Για πολλά χρόνια, η πρόοδος της τεχνολογίας των ημιαγωγών περιγράφονταν σε μεγάλο βαθμό από τους κόμβους διεργασίας.

Τα 10 nm έγιναν 7 nm, στη συνέχεια 5 nm, 3 nm και ολοένα και πιο προηγμένες αρχιτεκτονικές τρανζίστορ.

Αλλά καθώς οι επιταχυντές τεχνητής νοημοσύνης, τα συστήματα υπολογιστών υψηλής απόδοσης και οι προηγμένες συσκευασίες συνεχίζουν να κλιμακώνονται, η πυκνότητα των τρανζίστορων δεν είναι πλέον ο μόνος παράγοντας που καθορίζει την απόδοση του συστήματος.

Η βιομηχανία των ημιαγωγών εισέρχεται σε ένα νέο στάδιο στο οποίο τα υλικά, οι συσκευασίες, οι διασυνδέσεις, η παροχή ενέργειας και η θερμική διαχείριση γίνονται εξίσου σημαντικές με την κλιμάκωση των τρανζίστορων.

Αυτή η μετάβαση αυξάνει το ενδιαφέρον για ένα ευρύ φάσμα υλικών ημιαγωγών, συμπεριλαμβανομένων:

• Πλακέτες από πυρίτιο σε μονωτή (SOI)
• Υποστρώματα γυαλιού
• Καρβίδιο του πυριτίου (SiC)
• Νιτρίδιο του γαλλίου (GaN)
• Κηραμική νιτρικού αλουμινίου (AlN)
• Κεραμικά από καρβίδιο του πυριτίου
• Υλικά διάχυσης θερμότητας με βάση τα διαμάντια
• Συσκευές διαμάντιου χαλκού

Τα υλικά αυτά αντιμετωπίζουν διαφορετικές προκλήσεις μηχανικής, αλλά συνδέονται όλο και περισσότερο από έναν κοινό παράγοντα:

Τα συστήματα AI και HPC απαιτούν μεγαλύτερο εύρος ζώνης, υψηλότερη αποδοτικότητα ενέργειας, πυκνότερη συσκευασία και καλύτερη θερμική απόδοση.

Το Μειονέκτημα των Ημιαγωγών επεκτείνεται πέρα από τα Τρανζιστόρ

Οι σύγχρονοι επεξεργαστές AI περιέχουν τεράστιους υπολογιστικούς πόρους.

Ωστόσο, η αυξανόμενη ικανότητα υπολογιστών δημιουργεί επίσης αρκετούς νέους περιορισμούς.

Δύο από τα σημαντικότερα είναι:

μετακίνηση δεδομένων

και

αφαίρεση θερμότητας.

Ένας επιταχυντής τεχνητής νοημοσύνης πρέπει συνεχώς να ανταλλάσσει τεράστιες ποσότητες δεδομένων με την HBM, τους γειτονικούς επεξεργαστές, τις διεπαφές δικτύου και τα συστήματα αποθήκευσης.

Ταυτόχρονα, αυτές οι συσκευές παράγουν όλο και πιο συγκεντρωμένη θερμότητα μέσα σε προηγμένες συσκευασίες.

Ως αποτέλεσμα, η βελτίωση της απόδοσης του τρανζίστορ από μόνη της δεν αρκεί πλέον.

Όλο το σύστημα ημιαγωγών πρέπει να βελτιστοποιηθεί.

Αυτό περιλαμβάνει:

• οπτικές διασυνδέσεις
• προηγμένα υποστρώματα
• Ενσωμάτωση HBM
• μετατροπή ισχύος
• θερμικές διεπαφές
• διαχέτες θερμότητας
• υλικά συσκευασίας

Αυτή η μετάβαση σε επίπεδο συστήματος δημιουργεί νέες ευκαιρίες για τα υλικά ημιαγωγών που μέχρι τώρα κατείχαν σχετικά εξειδικευμένες αγορές.

1Η Φωτονική SOI γίνεται όλο και πιο σημαντική για τις διασύνδεσεις AI

Το πυρίτιο στον μονωτή δεν είναι ένα νέο υλικό ημιαγωγών.

