La potenza di calcolo dell’intelligenza artificiale viene soffocatamateriali.
Il CEO di Intel Lip-Bu Tan ha indicato il diamante, il carburo di silicio (SiC), il fosfuro di indio (InP), il nitruro di gallio (GaN) e i substrati di vetro come cinque materiali chiave fondamentali per eliminare il collo di bottiglia. Nel frattempo, gli addetti ai lavori del settore hanno messo in guardia senza mezzi termini: "L'insufficiente capacità di produzione del laser InP è il punto di strozzatura principale per l'ottica co-confezionata (CPO)."
Ciò significa che non importa quanto potenti siano i chip GB200/300 di Nvidia, senza il supporto di materiali avanzati, i dati semplicemente non possono fluire ad alta velocità.
Non si tratta solo di una questione di capacità: è una sfida che spinge i limiti della scienza dei materiali. Dall'erogazione di energia SiC/GaN e l'imballaggio del substrato in vetro- (come evidenziato da Tan), al niobato di litio e SOI per soluzioni di interconnessione ottica e substrati diamantati e ceramici per la dissipazione del calore in condizioni di carichi di potenza estremi,materialisono diventati il campo di battaglia invisibile nella seconda metà dell'IA. Chiunque riuscirà a sfondare per primo avrà la chiave per il dominio informatico.
Diamante
Poiché la potenza di elaborazione dell'AI accelera a una velocità vertiginosa, la dissipazione del calore nei chip-di fascia alta sta diventando sempre più grave. Si prevede che Rubin Ultra di Nvidia, ad esempio, supererà i 2.300 W per chip, con densità di flusso di calore locale che supereranno i 1.000 W/cm², un livello di calore quasi inimmaginabile. I tradizionali diffusori di calore in rame e alluminio stanno raggiungendo i loro limiti fisici. Il diamante, con la sua conduttività termica ultra-elevata, è emerso come il candidato principale tra i nuovi materiali semiconduttori.
Ampiamente noto per la sua estrema durezza (la sostanza più dura presente in natura, con una durezza Mohs pari a 10), il diamante è anche uno dei migliori conduttori termici in natura, con una conduttività termica fino a 2.200 W/(m·K), 5,5 volte quella del rame e 11 volte quella dell'alluminio. È anche un isolante elettrico e il suo coefficiente di dilatazione termica corrisponde molto a quello del silicio, del SiC e del GaN. Gli osservatori del settore hanno notato: quando la potenza del singolo-chip supera i 1.400 W, il diamante non è più un'"opzione" ma diventa una "necessità".
Le GPU con architettura Vera Rubin di prossima generazione-di Nvidia hanno adottato completamente una soluzione di "raffreddamento a liquido a contatto diretto-in materiale composito diamante-rame a + 45 gradi-contatto" e il settore ha addirittura contrassegnato il 2026 come il "primo anno di adozione su larga scala-della dissipazione del calore del diamante".
Carburo di silicio (SiC)
La potenza dei rack dei data center AI sta aumentando da decine di kilowatt a centinaia di kilowatt, con rack su scala-di megawatt all'orizzonte. Con l'aumento dei livelli di corrente e tensione, la tradizionale conversione di potenza basata sul silicio- soffre di perdite sconcertanti. Inoltre, l’intelligenza artificiale richiede materiali che dissipino rapidamente il calore, consumino meno energia, occupino uno spazio minimo e resistano alle alte temperature.
Il SiC offre un'elevata tensione di rottura, prestazioni stabili alle alte temperature e perdite di commutazione molto inferiori rispetto al silicio. L'ingombro compatto del dispositivo e l'eccellente affidabilità lo rendono la scelta ideale per le architetture CC (HVDC) ad alta-tensione da 800 V, raggiungendo efficienze superiori al 97% negli stadi di rettifica dell'ingresso ad alta-tensione e di correzione del fattore di potenza (PFC) e riducendo le perdite di trasmissione di oltre il 30% nei sistemi HVDC da 800 V. I nuovi data center costruiti da Nvidia, Microsoft e altri giganti della tecnologia hanno già adottato come standard architetture di alimentazione basate su SiC-. I produttori nazionali cinesi come TankeBlue Semiconductor stanno accelerando la produzione di substrati da 8 pollici e di massa epitassiale per ridurre i costi dei wafer.
Nitruro di gallio (GaN)
GaN e SiC formano una chiara divisione "alta-tensione vs. bassa-tensione": il SiC rimane nella sala server, mentre il GaN si sposta nei rack.
Il GaN è caratterizzato da un'elevata mobilità degli elettroni e da un'eccezionale densità di potenza, eccellendo nella conversione di potenza ad alta-frequenza, bassa-tensione e alta-densità. Nei moduli di alimentazione GPU, nei convertitori CC-CC ad alta frequenza e negli alimentatori per server, dove lo spazio e la velocità di risposta sono fondamentali, il GaN può ridurre le dimensioni dell'alimentatore aumentando al tempo stesso la densità di potenza. Il processo GaN da 8-pollici di Samsung ha già ottenuto una riduzione dei costi del 30% e sta accelerando il suo adattamento all'implementazione di data center su larga scala.
Fosfuro di indio (InP)
Il fosfuro di indio è insostituibile: è l'unico materiale di substrato per la produzione di massa-per chip laser e fotorilevatori, che si adatta perfettamente alle finestre a bassa-perdita di comunicazione in fibra-a 1310 nm e 1550 nm. Nel campo del CPO, l'approccio tradizionale del settore integra motori ottici e chip elettrici sullo stesso substrato, e i dispositivi ad emissione di luce-ad alta velocità-cuore del CPO si affidano al 100% ai laser InP.
