Przez wiele lat postęp technologii półprzewodników w dużej mierze opisywany był przez węzły technologiczne.
10 nm stało się 7 nm, potem 5 nm, 3 nm i coraz bardziej zaawansowanymi architekturami tranzystorowymi.
Jednak w miarę zwiększania się skali akceleratorów AI, wysokowydajnych systemów obliczeniowych i zaawansowanych rozwiązań, gęstość tranzystorów nie jest już jedynym czynnikiem determinującym wydajność systemu.
Przemysł półprzewodników wkracza w nowy etap, w którym materiały, opakowania, połączenia międzysieciowe, dostarczanie mocy i zarządzanie temperaturą stają się równie ważne jak skalowanie tranzystorów.
To przejście powoduje wzrost zainteresowania szeroką gamą materiałów półprzewodnikowych, w tym:
Materiały te odpowiadają różnym wyzwaniom inżynieryjnym, ale coraz częściej łączy je jeden wspólny czynnik:
Systemy AI i HPC wymagają większej przepustowości, wyższej efektywności energetycznej, gęstszego opakowania i lepszej wydajności termicznej.
Nowoczesne procesory AI zawierają ogromne zasoby obliczeniowe.
Jednak zwiększenie możliwości obliczeniowych stwarza również kilka nowych ograniczeń.
Dwa z najważniejszych to:
ruch danych
I
usuwanie ciepła.
Akcelerator sztucznej inteligencji musi w sposób ciągły wymieniać ogromne ilości danych z HBM, sąsiadującymi procesorami, interfejsami sieciowymi i systemami pamięci masowej.
Jednocześnie urządzenia te generują coraz bardziej skoncentrowane ciepło wewnątrz zaawansowanych pakietów.
W rezultacie samo poprawienie wydajności tranzystora nie jest już wystarczające.
Cały system półprzewodnikowy musi zostać zoptymalizowany.
Obejmuje to:
To przejście na poziomie systemowym stwarza nowe możliwości dla materiałów półprzewodnikowych, które wcześniej zajmowały stosunkowo wyspecjalizowane rynki.
Krzem na izolatorze nie jest nowym materiałem półprzewodnikowym.
Płytki SOI od dawna są wykorzystywane do takich zastosowań jak:
Infrastruktura sztucznej inteligencji stwarza jednak kolejną ważną szansę rozwoju:
fotonika krzemowa.
W miarę powiększania się klastrów sztucznej inteligencji tradycyjne połączenia elektryczne coraz częściej stają przed wyzwaniami związanymi z:
Połączenia miedziane pozostają niezbędne, ale komunikacja optyczna staje się coraz bardziej atrakcyjna w miarę wzrostu wymagań dotyczących przepustowości.
Jest to jeden z powodów, dla których optyka pakowana wspólnie (CPO) cieszy się tak dużym zainteresowaniem.
Zamiast całkowicie polegać na połączeniach elektrycznych pomiędzy wysokowydajnymi procesorami i modułami optycznymi, CPO przybliża silniki optyczne do krzemu przełączającego lub obliczeniowego.
Celem jest skrócenie długości szybkich połączeń elektrycznych i optyczne przesyłanie większej ilości danych.
SOI jest jedną z najważniejszych platform substratów dla fotoniki krzemowej.
Typowy wafel fotoniczny SOI zawiera:
Górną warstwę krzemu można ułożyć w falowody optyczne.
Zakopany tlenek zapewnia izolację optyczną pomiędzy falowodem krzemowym a leżącym pod nim podłożem krzemowym.
Typowe struktury fotoniki krzemowej obejmują:
W wielu komercyjnych platformach fotonicznych warstwa urządzenia krzemowego ma grubość zaledwie kilkuset nanometrów.
Na przykład w fotonice krzemu powszechnie stosuje się krzem o średnicy około 220 nm w skali mikrometrowej.
Oznacza to, że wymagania dotyczące płytek SOI w fotonice bardzo różnią się od wymagań dla MEMS lub konwencjonalnych zastosowań RF.
Szczególnie ważna staje się jednorodność grubości, jakość powierzchni i kontrola BOX.
Znaczenie fotoniki krzemowej jest ściśle powiązane z rozwojem centrów danych AI.
Klastry AI wymagają niezwykle szybkiej komunikacji:
wewnątrz serwera
pomiędzy akceleratorami
pomiędzy stojakami
i coraz bardziej
pomiędzy dużymi grupami systemów komputerowych.
W miarę jak komunikacja elektryczna zbliża się do praktycznych granic mocy i gęstości pasma, coraz ważniejsze stają się technologie wzajemnych połączeń optycznych.
