У міру загострення гонки штучного інтелекту енергоспоживання високоякісних графічних процесорів- продовжує різко зростати. Потужність однієї -карти NVIDIA H100 досягає 700 Вт, нова серія Blackwell збільшує її до 1000–1400 Вт, а найновіший GPU на архітектурі Vera Rubin має пікове енергоспоживання понад 2300 Вт. Такі екстремальні рівні потужності стали основним вузьким місцем для розробки чіпів ШІ нового покоління.
Зараз рідинне охолодження та охолодження зануренням широко застосовуються в промисловості для керування температурою на рівні сервера. Однак ці підходи не можуть вирішити фундаментальну проблему локалізованого накопичення тепла поблизу чіпа. Постійні «гарячі точки» призводять до обмеження частоти та зниження продуктивності, серйозно обмежуючи можливості високоякісних чіпів штучного інтелекту. Технологія розсіювання тепла на основі алмазів стала ефективним способом подолання цієї проблеми.
Поширеною помилкою на ринку є те, що головною перевагою алмазу є його висока теплопровідність. Насправді основна конкурентоспроможність алмазу полягає в його подвійній здатності: надвисока теплопровідність у поєднанні з відмінним тепловим розширенням, що відповідає матеріалам для чіпів-. Це поєднання, якого неможливо легко досягти традиційними матеріалами, такими як мідь, срібло та карбід кремнію.
Основні дані показують, що CVD монокристалічний алмаз має теплопровідність понад 2000 Вт/(м·K), а ізотопно очищені версії перевищують 3000 Вт/(м·K) -приблизно в п’ять разів більше, ніж у звичайної міді. Ще більш критично те, що алмаз забезпечує надзвичайну термічну сумісність: його коефіцієнт теплового розширення (КТР) становить лише 1,0–1,1 ppm/K, що майже відповідає 2,6 ppm/K кремнію, що призводить до теплової невідповідності лише 1,5 ppm/K. Натомість мідь, яка зазвичай використовується в промисловості, має КТР 16,5–17 ppm/K, що дає невідповідність із кремнієм приблизно на 14 ppm/K-на порядок вище, ніж у алмазу.
Сучасні мікросхеми штучного інтелекту зазвичай використовують процеси стекування 2,5D і 3D, які щільно концентрують джерела тепла між шарами та погіршують теплові перехресні перешкоди. Структури на основі міді з їхньою великою температурною невідповідністю зазнають безперервного розширення та звуження під час повторюваних температурних циклів, легко спричиняючи втому паяних з’єднань і розтріскування між поверхнями-, що значно погіршує надійність мікросхеми та термін служби. Завдяки дуже низькій температурній невідповідності Diamond істотно зменшує теплове навантаження на інтерфейсах чіпів і запобігає ризику поломки упаковки, що робить його добре узгодженим з тенденціями розвитку високоякісних чіпів AI.
Полікристалічний алмаз досягає теплопровідності 1000–2200 Вт/(м·К) із тим самим КТР, що й монокристалічний алмаз, і його можна виробляти у великих розмірах за нижчою ціною, що робить його придатним для широкомасштабного розгортання як радіатори на серверах ШІ. Алмазно-мідні композити забезпечують теплопровідність 500–650 Вт/(м·К) із регульованим КТР і гарною оброблюваністю-. Це економічно ефективний компроміс, який вирішує традиційну дилему «висока теплопровідність, але погана сумісність із мікросхемою».
Незважаючи на ці видатні матеріальні переваги, промислове впровадження все ще стикається з двома основними технічними проблемами.
По-перше, міжфазний термічний опір. Існує поширена помилкова думка, що будь-який матеріал, до складу якого входить алмаз, автоматично забезпечує в п’ять разів краще охолодження, ніж мідь. Насправді погані процеси з’єднання можуть створити дуже високий міжфазний термічний опір, зводячи нанівець притаманну алмазу чудову провідність і суттєво підриваючи ефективність розсіювання тепла. По-друге, надточна обробка та компаундування міжфазних поверхонь. Надзвичайна твердість алмазу вимагає спеціального обладнання та процесів для всіх етапів точності, що підвищує бар’єр обробки. Більше того, слабкий міжфазний зв’язок між алмазом і міддю вимагає методів модифікації межі розділу, таких як титанове або вольфрамове покриття, щоб досягти стабільного з’єднання та забезпечити тривалу надійну роботу.
Поточне енергоспоживання чіпів штучного інтелекту зростає зі швидкістю «потроєння за три роки», а широке впровадження тривимірного укладання зробило міжшарове накопичення тепла та локалізовані гарячі точки дедалі помітнішими. Ці гарячі точки є основною причиною погіршення продуктивності та примусового зниження частоти. Важливо пояснити, що розподіл тепла алмазом і рідинне охолодження є не замінниками, а взаємодоповнюючими рішеннями: алмаз служить для згладження екстремальних локальних теплових потоків і усунення накопичення гарячих точок-вирішує проблему концентрації тепла поблизу спаю-тоді як рідинне охолодження видаляє рівномірно розподілене тепло із системи, завершуючи відведення тепла на дальньому кінці.
Вітчизняний промисловий ланцюг розсіювання тепла алмазів демонструє структуру міцності вихідної сировини, але відносну слабкість основних процесів, що знаходяться на нижній частині. Щодо вирощування синтетичних алмазів у передовій частині, технічні можливості Китаю для вирощування полікристалічних алмазів великої площі є такими ж, а за деякими показниками навіть випереджають закордонні аналоги. Однак залишаються прогалини в ключових технологіях, які йдуть на наступний етап, як-от безпайкове пряме з’єднання на рівні пластин і точне керування процесом із низьким термічним опором.
З точки зору вартості, високе споживання електроенергії обладнанням MPCVD є основним тиском для масового виробництва. Щоб вирішити цю проблему, провідні вітчизняні компанії, такі як SF Diamond, Huanghe Whirlwind і Huifeng Diamond, стратегічно розбудовують виробничі потужності в регіонах з низькими цінами на електроенергію, таких як Сіньцзян і Внутрішня Монголія, використовуючи недорогу електроенергію, виробниче обладнання з великою камерою та власний розвиток процесів для постійного зниження виробничих витрат.
Загалом, враховуючи тенденцію до постійного зростання енергоспоживання чіпів штучного інтелекту, традиційні матеріали для розсіювання тепла на основі міді досягли меж фізичних показників і навряд чи можуть задовольнити вимоги чіпів високого класу нового покоління. Diamond з його унікальним поєднанням надвисокої теплопровідності та низького теплового розбіжності виділяється як ефективне рішення для управління температурою для вдосконалених чіпів AI.