Οι πλάκες SOI χρησιμοποιούνται εδώ και καιρό για εφαρμογές όπως:

• MEMS
• Συσκευές ραδιοσυχνοτήτων
• αισθητήρες
• ειδικά ολοκληρωμένα κυκλώματα

Ωστόσο, η υποδομή τεχνητής νοημοσύνης δημιουργεί μια άλλη σημαντική ευκαιρία ανάπτυξης:

Φωτονική πυριτίου.

Καθώς οι συστάδες τεχνητής νοημοσύνης γίνονται μεγαλύτερες, οι παραδοσιακές ηλεκτρικές διασυνδέσεις αντιμετωπίζουν όλο και περισσότερες προκλήσεις που σχετίζονται με:

• απώλεια μετάδοσης
• κατανάλωση ενέργειας
• πυκνότητα εύρους ζώνης
• ακεραιότητα σήματος
• απόσταση μετάδοσης

Οι διασυνδέσεις από χαλκό παραμένουν απαραίτητες, αλλά η οπτική επικοινωνία γίνεται όλο και πιο ελκυστική καθώς αυξάνονται οι απαιτήσεις εύρους ζώνης.

Αυτός είναι ένας από τους λόγους για τους οποίους η κοινή συσκευασία οπτικών, ή CPO, έχει λάβει τόση προσοχή.

Αντί να βασίζεται εξ ολοκλήρου σε ηλεκτρικές συνδέσεις μεταξύ επεξεργαστών υψηλών επιδόσεων και οπτικών μονάδων, η CPO φέρνει τις οπτικές μηχανές πιο κοντά στο σύγκλιση ή το πυρίτιο υπολογιστών.

Στόχος είναι να μειωθεί το μήκος των ηλεκτρικών συνδέσεων υψηλής ταχύτητας και να μεταφερθούν περισσότερα δεδομένα οπτικά.

Το SOI είναι μία από τις σημαντικότερες πλατφόρμες υποστρώματος για τη φωτονική του πυριτίου.

Γιατί το SOI λειτουργεί καλά για τη φωτονική πυριτίου

Ένα τυπικό φωτονικό πλάνο SOI περιέχει:

• ένα λεπτό στρώμα συσκευής πυριτίου
• ένα θαμμένο στρώμα οξειδίου
• ένα σφαιρίδιο κυψελού από πυρίτιο

Το ανώτερο στρώμα πυριτίου μπορεί να διαμορφωθεί σε οπτικούς κυματοδηγούς.

Το θαμμένο οξείδιο παρέχει οπτική απομόνωση μεταξύ του κυματοδηγού πυριτίου και του υποκείμενου υποστρώματος πυριτίου.

Οι κοινές δομές φωτονικής πυριτίου περιλαμβάνουν:

• Οδηγούς κυμάτων
• Πυροσβεστήρες με δαχτυλίδι
• Μονταλοποιητές
• οπτικές ζεύξεις
• Διαμετρητές Mach-Zehnder
• πλατφόρμες ενσωμάτωσης φωτοανιχνευτών

Σε πολλές εμπορικές πλατφόρμες φωτονικής, το στρώμα συσκευής πυριτίου είναι μόνο λίγες εκατοντάδες νανομέτρα πάχος.

Για παράδειγμα, περίπου 220 nm πυριτίου σε μια μικρομετρική κλίμακα θαμμένου οξειδίου χρησιμοποιείται ευρέως στη φωτονική πυριτίου.

Αυτό σημαίνει ότι οι απαιτήσεις των κυψελών SOI για τη φωτονική διαφέρουν πολύ από εκείνες για τις εφαρμογές MEMS ή συμβατικών ραδιοσυχνοτήτων.

Η ομοιότητα του πάχους, η ποιότητα της επιφάνειας και ο έλεγχος του BOX γίνονται ιδιαίτερα σημαντικές.

Τα κέντρα δεδομένων τεχνητής νοημοσύνης θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε μεγαλύτερη ζήτηση φωτονικής-SOI

Η σημασία της φωτονικής του πυριτίου συνδέεται στενά με την ανάπτυξη των κέντρων δεδομένων τεχνητής νοημοσύνης.

Τα AI clusters απαιτούν εξαιρετικά υψηλής ταχύτητας επικοινωνία:

Μέσα στον διακομιστή

μεταξύ των επιταχυντών

μεταξύ των ράφων

και όλο και περισσότερο

μεταξύ μεγάλων ομάδων υπολογιστικών συστημάτων.

