Það er verið að kæfa háls gervigreindartölvuaflsinsefni.
Intel forstjóri Lip-Bu Tan hefur nefnt demant, kísilkarbíð (SiC), indíumfosfíð (InP), gallíumnítríð (GaN) og glerhvarfefni sem fimm lykilefni sem eru mikilvæg til að rjúfa flöskuhálsinn. Á sama tíma hafa innherjar í iðnaðinum hreint og beint varað við: "Ófullnægjandi InP leysir framleiðslugeta er kjarni choke point fyrir co-pakkað ljóstækni (CPO)."
Þetta þýðir að sama hversu öflugir GB200/300 flísar frá Nvidia eru, án stuðnings háþróaðra efna, geta gögn einfaldlega ekki flætt á miklum hraða.
Þetta er ekki bara getuvandamál - þetta er áskorun sem ýtir á mörk efnisfræðinnar. Allt frá SiC/GaN aflgjafa og gler-hvarfefnisumbúðum (eins og Tan er undirstrikað), til litíumníóbats og SOI fyrir ljósfræðilegar samtengingarlausnir og demants- og keramikhvarfefni fyrir hitaleiðni undir miklu aflálagi,efnihafa orðið ósýnilegi vígvöllurinn í seinni hluta gervigreindar. Sá sem slær í gegn fyrstur mun hafa lykilinn að tölvuyfirráðum.
Demantur
Þar sem gervigreind tölvuafl hraðar á ógnarhraða verður hitaleiðni í háum-flögum sífellt alvarlegri. Til dæmis er gert ráð fyrir að Rubin Ultra frá Nvidia fari yfir 2.300W á hverja flís, með staðbundnum hitaflæðisþéttleika sem fer yfir 1.000 W/cm² – næstum ólýsanlegt hitastig. Hefðbundnir kopar- og álhitadreifarar eru að ná líkamlegu takmörkunum. Diamond, með ofur-háa hitaleiðni, hefur komið fram sem leiðandi frambjóðandi meðal nýrra hálfleiðaraefna.
Víða þekktur fyrir gríðarlega hörku – harðasta náttúrulega efnið, með Mohs hörku upp á 10 – er demantur einnig einn besti varmaleiðari náttúrunnar, með hitaleiðni allt að 2.200 W/(m·K), 5,5 sinnum hærri en kopar og 11 sinnum hærri en áli. Það er líka rafmagns einangrunarefni og varmaþenslustuðull hans passar vel við kísil, SiC og GaN. Athugasemdir í iðnaði hafa tekið eftir: Þegar ein-flísafl fer yfir 1.400W er demantur ekki lengur „valkostur“ – hann verður „nauðsyn“.
Næsta-kynslóð Nvidia Vera Rubin arkitektúr GPU hefur að fullu tekið upp „demantur-kopar samsett efni + 45 gráðu bein-snertiefniskælingu“ lausn og iðnaðurinn hefur meira að segja merkt árið 2026 sem „fyrsta árið í stórum-hitaleiðni í demantum.
Kísilkarbíð (SiC)
Kraftur gervigreindargagnavera eykst úr tugum kílóvötta í hundruð kílóvötta, með megavatta-skala rekki á sjóndeildarhringnum. Þegar straum- og spennustig hækkar, þjáist hefðbundin kísil-aflbreyting fyrir yfirþyrmandi tapi. Þar að auki krefst gervigreindar efna sem dreifa hita hratt, eyða minni orku, taka lágmarks pláss og standast háan hita.
SiC býður upp á háa niðurbrotsspennu, stöðugan árangur við háan hita og skiptitap mun lægra en sílikon. Fyrirferðarlítið tækjafótspor þess og framúrskarandi áreiðanleiki gera það að kjörnum vali fyrir 800V há- DC (HVDC) arkitektúr – með því að ná fram skilvirkni yfir 97% í háspennuinntaksleiðréttingu og aflstuðlaleiðréttingu (PFC) þrepum og dregur úr flutningstapi um meira en 30% í HVDC kerfum. Ný gagnaver byggð af Nvidia, Microsoft og öðrum tæknirisum hafa nú þegar tekið upp SiC-aflarkitektúr sem staðalbúnað. Innlendir kínverskir framleiðendur eins og TankeBlue Semiconductor eru að flýta fyrir 8 tommu undirlagi og epitaxial fjöldaframleiðslu til að draga úr oblátakostnaði.
Gallíumnítríð (GaN)
GaN og SiC mynda skýra „há-spennu vs. lág-spenna skiptingu: SiC helst í miðlaraherberginu á meðan GaN færist inn í rekkana.
GaN býður upp á mikla rafeindahreyfanleika og einstakan aflþéttleika, sem skarar fram úr í há-tíðni, lágri-spennu, mikilli-þéttleika orkubreytingu. Í GPU-afleiningum, hátíðni DC-DC breytum og aflgjafa miðlara – þar sem pláss og viðbragðshraði eru mikilvæg – getur GaN minnkað stærð aflgjafa en aukið aflþéttleika. 8-tommu GaN ferli Samsung hefur þegar náð 30% kostnaðarlækkun og flýtir fyrir aðlögun þess fyrir uppsetningu gagnavera í stórum stíl.
Indíumfosfíð (InP)
Indíumfosfíð er óbætanlegt – það er eina massa-undirlagsefnið fyrir leysi- og ljósnemaflísar, sem passar fullkomlega við 1310nm og 1550nm lágt-tapsglugga ljósleiðara-samskipta. Á CPO léninu, samþættir almenna nálgun iðnaðarins sjónvélar og rafmagnsflísar á sama undirlag og há-ljósgjafi-tækin í kjarna CPO treysta 100% á InP leysigeisla.
