ככל שמירוץ הבינה המלאכותית מתגבר, צריכת החשמל של-שבבי GPU מתקדמים ממשיכה לעלות באופן דרמטי. צריכת החשמל של כרטיס H100 יחיד-של NVIDIA מגיעה ל-700 W, סדרת Blackwell החדשה דוחפת את זה ל-1000-1400 W, ול-GPU העדכני ביותר של ארכיטקטורת Vera Rubin יש צריכת חשמל שיא העולה על 2300 W. רמות הספק קיצוניות כאלה הפכו לצוואר בקבוק מרכזי לפיתוח שבב AI של הדור הבא.
נכון לעכשיו, קירור נוזל וקירור טבילה מאומצים באופן נרחב בתעשייה לניהול תרמי ברמת השרת. עם זאת, גישות אלו אינן יכולות לפתור את הבעיה הבסיסית של הצטברות חום מקומית קרובה לשבב. נקודות חמות מתמשכות מובילות למצערת תדרים ולירידה בביצועים, מה שמגביל מאוד את היכולת של שבבי AI מתקדמים. טכנולוגיית פיזור חום המבוססת על יהלומים הופיעה כמסלול יעיל להתגבר על אתגר זה.
טעות נפוצה בשוק היא שהיתרון העיקרי של היהלום הוא רק המוליכות התרמית הגבוהה שלו. במציאות, התחרותיות המרכזית של היהלום טמונה ביכולת הכפולה שלו: מוליכות תרמית גבוהה במיוחד בשילוב עם התפשטות תרמית מצוינת בהתאמה לחומרי שבבים-שילוב שחומרים מסורתיים כגון נחושת, כסף וסיליקון קרביד אינם יכולים להשיג בקלות.
נתוני מפתח מראים שליהלום CVD חד גבישי מוליכות תרמית העולה על 2000 W/(m·K), וגרסאות מטוהרות איזוטופיות עולות על 3000 W/(m·K)-בערך פי חמישה מזו של נחושת רגילה. באופן קריטי אף יותר, היהלום מציע תאימות תרמית יוצאת דופן: מקדם ההתפשטות התרמית (CTE) שלו הוא רק 1.0-1.1 ppm/K, תואם היטב את 2.6 ppm/K של סיליקון, וכתוצאה מכך אי התאמה תרמית של 1.5 ppm/K בלבד. לעומת זאת, לנחושת, הנפוץ בתעשייה, יש CTE של 16.5–17 ppm/K, מה שנותן אי התאמה לסיליקון של כ-14 ppm/K- בסדר גודל גבוה מזה של יהלום.
שבבי בינה מלאכותית נוכחיים מאמצים בדרך כלל תהליכי ערימה ב-2.5D ותלת-ממד, המרכזים מקורות חום בצפיפות בין שכבות ומחמירים את ההצלבה התרמית. מבנים מבוססי נחושת, עם אי ההתאמה התרמית הגדולה שלהם, עוברים התרחבות והתכווצות מתמשכים במחזוריות חוזרת של טמפרטורה, מה שגורם בקלות לעייפות מפרקי ההלחמה ולפיצוח הממשק -שפוגעים באופן משמעותי באמינות השבב ובתוחלת החיים. יהלום, הודות לאי ההתאמה התרמית הנמוכה מאוד שלו, מפחית באופן מהותי את הלחץ התרמי בממשקי השבבים ומונע סיכוני כשל באריזה, מה שהופך אותו להתאמה היטב למגמות של התפתחות שבב בינה מלאכותית מתקדמת.
יהלום פולי-גבישי משיג מוליכות תרמית של 1000-2200 W/(m·K) עם אותו CTE כמו יהלום חד-גביש, וניתן לייצר אותו בגדלים גדולים בעלות נמוכה יותר, מה שהופך אותו למתאים לפריסה בקנה מידה גדול כגוף חום בשרתי AI. חומרים מרוכבים של יהלום-נחושת מציעים מוליכות תרמית של 500–650 W/(m·K), עם CTE ניתן לכוונון ויכולת עיבוד טובה-, פשרה חסכונית הפותרת את הדילמה המסורתית של "מוליכות תרמית גבוהה אך תאימות שבבים לקויה".
