Sức mạnh tính toán AI đang bị bóp nghẹtnguyên vật liệu.
Giám đốc điều hành Intel Lip{0}}Bu Tan đã đặt tên kim cương, cacbua silic (SiC), photphua indium (InP), gali nitrit (GaN) và chất nền thủy tinh là năm vật liệu chính quan trọng để phá vỡ nút cổ chai. Trong khi đó, những người trong ngành đã thẳng thừng cảnh báo: "Công suất sản xuất laser InP không đủ là điểm nghẽn cốt lõi của hệ thống quang học đồng đóng gói (CPO)".
Điều này có nghĩa là dù chip GB200/300 của Nvidia có mạnh đến đâu thì nếu không có sự hỗ trợ của vật liệu tiên tiến, dữ liệu sẽ không thể truyền ở tốc độ cao.
Đây không chỉ là vấn đề về năng lực – nó còn là thách thức đẩy lùi các giới hạn của khoa học vật liệu. Từ cung cấp năng lượng SiC/GaN và bao bì chất nền thủy tinh-(như được nhấn mạnh bởi Tan), đến lithium niobate và SOI cho các giải pháp kết nối quang cũng như chất nền kim cương và gốm để tản nhiệt khi tải điện cực lớn,nguyên vật liệuđã trở thành chiến trường vô hình trong nửa sau của AI. Ai đột phá trước sẽ nắm giữ chìa khóa thống trị máy tính.
Kim cương
Khi sức mạnh điện toán AI tăng tốc với tốc độ chóng mặt, khả năng tản nhiệt ở các con chip cao cấp-ngày càng trở nên nghiêm trọng. Ví dụ, Rubin Ultra của Nvidia dự kiến sẽ vượt quá 2.300W mỗi chip, với mật độ dòng nhiệt cục bộ vượt quá 1.000 W/cm2 – một mức nhiệt gần như không thể tưởng tượng được. Các thiết bị tản nhiệt bằng đồng và nhôm truyền thống đang đạt đến giới hạn vật lý. Kim cương, với khả năng dẫn nhiệt cực cao-, đã nổi lên như một ứng cử viên hàng đầu trong số các vật liệu bán dẫn mới.
Được biết đến rộng rãi với độ cứng cực cao – chất cứng nhất trong tự nhiên, với độ cứng Mohs là 10 – kim cương cũng là một trong những chất dẫn nhiệt tốt nhất trong tự nhiên, với độ dẫn nhiệt lên tới 2.200 W/(m·K), gấp 5,5 lần đồng và 11 lần nhôm. Nó cũng là một chất cách điện và hệ số giãn nở nhiệt của nó gần giống với hệ số giãn nở nhiệt của silicon, SiC và GaN. Các nhà quan sát trong ngành đã lưu ý: khi-công suất của một chip vượt quá 1.400W, kim cương không còn là "tùy chọn" nữa mà trở thành "điều cần thiết".
GPU có kiến trúc Vera Rubin thế hệ tiếp theo{0}}của Nvidia đã áp dụng hoàn toàn giải pháp "vật liệu hỗn hợp kim cương–đồng + 45 độ-làm mát bằng chất lỏng tiếp xúc trực tiếp" và ngành thậm chí còn đánh dấu năm 2026 là "năm đầu tiên áp dụng tản nhiệt kim cương ở quy mô lớn-."
Cacbua silic (SiC)
Công suất giá đỡ trung tâm dữ liệu AI đang tăng từ hàng chục kilowatt lên hàng trăm kilowatt, với các giá đỡ quy mô megawatt{0}} sắp tới. Khi mức dòng điện và điện áp tăng lên, quá trình chuyển đổi năng lượng dựa trên silicon{2}}truyền thống sẽ chịu tổn thất đáng kinh ngạc. Hơn nữa, AI yêu cầu các vật liệu tản nhiệt nhanh, tiêu thụ ít năng lượng hơn, chiếm không gian tối thiểu và chịu được nhiệt độ cao.
