منقذ الإدارة الحرارية لرقاقة الذكاء الاصطناعي: لماذا تتحول وحدات معالجة الرسومات من الجيل التالي من NVIDIA إلى وحدات معالجة الرسومات البينية من كربيد السيليكون (SiC)

في المشهد سريع التطور في مجال الحوسبة عالية الأداء (HPC)، نشهد انتقالاً من عصر “السيليكون لكل شيء” إلى عصر “المواد المتخصصة للأداء”. بينما تستعد NVIDIA لإطلاق الجيل التالي من بنية روبن الخاصة بها، يحدث تحول هادئ ولكنه زلزالي تحت قوالب السيليكون. وللتغلب على الحدود المادية لأداء رقاقة الذكاء الاصطناعي الحالية، يقال إن NVIDIA تخطط لاستبدال الركائز الوسيطة التقليدية من السيليكون في عملية التغليف المتقدمة CoWoS (رقاقة على رقاقة على ركيزة) بكربيد السيليكون (SiC).

تمثل هذه الخطوة لحظة محورية لصناعة أشباه الموصلات. فلسنوات، كانت أشباه الموصلات سيليكون “العمود الفقري الثقيل” في عالم إلكترونيات الطاقة - محولات السيارات الكهربائية (EV) وشبكات الطاقة المتجددة. والآن، تدخل إلى قلب مركز البيانات لحل الأزمة الأكثر إلحاحًا في الذكاء الاصطناعي: “الجدار الحراري”.”

الأزمة لماذا تعاني أجهزة السيليكون البينية من اختناق حراري

أدى السعي الحثيث وراء طاقة حوسبة الذكاء الاصطناعي إلى ارتفاع استهلاك طاقة وحدة معالجة الرسومات إلى أقصى حد. وتستهلك وحدة معالجة الرسومات H100 من NVIDIA بالفعل ما يقرب من $700 \tP4T \t{W}$، ومن المتوقع أن تتجاوز معالجات روبن القادمة $1000 \tP4T. عند هذه المستويات، أصبح الملحق السيليكوني التقليدي - الجسر الذي يربط بين منطق وحدة معالجة الرسومات وذاكرة النطاق الترددي العالي (HBM) - عائقاً.

1. قيود التوصيل الحراري

تبلغ الموصلية الحرارية للسيليكون حوالي $150 \tP4T {W/mK}$. في حين أن هذا كان كافياً للأجيال السابقة، إلا أنه لا يمكنه تبديد التدفق الحراري الشديد الناتج عن رقائق الذكاء الاصطناعي التي تبلغ قوتها ألف واط. يؤدي التبديد غير الفعال للحرارة إلى “الاختناق الحراري”، حيث يجب على الرقاقة تقليل سرعة الساعة لمنع حدوث ضرر مادي، مما يؤدي إلى محو مكاسب الأداء التي حققتها عقد $3 \{نص}$ أو $2 \{نص}$.

2. عدم تطابق معامل التمدد الحراري (CTE)

تعتمد الموثوقية في التغليف المتقدم على كيفية تمدد المواد وتقلصها. وفي حين أن المواد البينية السيليكونية لديها CTE من $4.2 \{ ppm/}^\circ\text\{C}$، فإن مكونات العبوة المحيطة ودورات الحرارة الشديدة لأحمال عمل الذكاء الاصطناعي يمكن أن تسبب إجهادًا ميكانيكيًا، مما يؤدي إلى التفريغ أو التشققات الدقيقة بمرور الوقت.

حل SiC: 70% تخفيض المقاومة الحرارية

من خلال التحول إلى كربيد السيليكون كمادة للتركيب البيني، تستفيد NVIDIA وشريكها في التصنيع TSMC من مادة ذات خصائص تتوافق تمامًا مع متطلبات التكديس ثنائي الأبعاد وثلاثي الأبعاد.