Oznacza to, że SOI może w coraz większym stopniu służyć nie tylko tradycyjnym urządzeniom półprzewodnikowym, ale także infrastrukturze komunikacji optycznej otaczającej procesory AI.
Innymi słowy:
Boom na sztuczną inteligencję zwiększa nie tylko popyt na płytki obliczeniowe. Rośnie także zapotrzebowanie na materiały służące do przenoszenia danych pomiędzy urządzeniami obliczeniowymi.
Kolejnym materiałem cieszącym się coraz większym zainteresowaniem jest szkło.
Szkło jest stosowane w elektronice i produkcji półprzewodników od wielu lat.
Zastosowania obejmują:
Jednak zaawansowane opakowania stwarzają nowe możliwości:
podłoża z rdzeniem szklanym i przekładki szklane.
Nowoczesne pakiety AI mogą łączyć:
Wraz ze wzrostem wymiarów opakowania stabilność wymiarowa staje się coraz ważniejsza.
Tradycyjne organiczne materiały substratowe mogą stawić czoła wyzwaniom, takim jak:
Szkło oferuje kilka atrakcyjnych właściwości dla tych zastosowań.
Szkło może zapewnić:
Jedną z najważniejszych technologii wspomagających jest:
TGV — przez szybę.
Pojazd TGV tworzy połączenia elektryczne na grubości szklanego podłoża.
Po uformowaniu otwory można metalizować w celu utworzenia pionowych połączeń elektrycznych.
Dzięki temu szkło potencjalnie nadaje się do:
Jednak opakowanie szklane wymaga czegoś więcej niż tylko wyprodukowania wafla szklanego.
Pełny łańcuch produkcyjny może obejmować:
przygotowanie szkła
→ precyzyjne rozcieńczanie
→ Formacja TGV
→ metalizacja
→ warstwy redystrybucyjne
→ wiązanie
→ zaawansowane opakowanie
Firmy, które potrafią kontrolować cały łańcuch procesu, mogą pozyskać większą wartość niż sami dostawcy surowego szkła.
Pamięć o dużej przepustowości stała się jedną z technologii definiujących sprzęt AI.
HBM poprawia przepustowość pamięci, układając wiele kości DRAM pionowo.
Umożliwia to przesyłanie znacznie większej ilości danych pomiędzy pamięcią a procesorami niż w przypadku konwencjonalnych architektur pamięci.
Ale jest nieunikniona konsekwencja:
układanie w stosy utrudnia zarządzanie ciepłem.
Wiele matryc krzemowych generuje ciepło wewnątrz zwartej pionowej struktury.
Jednocześnie stosy HBM są zwykle umieszczane bardzo blisko akceleratorów AI o dużej mocy.
Zaawansowany pakiet sztucznej inteligencji może zatem zawierać kilka głównych źródeł ciepła na ograniczonym obszarze.
Wydajność cieplna staje się problemem projektowym na poziomie opakowania.
Tradycyjna miedź pozostaje niezwykle ważna ze względu na:
Jednak przyszłe pakiety o dużej mocy mogą wymagać materiałów o dodatkowych możliwościach.
Potencjalne materiały obejmują:
Do kluczowych parametrów materiałowych coraz częściej zalicza się:
Dlatego problemu termicznego nie można już rozwiązać po prostu przez podłączenie większego radiatora.
Zaczyna się znacznie bliżej matrycy półprzewodnikowej.
Diament cieszy się coraz większym zainteresowaniem ze względu na jedną wyjątkową właściwość:
bardzo wysoka przewodność cieplna.
Wysokiej jakości diament syntetyczny może przewodzić ciepło znacznie skuteczniej niż wiele konwencjonalnych materiałów zapewniających kontrolę termiczną.
To sprawia, że diament jest atrakcyjny do usuwania skoncentrowanego ciepła z urządzeń dużej mocy.
Potencjalne zastosowania obejmują:
Jednak czysty diament ma również wady.
Należą do nich:
W rezultacie badacze i dostawcy materiałów coraz częściej badają rozwiązania hybrydowe.
Jednym z ważnych przykładów jest:
Kompozyt diamentowo-miedziany.
Kompozyty diament-miedź łączą cząstki diamentu z osnową miedzi.
Celem jest osiągnięcie dwóch właściwości jednocześnie:
wyższa przewodność cieplna
I
mniejsza rozszerzalność cieplna niż konwencjonalna miedź.
Jest to atrakcyjne, ponieważ opakowania półprzewodników często wiążą się z kompromisem.
