I det snabbt föränderliga landskapet för högpresterande databehandling (HPC) bevittnar vi en övergång från en era av “kisel för allt” till en era av “specialiserade material för prestanda”. Medan NVIDIA förbereder sig för att släppa lös nästa generations Rubin-arkitektur, sker en tyst men seismisk förändring under kiselplattorna. För att övervinna de fysiska gränserna för nuvarande AI-chips prestanda planerar NVIDIA enligt uppgift att ersätta traditionella intermediära kiselsubstrat i den avancerade förpackningsprocessen CoWoS (Chip on Wafer on Substrate) med kiselkarbid (SiC).
Detta steg markerar en avgörande tidpunkt för halvledarindustrin. I åratal var SiC den “tunga arbetshästen” i kraftelektronikvärlden - som drev växelriktare för elfordon och nät för förnybar energi. Nu är det på väg in i hjärtat av datacentret för att lösa den mest akuta krisen inom AI: “Thermal Wall”.”
Krisen är ett faktum: Varför kiselinterposers stöter på en termisk flaskhals
Den obevekliga jakten på AI-beräkningskraft har pressat GPU:ns strömförbrukning genom taket. NVIDIA:s H100 GPU förbrukar redan ungefär $700 \text{ W}$, och de kommande Rubin-processorerna förväntas överstiga svindlande $1000 \text{ W}$. På dessa nivåer har den traditionella kiselinterposern - bryggan som kopplar samman GPU-logiken och HBM-minnet (High Bandwidth Memory) - blivit en belastning.
1. Begränsningar av termisk konduktivitet
Kisel har en värmeledningsförmåga på cirka $150 \text{ W/mK}$. Även om detta var tillräckligt för tidigare generationer kan det inte effektivt avleda det intensiva värmeflöde som genereras av AI-chip på tusentals watt. Ineffektiv värmeavledning leder till “termisk strypning”, där chipet måste minska sin klockhastighet för att förhindra fysisk skada, vilket effektivt raderar prestandavinsterna från noderna $3 \text{ nm}$ eller $2 \text{ nm}$.
2. Missförhållandet mellan koefficienten för termisk expansion (CTE)
Tillförlitligheten i avancerade förpackningar beror på hur materialen expanderar och drar ihop sig. Medan kiselinterposers har en CTE på $4,2 \text{ ppm/}^\circ\text{C}$, kan de omgivande förpackningskomponenterna och de extrema värmecyklerna i AI-arbetsbelastningar orsaka mekanisk stress, vilket leder till delaminering eller mikrosprickor över tid.
Lösningen med SiC: En minskning av det termiska motståndet med 70%
Genom att byta till kiselkarbid som interposer-material utnyttjar NVIDIA och dess tillverkningspartner TSMC ett material med egenskaper som perfekt matchar kraven för 2,5D- och 3D-stackning.
Fysiken bakom prestationer
Kiselkarbid har en värmeledningsförmåga på cirka $490 \text{ W/mK}$ - mer än tre gånger så hög som kisel. I en miljö med högt värmeflöde innebär detta att värmen flyttas bort från logikkretsarna med oöverträffad effektivitet. Tester har visat att man kan minska värmemotståndet med nästan 70% genom att ersätta kiselinterposers med SiC.2
För en operatör av ett AI-datacenter innebär detta vinster i den verkliga världen:
- Lägre anslutningstemperaturer: SiC-interposers kan sänka driftstemperaturen för en flaggskepps-GPU från $95^\circ\text{C}$ till $75^\circ\text{C}$.
- Fördubblad livslängd: Genom att minska den termiska belastningen och drifttemperaturen kan chipets fysiska livslängd förlängas med upp till två gånger.
- Minskade kylningskostnader: Förbättrad passiv värmeavledning i kapslingen kan minska kylbehovet i ett datacenter med cirka 30%.
Färdplan för implementering: Från Blackwell till Rubin Ultra
NVIDIA:s övergång till SiC-interposers är ett strategiskt steg som sker i en noggrann fas. Enligt den nuvarande färdplanen kommer vi att se följande utveckling:
- 2025-2026 (Blackwell och förstegeneral Rubin): Flaggskeppschip för AI kommer att fortsätta att använda kiselinterposers (särskilt CoWoS-L-varianten) medan TSMC och dess partners slutför leveranskedjan för SiC-tillverkning.3
- 2027 (genombrottet för SiC): Detta är det år som är målet för den fullskaliga användningen av SiC-interposers i NVIDIA:s avancerade processorer.3 Detta sammanfaller med TSMC:s planerade lansering av en “7x-mask” CoWoS-design, som kommer att utöka interposer-området till hela $14.400 \text{ mm}^2$.