فيزياء الأداء

يتميز كربيد السيليكون بموصلية حرارية تبلغ حوالي $490 \{W/mK}$ - أي أكثر من ثلاثة أضعاف السيليكون. في بيئة التدفق الحراري العالي، هذا يعني أن الحرارة تنتقل بعيداً عن القوالب المنطقية الأساسية بكفاءة غير مسبوقة. وقد أظهرت الاختبارات أن استبدال البينية السيليكونية بالسيليكون يمكن أن يقلل من المقاومة الحرارية بحوالي 70%.²

بالنسبة لمشغّل مركز بيانات الذكاء الاصطناعي، يُترجم هذا إلى مكاسب على أرض الواقع:

• درجات حرارة التقاطع المنخفضة: يمكن أن تخفض أجهزة SiC البينية درجة حرارة تشغيل وحدة معالجة الرسومات الرئيسية من $95^\circ\text\{C}$ إلى $75^\circ\{C}$.
• عمر افتراضي مضاعف: من خلال تقليل الإجهاد الحراري ودرجات حرارة التشغيل، يمكن إطالة العمر الافتراضي للرقاقة بما يصل إلى ضعفين.
• انخفاض تكاليف التبريد: يمكن أن يؤدي تبديد الحرارة السلبي المحسّن داخل الحزمة إلى خفض متطلبات طاقة التبريد لمركز البيانات بحوالي 301 تيرابايت 3 تيرابايت.

خارطة طريق التنفيذ: من بلاكويل إلى روبن ألترا

يعد انتقال NVIDIA إلى أجهزة SiC البينية خطوة استراتيجية مرحلية مدروسة بعناية. وفقًا لخارطة الطريق الحالية، سنشهد التقدم التالي:

1. 2025-2026 (بلاكويل وجنرال أول روبن): ستستمر رقاقات الذكاء الاصطناعي الرائدة في استخدام الرقاقات البينية السيليكونية (وتحديداً متغير CoWoS-L) بينما تقوم شركة TSMC وشركاؤها بوضع اللمسات الأخيرة على سلسلة توريد تصنيع SiC.³
2. 2027 (طفرة SiC): هذا هو العام المستهدف للاعتماد الكامل على نطاق واسع على أجهزة SiC البينية في معالجات NVIDIA المتطورة.³ يتزامن ذلك مع إطلاق TSMC المخطط له لتصميم CoWoS “7x-mask” الذي سيوسع مساحة البينية إلى $ 14,400 \TP4T ضخمة.

صعود سوق رقاقات السيليكون ثنائي الفينيل متعدد الكلور مقاس 12 بوصة

من أهم عواقب تحول NVIDIA هو الانفجار الذي حدث في الطلب على ركيزة SiC.¹ من الناحية التاريخية، ركزت صناعة SiC على رقائق $6\text{بوصة}$ و$8\text{بوصة}$ لقطاع السيارات. ومع ذلك، لتلبية متطلبات أجهزة التغليف البينية المتقدمة، تتحول الصناعة نحو رقائق SiC $12\نص{بوصة}$ ($300 \text\{ملم}$).

لماذا 12 بوصة؟

• كثافة التكامل: توفر ركيزة $12\text{{بوصة}$ SiC مساحة سطح أكبر بمقدار 90% من إصدار $8\text{بوصة}$. وهذا أمر بالغ الأهمية لاستراتيجية NVIDIA “التوسّع”، حيث يجب أن يحتوي الملحق البيني الواحد على عدة وحدات معالجة رسومات متعددة و8 إلى 12 حزمة ذاكرة HBM4.
• تحجيم التكلفة: في حين أن ركائز $12 \text{{{بوصة}$ SiC باهظة الثمن حاليًا، من المتوقع أن يؤدي الحجم الذي يحركه قطاع الذكاء الاصطناعي إلى خفض الأسعار إلى مستويات قابلة للتطبيق بحلول عام 2027، على غرار منحنى الأسعار التاريخي لرقائق السيليكون.
• انخفاض حساسية العيب: في إلكترونيات الطاقة، يمكن لأنبوب دقيق واحد أن يدمر MOSFET. ومع ذلك، عند استخدامها كمقحم حراري، تختلف متطلبات المواد اللازمة لسلامة البلورة قليلاً. ويتحول التركيز من حركية الناقل الكهربائي إلى انتقال الفونونات (اهتزازات شعرية كمية موصلة للحرارة). ويسمح ذلك بزيادة أسرع في إنتاج $12\text\{بوصة}$ حتى مع إتقان الصناعة لعملية نمو البلورات.

