Con l'intensificarsi della corsa all'intelligenza artificiale, il consumo energetico dei chip GPU-di fascia alta continua ad aumentare drasticamente. L'assorbimento di potenza della singola scheda- NVIDIA H100 raggiunge i 700 W, la nuova serie Blackwell lo spinge a 1.000-1.400 W e la più recente GPU con architettura Vera Rubin ha un consumo energetico di picco superiore a 2.300 W. Livelli di potenza così estremi sono diventati un collo di bottiglia fondamentale per lo sviluppo di chip AI di prossima generazione.
Attualmente, il raffreddamento a liquido e il raffreddamento a immersione sono ampiamente adottati nel settore per la gestione termica a livello di server. Tuttavia, questi approcci non possono risolvere il problema fondamentale dell’accumulo di calore localizzato vicino al chip. I punti caldi persistenti portano alla limitazione della frequenza e al degrado delle prestazioni, limitando gravemente la capacità dei chip AI di fascia alta. La tecnologia di dissipazione del calore basata sul diamante si è rivelata un percorso efficace per superare questa sfida.
Un malinteso comune nel mercato è che il vantaggio principale del diamante sia semplicemente la sua elevata conduttività termica. In realtà, la competitività principale del diamante risiede nella sua duplice capacità: conduttività termica ultraelevata combinata con un'eccellente espansione termica che si adatta ai materiali del chip-una combinazione che i materiali tradizionali come rame, argento e carburo di silicio non possono facilmente ottenere.
I dati principali mostrano che il diamante monocristallo CVD ha una conduttività termica superiore a 2000 W/(m·K) e le versioni purificate isotopicamente superano 3000 W/(m·K)-circa cinque volte quella del rame convenzionale. Ancora più importante, il diamante offre un'eccezionale compatibilità termica: il suo coefficiente di espansione termica (CTE) è solo 1,0–1,1 ppm/K, molto simile ai 2,6 ppm/K del silicio, con un conseguente disadattamento termico di appena 1,5 ppm/K. Al contrario, il rame, comunemente utilizzato nell'industria, ha un CTE di 16,5–17 ppm/K, dando luogo a un disadattamento con il silicio di circa 14 ppm/K-un ordine di grandezza superiore a quello del diamante.
Gli attuali chip AI adottano generalmente processi di stacking 2.5D e 3D, che concentrano densamente le fonti di calore tra gli strati e peggiorano la diafonia termica. Le strutture a base di rame, con il loro ampio disadattamento termico, sono soggette a espansione e contrazione continue sotto ripetuti cicli di temperatura, causando facilmente affaticamento del giunto di saldatura e fessurazioni interfacciali-compromettendo in modo significativo l'affidabilità e la durata del chip. Diamond, grazie al suo disadattamento termico molto basso, riduce sostanzialmente lo stress termico sulle interfacce dei chip ed evita rischi di guasti al packaging, rendendolo ben allineato con le tendenze dell'evoluzione dei chip AI di fascia alta.
Il diamante policristallino raggiunge una conduttività termica di 1.000–2.200 W/(m·K) con lo stesso CTE del diamante monocristallino e può essere prodotto in grandi dimensioni a costi inferiori, rendendolo adatto per l'impiego su larga scala come dissipatori di calore nei server AI. I compositi diamante-rame offrono una conduttività termica di 500–650 W/(m·K), con CTE regolabile e buona lavorabilità-un compromesso economicamente vantaggioso che risolve il tradizionale dilemma di "elevata conduttività termica ma scarsa compatibilità dei chip".
Nonostante questi eccezionali vantaggi materiali, l’adozione industriale deve ancora affrontare due sfide tecniche fondamentali.
Innanzitutto, la resistenza termica interfacciale. È diffusa l’idea sbagliata che qualsiasi materiale che coinvolga il diamante fornisca automaticamente un raffreddamento cinque volte migliore rispetto al rame. In realtà, processi di incollaggio inadeguati possono creare una resistenza termica interfacciale molto elevata, annullando la conduttività superiore intrinseca del diamante e minando gravemente le prestazioni di dissipazione del calore. In secondo luogo, lavorazione ultraprecisa e compounding interfacciale. L'estrema durezza del diamante richiede attrezzature e processi specializzati per tutte le fasi di precisione, innalzando la barriera della lavorazione. Inoltre, il debole legame interfacciale tra diamante e rame richiede tecniche di modifica dell’interfaccia come il rivestimento in titanio o tungsteno per ottenere una composizione stabile e garantire un funzionamento affidabile a lungo termine.
L’attuale consumo energetico dei chip AI sta crescendo a un ritmo “triplicato in tre anni” e l’adozione diffusa dello stacking 3D ha reso l’accumulo di calore interstrato e i punti caldi localizzati sempre più importanti. Questi punti caldi sono la causa principale del degrado delle prestazioni e della riduzione forzata della frequenza. È importante chiarire che la diffusione del calore del diamante e il raffreddamento a liquido non sono sostituti ma soluzioni complementari: il diamante serve ad appiattire i flussi di calore locali estremi ed eliminare l'accumulo di punti caldi-affrontando la concentrazione di calore vicino alla giunzione-mentre il raffreddamento a liquido rimuove il calore distribuito uniformemente dal sistema, completando la reiezione del calore all'estremità lontana.
La catena industriale nazionale della dissipazione del calore dei diamanti mostra un modello di forza nelle materie prime a monte ma una relativa debolezza nei processi principali a valle. Nella crescita dei diamanti sintetici, le capacità tecniche della Cina per i diamanti policristallini di grandi dimensioni sono alla pari, o in alcuni parametri addirittura superiori, alle controparti straniere. Tuttavia, permangono lacune nelle tecnologie chiave a valle, come il collegamento diretto senza saldatura a livello di wafer e il controllo preciso del processo a bassa resistenza termica.
In termini di costi, l’elevato consumo di elettricità delle apparecchiature MPCVD rappresenta la principale pressione sui costi per la produzione di massa. Per affrontare questo problema, aziende nazionali leader come SF Diamond, Huanghe Whirlwind e Huifeng Diamond stanno strategicamente costruendo capacità di produzione in regioni con bassi prezzi dell’elettricità, come lo Xinjiang e la Mongolia Interna, sfruttando energia poco costosa, apparecchiature di produzione a grandi camere e sviluppi di processi proprietari per ridurre continuamente i costi di produzione.
Nel complesso, data la tendenza al costante aumento del consumo energetico nei chip AI, i tradizionali materiali di dissipazione del calore a base di rame hanno raggiunto i loro limiti di prestazioni fisiche e difficilmente riescono a soddisfare le esigenze dei chip di fascia alta di prossima generazione. Diamond, con la sua combinazione unica di conduttività termica ultraelevata e basso disadattamento termico, si distingue come un'efficace soluzione di gestione termica per chip AI avanzati.