Καθώς η ηλεκτρική επικοινωνία πλησιάζει τα πρακτικά όρια της ισχύος και της πυκνότητας εύρους ζώνης, οι τεχνολογίες οπτικής διασύνδεσης γίνονται όλο και πιο σημαντικές.

Αυτό σημαίνει ότι το SOI μπορεί να εξυπηρετεί όλο και περισσότερο όχι μόνο τις παραδοσιακές συσκευές ημιαγωγών, αλλά και την υποδομή οπτικής επικοινωνίας που περιβάλλει τους επεξεργαστές τεχνητής νοημοσύνης.

Με άλλα λόγια:

Η έκρηξη της τεχνητής νοημοσύνης δεν αυξάνει μόνο τη ζήτηση για πλακίδια υπολογιστών. αυξάνει επίσης τη ζήτηση για τα υλικά που μεταφέρουν δεδομένα μεταξύ συσκευών υπολογιστών.

2Τα γυάλινα υποστρώματα πλησιάζουν την προηγμένη συσκευασία

Ένα άλλο υλικό που δέχεται αυξανόμενη προσοχή είναι το γυαλί.

Το γυαλί χρησιμοποιείται στην ηλεκτρονική και την παραγωγή ημιαγωγών εδώ και πολλά χρόνια.

Οι εφαρμογές περιλαμβάνουν:

• Πλακέτες μεταφοράς
• MEMS
• οπτικά στοιχεία
• προσωρινή δέσμευση
• τεχνολογία οθόνης

Αλλά η προηγμένη συσκευασία δημιουργεί μια νέα ευκαιρία:

Υποστρώματα γυάλινου πυρήνα και διασταυρώματα γυαλιού.

Τα σύγχρονα πακέτα τεχνητής νοημοσύνης μπορούν να συνδυάζουν:

• Η GPU ή ο επιταχυντής AI πεθαίνει
• Πολλαπλά μικρά
• Στήλες HBM
• Εισάγοντες
• υποστρώματα συσκευασίας

Καθώς αυξάνονται οι διαστάσεις των συσκευασιών, η σταθερότητα των διαστάσεων γίνεται όλο και πιο σημαντική.

Τα παραδοσιακά υλικά οργανικού υποστρώματος μπορούν να αντιμετωπίσουν προκλήσεις όπως:

• warpage
• θερμική επέκταση
• Τεχνικά μοτίβα
• Ελέγχου διαστάσεων μεγάλης έκτασης

Το γυαλί προσφέρει αρκετά ελκυστικά χαρακτηριστικά για αυτές τις εφαρμογές.

Γιατί το γυαλί είναι ενδιαφέρον για τις προηγμένες συσκευασίες

Το γυαλί μπορεί να παρέχει:

• Εξαιρετική σταθερότητα διαστάσεων
• Ελεγχόμενος συντελεστής θερμικής διαστολής
• ομαλές επιφάνειες
• καλή ηλεκτρική μόνωση
• συμβατότητα με επεξεργασία μεγάλων πάνελ
• δυναμικό για διαρθρώσεις διασύνδεσης με λεπτή απόσταση

Μία από τις σημαντικότερες τεχνολογίες που επιτρέπουν τη χρήση είναι:

Το TGV μέσω του γυαλιού.

Ένα TGV δημιουργεί ηλεκτρικές συνδέσεις μέσω του πάχους ενός γυάλινου υποστρώματος.

Μετά το σχηματισμό, οι τρύπες μπορούν να μεταλλωθούν για να δημιουργηθούν κάθετες ηλεκτρικές διασυνδέσεις.

Αυτό καθιστά το γυαλί ενδεχομένως κατάλληλο για:

• Διακόπτες από γυαλί
• Υποστρώματα γυάλινου πυρήνα
• Συσκευές ραδιοσυχνοτήτων
• προηγμένη ολοκλήρωση chiplet
• Συσκευή επιταχυντή AI

Ωστόσο, η γυάλινη συσκευασία απαιτεί κάτι περισσότερο από την απλή παραγωγή μιας γυάλινης πλάκας.