Framväxten av marknaden för 12-tums SiC-wafers
En av de mest betydande konsekvenserna av NVIDIA:s byte är explosionen i Efterfrågan på SiC-substrat.1 Historiskt sett har SiC-industrin fokuserat på $6\text{tum}$ och $8\text{tum}$-wafers för fordonsindustrin. För att uppfylla kraven på avancerade interposers för förpackningar håller dock industrin på att gå över till $12\text{-tum}$ ($300 \text{ mm}$) SiC-wafers.
Varför 12 tum?
- Integrationsdensitet: Ett $12\text{tum}$ SiC-substrat har en 90% större yta än en $8\text{tum}$-version. Detta är avgörande för NVIDIA:s “Scale-Up”-strategi, där en enda interposer måste rymma flera GPU-chiplets och 8 till 12 HBM4-minnesstackar.
- Kostnadsskalning: Även om $12\text{-inch}$ SiC-substrat för närvarande är dyra, förväntas volymen som drivs av AI-sektorn sänka priserna till lönsamma nivåer 2027, vilket liknar den historiska priskurvan för kiselskivor.
- Minskad känslighet för defekter: Inom kraftelektronik kan ett enda mikrorör förstöra en MOSFET. Men när de används som termiska interposer är materialkraven för kristallintegritet något annorlunda. Fokus skiftar från elektrisk bärarmobilitet till fononöverföring (kvantiserade gittervibrationer som leder värme). Detta möjliggör en snabbare upprampning av produktionen av $12\text{-inch}$, samtidigt som industrin fulländar kristalltillväxtprocessen.
Utmaningar i tillverkningen: Precision på diamantnivå
Övergången till SiC är inte utan hinder. Kiselkarbid har en hårdhet på cirka $9,2 \text{ Mohs}$ - näst efter diamant.3 Detta gör traditionell tärning och skivning av wafers extremt svår.
Om skärtekniken är otillräcklig kan SiC-ytan få “vågliknande” oregelbundenheter som gör den oanvändbar för den högprecisionslimning som krävs i CoWoS-förpackningar. För att lösa detta vänder sig industriledarna till avancerade laserassisterade kapmaskiner och specialiserade flertrådssågar för att uppnå toleranser på $\pm 0,01 \text{ mm}$.
Strategisk positionering: Hur ZMSH stödjer AI-infrastrukturen
Som en ledande leverantör av avancerade halvledarmaterial, ZMSH (Shanghai Famous Trade Co., Ltd) ligger i framkant när det gäller denna materialrevolution. Vi förstår att framtiden för AI är beroende av substratets stabilitet och termiska prestanda.
Vi är specialiserade på kundanpassning och leverans av 2-12 tums ledande och halvisolerande substrat av kiselkarbid (SiC), skräddarsydd för de mest krävande applikationerna inom kraftelektronik och AI-emballage .
- Anpassning av hela spektrumet: Vi erbjuder skräddarsydda lösningar för kristallorientering ($$/$$), varierande resistivitetsnivåer ($10^{-3}$ till $10^{10} \Omega\cdot\text{cm}$) och tjocklekar från $350$ till $2000 \mu\text{m}$.
- Precisionsbearbetning: Med hjälp av vår avancerade maskinverkstad erbjuder vi tekniskt samarbete från början till slut, inklusive skivning av wafers och ytbehandling som säkerställer kompatibilitet med nästa generations krav på högtemperaturbindning.3
- Tillförlitlig global leverans: Med ett globalt försäljningsnätverk och ett strikt kvalitetskontrollsystem (certifierat av RoHS och Supplier Capability Assessments) tillhandahåller vi den tillförlitliga ryggrad som behövs för AI-leverantörskedjan. .
Slutsats: SiC som hörnstenen i nästa generations databehandling
Rapporten om att NVIDIA-processorerna byter till termiska interposers av kiselkarbid är mer än en teknisk fotnot; det är en deklaration om att AI-eran kräver en ny materialgrund. Genom att övervinna den termiska flaskhalsen möjliggör SiC den “extrema uppskalning” som krävs för nästa generation av resonerande AI-modeller och “Agentic AI”-plattformar.
När vi rör oss mot 2027 kommer synergin mellan AI-driven efterfrågan och materialinnovation att positionera kiselkarbid som hörnstenen i halvledarinfrastrukturen. För ingenjörer och inköpsspecialister som vill navigera i denna övergång är det viktigt att samarbeta med en leverantör som erbjuder både materialkompetens och precisionstillverkningskapacitet.
Kontakta XINKEHUI idag för att utforska hur våra 12-tums SiC-substrat kan driva nästa generations projekt för högpresterande databehandling.