גרון כוח המחשוב בינה מלאכותית נחנק על ידיחומרים.
מנכ"ל אינטל Lip-Bu Tan כינה מצעי יהלומים, סיליקון קרביד (SiC), אינדיום פוספיד (InP), גליום ניטריד (GaN) ומצעי זכוכית כחמישה חומרים עיקריים קריטיים לשבירת צוואר הבקבוק. בינתיים, גורמים בתעשייה הזהירו בבוטות: "יכולת ייצור לא מספקת של לייזר InP היא נקודת החנק המרכזית עבור אופטיקה ארוזה (CPO)."
המשמעות היא שלא משנה כמה חזקים הם השבבים GB200/300 של Nvidia, ללא תמיכה של חומרים מתקדמים, הנתונים פשוט לא יכולים לזרום במהירות גבוהה.
זה לא רק עניין של יכולת - זה אתגר שדוחף את הגבולות של מדעי החומרים. מאספקת כוח SiC/GaN ואריזת מצע-מזכוכית (כפי שהודגש על ידי Tan), ועד ליתיום ניובאט ו-SOI לפתרונות חיבור אופטיים, ומצעי יהלום וקרמיקה לפיזור חום תחת עומסי כוח קיצוניים,חומריםהפכו לשדה הקרב הבלתי נראה במחצית השנייה של הבינה המלאכותית. מי שיפרוץ ראשון יחזיק במפתח לדומיננטיות מחשוב.
יַהֲלוֹם
ככל שכוח המחשוב בינה מלאכותית מואץ במהירות מסחררת, פיזור החום בשבבים-מתקדמים הופך לחמור יותר ויותר. Rubin Ultra של Nvidia, למשל, צפוי לעלות על 2,300W לשבב, עם צפיפות שטף חום מקומית העולה על 1,000 W/cm² - רמת חום כמעט בלתי נתפסת. מפזרי חום מסורתיים מנחושת ואלומיניום פוגעים בגבולות הפיזיים שלהם. יהלום, עם המוליכות התרמית הגבוהה במיוחד שלו, התגלה כמועמד מוביל בין חומרי מוליכים למחצה חדשים.
ידוע ברבים בקשיותו הקיצונית - החומר הקשה ביותר בטבע, עם קשיות Mohs של 10 - היהלום הוא גם אחד המוליכים התרמיים הטובים ביותר של הטבע, עם מוליכות תרמית של עד 2,200 W/(m·K), פי 5.5 מזו של נחושת ופי 11 מאלומיניום. הוא גם מבודד חשמלי, ומקדם ההתפשטות התרמית שלו תואם מאוד את זה של סיליקון, SiC ו-GaN. משקיפים בתעשייה ציינו: כאשר הספק-שבב בודד עולה על 1,400W, היהלום אינו עוד "אופציה" - הוא הופך להיות "הכרח".
הדור הבא של-מעבדי ה-GPU של Vera Rubin של ארכיטקטורת Vera Rubin אימצו באופן מלא פתרון של "חומר מרוכב יהלום-נחושת + 45 בדרגה ישירה-קירור נוזלי במגע", והתעשייה אפילו סימנה את 2026 כ"שנה הראשונה של אימוץ-בקנה מידה גדול של פיזור חום יהלום."
סיליקון קרביד (SiC)
הספק של מדפי מרכז הנתונים בינה מלאכותית עולה מעשרות קילוואט למאות קילוואט, עם מדפי מגה-וואט- באופק. ככל שרמות הזרם והמתח עולות, המרת הספק-מסורתית מבוססת סיליקון סובלת מהפסדים מדהימים. יתרה מכך, בינה מלאכותית דורשת חומרים שמפזרים חום במהירות, צורכים פחות חשמל, תופסים מקום מינימלי ועמידים בטמפרטורות גבוהות.