Η πλήρης αλυσίδα παραγωγής μπορεί να περιλαμβάνει:

παρασκευή γυαλιού
→ αραίωση ακριβείας
→ σχηματισμός TGV
→ μεταλλικοποίηση
→ στρώματα αναδιανομής
→ σύνδεση
→ προηγμένη συσκευασία

Οι εταιρείες που μπορούν να ελέγχουν ολόκληρη την αλυσίδα διεργασιών μπορεί να αποκομίσουν μεγαλύτερη αξία από τους προμηθευτές ακατέργαστου γυαλιού.

3Η HBM μετατρέπει τη θερμική διαχείριση σε πρόβλημα υλικών

Η μνήμη υψηλού εύρους ζώνης έχει γίνει μια από τις καθοριστικές τεχνολογίες του υλικού AI.

Η HBM βελτιώνει το εύρος ζώνης μνήμης από την στοίβαση πολλαπλών DRAM πεθαίνει κατακόρυφα.

Αυτό επιτρέπει να μετακινούνται πολύ περισσότερα δεδομένα μεταξύ μνήμης και επεξεργαστών από ό, τι με τις συμβατικές αρχιτεκτονικές μνήμης.

Αλλά υπάρχει μια αναπόφευκτη συνέπεια:

Η συσσώρευση δυσκολεύει τη θερμική διαχείριση.

Πολλαπλά πίνακα πυριτίου παράγουν θερμότητα μέσα σε μια συμπαγή κάθετη δομή.

Ταυτόχρονα, οι στοίβες HBM τοποθετούνται συνήθως πολύ κοντά σε επιταχυντές υψηλής ισχύος AI.

Συνεπώς, ένα προηγμένο πακέτο AI μπορεί να περιέχει αρκετές μεγάλες θερμικές πηγές σε περιορισμένη περιοχή.

Η θερμική απόδοση γίνεται ένα πρόβλημα σχεδιασμού σε επίπεδο συσκευασίας.

Οι προηγμένες συσκευασίες χρειάζονται καλύτερα υλικά διάχυσης θερμότητας

Ο παραδοσιακός χαλκός παραμένει εξαιρετικά σημαντικός λόγω:

• υψηλή θερμική αγωγιμότητα
• Ηλικιωμένη παραγωγή
• χαμηλό σχετικό κόστος
• καλή μηχανική ικανότητα

Ωστόσο, οι μελλοντικές συσκευασίες υψηλής ισχύος ενδέχεται να απαιτήσουν υλικά με πρόσθετες δυνατότητες.

Τα δυνητικά υλικά περιλαμβάνουν:

• Κηραμικά AlN
• Κηραμική SiC
• Κου-Μο.
• Cu-W
• Διαμάντι CVD
• Συσκευές διαμαντιού- χαλκού
• προηγμένα υλικά θερμικής διεπαφής

Οι βασικές παράμετροι υλικών περιλαμβάνουν όλο και περισσότερο:

• θερμική αγωγιμότητα
• συντελεστής θερμικής διαστολής
• αντίσταση θερμικής διεπαφής
• επίπεδα
• μηχανική δυσκαμψία
• αξιοπιστία υπό θερμικό κύκλο

Επομένως, το θερμικό πρόβλημα δεν μπορεί πλέον να επιλυθεί απλώς με την τοποθέτηση ενός μεγαλύτερου απορροφητή.

Ξεκινά πολύ πιο κοντά στο ημιαγωγό.

4Γιατί το διαμάντι επιστρέφει στην θερμική συζήτηση των ημιαγωγών;

Το διαμάντι δέχεται νέα προσοχή λόγω μιας εξαιρετικής ιδιότητας:

πολύ υψηλή θερμική αγωγιμότητα.

Τα υψηλής ποιότητας συνθετικά διαμάντια μπορούν να διεξάγουν θερμότητα πολύ πιο αποτελεσματικά από πολλά συμβατικά υλικά θερμικής διαχείρισης.

Αυτό καθιστά το διαμάντι ελκυστικό για την αφαίρεση συμπυκνωμένης θερμότητας από συσκευές υψηλής ισχύος.