Tornando all'avvertimento del dirigente del settore: dietro quelle parole si nasconde una serie di numeri. Nel 2025, la domanda globale di substrati InP è stimata a 2,0-2,1 milioni di pezzi, mentre l'offerta effettiva è di soli 600.000-700.000 pezzi: un divario tra offerta e domanda superiore al 70%, che dovrebbe persistere fino al 2030. Goldman Sachs ha emesso una previsione ancora più diretta: "L'offerta di sorgenti luminose rimarrà limitata fino al 2027 e potrebbe iniziare a bilanciarsi solo nella seconda metà del 2028 man mano che le espansioni della capacità della catena di approvvigionamento diventano online."
Niobato di litio a pellicola-sottile (TFLN)
Sfruttando il forte effetto elettro-ottico lineare (effetto Pockels) del niobato di litio, il-film sottile di niobato di litio consente una modulazione del segnale ottico ad alta-larghezza di banda e ad alta-linearità (alta-fedeltà) a basse tensioni di pilotaggio. Ciò lo rende particolarmente-adatto per applicazioni di trasmissione ottica a media- e lunga-distanza e larghezza di banda elevata-come reti dorsali e reti metropolitane. Inoltre, l'elevato indice di contrasto di rifrazione e l'eccellente confinamento ottico consentono una maggiore integrazione, migliorando le dimensioni del dispositivo e il consumo energetico.
Nei modulatori ottici, il-film sottile di niobato di litio offre un coefficiente elettro-ottico tre volte quello dell'InP e oltre cento volte quello della fotonica del silicio. Con soli 1,8 V, può raggiungere una modulazione a velocità ultra-elevata-oltre i 100 GHz, riducendo il consumo energetico del 30–50%, mentre un singolo canale può facilmente funzionare a 400 G.
Con l’esplosione della potenza di calcolo dell’intelligenza artificiale, le interconnessioni ottiche dei data center stanno correndo da 400G a 800G, 1,6T e 3,2T. I limiti prestazionali dei materiali tradizionali stanno diventando sempre più evidenti e il niobato di litio a film sottile-è destinato a diventare un materiale fondamentale per la modulazione della trasmissione ottica ad alta-velocità di prossima generazione. Attualmente, solo quattro aziende in tutto il mondo hanno padroneggiato le capacità di produzione-di massa di wafer di fascia alta-da 8{{11}pollici, con un divario tra domanda e offerta superiore al 70%.
SOI (silicio-su-isolante)
Se il silicio è la "carne" di un chip, il SOI è lo "scheletro" della fotonica del silicio. Questa struttura sandwich "substrato di ossido sepolto nel silicio superiore", inserendo uno strato isolante di biossido di silicio sotto lo strato di silicio, elimina completamente la diafonia tra elettroni e fotoni. Riduce la capacità parassita di oltre il 60%, consentendo ai segnali elettrici di funzionare più velocemente e in modo più efficiente. Ancora più importante, la grande differenza di indice di rifrazione tra il silicio superiore e lo strato di ossido forma naturalmente le "pareti" di una guida d'onda ottica, consentendo ai segnali ottici di piegarsi e trasmettere con una perdita minima sul chip.
Nell’era dell’intelligenza artificiale, la SOI è il substrato fondamentale insostituibile per la produzione di moduli ottici, motori CPO e chip quantistici. La capacità produttiva globale è fortemente concentrata presso la francese Soitec, rendendo la localizzazione interna una priorità urgente.
Substrati di vetro
Poiché GPU, HBM e stacking di chiplet spingono il packaging verso interconnessioni con fattori di forma di grandi dimensioni, alta densità e alta-velocità, i tradizionali substrati organici e gli interposer di silicio si trovano ad affrontare sempre più limitazioni in termini di dimensioni, costi e prestazioni.
I substrati di vetro, i through glass vias (TGV) per l'interconnessione elettrica verticale, colmano precisamente il divario di mercato tra i substrati organici e gli interposer in silicio. Offrono un coefficiente di espansione termica regolabile (adattato ai chip di silicio), una perdita dielettrica estremamente bassa e una planarità superficiale ultra-elevata. I test Intel hanno dimostrato che possono ridurre la distorsione del pattern del 50% e aumentare la densità di interconnessione fino a 10 volte.
I leader globali nel settore dei semiconduttori stanno accelerando rapidamente i loro investimenti: Intel, TSMC, Samsung Electro-Mechanics, SK Group e LG Group sono tutti entrati nell'arena, dando il via a una corsa commerciale attorno ai substrati di vetro.
Substrati ceramici
Negli imballaggi integrati ad alta-densità, i dispositivi ad alta-potenza che funzionano simultaneamente generano enormi quantità di calore concentrato e il substrato dell'imballaggio è il componente principale-dissipazione del calore. Quando la potenza del chip AI supera la soglia dei 2.000 W, i tradizionali substrati organici FR-4, con la loro scarsa conduttività termica (solo 0,3 W/(m·K)) e la mancata corrispondenza dell'espansione termica, sono esposti a gravi rischi di deformazione e delaminazione. I substrati ceramici, con i loro vantaggi intrinseci di elevata conduttività termica, elevato isolamento elettrico ed eccellente adattamento termico, sono diventati una necessità per scenari ad alta potenza.
Tra questi, il nitruro di alluminio (AlN), con una conduttività termica di 170–220 W/(m·K), è la scelta migliore per la dissipazione del calore nei moduli ottici ad alta velocità 800G/1,6T. Il nitruro di silicio (Si₃N₄), con la sua eccellente resistenza alla flessione e agli shock termici, funge da base del packaging per i moduli di potenza ad alta tensione SiC/GaN-.