Við snúum aftur að viðvörun iðnaðarstjórans: á bak við þessi orð liggur áþreifanlegt safn af tölum. Árið 2025 er alþjóðleg eftirspurn eftir InP undirlagi áætluð 2,0–2,1 milljón stykki, á meðan virkt framboð er aðeins 600.000–700.000 stykki – framboð-eftirspurnarbil sem er yfir 70%, sem búist er við að haldist til ársins 2030. Goldman Sachs hefur gefið út enn meiri „2 straum“ fyrir framboð: og gæti aðeins byrjað að ná jafnvægi á seinni hluta ársins 2028 þar sem getu aðfangakeðjunnar er stækkun á netinu."
Thin-Film Lithium Niobate (TFLN)
Með því að nýta sterk línuleg raf-sjónræn áhrif (Pockels-áhrif) litíumníóbats, gerir þunn-filmu litíumníóbat kleift að móta mikla-bandbreidd, mikla-línuleika (há-næði) ljósmerkjamótun við lága akstursspennu. Þetta gerir það að verkum að það hentar vel- fyrir miðlungs- til langa-fjarlægð, há-bandbreiddar sjónflutningsforrit eins og grunnnet og neðanjarðarlestarkerfi. Að auki gerir hár brotstuðull birtuskil þess og framúrskarandi sjónræn lokun meiri samþættingu, sem bætir stærð tækisins og orkunotkun.
Í optískum mótara býður þunn-filmu litíumníóbat upp á raf-optískan stuðul sem er þrisvar sinnum hærri en InP og meira en hundrað sinnum hærri en kísilljóseindir. Með aðeins 1,8V getur það náð ofur-háum-hraðamótun umfram 100GHz, minnkað orkunotkun um 30–50%, á meðan ein rás getur auðveldlega keyrt á 400G.
Þegar gervigreind tölvuafl springur, eru sjónrænar samtengingar gagnavera í kappakstri frá 400G til 800G, 1.6T og 3.2T. Frammistöðutakmarkanir hefðbundinna efna verða sífellt áberandi og þunn-filmu litíumníóbat er í stakk búið til að verða mikilvægt efni fyrir næstu-kynslóð há-optískrar sendingarmótun. Eins og er hafa aðeins fjögur fyrirtæki um allan heim náð tökum á fjöldaframleiðslu-möguleika fyrir 8-tommu há-oblátur, með framboð og eftirspurn sem er yfir 70%.
SOI (Silicon-on-Insulator)
Ef kísill er „hold“ flísar er SOI „beinagrind“ kísilljóseindafræðinnar. Þessi "efri kísil-grafna oxíð-hvarfefni" samlokubygging, með því að setja kísildíoxíð einangrunarlag undir kísillagið, útilokar algjörlega víxlun milli rafeinda og ljóseinda. Það dregur úr rýmd sníkjudýra um meira en 60%, sem gerir rafboðum kleift að keyra hraðar og skilvirkari. Mikilvægara er að stóri brotstuðullsmunurinn á efsta kísilinu og oxíðlaginu myndar náttúrulega „veggi“ ljósbylgjuleiðara, sem gerir sjónmerkjum kleift að beygjast og sendast með lágmarkstapi á flísinni.
Á AI tímum er SOI óbætanlegt kjarnahvarfefni til að framleiða sjóneiningar, CPO vélar og skammtaflísar. Framleiðslugeta á heimsvísu er mjög einbeitt hjá Soitec í Frakklandi, sem gerir innlenda staðsetningu að brýnni forgangi.
Gler undirlag
Þar sem GPU, HBM og kubba stöflun keyra umbúðir í átt að stórum formstuðlum, háum þéttleika og háhraða samtengingum, verða hefðbundin lífræn undirlag og sílikoninnskot í auknum mæli frammi fyrir takmörkunum hvað varðar stærð, kostnað og afköst.
Glerhvarfefni, í gegnum glervegg (TGV) fyrir lóðrétta raftengingu, fylla nákvæmlega upp í markaðsbilið á milli lífrænna undirlags og sílikon milliliða. Þeir bjóða upp á stillanlegan varmaþenslustuðul (samsvörun við kísilflögur), afar lágt rafstraumstap og ofur-slétt yfirborð. Prófanir frá Intel hafa sýnt að þær geta dregið úr röskun á mynstri um 50% og aukið þéttleika samtengja um allt að 10 sinnum.
Leiðtogar í hálfleiðurum á heimsvísu hraða fjárfestingum sínum hratt – Intel, TSMC, Samsung Electro-Mechanics, SK Group og LG Group hafa öll stigið inn á vettvang og hefja viðskiptakapphlaup um undirlag úr gleri.
Keramik undirlag
Í samþættum umbúðum með mikilli-þéttleika mynda mikil-afl tæki sem starfa samtímis gríðarlegt magn af samþjöppuðum hita og undirlag umbúða er aðal-hitaleiðandi hluti. Þar sem AI flísafl fer yfir 2.000W þröskuldinn, standa hefðbundin FR-4 lífræn undirlag, með lélegri hitaleiðni (aðeins 0,3 W/(m·K)) og misræmi í hitaþenslu, frammi fyrir alvarlegri skekkju og aflögun. Keramik hvarfefni, með eðlislægum kostum þeirra mikillar hitaleiðni, mikillar rafeinangrunar og framúrskarandi varmasamsvörunar, eru orðin nauðsyn fyrir aðstæður með miklum krafti.
Meðal þeirra er álnítríð (AlN), með hitaleiðni 170–220 W/(m·K), besti kosturinn fyrir hitaleiðni í 800G/1,6T háhraða ljóseiningum. Kísilnítríð (Si₃N₄), með framúrskarandi beygjustyrk og hitaáfallsþol, þjónar sem pökkunargrunnur fyrir SiC/GaN háspennuafleiningar.