Miedź dobrze przewodzi ciepło, ale ma stosunkowo wysoki współczynnik rozszerzalności cieplnej.
Materiały o niskim współczynniku CTE, takie jak wolfram i molibden, mogą poprawić stabilność wymiarową, ale często zmniejszają przewodność cieplną po dodaniu do miedzi.
Diament oferuje inną możliwość, ponieważ ma jedno i drugie:
W zasadzie kompozyty diament/Cu mogą zatem poprawić przewodność cieplną, jednocześnie zmniejszając współczynnik CTE.
Kompozyt diamentowo-miedziany nie charakteryzuje się automatycznie wysoką wydajnością tylko dlatego, że zawiera duży procent diamentu.
Najtrudniejszą kwestią jest interfejs pomiędzy:
diament
I
miedź.
Miedź nie wiąże się skutecznie z diamentem w naturalny sposób.
Słaby styk interfejsu może powodować znaczny opór cieplny.
Oznacza to, że ciepło nie może efektywnie przepływać z:
miedź → diament → miedź.
Dlatego producenci stosują techniki inżynierii interfejsu obejmujące elementy tworzące węgliki, takie jak:
Elementy te mogą poprawić wiązanie diament-miedź.
Jednak warstwa interfejsu również musi być dokładnie kontrolowana.
Jeśli stanie się zbyt gruby, sam interfejs może stać się barierą termiczną.
Ilustruje to ważny trend w zaawansowanych materiałach półprzewodnikowych:
Przyszła wydajność w coraz większym stopniu zależy od inżynierii interfejsu, a nie tylko właściwości materiałów sypkich.
Chociaż sztuczna inteligencja cieszy się ogromnym zainteresowaniem, elektryfikacja w dalszym ciągu napędza kolejną ważną transformację półprzewodników:
ekspansja urządzeń energetycznych z węglika krzemu.
SiC stał się ważny w zastosowaniach obejmujących:
W porównaniu z konwencjonalnymi krzemowymi urządzeniami zasilającymi, SiC może umożliwić:
Jednak w miarę dojrzewania branży SiC pytanie się zmienia.
Kilka lat temu dyskusje często skupiały się na:
Czy SiC może zastąpić krzem w zastosowaniach wymagających dużej mocy?
Dzisiaj bardziej praktyczne pytanie brzmi:
Jak można obniżyć koszty produkcji SiC?
Podłoża SiC są trudne w produkcji.
Wyzwania występują w całym łańcuchu przetwarzania:
SiC jest niezwykle twardy i kruchy.
To sprawia, że cięcie i polerowanie płytek jest wolniejsze i droższe niż konwencjonalna obróbka krzemu.
Wady podłoża mogą również wpływać na ostateczną wydajność urządzenia.
W miarę jak SiC zmierza w kierunku produkcji na większą skalę, uwaga coraz bardziej przesuwa się w kierunku:
Oznacza to, że możliwości istnieją nie tylko w samych płytkach SiC, ale w całym łańcuchu dostaw materiałów i sprzętu SiC.
Azotek galu to kolejny ważny półprzewodnik o szerokiej przerwie energetycznej.
GaN jest szczególnie atrakcyjny, gdy:
są ważne.
Centra danych AI zużywają ogromne ilości energii elektrycznej.
Dlatego coraz bardziej cenne jest zmniejszanie strat konwersji mocy w całej architekturze serwerów i szaf.
Urządzenia GaN można stosować w zastosowaniach związanych z konwersją mocy o wysokiej częstotliwości, w tym:
Tworzy to kolejne ważne połączenie między sztuczną inteligencją a materiałami półprzewodnikowymi.
Zapotrzebowanie na sztuczną inteligencję tworzy nie tylko popyt na procesory.
Zwiększa także zapotrzebowanie na elektronikę mocy niezbędną do wydajnej obsługi tych procesorów.
SiC i GaN są często przedstawiane jako konkurencyjne technologie półprzewodnikowe.
W praktyce często dotyczą one różnych części rynku energoelektroniki.
SiC sprawdza się szczególnie dobrze w:
GaN jest bardzo atrakcyjny dla:
Przyszły rynek półprzewodników mocy prawdopodobnie będzie zatem wykorzystywał:
krzem + SiC + GaN
zamiast wybierać jeden uniwersalny materiał.
Kolejną, mniej widoczną, ale coraz ważniejszą kategorią są zaawansowane materiały ceramiczne.
Sprzęt półprzewodnikowy wykorzystuje precyzyjną ceramikę w przypadku takich komponentów, jak:
Ważne materiały obejmują:
Każdy materiał rozwiązuje inny problem inżynieryjny.
