสารที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติที่แข็งที่สุด โดยมีความแข็ง Mohs อยู่ที่ 10 เพชรยังเป็นหนึ่งในตัวนำความร้อนที่ดีที่สุดในธรรมชาติด้วย โดยมีค่าการนำความร้อนสูงถึง 2,200 W/(m·K) สูงกว่าทองแดง 5.5 เท่า และสูงกว่าอะลูมิเนียม 11 เท่า นอกจากนี้ยังเป็นฉนวนไฟฟ้า และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนใกล้เคียงกับค่าของซิลิคอน, SiC และ GaN อย่างใกล้ชิด ผู้สังเกตการณ์ในอุตสาหกรรมได้ตั้งข้อสังเกตว่า เมื่อพลังงานชิปเดี่ยว-เกิน 1,400W เพชรจะไม่ใช่ "ตัวเลือก" อีกต่อไป แต่จะกลายเป็น "ความจำเป็น"
GPU สถาปัตยกรรม Vera Rubin รุ่นถัดไปของ Nvidia- ได้นำโซลูชัน "การระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบสัมผัส" ของวัสดุคอมโพสิตเพชร-ทองแดง + 45 องศาโดยตรง- มาใช้อย่างเต็มที่ และอุตสาหกรรมนี้ยังได้ทำเครื่องหมายปี 2026 ว่าเป็น "ปีแรกของการนำเอาการกระจายความร้อนของเพชรขนาดใหญ่-มาใช้ด้วย"
ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)
กำลังของแร็คศูนย์ข้อมูล AI เพิ่มขึ้นจากหลายสิบกิโลวัตต์เป็นหลายร้อยกิโลวัตต์ โดยมีแร็คขนาดเมกะวัตต์-อยู่บนขอบฟ้า เมื่อระดับกระแสและแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น การแปลงพลังงานที่ใช้ซิลิกอน-แบบดั้งเดิมจะประสบกับการสูญเสียอย่างมาก นอกจากนี้ AI ยังต้องการวัสดุที่กระจายความร้อนได้อย่างรวดเร็ว ใช้พลังงานน้อยลง ใช้พื้นที่น้อยที่สุด และทนทานต่ออุณหภูมิสูง
SiC ให้แรงดันพังทลายสูง ประสิทธิภาพการทำงานที่มั่นคงที่อุณหภูมิสูง และการสูญเสียการสลับต่ำกว่าซิลิคอนมาก ขนาดอุปกรณ์ที่กะทัดรัดและความน่าเชื่อถือที่ยอดเยี่ยมทำให้เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุดสำหรับสถาปัตยกรรม DC แรงดันไฟฟ้าสูง (HVDC) 800V - โดยให้ประสิทธิภาพที่สูงกว่า 97% ในขั้นตอนการแก้ไขอินพุตแรงดันไฟฟ้าสูงและการแก้ไขตัวประกอบกำลัง (PFC) และลดการสูญเสียการส่งสัญญาณได้มากกว่า 30% ในระบบ 800V HVDC ศูนย์ข้อมูลใหม่ที่สร้างโดย Nvidia, Microsoft และบริษัทยักษ์ใหญ่ด้านเทคโนโลยีอื่นๆ ได้นำสถาปัตยกรรมพลังงานที่ใช้ SiC- มาเป็นมาตรฐานแล้ว ผู้ผลิตในประเทศจีน เช่น TankeBlue Semiconductor กำลังเร่งการผลิตซับสเตรตขนาด 8 นิ้วและการผลิตแบบเอพิเทกเซียลจำนวนมากเพื่อลดต้นทุนเวเฟอร์
แกลเลียมไนไตรด์ (GaN)
GaN และ SiC แบ่งการแบ่ง "แรงดันไฟฟ้าสูง-เทียบกับแรงดันไฟฟ้าต่ำ- อย่างชัดเจน: SiC ยังคงอยู่ในห้องเซิร์ฟเวอร์ ในขณะที่ GaN จะย้ายเข้าไปในชั้นวาง
GaN มีลักษณะการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนสูงและความหนาแน่นของพลังงานที่ยอดเยี่ยม โดดเด่นในการแปลงพลังงานความหนาแน่นสูง- แรงดันไฟฟ้าต่ำ- และ- ความหนาแน่นสูง ในโมดูลพลังงาน GPU ตัวแปลง DC- DC ความถี่สูง- และอุปกรณ์จ่ายไฟของเซิร์ฟเวอร์ ซึ่งพื้นที่และความเร็วการตอบสนองเป็นสิ่งสำคัญ GaN สามารถลดขนาดแหล่งจ่ายไฟในขณะที่เพิ่มความหนาแน่นของพลังงานได้ กระบวนการ GaN ขนาด 8- นิ้วของ Samsung ประสบความสำเร็จในการลดต้นทุนลง 30% แล้ว และกำลังเร่งการปรับตัวสำหรับการใช้งานศูนย์ข้อมูลขนาดใหญ่