SiC cung cấp điện áp đánh thủng cao, hiệu suất ổn định ở nhiệt độ cao và tổn thất chuyển mạch thấp hơn nhiều so với silicon. Kích thước nhỏ gọn của thiết bị và độ tin cậy tuyệt vời khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho kiến trúc DC (HVDC) điện áp cao- 800V – đạt được hiệu suất trên 97% trong các giai đoạn chỉnh lưu điện áp đầu vào-cao và hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC), đồng thời giảm tổn thất truyền tải hơn 30% trong hệ thống HVDC 800V. Các trung tâm dữ liệu mới do Nvidia, Microsoft và những gã khổng lồ công nghệ khác xây dựng đã áp dụng kiến trúc nguồn dựa trên SiC-làm tiêu chuẩn. Các nhà sản xuất nội địa Trung Quốc như TankeBlue Semiconductor đang tăng tốc sản xuất hàng loạt chất nền và epiticular 8 inch để giảm chi phí wafer.
Gallium Nitrat (GaN)
GaN và SiC tạo thành sự phân chia "điện áp-cao và điện áp-thấp” rõ ràng: SiC ở trong phòng máy chủ, trong khi GaN di chuyển vào các giá đỡ.
GaN có tính năng di động điện tử cao và mật độ năng lượng đặc biệt, vượt trội trong việc chuyển đổi năng lượng ở-tần số cao, điện áp{1}}thấp, mật độ cao-. Trong mô-đun nguồn GPU, bộ chuyển đổi DC-DC tần số cao và nguồn điện máy chủ – nơi không gian và tốc độ phản hồi rất quan trọng – GaN có thể thu nhỏ kích thước nguồn điện trong khi tăng mật độ nguồn. Quy trình GaN 8-inch của Samsung đã giảm được 30% chi phí và đang tăng tốc khả năng thích ứng để triển khai trung tâm dữ liệu quy mô lớn.
Indi Phosphua (InP)
Indium phosphide là chất không thể thay thế – nó là vật liệu nền được sản xuất hàng loạt-hàng loạt duy nhất cho chip laser và bộ tách sóng quang, hoàn toàn phù hợp với cửa sổ tổn thất thấp-ở bước sóng 1310nm và 1550nm của truyền thông cáp quang{4}}. Trong miền CPO, phương pháp tiếp cận chủ đạo của ngành tích hợp động cơ quang học và chip điện trên cùng một chất nền và các thiết bị phát ra-ánh sáng tốc độ cao-ở cốt lõi của CPO phụ thuộc 100% vào tia laser InP.
Quay trở lại lời cảnh báo của nhà điều hành ngành đó: đằng sau những lời đó là một dãy số rõ ràng. Vào năm 2025, nhu cầu chất nền InP toàn cầu ước tính khoảng 2,0–2,1 triệu chiếc, trong khi nguồn cung thực tế chỉ là 600.000–700.000 chiếc – khoảng cách cung-cầu vượt quá 70%, dự kiến sẽ tồn tại cho đến năm 2030. Goldman Sachs đã đưa ra một dự báo trực tiếp hơn nữa: "Nguồn cung cấp nguồn sáng sẽ vẫn thắt chặt cho đến năm 2027 và có thể chỉ bắt đầu cân bằng vào nửa cuối năm 2028 do chuỗi cung ứng việc mở rộng công suất sẽ được thực hiện trực tuyến."
Màng mỏng-Lithi Niobate (TFLN)
Tận dụng hiệu ứng quang điện-tuyến tính mạnh mẽ (hiệu ứng Pockels) của lithium niobate, lithium niobate{1}}màng mỏng cho phép điều chế tín hiệu quang-băng thông cao,-tuyến tính cao (độ chính xác-cao) ở điện áp điều khiển thấp. Điều này làm cho nó rất-phù hợp với các ứng dụng truyền dẫn quang có băng thông cao- từ trung bình- đến{8}}đường dài,{9}}băng thông cao như mạng đường trục và mạng đô thị. Ngoài ra, độ tương phản chỉ số khúc xạ cao và khả năng giam cầm quang học tuyệt vời của nó cho phép tích hợp cao hơn, cải thiện kích thước thiết bị và mức tiêu thụ điện năng.
Trong bộ điều biến quang học, lithium niobate{0}}màng mỏng cung cấp hệ số quang điện- gấp ba lần so với InP và hơn một trăm lần so với quang tử silicon. Chỉ với 1,8V, nó có thể đạt được khả năng điều biến tốc độ cực cao-trên 100GHz, cắt giảm mức tiêu thụ điện năng từ 30–50%, trong khi một kênh có thể dễ dàng chạy ở tốc độ 400G.