SiC מציע מתח פירוק גבוה, ביצועים יציבים בטמפרטורות גבוהות והפסדי מיתוג נמוכים בהרבה מסיליקון. טביעת הרגל הקומפקטית של המכשיר והאמינות המצוינת שלו הופכים אותו לבחירה האידיאלית עבור ארכיטקטורות 800V -מתח DC גבוה (HVDC) - השגת יעילות של מעל 97% בשלבי תיקון קלט מתח גבוה- ותיקון פקטור הספק (PFC), והפחתת הפסדי שידור במערכות HVDC 800V גבוהות מ-30%. מרכזי נתונים חדשים שנבנו על ידי Nvidia, Microsoft וענקיות טכנולוגיה אחרות כבר אימצו ארכיטקטורות כוח מבוססות SiC- כסטנדרט. יצרנים סיניים מקומיים כגון TankeBlue Semiconductor מאיצים מצע בגודל 8 אינץ' וייצור המוני אפיטקסיאלי כדי להפחית את עלויות הפרוסות.
גליום ניטריד (GaN)
GaN ו-SiC יוצרים חלוקה ברורה של "מתח גבוה- לעומת מתח נמוך-: SiC נשאר בחדר השרתים, בעוד GaN עובר לתוך המדפים.
GaN כולל ניידות אלקטרונית גבוהה וצפיפות הספק יוצאת דופן, מצטיינים בהמרת הספק-תדר גבוהה,-נמוכה, וצפיפות-גבוהה. במודולי כוח של GPU, בממירי DC-תדר גבוה- וספקי כוח של שרתים - שבהם המרחב ומהירות התגובה הם קריטיים - GaN יכול לכווץ את גודל ספק הכוח תוך הגברת צפיפות ההספק. תהליך GaN בגודל 8-אינץ' של סמסונג כבר השיג הפחתת עלות של 30% ומאיץ את ההתאמה שלו לפריסת מרכזי נתונים בקנה מידה גדול.
אינדיום פוספיד (InP)
אינדיום פוספיד הוא בלתי ניתן להחלפה - זהו חומר המצע היחיד לייצור המוני-לשבבי לייזר ופוטו-גלאי, התואם באופן מושלם לחלונות האובדן-הנמוכים של 1310nm ו-1550nm של תקשורת סיבים אופטיים-. בתחום ה-CPO, הגישה המיינסטרים של התעשייה משלבת מנועים אופטיים ושבבים חשמליים על אותו מצע, והמכשירים פולטי האור-המהירות הגבוהה- בליבת ה-CPO מסתמכים ב-100% על לייזרים InP.
אם נחזור לאזהרה של בכיר בתעשייה: מאחורי המילים הללו מסתתרת קבוצה ברורה של מספרים. בשנת 2025, הביקוש העולמי למצע InP מוערך ב-2.0-2.1 מיליון חתיכות, בעוד שההיצע האפקטיבי הוא רק 600,000-700,000 חתיכות - פער ביקוש-של היצע העולה על 70%, שצפוי להימשך עד שנת 2030. גולדמן זאקס הנפיקה מקור ישיר עוד יותר עבור היצע, עד 2. והוא עשוי להתחיל להתאזן רק במחצית השנייה של 2028 כאשר הרחבות קיבולת שרשרת האספקה נכנסות לרשת."
דק-סרט ליתיום ניובאט (TFLN)
מינוף האפקט האלקטרוני-האופטי החזק (אפקט Pockels) של ליתיום ניובט, ליתיום ניובאט סרט-דק מאפשר אפנון אותות אופטי-גבוה,-גבוה-לינאריות (גבוה-נאמנות) במתחי הנעה נמוכים. זה הופך אותו-למתאים היטב ליישומי שידור אופטיים- בינוניים עד-ארוכים, ברוחב פס-גבוה, כגון רשתות עמוד השדרה ורשתות מטרו. בנוסף, הניגודיות הגבוהה של מקדם השבירה והכליאה האופטית המצוינת שלו מאפשרים אינטגרציה גבוהה יותר, שיפור גודל המכשיר וצריכת החשמל.
במאפננים אופטיים, ליתיום ניובאט-דק מציע מקדם -אלקטרו אופטי פי שלושה מזה של InP ומעל פי מאה מזה של פוטוני סיליקון. עם 1.8V בלבד, הוא יכול להשיג אפנון מהיר במיוחד-גבוה- מעבר ל-100GHz, לחתוך את צריכת החשמל ב-30-50%, בעוד ערוץ בודד יכול לפעול בקלות ב-400G.