تحديات التصنيع: الدقة على مستوى الماس

لا يخلو الانتقال إلى كربيد السيليكون من العقبات. تبلغ صلابة كربيد السيليكون كربيد السيليكون حوالي $9.2 \{موس}$ - في المرتبة الثانية بعد الماس.³ وهذا يجعل تقطيع الرقائق التقليدية إلى شرائح وتقطيعها صعبًا للغاية.

إذا كانت تقنية القطع غير كافية، يمكن أن يتطور سطح SiC إلى عدم انتظام “يشبه الموجة” مما يجعله غير قابل للاستخدام في الربط عالي الدقة المطلوب في تغليف CoWoS. ولحل هذه المشكلة، يتجه رواد الصناعة إلى التقطيع المتطور بمساعدة الليزر وآلات منشار متعددة الأسلاك متخصصة لتحقيق تفاوتات تبلغ $\pm 0.01 \{ملم}$.

التموضع الاستراتيجي: كيفية دعم ZMSH للبنية التحتية للذكاء الاصطناعي

كشركة رائدة في مجال توفير مواد أشباه الموصلات المتقدمة, ZMSH (شركة شنغهاي للتجارة الشهيرة المحدودة) في طليعة هذه الثورة المادية. نحن ندرك أن مستقبل الذكاء الاصطناعي يعتمد على ثبات الركيزة وأدائها الحراري.

نحن متخصصون في تخصيص وتوريد 2-12 بوصة موصلة وشبه عازلة لركائز كربيد السيليكون (SiC), مصممة خصيصًا للتطبيقات الأكثر تطلبًا في إلكترونيات الطاقة وتغليف الذكاء الاصطناعي. .

• تخصيص كامل الطيف: نحن نقدم حلولاً مصممة خصيصًا للاتجاه البلوري ($$/$/$$)، ومستويات مقاومة متفاوتة ($10^{3}{3}$ إلى $10^{10} \Omega\cdot\text\{cm}$)، وسماكات تتراوح من $350$ إلى $2000 \mu\{m}$.
• التصنيع الآلي الدقيق: وباستخدام ورشة الماكينات المتطورة الخاصة بنا، نوفر تعاونًا تقنيًا متكاملاً، بما في ذلك تقطيع الرقاقات وتشطيب الأسطح الذي يضمن التوافق مع متطلبات الربط في درجات الحرارة العالية من الجيل التالي.³
• توريد عالمي موثوق به: من خلال شبكة مبيعات عالمية ونظام صارم لمراقبة الجودة (معتمد من قبل RoHS وتقييمات قدرات الموردين)، نوفر العمود الفقري الموثوق به اللازم لسلسلة التوريد الخاصة بالذكاء الاصطناعي. .

الخاتمة: SiC كحجر الزاوية في حوسبة الجيل القادم

إن التقرير الذي يفيد بأن معالجات NVIDIA تتحول إلى معالجات كربيد السيليكون البيني الحراري هو أكثر من مجرد حاشية تقنية؛ إنه إعلان بأن عصر الذكاء الاصطناعي يتطلب أساسًا جديدًا من المواد. من خلال التغلب على عنق الزجاجة الحراري، تتيح سيليكون الكربيد السيليكوني “التوسع الشديد” المطلوب للجيل القادم من نماذج الذكاء الاصطناعي المنطقية ومنصات “الذكاء الاصطناعي العميل”.

مع اقترابنا نحو عام 2027، سيؤدي التآزر بين الطلب المدفوع بالذكاء الاصطناعي والابتكار في المواد إلى جعل كربيد السيليكون حجر الزاوية في البنية التحتية لأشباه الموصلات. بالنسبة للمهندسين والمتخصصين في المشتريات الذين يتطلعون إلى اجتياز هذا التحول، فإن الشراكة مع مورد يوفر الخبرة في المواد والقدرة على التصنيع الدقيق أمر ضروري.

اتصل بشركة XINKEHUI اليوم لاستكشاف كيف يمكن ركيزة SiC مقاس 12 بوصة يمكن لإمكانيات الجيل التالي من مشاريع الحوسبة عالية الأداء الخاصة بك.