อินเดียมฟอสไฟด์ (InP)
อินเดียมฟอสไฟด์ไม่สามารถทดแทนได้ โดยเป็นวัสดุ-สารตั้งต้นในการผลิตจำนวนมากสำหรับชิปเลเซอร์และตัวตรวจจับแสง ซึ่งเข้ากันอย่างลงตัวกับหน้าต่างการสูญเสียแสงต่ำ-ของการสื่อสารแบบใยแก้วนำแสงขนาด 1310 นาโนเมตรและ 1550 นาโนเมตร- ในโดเมน CPO แนวทางหลักของอุตสาหกรรมผสมผสานกลไกออปติคัลและชิปไฟฟ้าไว้บนพื้นผิวเดียวกัน และอุปกรณ์-แสงความเร็วสูง-ที่เปล่งแสงที่แกนกลางของ CPO อาศัยเลเซอร์ InP 100%
กลับมาที่คำเตือนของผู้บริหารในอุตสาหกรรมนั้น: เบื้องหลังคำเหล่านั้นมีชุดตัวเลขที่ชัดเจนอยู่ ในปี 2025 ความต้องการวัสดุพิมพ์ InP ทั่วโลกอยู่ที่ประมาณ 2.0–2.1 ล้านชิ้น ในขณะที่อุปทานที่มีประสิทธิภาพมีเพียง 600,000–700,000 ชิ้น ซึ่งเป็น-ช่องว่างอุปสงค์ของอุปทานที่เกิน 70% ซึ่งคาดว่าจะคงอยู่จนถึงปี 2030 Goldman Sachs ได้ออกการคาดการณ์ที่ตรงยิ่งขึ้นไปอีก: "อุปทานของแหล่งกำเนิดแสงจะยังคงจำกัดจนถึงปี 2027 และอาจเริ่มสมดุลในช่วงครึ่งหลังของ ปี 2028 เมื่อการขยายกำลังการผลิตของห่วงโซ่อุปทานเกิดขึ้นทางออนไลน์"
ฟิล์มบาง-ลิเธียมไนโอเบต (TFLN)
ด้วยการใช้ประโยชน์จากเอฟเฟกต์แสงเชิงเส้น- (เอฟเฟกต์ Pockels) ของลิเธียมไนโอเบต ฟิล์มบาง- ลิเธียมไนโอเบตทำให้เกิด-แบนด์วิดท์สูง -ความเป็นเชิงเส้นสูง (ความเที่ยงตรงสูง-) การปรับสัญญาณออปติคอลที่แรงดันไฟฟ้าในการขับเคลื่อนต่ำ ซึ่งทำให้-เหมาะสมสำหรับแอปพลิเคชันการส่งผ่านแสงที่มีแบนด์วิดธ์สูง- ถึงระยะไกล- เช่น เครือข่ายแกนหลักและเครือข่ายรถไฟใต้ดิน นอกจากนี้ ค่าคอนทราสต์ของดัชนีการหักเหแสงที่สูงและการจำกัดการมองเห็นที่ยอดเยี่ยมยังช่วยให้สามารถบูรณาการได้มากขึ้น ปรับปรุงขนาดอุปกรณ์และการใช้พลังงาน
ในตัวควบคุมออปติคัล ลิเธียมไนโอเบต-แบบฟิล์มบางมีค่าสัมประสิทธิ์ออปติก-ไฟฟ้าสามเท่าของ InP และมากกว่าร้อยเท่าของซิลิคอนโฟโตนิก ด้วยไฟเพียง 1.8V จึงสามารถบรรลุการมอดูเลตความเร็วสูงพิเศษ-สูง-เกินกว่า 100GHz ซึ่งลดการใช้พลังงานลง 30–50% ในขณะที่ช่องสัญญาณเดียวสามารถทำงานที่ 400G ได้อย่างง่ายดาย
เมื่อพลังการประมวลผลของ AI ระเบิดขึ้น การเชื่อมต่อแบบออปติกของศูนย์ข้อมูลก็เริ่มตั้งแต่ 400G ถึง 800G, 1.6T และ 3.2T ข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพของวัสดุแบบดั้งเดิมเริ่มชัดเจนมากขึ้น และ-ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางก็พร้อมที่จะกลายเป็นวัสดุที่สำคัญสำหรับ-การปรับการส่งผ่านแสงความเร็วสูง-รุ่นต่อไป ปัจจุบัน มีเพียงสี่บริษัททั่วโลกเท่านั้นที่เชี่ยวชาญ-ความสามารถในการผลิตจำนวนมากสำหรับเวเฟอร์ไฮเอนด์ขนาด 8- นิ้ว- โดยมีช่องว่างระหว่างอุปสงค์และอุปทานเกิน 70%
ซอย (ซิลิคอน-บน-ฉนวน)