Oferta tlenku glinu:
Pozostaje jedną z najpowszechniej stosowanych ceramiki technicznej.
AlN jest szczególnie atrakcyjny, gdy oba:
izolacja elektryczna
I
wysoka przewodność cieplna
są wymagane.
Dzięki temu jest przydatny do:
Ceramika SiC zapewnia:
Te cechy czynią go atrakcyjnym dla elementów sprzętu półprzewodnikowego, które muszą pozostać stabilne wymiarowo w zmieniających się warunkach termicznych.
Jednym z najciekawszych trendów w półprzewodnikach jest to, że materiały, które kiedyś należały do stosunkowo odrębnych branż, stają się częścią tego samego systemu.
Rozważ zaawansowaną platformę obliczeniową AI.
Może wymagać:
SOI
dla fotoniki krzemowej i komunikacji optycznej.
Szkło
dla zaawansowanych opakowań nowej generacji.
HBM
dla pamięci o dużej przepustowości.
Ceramika AlN lub SiC
do zarządzania ciepłem i sprzętu półprzewodnikowego.
Materiały na bazie diamentu
do ekstremalnego rozprzestrzeniania się ciepła.
GaN
do wysokowydajnej konwersji mocy w centrum danych.
SiC
dla infrastruktury energetycznej dużej mocy.
Materiały te spełniają zupełnie inne funkcje.
Ale sztuczna inteligencja łączy je dzięki tym samym wymaganiom inżynieryjnym:
Przemysł półprzewodników wkracza zatem w szerszą formę skalowania.
Tradycyjne skalowanie skupiało się przede wszystkim na zmniejszaniu tranzystorów.
Przyszła poprawa wydajności w coraz większym stopniu zależy od:
**skalowanie tranzystora
Dlatego zaawansowane materiały stają się strategicznie ważne.
Szybszy tranzystor zapewnia ograniczone korzyści, jeśli dane nie mogą szybko do niego dotrzeć.
Większy akcelerator AI zapewnia ograniczone korzyści w przypadku przegrzania.
Więcej HBM zapewnia ograniczone korzyści, jeśli zarządzanie gęstością opakowania staje się niemożliwe.
Zaawansowane opakowania i materiały stają się częścią równania wydajności.
Na szczególną uwagę zasługuje kilka kategorii.
Napędzane fotoniką krzemową, szybką komunikacją optyczną i CPO.
Napędzane chipletami, HBM, zaawansowanymi opakowaniami wielkopowierzchniowymi i technologią TGV.
Napędzane pojazdami elektrycznymi, energią przemysłową, energią odnawialną i elektroniką wysokiego napięcia.
Napędzane wysoką częstotliwością konwersji mocy i wydajnością centrum danych.
Napędzane gęstością mocy i zaawansowanym sprzętem półprzewodnikowym.
Napędzane ekstremalnymi strumieniami ciepła w urządzeniach AI, RF i dużej mocy.
Materiały te nie zastąpią krzemu.
Zamiast tego będą w coraz większym stopniu otaczać krzem i umożliwiać jego dalsze skalowanie na poziomie systemu.
Rewolucja półprzewodników AI staje się rewolucją materiałową.
Przez dziesięciolecia najważniejszym pytaniem branży było:
Jak mały możemy zrobić tranzystor?
To pytanie pozostaje ważne.
Ale to już nie wystarczy.
Następna generacja systemów półprzewodnikowych musi również odpowiedzieć na następujące pytania:
Jak szybko mogą przenosić się dane?
Jak blisko można zintegrować wiele matryc?
Jak efektywnie można przekształcić moc?
Jak szybko można usunąć ciepło?
Pytania te zwiększają znaczenie płytek SOI, podłoży szklanych, SiC, GaN, zaawansowanej ceramiki i materiałów termicznych na bazie diamentu.
Przyszłość wydajności półprzewodników będzie zatem zależeć nie tylko od lepszych chipów, ale także od lepszych materiałów otaczających te chipy.
Następną fazę rywalizacji można określić w mniejszym stopniu przez przełom w zakresie pojedynczego materiału, a bardziej przez możliwość zintegrowania wielu specjalistycznych materiałów w jeden system o wysokiej wydajności.
W erze sztucznej inteligencji innowacje w zakresie półprzewodników wykraczają poza zwykłe zmniejszanie chipów.
Coraz częściej chodzi o umożliwienie chipom szybszej komunikacji, gęstszego upakowania, wydajniejszego zużycia energii i pracy w niższych temperaturach.
Przez wiele lat postęp technologii półprzewodników w dużej mierze opisywany był przez węzły technologiczne.
