يتم اختناق حلق قوة الحوسبة الخاصة بالذكاء الاصطناعيمواد.
قام الرئيس التنفيذي لشركة Intel Lip-Bu Tan بتعيين الألماس وكربيد السيليكون (SiC) وفوسفيد الإنديوم (InP) ونيتريد الغاليوم (GaN) وركائز الزجاج كخمس مواد رئيسية مهمة لكسر عنق الزجاجة. وفي الوقت نفسه، حذر المطلعون على الصناعة بصراحة: "إن القدرة غير الكافية على إنتاج ليزر InP هي نقطة الاختناق الأساسية للبصريات المجمعة -المشتركة (CPO)."
وهذا يعني أنه بغض النظر عن مدى قوة شرائح GB200/300 من Nvidia، فمن دون دعم المواد المتقدمة، لا يمكن للبيانات أن تتدفق بسرعة عالية.
وهذه ليست مجرد مسألة تتعلق بالقدرة، بل إنها تمثل تحديًا يدفع بعلم المواد إلى حدوده القصوى. بدءًا من توصيل الطاقة SiC/GaN وتغليف الركيزة الزجاجية- (كما أوضح تان)، إلى نيوبات الليثيوم وSOI لحلول التوصيل البيني البصري، وركائز الماس والسيراميك لتبديد الحرارة تحت أحمال الطاقة القصوى،موادأصبحت ساحة المعركة غير المرئية في النصف الثاني من الذكاء الاصطناعي. كل من يخترق أولاً سيحمل مفتاح الهيمنة الحاسوبية.
الماس
مع تسارع قوة حوسبة الذكاء الاصطناعي بسرعة مذهلة، أصبح تبديد الحرارة في-الرقائق المتطورة شديد الخطورة على نحو متزايد. على سبيل المثال، من المتوقع أن يتجاوز Rubin Ultra من Nvidia 2300 واط لكل شريحة، مع كثافة تدفق الحرارة المحلية التي تتجاوز 1000 واط / سم² - وهو مستوى حرارة لا يمكن تصوره تقريبًا. وصلت أجهزة توزيع الحرارة التقليدية المصنوعة من النحاس والألومنيوم إلى حدودها المادية. لقد برز الماس، بما يتمتع به من موصلية حرارية عالية-، كمرشح رائد بين مواد أشباه الموصلات الجديدة.
يشتهر الماس على نطاق واسع بصلابته الشديدة - وهي أصلب مادة طبيعية، حيث تبلغ صلابتها 10 على مقياس موس - وهو أيضًا أحد أفضل الموصلات الحرارية في الطبيعة، مع موصلية حرارية تصل إلى 2200 واط/(ملي كلفن)، أي 5.5 مرة من النحاس و11 مرة من الألومنيوم. وهو أيضًا عازل كهربائي، ويتطابق معامل التمدد الحراري الخاص به بشكل وثيق مع معامل السيليكون، وSiC، وGaN. لاحظ مراقبو الصناعة أنه عندما تتجاوز طاقة الشريحة-المفردة 1400 واط، لم يعد الماس "خيارًا" - بل أصبح "ضرورة".
اعتمد الجيل التالي من وحدات معالجة الرسوميات ذات بنية Vera Rubin من Nvidia حل "التبريد السائل بالتلامس المباشر للمواد المركبة من النحاس والألماس + 45 بدرجة -مباشرة-"، وقد حددت الصناعة عام 2026 بأنه "العام الأول -من اعتماد تبديد الحرارة الماسي على نطاق واسع."
كربيد السيليكون (SiC)
تتزايد طاقة حوامل مركز بيانات الذكاء الاصطناعي من عشرات الكيلووات إلى مئات الكيلووات، مع وجود حوامل بحجم ميجاوات- في الأفق. ومع ارتفاع مستويات التيار والجهد، يعاني تحويل الطاقة التقليدي المعتمد على السيليكون{2}}من خسائر مذهلة. علاوة على ذلك، يتطلب الذكاء الاصطناعي مواد تبدد الحرارة بسرعة، وتستهلك طاقة أقل، وتشغل مساحة صغيرة، وتتحمل درجات الحرارة المرتفعة.