למרות היתרונות החומריים הבולטים הללו, האימוץ התעשייתי עדיין מתמודד עם שני אתגרים טכניים מרכזיים.
ראשית, עמידות תרמית ממשקית. ישנה תפיסה שגויה רווחת שכל חומר הכולל יהלום מספק קירור אוטומטי פי חמישה יותר מנחושת. במציאות, תהליכי מליטה לקויים יכולים ליצור עמידות תרמית גבוהה מאוד של משטחי הפנים, לשלול את המוליכות המעולה הטבועה של היהלום ולערער קשות על ביצועי פיזור החום. שנית, עיבוד סופר-דיוק והרכבת פנים. הקשיות הקיצונית של יהלום מחייבת ציוד ותהליכים מיוחדים לכל שלבי הדיוק, מה שמעלה את מחסום העיבוד. יתר על כן, החיבור הממשק החלש בין יהלום ונחושת דורש טכניקות שינוי ממשק כגון ציפוי טיטניום או טונגסטן כדי להשיג תרכובת יציבה ולהבטיח פעולה אמינה לטווח ארוך.
צריכת החשמל הנוכחית של שבב בינה מלאכותית גדלה בקצב של "משולש תוך שלוש שנים", והאימוץ הנרחב של ערימה תלת-ממדית הפך את הצטברות החום הבין-שכבתית ואת הנקודות החמות המקומיות לבולטות יותר ויותר. נקודות חמות אלו הן הגורם העיקרי לירידה בביצועים ולהפחתת תדרים כפויה. חשוב להבהיר שהתפשטות חום יהלום וקירור נוזלים אינם תחליפים אלא פתרונות משלימים: יהלום משמש לשטח שטפי חום מקומיים קיצוניים ולחסל הצטברות של נקודות חמות-בטיפול בריכוז החום הקרוב לצומת-בעוד קירור נוזלי מסיר את החום המפוזר באופן אחיד מהמערכת, ומשלים את דחיית החום הרחוק.
השרשרת התעשייתית של פיזור חום היהלומים המקומית מראה דפוס של חוזק בחומרי גלם במעלה הזרם אך חולשה יחסית בתהליכי הליבה במורד הזרם. בצמיחת יהלומים סינתטיים במעלה הזרם, היכולות הטכניות של סין ליהלומים רב גבישיים בשטח גדול עומדות בשוויון, או במדדים מסוימים אפילו לפני, מקבילות מעבר לים. עם זאת, נותרו פערים בטכנולוגיות מפתח במורד הזרם, כגון הלחמה ישירה ללא הלחמה ברמת רקיק ובקרת תהליך מדויקת עם התנגדות תרמית נמוכה.
מבחינת עלות, צריכת החשמל הגבוהה של ציוד MPCVD היא לחץ העלויות העיקרי לייצור המוני. כדי להתמודד עם זה, חברות מקומיות מובילות כמו SF Diamond, Huanghe Whirlwind ו-Huifeng Diamond בונות באופן אסטרטגי כושר ייצור באזורים עם מחירי חשמל נמוכים, כגון שינג'יאנג ומונגוליה הפנימית, תוך מינוף כוח זול, ציוד לייצור חדרים גדולים ופיתוחי תהליכים קנייניים כדי להפחית באופן מתמשך את עלויות הייצור.
בסך הכל, בהתחשב במגמה של צריכת חשמל הולכת וגוברת בשבבי AI, חומרי פיזור חום מסורתיים מבוססי נחושת הגיעו לגבולות הביצועים הפיזיים שלהם ובקושי יכולים לעמוד בדרישות של שבבים מתקדמים מהדור הבא. יהלום, עם השילוב הייחודי שלו של מוליכות תרמית גבוהה במיוחד ואי התאמה תרמית נמוכה, בולט כפתרון ניהול תרמי יעיל עבור שבבי AI מתקדמים.