10 nm stało się 7 nm, potem 5 nm, 3 nm i coraz bardziej zaawansowanymi architekturami tranzystorowymi.
Jednak w miarę zwiększania się skali akceleratorów AI, wysokowydajnych systemów obliczeniowych i zaawansowanych rozwiązań, gęstość tranzystorów nie jest już jedynym czynnikiem determinującym wydajność systemu.
Przemysł półprzewodników wkracza w nowy etap, w którym materiały, opakowania, połączenia międzysieciowe, dostarczanie mocy i zarządzanie temperaturą stają się równie ważne jak skalowanie tranzystorów.
To przejście powoduje wzrost zainteresowania szeroką gamą materiałów półprzewodnikowych, w tym:
Materiały te odpowiadają różnym wyzwaniom inżynieryjnym, ale coraz częściej łączy je jeden wspólny czynnik:
Systemy AI i HPC wymagają większej przepustowości, wyższej efektywności energetycznej, gęstszego opakowania i lepszej wydajności termicznej.
Nowoczesne procesory AI zawierają ogromne zasoby obliczeniowe.
Jednak zwiększenie możliwości obliczeniowych stwarza również kilka nowych ograniczeń.
Dwa z najważniejszych to:
ruch danych
I
usuwanie ciepła.
Akcelerator sztucznej inteligencji musi w sposób ciągły wymieniać ogromne ilości danych z HBM, sąsiadującymi procesorami, interfejsami sieciowymi i systemami pamięci masowej.
Jednocześnie urządzenia te generują coraz bardziej skoncentrowane ciepło wewnątrz zaawansowanych pakietów.
W rezultacie samo poprawienie wydajności tranzystora nie jest już wystarczające.
Cały system półprzewodnikowy musi zostać zoptymalizowany.
Obejmuje to:
To przejście na poziomie systemowym stwarza nowe możliwości dla materiałów półprzewodnikowych, które wcześniej zajmowały stosunkowo wyspecjalizowane rynki.
Krzem na izolatorze nie jest nowym materiałem półprzewodnikowym.
Płytki SOI od dawna są wykorzystywane do takich zastosowań jak:
Infrastruktura sztucznej inteligencji stwarza jednak kolejną ważną szansę rozwoju:
fotonika krzemowa.
W miarę powiększania się klastrów sztucznej inteligencji tradycyjne połączenia elektryczne coraz częściej stają przed wyzwaniami związanymi z:
Połączenia miedziane pozostają niezbędne, ale komunikacja optyczna staje się coraz bardziej atrakcyjna w miarę wzrostu wymagań dotyczących przepustowości.
Jest to jeden z powodów, dla których optyka pakowana wspólnie (CPO) cieszy się tak dużym zainteresowaniem.
Zamiast całkowicie polegać na połączeniach elektrycznych pomiędzy wysokowydajnymi procesorami i modułami optycznymi, CPO przybliża silniki optyczne do krzemu przełączającego lub obliczeniowego.
Celem jest skrócenie długości szybkich połączeń elektrycznych i optyczne przesyłanie większej ilości danych.
SOI jest jedną z najważniejszych platform substratów dla fotoniki krzemowej.
Typowy wafel fotoniczny SOI zawiera:
Górną warstwę krzemu można ułożyć w falowody optyczne.
Zakopany tlenek zapewnia izolację optyczną pomiędzy falowodem krzemowym a leżącym pod nim podłożem krzemowym.
Typowe struktury fotoniki krzemowej obejmują:
W wielu komercyjnych platformach fotonicznych warstwa urządzenia krzemowego ma grubość zaledwie kilkuset nanometrów.
Na przykład w fotonice krzemu powszechnie stosuje się krzem o średnicy około 220 nm w skali mikrometrowej.
Oznacza to, że wymagania dotyczące płytek SOI w fotonice bardzo różnią się od wymagań dla MEMS lub konwencjonalnych zastosowań RF.
Szczególnie ważna staje się jednorodność grubości, jakość powierzchni i kontrola BOX.
Znaczenie fotoniki krzemowej jest ściśle powiązane z rozwojem centrów danych AI.
Klastry AI wymagają niezwykle szybkiej komunikacji:
wewnątrz serwera
pomiędzy akceleratorami
pomiędzy stojakami
i coraz bardziej
pomiędzy dużymi grupami systemów komputerowych.
W miarę jak komunikacja elektryczna zbliża się do praktycznych granic mocy i gęstości pasma, coraz ważniejsze stają się technologie wzajemnych połączeń optycznych.
