जैसे-जैसे एआई की दौड़ तेज होती जा रही है, हाई-एंड जीपीयू चिप्स की बिजली खपत में नाटकीय रूप से वृद्धि जारी है। NVIDIA का H100 सिंगल कार्ड पावर ड्रॉ 700 W तक पहुंचता है, नई ब्लैकवेल श्रृंखला इसे 1000-1400 W तक बढ़ा देती है, और नवीनतम वेरा रुबिन आर्किटेक्चर GPU की अधिकतम बिजली खपत 2300 W से अधिक है। इस तरह के चरम पावर स्तर अगली पीढ़ी के AI चिप विकास के लिए एक मुख्य बाधा बन गए हैं।
वर्तमान में, सर्वर-स्तरीय थर्मल प्रबंधन के लिए उद्योग में तरल शीतलन और विसर्जन शीतलन को व्यापक रूप से अपनाया जाता है। हालाँकि, ये दृष्टिकोण निकट-चिप स्थानीयकृत ताप संचय के मूलभूत मुद्दे को हल नहीं कर सकते हैं। लगातार हॉट स्पॉट से फ़्रीक्वेंसी थ्रॉटलिंग और प्रदर्शन में गिरावट आती है, जिससे हाई-एंड एआई चिप्स की क्षमता गंभीर रूप से सीमित हो जाती है। हीरा आधारित ताप अपव्यय तकनीक इस चुनौती से निपटने के लिए एक प्रभावी मार्ग के रूप में उभरी है।
बाज़ार में एक आम ग़लतफ़हमी यह है कि हीरे का प्राथमिक लाभ केवल इसकी उच्च तापीय चालकता है। हकीकत में, हीरे की मुख्य प्रतिस्पर्धात्मकता इसकी दोहरी क्षमता में निहित है: चिप सामग्री से मेल खाने वाले उत्कृष्ट थर्मल विस्तार के साथ संयुक्त अल्ट्रा-उच्च तापीय चालकता, एक ऐसा संयोजन जिसे तांबा, चांदी और सिलिकॉन कार्बाइड जैसी पारंपरिक सामग्री आसानी से प्राप्त नहीं कर सकती है।
मुख्य डेटा से पता चलता है कि सीवीडी सिंगल-क्रिस्टल हीरे की तापीय चालकता 2000 W/(m·K) से अधिक है, और आइसोटोपिक रूप से शुद्ध संस्करण 3000 W/(m·K)- से अधिक है जो पारंपरिक तांबे से लगभग पांच गुना अधिक है। इससे भी अधिक गंभीर रूप से, हीरा उत्कृष्ट थर्मल अनुकूलता प्रदान करता है: इसका थर्मल विस्तार गुणांक (सीटीई) केवल 1.0-1.1 पीपीएम/के है, जो सिलिकॉन के 2.6 पीपीएम/के से काफी मेल खाता है, जिसके परिणामस्वरूप केवल 1.5 पीपीएम/के का थर्मल बेमेल होता है। इसके विपरीत, आमतौर पर उद्योग में उपयोग किए जाने वाले तांबे का सीटीई 16.5-17 पीपीएम/के है, जो कि हीरे की तुलना में लगभग 14 पीपीएम/के - के सिलिकॉन के साथ बेमेल है।
वर्तमान एआई चिप्स आम तौर पर 2.5डी और 3डी स्टैकिंग प्रक्रियाओं को अपनाते हैं, जो परतों के बीच गर्मी स्रोतों को सघन रूप से केंद्रित करते हैं और थर्मल क्रॉसस्टॉक को खराब करते हैं। कॉपर-आधारित संरचनाएं, अपने बड़े थर्मल बेमेल के साथ, बार-बार तापमान चक्र के तहत निरंतर विस्तार और संकुचन से गुजरती हैं, जिससे आसानी से सोल्डर-संयुक्त थकान और इंटरफेशियल क्रैकिंग होती है, जिससे चिप की विश्वसनीयता और जीवनकाल में काफी समझौता होता है। डायमंड, अपने बहुत कम थर्मल बेमेल के कारण, मूल रूप से चिप इंटरफेस पर थर्मल तनाव को कम करता है और पैकेजिंग विफलता के जोखिमों से बचाता है, जिससे यह उच्च-अंत एआई चिप विकास के रुझानों के साथ अच्छी तरह से संरेखित हो जाता है।