Οι πιθανές εφαρμογές περιλαμβάνουν:

• Επιταχυντές AI
• Επεξεργαστές HPC
• Συσκευές ραδιοσυχνότητας GaN
• Μονάδες ημιαγωγών ισχύος
• συστήματα λέιζερ

Ωστόσο, το καθαρό διαμάντι έχει και μειονεκτήματα.

Αυτά περιλαμβάνουν:

• υψηλό κόστος
• δύσκολη επεξεργασία
• Δύσκολη μεταλλικοποίηση
• Δύσκολη σύνδεση
• περιορισμένη οικονομία μεγάλης έκτασης

Ως εκ τούτου, οι ερευνητές και οι προμηθευτές υλικών διερευνούν όλο και περισσότερο υβριδικές λύσεις.

Ένα σημαντικό παράδειγμα είναι:

Διαμαντένιο-Κάλκινο Συνθετικό.

Γιατί το Χαλκό Διαμαντιού Είναι Ενδιαφέρον

Τα σύνθετα διαμάντι- χαλκού συνδυάζουν τα σωματίδια διαμαντιού με μια μήτρα χαλκού.

Στόχος είναι να επιτευχθούν δύο ιδιότητες ταυτόχρονα:

μεγαλύτερη θερμική αγωγιμότητα

και

χαμηλότερη θερμική διαστολή από το συμβατικό χαλκό.

Αυτό είναι ελκυστικό, επειδή η συσκευασία ημιαγωγών συχνά αντιμετωπίζει ένα εμπόδιο.

Ο χαλκός διεξάγει καλά τη θερμότητα αλλά έχει σχετικά υψηλό συντελεστή θερμικής διαστολής.

Υλικά χαμηλής CTE όπως το βολφραμάνιο και το μολυβδένιο μπορούν να βελτιώσουν τη σταθερότητα των διαστάσεων, αλλά συχνά μειώνουν τη θερμική αγωγιμότητα όταν προστίθενται στον χαλκό.

Το διαμάντι προσφέρει μια διαφορετική πιθανότητα επειδή έχει και τα δύο:

• εξαιρετικά υψηλή θερμική αγωγιμότητα
• πολύ χαμηλή θερμική διαστολή

Κατά κανόνα, τα σύνθετα διαμάντι/Cu μπορούν επομένως να βελτιώσουν τη θερμική αγωγιμότητα, μειώνοντας παράλληλα την CTE.

Η Ενώση Είναι Περισσότερο Σημαντική από το Περιεχόμενο των Διαμαντιών

Ένα σύνθετο διαμάντι- χαλκό δεν είναι αυτόματα υψηλής απόδοσης απλώς και μόνο επειδή περιέχει μεγάλο ποσοστό διαμαντιού.

Το πιο δύσκολο ζήτημα είναι η διεπαφή μεταξύ:

διαμάντι

και

Χάλκινο.

Ο χαλκός φυσικά δεν συνδέεται αποτελεσματικά με το διαμάντι.

Η κακή επαφή της διεπαφής μπορεί να δημιουργήσει σημαντική θερμική αντίσταση.

Αυτό σημαίνει ότι η θερμότητα δεν μπορεί να μετακινηθεί αποτελεσματικά από:

χαλκό → διαμάντι → χαλκό.

Επομένως, οι κατασκευαστές χρησιμοποιούν τεχνικές μηχανικής διεπαφής που περιλαμβάνουν στοιχεία που σχηματίζουν καρβίδιο, όπως:

• Τι
• Αρ
• W
• Μo
• Zr

Αυτά τα στοιχεία μπορούν να βελτιώσουν τη σύνδεση διαμαντιού με χαλκό.

Ωστόσο, το στρώμα διεπαφής πρέπει επίσης να ελέγχεται προσεκτικά.

Αν γίνει πολύ παχύ, η ίδια η διεπαφή μπορεί να γίνει θερμικό φράγμα.

Αυτό δείχνει μια σημαντική τάση στα προηγμένα υλικά ημιαγωγών:

Οι μελλοντικές επιδόσεις εξαρτώνται όλο και περισσότερο από την μηχανική διεπαφής, όχι μόνο από τις ιδιότητες των χύδην υλικών.