Oznacza to, że SOI może w coraz większym stopniu służyć nie tylko tradycyjnym urządzeniom półprzewodnikowym, ale także infrastrukturze komunikacji optycznej otaczającej procesory AI.
Innymi słowy:
Boom na sztuczną inteligencję zwiększa nie tylko popyt na płytki obliczeniowe. Rośnie także zapotrzebowanie na materiały służące do przenoszenia danych pomiędzy urządzeniami obliczeniowymi.
Kolejnym materiałem cieszącym się coraz większym zainteresowaniem jest szkło.
Szkło jest stosowane w elektronice i produkcji półprzewodników od wielu lat.
Zastosowania obejmują:
Jednak zaawansowane opakowania stwarzają nowe możliwości:
podłoża z rdzeniem szklanym i przekładki szklane.
Nowoczesne pakiety AI mogą łączyć:
Wraz ze wzrostem wymiarów opakowania stabilność wymiarowa staje się coraz ważniejsza.
Tradycyjne organiczne materiały substratowe mogą stawić czoła wyzwaniom, takim jak:
Szkło oferuje kilka atrakcyjnych właściwości dla tych zastosowań.
Szkło może zapewnić:
Jedną z najważniejszych technologii wspomagających jest:
TGV — przez szybę.
Pojazd TGV tworzy połączenia elektryczne na grubości szklanego podłoża.
Po uformowaniu otwory można metalizować w celu utworzenia pionowych połączeń elektrycznych.
Dzięki temu szkło potencjalnie nadaje się do:
Jednak opakowanie szklane wymaga czegoś więcej niż tylko wyprodukowania wafla szklanego.
Pełny łańcuch produkcyjny może obejmować:
przygotowanie szkła
→ precyzyjne rozcieńczanie
→ Formacja TGV
→ metalizacja
→ warstwy redystrybucyjne
→ wiązanie
→ zaawansowane opakowanie
Firmy, które potrafią kontrolować cały łańcuch procesu, mogą pozyskać większą wartość niż sami dostawcy surowego szkła.
Pamięć o dużej przepustowości stała się jedną z technologii definiujących sprzęt AI.
HBM poprawia przepustowość pamięci, układając wiele kości DRAM pionowo.
Umożliwia to przesyłanie znacznie większej ilości danych pomiędzy pamięcią a procesorami niż w przypadku konwencjonalnych architektur pamięci.
Ale jest nieunikniona konsekwencja:
układanie w stosy utrudnia zarządzanie ciepłem.
Wiele matryc krzemowych generuje ciepło wewnątrz zwartej pionowej struktury.
Jednocześnie stosy HBM są zwykle umieszczane bardzo blisko akceleratorów AI o dużej mocy.
Zaawansowany pakiet sztucznej inteligencji może zatem zawierać kilka głównych źródeł ciepła na ograniczonym obszarze.
Wydajność cieplna staje się problemem projektowym na poziomie opakowania.
Tradycyjna miedź pozostaje niezwykle ważna ze względu na:
Jednak przyszłe pakiety o dużej mocy mogą wymagać materiałów o dodatkowych możliwościach.
Potencjalne materiały obejmują:
Do kluczowych parametrów materiałowych coraz częściej zalicza się:
Dlatego problemu termicznego nie można już rozwiązać po prostu przez podłączenie większego radiatora.
Zaczyna się znacznie bliżej matrycy półprzewodnikowej.
Diament cieszy się coraz większym zainteresowaniem ze względu na jedną wyjątkową właściwość:
bardzo wysoka przewodność cieplna.
Wysokiej jakości diament syntetyczny może przewodzić ciepło znacznie skuteczniej niż wiele konwencjonalnych materiałów zapewniających kontrolę termiczną.
To sprawia, że diament jest atrakcyjny do usuwania skoncentrowanego ciepła z urządzeń dużej mocy.
Potencjalne zastosowania obejmują:
Jednak czysty diament ma również wady.
Należą do nich:
W rezultacie badacze i dostawcy materiałów coraz częściej badają rozwiązania hybrydowe.
Jednym z ważnych przykładów jest:
Kompozyt diamentowo-miedziany.
Kompozyty diament-miedź łączą cząstki diamentu z osnową miedzi.
Celem jest osiągnięcie dwóch właściwości jednocześnie:
wyższa przewodność cieplna
I
mniejsza rozszerzalność cieplna niż konwencjonalna miedź.
Jest to atrakcyjne, ponieważ opakowania półprzewodników często wiążą się z kompromisem.
Miedź dobrze przewodzi ciepło, ale ma stosunkowo wysoki współczynnik rozszerzalności cieplnej.
