V rychle se vyvíjejícím prostředí vysoce výkonných počítačů (HPC) jsme svědky přechodu z éry “křemíku pro všechno” do éry “specializovaných materiálů pro výkon”. Zatímco se společnost NVIDIA připravuje na uvedení své architektury Rubin nové generace, pod křemíkovými maticemi dochází k tichému, ale seismickému posunu. Aby překonala fyzikální limity výkonu současných čipů s umělou inteligencí, plánuje NVIDIA údajně nahradit tradiční křemíkové meziprodukty v pokročilém procesu balení CoWoS (Chip on Wafer on Substrate) karbidem křemíku (SiC).
Tento krok představuje pro polovodičový průmysl klíčový okamžik. Po léta byl SiC “těžkým koněm” světa výkonové elektroniky - napájel střídače pro elektromobily a sítě pro obnovitelné zdroje energie. Nyní vstupuje do srdce datových center, aby vyřešil nejpalčivější krizi v oblasti umělé inteligence: “tepelnou zeď”.”
Krize: Proč se křemíkové interposery dostávají do tepelné tísně?
Neustálá snaha o zvyšování výpočetního výkonu umělé inteligence způsobila, že spotřeba energie GPU dosáhla stropu. Grafický procesor NVIDIA H100 již spotřebovává zhruba $700 \text{ W}$ a očekává se, že nadcházející procesory Rubin překročí ohromující hodnotu $1000 \text{ W}$. Při těchto úrovních se tradiční křemíkový interposer - můstek, který spojuje logiku GPU a paměť s vysokou šířkou pásma (HBM) - stává přítěží.
1. Omezení tepelné vodivosti
Křemík má tepelnou vodivost přibližně $150 \text{ W/mK}$. Zatímco pro předchozí generace to bylo dostačující, nemůže účinně odvádět intenzivní tepelný tok generovaný tisíciwattovými čipy umělé inteligence. Neúčinný odvod tepla vede k “tepelnému škrcení”, kdy čip musí snížit taktovací frekvenci, aby nedošlo k fyzickému poškození, čímž se efektivně vymaže nárůst výkonu uzlů $3 \text{ nm}$ nebo $2 \text{ nm}$.
2. Nesoulad koeficientu tepelné roztažnosti (CTE)
Spolehlivost moderních obalů závisí na tom, jak se materiály rozpínají a smršťují. Zatímco křemíkové interpozitory mají CTE $4,2 \text{ ppm/}^\circ\text{C}$, okolní součásti balení a extrémní tepelné cykly pracovního zatížení AI mohou způsobit mechanické namáhání, které časem vede k delaminaci nebo mikrotrhlinám.
Řešení SiC: Snížení tepelného odporu 70%
Přechodem na karbid křemíku jako materiál pro interposer využívá společnost NVIDIA a její výrobní partner TSMC materiál, jehož vlastnosti dokonale odpovídají požadavkům na 2,5D a 3D stohování.
Fyzika výkonu
Karbid křemíku má tepelnou vodivost přibližně $490 \text{ W/mK}$ - více než trojnásobek tepelné vodivosti křemíku. V prostředí s vysokým tepelným tokem to znamená, že teplo je odváděno od logického jádra s nebývalou účinností. Testy ukázaly, že nahrazení křemíkových prokladů SiC může snížit tepelný odpor téměř o 70%.2
Pro provozovatele datových center s umělou inteligencí to znamená reálné zisky:
- Nižší teploty křižovatky: Interpozitory SiC mohou snížit provozní teplotu vlajkového GPU z $95^\circ\text{C}$ na $75^\circ\text{C}$.
- Zdvojnásobená životnost: Snížením tepelného namáhání a provozních teplot lze prodloužit fyzickou životnost čipu až na dvojnásobek.
- Snížení nákladů na chlazení: Zlepšený pasivní odvod tepla uvnitř pouzdra může snížit energetické nároky datového centra na chlazení zhruba o 30%.
Plán implementace: Od Blackwella k Rubinovi Ultra
Přechod společnosti NVIDIA na SiC interposery je pečlivě rozfázovaný strategický krok. Podle současného plánu se dočkáme následujícího vývoje:
- 2025-2026 (Blackwell a první generál Rubin): Vlajkové čipy umělé inteligence budou i nadále využívat křemíkové interposery (konkrétně variantu CoWoS-L), zatímco TSMC a její partneři dokončí výrobní řetězec SiC.3
- 2027 (Průlom v oblasti SiC): Tento rok je cílovým rokem pro plné zavedení SiC interposerů ve špičkových procesorech NVIDIA.3 To se shoduje s plánovaným uvedením designu CoWoS “7x-mask” společnosti TSMC, který rozšíří plochu interposeru na obrovskou plochu $14 400 \text{ mm}^2$.