5Το SiC παραμένει ένα σημαντικό υλικό ημιαγωγών

Παρόλο που η τεχνητή νοημοσύνη δέχεται τεράστια προσοχή, η ηλεκτροποίηση συνεχίζει να οδηγεί μια άλλη σημαντική μετάβαση των ημιαγωγών:

την επέκταση των συσκευών ισχύος από καρβίδιο του πυριτίου.

Το SiC έχει γίνει σημαντικό για εφαρμογές όπως:

• ηλεκτρικά οχήματα
• Μετατροπείς έλξης ηλεκτρικής ενέργειας
• ταχεία φόρτιση
• Ηλιακοί μετατροπείς
• αποθήκευση ενέργειας
• βιομηχανικά συστήματα ηλεκτροδότησης
• μετατροπή ισχύος υψηλής τάσης

Σε σύγκριση με τις συμβατικές συσκευές ισχύος από πυρίτιο, το SiC μπορεί να επιτρέψει:

• μεγαλύτερη τάση λειτουργίας
• υψηλότερη συχνότητα εναλλαγής
• χαμηλότερες απώλειες μετάβασης
• λειτουργία υψηλότερης θερμοκρασίας
• μικρότερα παθητικά στοιχεία

Αλλά καθώς η βιομηχανία SiC ωριμάζει, το ερώτημα αλλάζει.

Πριν από αρκετά χρόνια, η συζήτηση επικεντρώθηκε συχνά στα εξής:

Μπορεί το SiC να αντικαταστήσει το πυρίτιο σε εφαρμογές υψηλής ισχύος;

Σήμερα, η πιο πρακτική ερώτηση είναι:

Πώς μπορεί να μειωθεί το κόστος παραγωγής SiC;

Η παραγωγή SiC γίνεται ανταγωνισμός απόδοσης και κόστους

Τα υποστρώματα SiC είναι δύσκολο να κατασκευαστούν.

Οι προκλήσεις εμφανίζονται σε όλη την αλυσίδα επεξεργασίας:

• ανάπτυξη κρυστάλλων
• διακόσμηση
• Στρίψιμο
• χτυπήματα
• CMP
• καθαρισμός
• Επιταξία
• Επιθεώρηση πλακιδίων
• Κατασκευή συσκευών

Το SiC είναι πολύ σκληρό και εύθραυστο.

Αυτό καθιστά την κοπή και την γυάλωση των πλακών πιο αργή και ακριβή από την συμβατική επεξεργασία πυριτίου.

Τα ελαττώματα του υποστρώματος μπορούν επίσης να επηρεάσουν την τελική απόδοση της συσκευής.

Καθώς το SiC κινείται προς την παραγωγή μεγαλύτερου όγκου, το επίκεντρο μετατοπίζεται όλο και περισσότερο προς:

• μεγαλύτερες διαμέτρους πλακιδίων
• υψηλότερη ποιότητα κρυστάλλου
• χαμηλότερη πυκνότητα ελαττωμάτων
• μειωμένη απώλεια κορφών
• γρηγορότερη γυάλωση
• βελτιωμένη επίπεδεια της πλάκας
• καλύτερη απόδοση της διαδικασίας

Αυτό σημαίνει ότι υπάρχουν ευκαιρίες όχι μόνο στα ίδια τα πλακάκια SiC αλλά σε όλη την αλυσίδα εφοδιασμού υλικών και εξοπλισμού SiC.

6Η GaN βρίσκει νέες ευκαιρίες στα συστήματα ενέργειας AI

Το νιτρίδιο του γαλλίου είναι ένας άλλος σημαντικός ημιαγωγός ευρείας ζώνης.

Το GaN είναι ιδιαίτερα ελκυστικό όταν:

• υψηλή συχνότητα εναλλαγής
• υψηλή απόδοση
• συμπαγή μετατροπή ισχύος

είναι σημαντικά.

Τα κέντρα δεδομένων τεχνητής νοημοσύνης καταναλώνουν τεράστιες ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας.

Η μείωση της απώλειας μετατροπής ισχύος σε όλη την αρχιτεκτονική διακομιστή και ράκα είναι επομένως όλο και πιο πολύτιμη.