يوفر SiC جهدًا عاليًا للانهيار، وأداءً مستقرًا في درجات الحرارة المرتفعة، وفواقد تبديل أقل بكثير من السيليكون. إن حجم الجهاز الصغير والموثوقية الممتازة تجعله الاختيار المثالي لبنيات 800 فولت -من التيار المستمر (HVDC) - مما يحقق كفاءات تزيد عن 97% في مراحل تصحيح مدخلات الجهد العالي وتصحيح عامل الطاقة (PFC)، وتقليل خسائر النقل بنسبة تزيد عن 30% في أنظمة 800 فولت HVDC. لقد اعتمدت مراكز البيانات الجديدة التي أنشأتها Nvidia وMicrosoft وغيرهما من عمالقة التكنولوجيا بالفعل بنيات الطاقة المستندة إلى SiC- بشكل قياسي. تعمل الشركات المصنعة الصينية المحلية مثل TankeBlue Semiconductor على تسريع الإنتاج الضخم للركيزة والفوقي مقاس 8 بوصات لتقليل تكاليف الرقائق.
نيتريد الغاليوم (GaN)
يشكل GaN وSiC تقسيمًا واضحًا "للجهد-العالي مقابل الجهد المنخفض-: يبقى SiC في غرفة الخادم، بينما ينتقل GaN إلى الرفوف.
يتميز GaN بقدرة تنقل عالية للإلكترون وكثافة طاقة استثنائية، ويتفوق في تحويل الطاقة بالتردد العالي-والجهد المنخفض-والكثافة العالية-. في وحدات طاقة وحدة معالجة الرسومات، ومحولات التيار المستمر- ذات التردد العالي-، ومصادر إمداد طاقة الخادم - حيث تكون المساحة وسرعة الاستجابة أمرًا بالغ الأهمية - يمكن لـ GaN تقليص حجم مصدر الطاقة مع تعزيز كثافة الطاقة. لقد حققت عملية GaN مقاس 8- بوصة من سامسونج بالفعل انخفاضًا في التكلفة بنسبة 30% وتعمل على تسريع تكيفها لنشر مراكز البيانات على نطاق واسع.
فوسفيد الإنديوم (InP)
لا يمكن استبدال فوسفيد الإنديوم - فهو المادة الأساسية الوحيدة التي يتم إنتاجها بكميات كبيرة لرقائق الليزر والكاشفات الضوئية، ويتوافق تمامًا مع نوافذ الفقد المنخفض-من الاتصالات الضوئية-1310 نانومتر و1550 نانومتر. في مجال CPO، يدمج النهج السائد في الصناعة المحركات الضوئية والرقائق الكهربائية على نفس الركيزة، وتعتمد الأجهزة التي ينبعث منها -السرعة العالية-الضوء في قلب CPO بنسبة 100% على ليزر InP.
وبالعودة إلى تحذير ذلك المسؤول التنفيذي في الصناعة: خلف هذه الكلمات تكمن مجموعة صارخة من الأرقام. في عام 2025، يقدر الطلب العالمي على الركيزة InP بما يتراوح بين 2.0 إلى 2.1 مليون قطعة، في حين يتراوح العرض الفعلي ما بين 600.000 إلى 700.000 قطعة فقط - وتتجاوز فجوة العرض{8}}الطلب 70%، ومن المتوقع أن تستمر حتى عام 2030. وقد أصدر بنك Goldman Sachs توقعات أكثر مباشرة: "سيظل عرض مصادر الضوء ضيقًا حتى عام 2027، وقد يبدأ في التوازن فقط في النصف الثاني من عام 2028 مع توسعات سعة سلسلة التوريد."
نيوبات الليثيوم ذات الغشاء الرقيق- (TFLN)
من خلال الاستفادة من التأثير البصري الكهربائي الخطي القوي- (تأثير Pockels) نيوبات الليثيوم، يتيح فيلم نيوبات الليثيوم- الرقيق عرض النطاق الترددي العالي-، والخطية العالية- (الدقة العالية-) لتعديل الإشارة الضوئية عند جهود تشغيل منخفضة. وهذا يجعله-مناسبًا تمامًا لتطبيقات النقل البصري ذات النطاق الترددي المتوسط- إلى الطويلة-المرتفعة- مثل الشبكات الأساسية وشبكات المترو. بالإضافة إلى ذلك، يسمح تباين معامل الانكسار العالي والحبس البصري الممتاز بتكامل أعلى، وتحسين حجم الجهاز واستهلاك الطاقة.
في المعدِّلات الضوئية، توفر مادة نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة-معاملًا كهروضوئيًا-ثلاثة أضعاف معامل InP وأكثر من مائة ضعف معامل ضوئيات السيليكون. باستخدام 1.8 فولت فقط، يمكنه تحقيق تعديل بسرعة فائقة-عالية- تتجاوز 100 جيجا هرتز، مما يقلل من استهلاك الطاقة بنسبة 30-50%، بينما يمكن تشغيل قناة واحدة بسهولة بسرعة 400 جيجا هرتز.