Materiały o niskim współczynniku CTE, takie jak wolfram i molibden, mogą poprawić stabilność wymiarową, ale często zmniejszają przewodność cieplną po dodaniu do miedzi.
Diament oferuje inną możliwość, ponieważ ma jedno i drugie:
W zasadzie kompozyty diament/Cu mogą zatem poprawić przewodność cieplną, jednocześnie zmniejszając współczynnik CTE.
Kompozyt diamentowo-miedziany nie charakteryzuje się automatycznie wysoką wydajnością tylko dlatego, że zawiera duży procent diamentu.
Najtrudniejszą kwestią jest interfejs pomiędzy:
diament
I
miedź.
Miedź nie wiąże się skutecznie z diamentem w naturalny sposób.
Słaby styk interfejsu może powodować znaczny opór cieplny.
Oznacza to, że ciepło nie może efektywnie przepływać z:
miedź → diament → miedź.
Dlatego producenci stosują techniki inżynierii interfejsu obejmujące elementy tworzące węgliki, takie jak:
Elementy te mogą poprawić wiązanie diament-miedź.
Jednak warstwa interfejsu również musi być dokładnie kontrolowana.
Jeśli stanie się zbyt gruby, sam interfejs może stać się barierą termiczną.
Ilustruje to ważny trend w zaawansowanych materiałach półprzewodnikowych:
Przyszła wydajność w coraz większym stopniu zależy od inżynierii interfejsu, a nie tylko właściwości materiałów sypkich.
Chociaż sztuczna inteligencja cieszy się ogromnym zainteresowaniem, elektryfikacja w dalszym ciągu napędza kolejną ważną transformację półprzewodników:
ekspansja urządzeń energetycznych z węglika krzemu.
SiC stał się ważny w zastosowaniach obejmujących:
W porównaniu z konwencjonalnymi krzemowymi urządzeniami zasilającymi, SiC może umożliwić:
Jednak w miarę dojrzewania branży SiC pytanie się zmienia.
Kilka lat temu dyskusje często skupiały się na:
Czy SiC może zastąpić krzem w zastosowaniach wymagających dużej mocy?
Dzisiaj bardziej praktyczne pytanie brzmi:
Jak można obniżyć koszty produkcji SiC?
Podłoża SiC są trudne w produkcji.
Wyzwania występują w całym łańcuchu przetwarzania:
SiC jest niezwykle twardy i kruchy.
To sprawia, że cięcie i polerowanie płytek jest wolniejsze i droższe niż konwencjonalna obróbka krzemu.
Wady podłoża mogą również wpływać na ostateczną wydajność urządzenia.
W miarę jak SiC zmierza w kierunku produkcji na większą skalę, uwaga coraz bardziej przesuwa się w kierunku:
Oznacza to, że możliwości istnieją nie tylko w samych płytkach SiC, ale w całym łańcuchu dostaw materiałów i sprzętu SiC.
Azotek galu to kolejny ważny półprzewodnik o szerokiej przerwie energetycznej.
GaN jest szczególnie atrakcyjny, gdy:
są ważne.
Centra danych AI zużywają ogromne ilości energii elektrycznej.
Dlatego coraz bardziej cenne jest zmniejszanie strat konwersji mocy w całej architekturze serwerów i szaf.
Urządzenia GaN można stosować w zastosowaniach związanych z konwersją mocy o wysokiej częstotliwości, w tym:
Tworzy to kolejne ważne połączenie między sztuczną inteligencją a materiałami półprzewodnikowymi.
Zapotrzebowanie na sztuczną inteligencję tworzy nie tylko popyt na procesory.
Zwiększa także zapotrzebowanie na elektronikę mocy niezbędną do wydajnej obsługi tych procesorów.
SiC i GaN są często przedstawiane jako konkurencyjne technologie półprzewodnikowe.
W praktyce często dotyczą one różnych części rynku energoelektroniki.
SiC sprawdza się szczególnie dobrze w:
GaN jest bardzo atrakcyjny dla:
Przyszły rynek półprzewodników mocy prawdopodobnie będzie zatem wykorzystywał:
krzem + SiC + GaN
zamiast wybierać jeden uniwersalny materiał.
Kolejną, mniej widoczną, ale coraz ważniejszą kategorią są zaawansowane materiały ceramiczne.
Sprzęt półprzewodnikowy wykorzystuje precyzyjną ceramikę w przypadku takich komponentów, jak:
Ważne materiały obejmują:
Każdy materiał rozwiązuje inny problem inżynieryjny.