Οι συσκευές GaN μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές μετατροπής ισχύος υψηλής συχνότητας, συμπεριλαμβανομένων:

• τροφοδοσίες ηλεκτρικής ενέργειας διακομιστών
• Μετατροπείς συνεχούς ρεύματος
• Μετρητές ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής πυκνότητας
• συστήματα ηλεκτροπαραγωγής τηλεπικοινωνιών

Αυτό δημιουργεί μια άλλη σημαντική σύνδεση μεταξύ AI και υλικών ημιαγωγών.

Η ζήτηση για τεχνητή νοημοσύνη δεν δημιουργεί μόνο ζήτηση για επεξεργαστές.

Αυξάνει επίσης τη ζήτηση για την ηλεκτρονική ισχύ που απαιτείται για την αποτελεσματική λειτουργία των εν λόγω επεξεργαστών.

Το SiC και το GaN είναι περισσότερο συμπληρωματικά παρά ανταγωνιστικά

Το SiC και το GaN παρουσιάζονται συχνά ως ανταγωνιστικές τεχνολογίες ημιαγωγών.

Στην πράξη, συχνά απευθύνονται σε διαφορετικά τμήματα της αγοράς ηλεκτρονικών συσκευών ισχύος.

Το SiC παρουσιάζει ιδιαίτερα καλές επιδόσεις:

• εφαρμογές υψηλής τάσης
• συστήματα υψηλής ισχύος
• οδική έλξη
• Δίκτυο και βιομηχανική ενέργεια

Το GaN είναι εξαιρετικά ελκυστικό για:

• μετασχηματισμός υψηλής συχνότητας
• Μετατροπές συμπαγούς ισχύος
• εφαρμογές χαμηλής έως μέσης τάσης
• Ηλεκτρονική ισχύος κέντρου δεδομένων

Επομένως, η μελλοντική αγορά ημιαγωγών ισχύος είναι πιθανό να χρησιμοποιήσει:

πυριτίου + SiC + GaN

Αντί να επιλέξουμε ένα μόνο καθολικό υλικό.

7Η κεραμική των ημιαγωγών γίνεται όλο και πιο σημαντική.

Μια άλλη λιγότερο εμφανής, αλλά όλο και πιο σημαντική κατηγορία είναι τα προηγμένα κεραμικά υλικά.

Ο εξοπλισμός ημιαγωγών βασίζεται σε κεραμική ακριβείας για στοιχεία όπως:

• Σφαιρίδια για σφαιρίδια
• Πλάκες θέρμανσης
• μονωτικά στοιχεία
• Τμήματα θαλάμου πλάσματος
• φορείς πλακιδίων
• στάδια ακριβείας
• εξαρτήματα κενού

Σημαντικά υλικά περιλαμβάνουν:

• Αλουμινίου
• Νιτρικό αλουμίνιο
• Καρβίδιο πυριτίου
• Νιτρικό πυριτικό
• Υττρία

Κάθε υλικό λύνει ένα διαφορετικό μηχανικό πρόβλημα.

Αλουμινίου

Η Alumina προσφέρει:

• εξαιρετική ηλεκτρική μόνωση
• καλή χημική αντοχή
• υψηλή σκληρότητα
• Προετοιμασία για ωριμότητα
• σχετικά ελεγχόμενο κόστος

Παραμένει ένα από τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα τεχνικά κεραμικά.

Νιτρικό αλουμίνιο

Το AlN είναι ιδιαίτερα ελκυστικό όταν και τα δύο:

ηλεκτρική μόνωση

και

υψηλή θερμική αγωγιμότητα

απαιτούνται.

Αυτό το καθιστά χρήσιμο για:

• Υποστρώματα ημιαγωγών ισχύος
• εξαρτήματα θερμαντήρων
• δομές θερμικής διαχείρισης
• ηλεκτρονική συσκευασία

Κηραμική SiC

Η κεραμική SiC παρέχει:

• υψηλή σκληρότητα
• υψηλή θερμική αγωγιμότητα
• χαμηλή θερμική διαστολή
• Εξαιρετική αντοχή στην φθορά
• σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες

Τα χαρακτηριστικά αυτά το καθιστούν ελκυστικό για τα εξαρτήματα εξοπλισμού ημιαγωγών που πρέπει να παραμείνουν διαμετρικά σταθερά υπό μεταβαλλόμενες θερμικές συνθήκες.