مع تزايد قوة حوسبة الذكاء الاصطناعي، تتسارع الوصلات الضوئية لمراكز البيانات من 400 جيجا إلى 800 جيجا، و1.6 تيرابايت، و3.2 تيرابايت. أصبحت القيود المفروضة على أداء المواد التقليدية واضحة بشكل متزايد، ومن المتوقع أن تصبح مادة نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة-مادة مهمة للجيل القادم من -تعديل النقل البصري عالي السرعة-. في الوقت الحالي، هناك أربع شركات فقط على مستوى العالم أتقنت إمكانات الإنتاج الضخم-لرقائق عالية الجودة مقاس 8-بوصة-، مع وجود فجوة بين العرض والطلب تتجاوز 70%.
SOI (سيليكون-على-عازل)
إذا كان السيليكون هو "لحم" الشريحة، فإن SOI هو "الهيكل العظمي" لضوئيات السيليكون. هذا الهيكل الساندويش "العلوي المدفون لأكسيد السيليكون والركيزة"، عن طريق إدخال طبقة عازلة من ثاني أكسيد السيليكون أسفل طبقة السيليكون، يزيل تمامًا الحديث المتبادل بين الإلكترونات والفوتونات. فهو يقلل من السعة الطفيلية بأكثر من 60%، مما يسمح للإشارات الكهربائية بالعمل بشكل أسرع وأكثر كفاءة. والأهم من ذلك، أن الاختلاف الكبير في معامل الانكسار بين الطبقة العليا من السيليكون وطبقة الأكسيد يشكل بشكل طبيعي "جدران" الدليل الموجي البصري، مما يتيح للإشارات الضوئية الانحناء والنقل بأقل قدر من الخسارة على الرقاقة.
في عصر الذكاء الاصطناعي، تعتبر SOI الركيزة الأساسية التي لا يمكن الاستغناء عنها لتصنيع الوحدات الضوئية، ومحركات CPO، والرقائق الكمومية. وتتركز الطاقة الإنتاجية العالمية بشكل كبير في شركة Soitec الفرنسية، مما يجعل التوطين المحلي أولوية ملحة.
ركائز زجاجية
نظرًا لأن وحدات معالجة الرسومات، وHBM، وتكديس الشرائح الصغيرة يدفع التغليف نحو عوامل الأشكال الكبيرة والكثافة العالية والوصلات البينية عالية السرعة-، تواجه الركائز العضوية التقليدية ووسطاء السيليكون قيودًا متزايدة من حيث الحجم والتكلفة والأداء.
تعمل الركائز الزجاجية، من خلال المنافذ الزجاجية (TGV) للتوصيل الكهربائي العمودي، على سد فجوة السوق بين الركائز العضوية ووسطاء السيليكون بدقة. إنها توفر معامل تمدد حراري قابل للضبط (مطابق لرقائق السيليكون)، وفقدان عازل منخفض للغاية، و-تسطيح عالي جدًا للسطح. أظهرت اختبارات Intel أن بإمكانها تقليل تشوه النمط بنسبة 50% وزيادة كثافة التوصيل البيني بما يصل إلى 10 مرات.
تعمل الشركات الرائدة عالميًا في مجال أشباه الموصلات على تسريع استثماراتها بسرعة - فقد دخلت كل من Intel وTSMC وSamsung Electro-Mechanics وSK Group وLG Group إلى الساحة، لبدء سباق تجاري حول ركائز الزجاج.
ركائز السيراميك
في التغليف المتكامل عالي الكثافة-، تعمل الأجهزة عالية الطاقة-في نفس الوقت على توليد كميات هائلة من الحرارة المركزة، وتكون ركيزة التغليف هي المكون الأساسي-الذي يبدد الحرارة. نظرًا لأن طاقة شريحة الذكاء الاصطناعي تتجاوز عتبة 2000 واط، فإن الركائز العضوية التقليدية FR-4، ذات الموصلية الحرارية الضعيفة (فقط 0.3 واط/(م·ك)) وعدم تطابق التمدد الحراري، تواجه مخاطر شديدة للالتواء والتصفيح. أصبحت الركائز الخزفية، مع مزاياها الكامنة المتمثلة في التوصيل الحراري العالي، والعزل الكهربائي العالي، والمطابقة الحرارية الممتازة، ضرورية لسيناريوهات الطاقة العالية.
من بينها، نيتريد الألومنيوم (AlN)، ذو الموصلية الحرارية 170–220 واط/(م·ك)، هو الخيار الأفضل لتبديد الحرارة في الوحدات الضوئية ذات السرعة العالية 800G/1.6T. تعمل نيتريد السيليكون (Si₃N₄)، بقوتها الانثناءية الممتازة ومقاومتها للصدمات الحرارية، كأساس للتغليف لوحدات الطاقة ذات الجهد العالي - من SiC/GaN.