Khi sức mạnh điện toán AI bùng nổ, các kết nối quang của trung tâm dữ liệu đang chạy đua từ 400G đến 800G, 1,6T và 3,2T. Những hạn chế về hiệu suất của vật liệu truyền thống ngày càng trở nên rõ ràng và lithium niobate màng mỏng-sẵn sàng trở thành vật liệu quan trọng cho việc điều chế truyền dẫn quang tốc độ cao-thế hệ-tiếp theo. Hiện tại, chỉ có bốn công ty trên toàn thế giới đã làm chủ được khả năng sản xuất hàng loạt các tấm wafer cao cấp 8{{11}inch{12}}với khoảng cách cung-cầu vượt quá 70%.
SOI (Silicon-trên-Chất cách điện)
Nếu silicon là “thịt” của một con chip thì SOI là “bộ xương” của quang tử silicon. Cấu trúc bánh sandwich "đế silic-oxit chôn trên cùng" này, bằng cách chèn một lớp cách điện silicon dioxide bên dưới lớp silicon, loại bỏ hoàn toàn nhiễu xuyên âm giữa các electron và photon. Nó làm giảm điện dung ký sinh hơn 60%, cho phép tín hiệu điện chạy nhanh hơn và hiệu quả hơn. Quan trọng hơn, sự chênh lệch chiết suất lớn giữa lớp silicon trên cùng và lớp oxit tạo thành các “bức tường” của ống dẫn sóng quang một cách tự nhiên, cho phép tín hiệu quang bị uốn cong và truyền đi với tổn thất tối thiểu trên chip.
Trong kỷ nguyên AI, SOI là chất nền cốt lõi không thể thay thế để sản xuất mô-đun quang học, động cơ CPO và chip lượng tử. Năng lực sản xuất toàn cầu tập trung chủ yếu tại Soitec của Pháp, khiến việc nội địa hóa trong nước trở thành ưu tiên cấp bách.
Chất nền thủy tinh
Khi GPU, HBM và việc đóng gói ổ đĩa xếp chồng chiplet hướng tới hệ số hình dạng lớn, mật độ cao và kết nối tốc độ{{0} cao, chất nền hữu cơ truyền thống và bộ chuyển đổi silicon ngày càng gặp phải những hạn chế về kích thước, chi phí và hiệu suất.
Chất nền thủy tinh, thông qua vias thủy tinh (TGV) để kết nối điện theo chiều dọc, lấp đầy chính xác khoảng trống thị trường giữa chất nền hữu cơ và chất chuyển tiếp silicon. Chúng cung cấp hệ số giãn nở nhiệt có thể điều chỉnh được (phù hợp với chip silicon), tổn thất điện môi cực thấp và độ phẳng bề mặt cực cao. Các thử nghiệm của Intel cho thấy chúng có thể giảm 50% độ méo hình và tăng mật độ kết nối lên tới 10 lần.
Các công ty bán dẫn hàng đầu toàn cầu đang nhanh chóng tăng tốc đầu tư – Intel, TSMC, Samsung Electro{0}}Mechanics, SK Group và LG Group đều đã tham gia vào đấu trường, khởi động cuộc chạy đua thương mại xung quanh chất nền thủy tinh.
Chất nền gốm
Trong bao bì tích hợp mật độ-cao, các thiết bị có công suất-cao hoạt động đồng thời tạo ra lượng nhiệt tập trung lớn và chất nền bao bì là thành phần tản nhiệt-chính. Khi công suất chip AI vượt ngưỡng 2.000W, các chất nền hữu cơ FR-4 truyền thống, với độ dẫn nhiệt kém (chỉ 0,3 W/(m·K)) và độ giãn nở nhiệt không khớp, sẽ phải đối mặt với nguy cơ cong vênh và bong tróc nghiêm trọng. Chất nền gốm, với ưu điểm vốn có là tính dẫn nhiệt cao, cách điện cao và khả năng kết hợp nhiệt tuyệt vời, đã trở nên cần thiết cho các kịch bản sử dụng năng lượng cao.
Trong số đó, nhôm nitrit (AlN), có độ dẫn nhiệt 170–220 W/(m·K), là lựa chọn hàng đầu để tản nhiệt trong mô-đun quang-tốc độ cao 800G/1,6T. Silicon nitride (Si₃N₄), với độ bền uốn và khả năng chống sốc nhiệt tuyệt vời, đóng vai trò là nền tảng đóng gói cho các mô-đun nguồn điện áp cao SiC/GaN-.