כאשר כוח המחשוב בינה מלאכותית מתפוצץ, חיבורים אופטיים של מרכזי נתונים דוהרים מ-400G ל-800G, 1.6T ו-3.2T. מגבלות הביצועים של חומרים מסורתיים הופכות בולטות יותר ויותר, ו-ליתיום ניובאט סרט דק עשוי להפוך לחומר קריטי ל-דור הבא של אפנון שידור אופטי מהיר-. נכון לעכשיו, רק ארבע חברות ברחבי העולם שולטות ביכולות-ייצור המוניות של פרוסות 8-אינץ' גבוהות-, עם פער בין היצע לביקוש העולה על 70%.
SOI (סיליקון-על-מבודד)
אם סיליקון הוא ה"בשר" של שבב, SOI הוא ה"שלד" של פוטוניקת הסיליקון. מבנה הסנדוויץ' "תחמוצת-תחמוצת קבורה עליון בסיליקון עליון", על ידי החדרת שכבת בידוד של סיליקון דו חמצני מתחת לשכבת הסיליקון, מבטל לחלוטין את הדיבור בין אלקטרונים ופוטונים. זה מפחית את הקיבול הטפילי ביותר מ-60%, ומאפשר לאותות חשמליים לרוץ מהר יותר ויעילה יותר. חשוב מכך, ההבדל הגדול במקדם השבירה בין הסיליקון העליון לשכבת התחמוצת יוצר באופן טבעי את "הקירות" של מוליך גל אופטי, מה שמאפשר לאותות אופטיים להתכופף ולשדר עם אובדן מינימלי בשבב.
בעידן ה-AI, SOI הוא מצע הליבה שאין לו תחליף לייצור מודולים אופטיים, מנועי CPO ושבבים קוונטיים. יכולת הייצור העולמית מרוכזת מאוד ב-Soitec הצרפתית, מה שהופך את הלוקליזציה המקומית לעדיפות דחופה.
מצע זכוכית
מכיוון שמעבדי GPU, HBM ו-chiplet דוחפים אריזות לגורמי צורה גדולים, צפיפות גבוהה וחיבורים מהירים-, מצעים אורגניים מסורתיים ומשבבי סיליקון מתמודדים יותר ויותר עם מגבלות בגודל, עלות וביצועים.
מצעי זכוכית, באמצעות צינורות זכוכית (TGV) לחיבור חשמלי אנכי, ממלאים במדויק את פער השוק בין מצעים אורגניים לצורכי סיליקון. הם מציעים מקדם התפשטות תרמית שניתן לכוונן (בהתאמה לשבבי סיליקון), אובדן דיאלקטרי נמוך במיוחד, ושטיחות משטח גבוהה במיוחד.- בדיקות אינטל הראו שהם יכולים להפחית את עיוות הדפוס ב-50% ולהגדיל את צפיפות החיבורים עד פי 10.
מובילי מוליכים למחצה עולמיים מאיצים במהירות את ההשקעות שלהם - אינטל, TSMC, Samsung Electro-Mechanics, SK Group ו-LG Group נכנסו כולן לזירה, והחלו במירוץ מסחרי סביב מצעי זכוכית.
מצע קרמי
באריזה משולבת-בצפיפות גבוהה, התקני-הספק גבוה הפועלים בו-זמנית מייצרים כמויות אדירות של חום מרוכז, ומצע האריזה הוא המרכיב העיקרי לפזר-חום. כאשר הספק שבב בינה מלאכותי חוצה את סף 2,000W, מצעים אורגניים מסורתיים FR-4, עם מוליכות תרמית ירודה (0.3 W/(m·K) בלבד) ואי-התאמה של התפשטות תרמית, עומדים בפני סיכוני עיוות ודילמינציה חמורים. מצעים קרמיים, עם יתרונותיהם המובנים של מוליכות תרמית גבוהה, בידוד חשמלי גבוה והתאמה תרמית מעולה, הפכו להכרח בתרחישים בעלי הספק גבוה.
ביניהם, אלומיניום ניטריד (AlN), עם מוליכות תרמית של 170–220 W/(m·K), הוא הבחירה המובילה לפיזור חום במודולים אופטיים במהירות גבוהה של 800G/1.6T-. סיליקון ניטריד (Si₃N₄), עם חוזק הכיפוף המעולה שלו ועמידות בפני זעזועים תרמיים, משמש כבסיס האריזה עבור מודולי הספק של SiC/GaN במתח גבוה-.