Oferta tlenku glinu:
Pozostaje jedną z najpowszechniej stosowanych ceramiki technicznej.
AlN jest szczególnie atrakcyjny, gdy oba:
izolacja elektryczna
I
wysoka przewodność cieplna
są wymagane.
Dzięki temu jest przydatny do:
Ceramika SiC zapewnia:
Te cechy czynią go atrakcyjnym dla elementów sprzętu półprzewodnikowego, które muszą pozostać stabilne wymiarowo w zmieniających się warunkach termicznych.
Jednym z najciekawszych trendów w półprzewodnikach jest to, że materiały, które kiedyś należały do stosunkowo odrębnych branż, stają się częścią tego samego systemu.
Rozważ zaawansowaną platformę obliczeniową AI.
Może wymagać:
SOI
dla fotoniki krzemowej i komunikacji optycznej.
Szkło
dla zaawansowanych opakowań nowej generacji.
HBM
dla pamięci o dużej przepustowości.
Ceramika AlN lub SiC
do zarządzania ciepłem i sprzętu półprzewodnikowego.
Materiały na bazie diamentu
do ekstremalnego rozprzestrzeniania się ciepła.
GaN
do wysokowydajnej konwersji mocy w centrum danych.
SiC
dla infrastruktury energetycznej dużej mocy.
Materiały te spełniają zupełnie inne funkcje.
Ale sztuczna inteligencja łączy je dzięki tym samym wymaganiom inżynieryjnym:
Przemysł półprzewodników wkracza zatem w szerszą formę skalowania.
Tradycyjne skalowanie skupiało się przede wszystkim na zmniejszaniu tranzystorów.
Przyszła poprawa wydajności w coraz większym stopniu zależy od:
**skalowanie tranzystora
Dlatego zaawansowane materiały stają się strategicznie ważne.
Szybszy tranzystor zapewnia ograniczone korzyści, jeśli dane nie mogą szybko do niego dotrzeć.
Większy akcelerator AI zapewnia ograniczone korzyści w przypadku przegrzania.
Więcej HBM zapewnia ograniczone korzyści, jeśli zarządzanie gęstością opakowania staje się niemożliwe.
Zaawansowane opakowania i materiały stają się częścią równania wydajności.
Na szczególną uwagę zasługuje kilka kategorii.
Napędzane fotoniką krzemową, szybką komunikacją optyczną i CPO.
Napędzane chipletami, HBM, zaawansowanymi opakowaniami wielkopowierzchniowymi i technologią TGV.
Napędzane pojazdami elektrycznymi, energią przemysłową, energią odnawialną i elektroniką wysokiego napięcia.
Napędzane wysoką częstotliwością konwersji mocy i wydajnością centrum danych.
Napędzane gęstością mocy i zaawansowanym sprzętem półprzewodnikowym.
Napędzane ekstremalnymi strumieniami ciepła w urządzeniach AI, RF i dużej mocy.
Materiały te nie zastąpią krzemu.
Zamiast tego będą w coraz większym stopniu otaczać krzem i umożliwiać jego dalsze skalowanie na poziomie systemu.
Rewolucja półprzewodników AI staje się rewolucją materiałową.
Przez dziesięciolecia najważniejszym pytaniem branży było:
Jak mały możemy zrobić tranzystor?
To pytanie pozostaje ważne.
Ale to już nie wystarczy.
Następna generacja systemów półprzewodnikowych musi również odpowiedzieć na następujące pytania:
Jak szybko mogą przenosić się dane?
Jak blisko można zintegrować wiele matryc?
Jak efektywnie można przekształcić moc?
Jak szybko można usunąć ciepło?
Pytania te zwiększają znaczenie płytek SOI, podłoży szklanych, SiC, GaN, zaawansowanej ceramiki i materiałów termicznych na bazie diamentu.
Przyszłość wydajności półprzewodników będzie zatem zależeć nie tylko od lepszych chipów, ale także od lepszych materiałów otaczających te chipy.
Następną fazę rywalizacji można określić w mniejszym stopniu przez przełom w zakresie pojedynczego materiału, a bardziej przez możliwość zintegrowania wielu specjalistycznych materiałów w jeden system o wysokiej wydajności.
W erze sztucznej inteligencji innowacje w zakresie półprzewodników wykraczają poza zwykłe zmniejszanie chipów.
Coraz częściej chodzi o umożliwienie chipom szybszej komunikacji, gęstszego upakowania, wydajniejszego zużycia energii i pracy w niższych temperaturach.
english
français
Deutsch
Italiano
Русский
Español
português
Nederlandse
ελληνικά
日本語
한국
العربية
Türkçe
polski