Η τεχνητή νοημοσύνη συνδέει τις προηγουμένως χωριστές αγορές υλικών

Μια από τις πιο ενδιαφέρουσες τάσεις των ημιαγωγών είναι ότι υλικά που κάποτε ανήκαν σε σχετικά ξεχωριστές βιομηχανίες γίνονται μέρος του ίδιου συστήματος.

Σκεφτείτε μια προηγμένη πλατφόρμα υπολογιστών AI.

Μπορεί να απαιτεί:

Εθνική Υπηρεσία

για τη φωτονική πυριτίου και την οπτική επικοινωνία.

Γυαλί

για προηγμένες συσκευασίες επόμενης γενιάς.

HBM

για μνήμη υψηλού εύρους ζώνης.

Κηραμικά AlN ή SiC

για εξοπλισμό θερμικής διαχείρισης και ημιαγωγών.

Υλικά με βάση τα διαμάντια

για την εξάπλωση ακραίας θερμότητας.

GaN

για υψηλής απόδοσης μετατροπή ισχύος κέντρου δεδομένων.

SiC

για τις υποδομές ενέργειας υψηλής ισχύος.

Αυτά τα υλικά έχουν εντελώς διαφορετικές λειτουργίες.

Αλλά η τεχνητή νοημοσύνη τις συνδέει μέσω των ίδιων μηχανικών απαιτήσεων:

• περισσότερο εύρος ζώνης
• μεγαλύτερη ολοκλήρωση
• υψηλότερη αποδοτικότητα ισχύος
• χαμηλότερη θερμική αντίσταση

Από την κλιμάκωση της διαδικασίας στην κλιμάκωση του συστήματος

Ως εκ τούτου, η βιομηχανία ημιαγωγών εισέρχεται σε μια ευρύτερη μορφή κλιμάκωσης.

Η παραδοσιακή κλιμάκωση επικεντρώθηκε κυρίως στη μείωση των τρανζίστορ.

Οι μελλοντικές βελτιώσεις της απόδοσης εξαρτώνται όλο και περισσότερο από:

**Σκάλωση με τρανζίστορα

• διαμόρφωση των συσκευασιών
• κλιμάκωση μνήμης
• οπτική κλίμακα
• κλίμακα ισχύος
• θερμική κλίμακα**

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα προηγμένα υλικά γίνονται στρατηγικά σημαντικά.

Ένα ταχύτερο τρανζίστορ παρέχει περιορισμένο όφελος αν τα δεδομένα δεν μπορούν να φτάσουν γρήγορα.

Ένας μεγαλύτερος επιταχυντής τεχνητής νοημοσύνης παρέχει περιορισμένο όφελος αν υπερθερμανθεί.

Περισσότερη HBM παρέχει περιορισμένο όφελος εάν η πυκνότητα συσκευασίας γίνεται αδύνατη στη διαχείριση.

Οι προηγμένες συσκευασίες και τα υλικά γίνονται μέρος της εξίσωσης απόδοσης.

Ποια ημιαγωγικά υλικά θα πρέπει να παρακολουθεί η βιομηχανία;

Αρκετές κατηγορίες αξίζουν ιδιαίτερη προσοχή.

Φωτονική SOI

Διοδηγείται από φωτονική πυριτίου, υψηλής ταχύτητας οπτική επικοινωνία και CPO.

Υπόστρωμα γυαλιού

Διοδηγείται από chiplets, HBM, μεγάλης έκτασης προηγμένη συσκευασία και τεχνολογία TGV.

SiC

Με ηλεκτρικά οχήματα, βιομηχανική ενέργεια, ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και ηλεκτρονικά υψηλής τάσης.

GaN

Διοδηγείται από υψηλής συχνότητας μετατροπή ισχύος και αποδοτικότητα κέντρου δεδομένων.

Κηραμική υψηλής θερμικής αγωγιμότητας

Οδηγείται από πυκνότητα ισχύος και προηγμένο εξοπλισμό ημιαγωγών.

Θερμικά υλικά με βάση τα διαμάντια

Οδηγείται από ακραία ροή θερμότητας σε AI, RF και συσκευές υψηλής ισχύος.

Αυτά τα υλικά δεν αντικαθιστούν το πυρίτιο.

Αντίθετα, θα περιβάλλουν όλο και περισσότερο το πυρίτιο και θα του επιτρέπουν