ถ้าซิลิคอนเป็น "เนื้อ" ของชิป SOI ก็คือ "โครงกระดูก" ของซิลิคอนโฟโตนิกส์ โครงสร้างแซนวิช "ชั้นซิลิคอนฝังออกไซด์-สารตั้งต้น" นี้โดยการใส่ชั้นฉนวนซิลิกอนไดออกไซด์ไว้ใต้ชั้นซิลิกอน จะกำจัดการครอสทอล์คระหว่างอิเล็กตรอนและโฟตอนได้อย่างสมบูรณ์ จะช่วยลดความจุของปรสิตได้มากกว่า 60% ทำให้สัญญาณไฟฟ้าทำงานเร็วขึ้นและมีประสิทธิภาพมากขึ้น ที่สำคัญกว่านั้น ความแตกต่างของดัชนีการหักเหของแสงขนาดใหญ่ระหว่างซิลิคอนด้านบนและชั้นออกไซด์จะสร้าง "ผนัง" ของท่อนำคลื่นแสงตามธรรมชาติ ซึ่งช่วยให้สัญญาณแสงโค้งงอและส่งผ่านโดยสูญเสียบนชิปน้อยที่สุด
ในยุค AI นั้น SOI เป็นวัสดุหลักที่ไม่สามารถทดแทนได้สำหรับการผลิตโมดูลออปติคอล เครื่องยนต์ CPO และชิปควอนตัม กำลังการผลิตทั่วโลกกระจุกตัวอยู่ที่ Soitec ของฝรั่งเศส ทำให้การแปลภายในประเทศเป็นเรื่องสำคัญเร่งด่วน
พื้นผิวกระจก
เนื่องจาก GPU, HBM และชิปเล็ตซ้อนกันขับเคลื่อนบรรจุภัณฑ์ไปสู่ฟอร์มแฟคเตอร์ขนาดใหญ่ ความหนาแน่นสูงและการเชื่อมต่อระหว่างกันความเร็วสูง- สารตั้งต้นอินทรีย์แบบดั้งเดิมและตัวแทรกซิลิคอนกำลังเผชิญกับข้อจำกัดด้านขนาด ต้นทุน และประสิทธิภาพมากขึ้น
พื้นผิวแก้วผ่าน Glass Vias (TGV) สำหรับการเชื่อมต่อไฟฟ้าในแนวตั้ง ช่วยเติมเต็มช่องว่างทางการตลาดระหว่างซับสเตรตอินทรีย์และตัวแทรกซิลิคอนได้อย่างแม่นยำ มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่ปรับได้ (จับคู่กับชิปซิลิคอน) การสูญเสียอิเล็กทริกต่ำมาก และความเรียบของพื้นผิวสูงเป็นพิเศษ- การทดสอบของ Intel แสดงให้เห็นว่าสามารถลดการบิดเบือนรูปแบบได้ 50% และเพิ่มความหนาแน่นของการเชื่อมต่อถึง 10 เท่า
ผู้นำด้านเซมิคอนดักเตอร์ระดับโลกกำลังเร่งการลงทุนของตนอย่างรวดเร็ว – Intel, TSMC, Samsung Electro-Mechanics, SK Group และ LG Group ล้วนเข้าสู่เวทีการแข่งขันแล้ว โดยเป็นการเริ่มต้นการแข่งขันเชิงพาณิชย์เกี่ยวกับพื้นผิวแก้ว
พื้นผิวเซรามิก
ในบรรจุภัณฑ์รวมที่มีความหนาแน่นสูง- อุปกรณ์กำลังสูง-ที่ทำงานพร้อมกันจะสร้างความร้อนเข้มข้นจำนวนมหาศาล และพื้นผิวของบรรจุภัณฑ์เป็นองค์ประกอบกระจายความร้อนหลัก- เนื่องจากกำลังของชิป AI เกินเกณฑ์ 2,000W พื้นผิวอินทรีย์ FR-4 แบบดั้งเดิมที่มีค่าการนำความร้อนต่ำ (เพียง 0.3 W/(m·K)) และการขยายตัวเนื่องจากความร้อนไม่ตรงกัน ต้องเผชิญกับความเสี่ยงต่อการบิดเบี้ยวและการหลุดร่อนอย่างรุนแรง พื้นผิวเซรามิกที่มีข้อดีโดยธรรมชาติคือการนำความร้อนสูง ความเป็นฉนวนไฟฟ้าสูง และการจับคู่ความร้อนที่ดีเยี่ยม กลายเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับสถานการณ์พลังงานสูง
อะลูมิเนียมไนไตรด์ (AlN) ที่มีค่าการนำความร้อน 170–220 W/(m·K) เป็นตัวเลือกอันดับต้นๆ สำหรับการกระจายความร้อนในโมดูลออปติคอลความเร็วสูง- 800G/1.6T ซิลิคอนไนไตรด์ (Si₃N₄) ซึ่งมีความแข็งแรงดัดงอได้ดีเยี่ยมและทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน ทำหน้าที่เป็นฐานบรรจุภัณฑ์สำหรับโมดูลพลังงานแรงดันสูง - ของ SiC/GaN