Vzestup trhu s 12palcovými SiC destičkami
Jedním z nejvýznamnějších důsledků přechodu společnosti NVIDIA je prudký nárůst počtu uživatelů. Poptávka po substrátu SiC.1 Historicky se SiC průmysl zaměřoval na $6\text{palcové}$ a $8\text{palcové}$ destičky pro automobilový průmysl. Aby však bylo možné splnit požadavky pokročilých obalových interpozitorů, přechází průmysl na SiC destičky $12\text{-inch}$ ($300 \text{ mm}$).
Proč 12palcový?
- Hustota integrace: Substrát $12\text{inch}$ SiC nabízí o 90% větší povrch než verze $8\text{inch}$. To je rozhodující pro strategii “Scale-Up” společnosti NVIDIA, kdy se na jeden interposer musí vejít několik čipů GPU a 8 až 12 paměťových stacků HBM4.
- Škálování nákladů: Zatímco substráty $12\text{inch}$ SiC jsou v současné době drahé, očekává se, že objem poháněný sektorem umělé inteligence sníží ceny na přijatelnou úroveň do roku 2027, podobně jako historická cenová křivka křemíkových destiček.
- Snížená citlivost na vady: Ve výkonové elektronice může jediná mikrotrubička zničit MOSFET. Při použití jako tepelný interposer jsou však požadavky na materiál pro integritu krystalů poněkud odlišné. Pozornost se přesouvá od mobility elektrických nosičů k přenosu fononů (kvantizované vibrace mřížky, které vedou teplo). To umožňuje rychlejší náběh výroby $12\text{-inch}$, i když průmysl zdokonaluje proces růstu krystalů.
Výrobní výzvy: Přesnost na úrovni diamantů
Přechod na SiC není bez překážek. Tvrdost karbidu křemíku je přibližně $9,2 \text{ Mohs}$ - druhá nejvyšší po diamantu.3 To velmi ztěžuje tradiční krájení oplatek na kostky a plátky.
Pokud je technologie řezání nevhodná, mohou na povrchu SiC vzniknout “vlnovité” nepravidelnosti, které jej činí nepoužitelným pro vysoce přesné lepení, které je vyžadováno u obalů CoWoS. Aby se tento problém vyřešil, obracejí se přední výrobci na pokročilé laserem asistované kostičkování a specializované vícedrátové pily, které umožňují dosáhnout tolerancí $\pm 0,01 \text{ mm}$.
Strategické umístění: Jak ZMSH podporuje infrastrukturu umělé inteligence?
Jako přední dodavatel pokročilých polovodičových materiálů, ZMSH (Shanghai Famous Trade Co., Ltd) stojí v čele této materiálové revoluce. Chápeme, že budoucnost umělé inteligence závisí na stabilitě a tepelných vlastnostech substrátu.
Specializujeme se na přizpůsobení a dodávku 2-12palcové vodivé a poloizolační substráty z karbidu křemíku (SiC), přizpůsobené pro nejnáročnější aplikace v oblasti výkonové elektroniky a balení umělé inteligence. .
- Přizpůsobení celého spektra: Nabízíme řešení na míru pro orientaci krystalů ($$/$$), různé úrovně odporu ($10^{-3}$ až $10^{10} \Omega\cdot\text{cm}$) a tloušťky od $350$ do $2000 \mu\text{m}$.
- Přesné obrábění: S využitím naší moderní strojírenské dílny poskytujeme komplexní technickou spolupráci, včetně krájení destiček a povrchové úpravy, která zajišťuje kompatibilitu s požadavky na vysokoteplotní lepení nové generace.3
- Spolehlivé globální dodávky: Díky celosvětové prodejní síti a přísnému systému kontroly kvality (certifikovanému systémem RoHS a hodnocením způsobilosti dodavatelů) poskytujeme spolehlivou páteř potřebnou pro dodavatelský řetězec umělé inteligence. .
Závěr: SiC jako základ výpočetní techniky nové generace
Zpráva o tom, že procesory NVIDIA přecházejí na tepelné mezikusy z karbidu křemíku, je víc než technická poznámka pod čarou; je to prohlášení, že éra umělé inteligence vyžaduje nový materiálový základ. Překonáním tepelné překážky umožňuje SiC “extrémní škálování” potřebné pro novou generaci uvažujících modelů AI a platforem “Agentic AI”.
S blížícím se rokem 2027 se díky synergii mezi poptávkou vyvolanou umělou inteligencí a materiálovými inovacemi stane karbid křemíku základním kamenem polovodičové infrastruktury. Pro inženýry a specialisty na nákupy, kteří chtějí tento přechod zvládnout, je zásadní spolupracovat s dodavatelem, který nabízí jak odborné znalosti v oblasti materiálů, tak schopnost přesné výroby.
Kontaktujte XINKEHUI ještě dnes, abyste zjistili, jak naše 12palcový substrát SiC mohou pohánět vaše projekty nové generace vysoce výkonných počítačů.