पॉलीक्रिस्टलाइन हीरा एकल-क्रिस्टल हीरे के समान CTE के साथ 1000-2200 W/(m·K) की तापीय चालकता प्राप्त करता है, और इसे कम लागत पर बड़े आकार में उत्पादित किया जा सकता है, जो इसे AI सर्वर में हीट सिंक के रूप में बड़े पैमाने पर तैनाती के लिए उपयुक्त बनाता है। डायमंड-कॉपर कंपोजिट 500-650 W/(m·K) की तापीय चालकता प्रदान करते हैं, ट्यून करने योग्य CTE और अच्छी मशीनेबिलिटी के साथ एक लागत प्रभावी समझौता है जो "उच्च तापीय चालकता लेकिन खराब चिप संगतता" की पारंपरिक दुविधा को हल करता है।
इन उत्कृष्ट भौतिक लाभों के बावजूद, औद्योगिक अपनाने को अभी भी दो मुख्य तकनीकी चुनौतियों का सामना करना पड़ता है।
सबसे पहले, इंटरफेशियल थर्मल प्रतिरोध। एक व्यापक ग़लतफ़हमी है कि हीरे से युक्त कोई भी सामग्री स्वचालित रूप से तांबे की तुलना में पांच गुना बेहतर शीतलन प्रदान करती है। वास्तव में, खराब बॉन्डिंग प्रक्रियाएं बहुत अधिक इंटरफेशियल थर्मल प्रतिरोध पैदा कर सकती हैं, जो हीरे की अंतर्निहित बेहतर चालकता को नकारती है और गर्मी अपव्यय प्रदर्शन को गंभीर रूप से कम कर देती है। दूसरा, अति-सटीक मशीनिंग और इंटरफेशियल कंपाउंडिंग। हीरे की अत्यधिक कठोरता के लिए सभी सटीक चरणों के लिए विशेष उपकरण और प्रक्रियाओं की आवश्यकता होती है, जिससे प्रसंस्करण बाधा बढ़ जाती है। इसके अलावा, हीरे और तांबे के बीच कमजोर इंटरफेशियल बॉन्डिंग के लिए स्थिर कंपाउंडिंग प्राप्त करने और दीर्घकालिक विश्वसनीय संचालन सुनिश्चित करने के लिए टाइटेनियम या टंगस्टन कोटिंग जैसी इंटरफ़ेस संशोधन तकनीकों की आवश्यकता होती है।
वर्तमान एआई चिप बिजली की खपत "तीन वर्षों में तीन गुना" की दर से बढ़ रही है और 3डी स्टैकिंग को व्यापक रूप से अपनाने से इंटरलेयर गर्मी संचय और स्थानीयकृत हॉट स्पॉट तेजी से प्रमुख हो गए हैं। ये हॉट स्पॉट प्रदर्शन में गिरावट और मजबूर आवृत्ति में कमी का प्राथमिक कारण हैं। यह स्पष्ट करना महत्वपूर्ण है कि हीरे की गर्मी फैलाना और तरल शीतलन विकल्प नहीं बल्कि पूरक समाधान हैं: हीरा अत्यधिक स्थानीय गर्मी प्रवाह को समतल करने और हॉट-स्पॉट संचय को खत्म करने का काम करता है {{3}निकट-जंक्शन गर्मी एकाग्रता को संबोधित करता है {{4}जबकि तरल शीतलन सिस्टम से समान रूप से फैली हुई गर्मी को हटा देता है, दूर-अंत गर्मी अस्वीकृति को पूरा करता है।
घरेलू हीरे की गर्मी अपव्यय औद्योगिक श्रृंखला अपस्ट्रीम कच्चे माल में ताकत का एक पैटर्न दिखाती है लेकिन डाउनस्ट्रीम कोर प्रक्रियाओं में सापेक्ष कमजोरी दिखाती है। अपस्ट्रीम सिंथेटिक हीरे के विकास में, बड़े क्षेत्र के पॉलीक्रिस्टलाइन हीरे के लिए चीन की तकनीकी क्षमताएं विदेशी समकक्षों के बराबर या कुछ मेट्रिक्स में उनसे भी आगे हैं। हालाँकि, डाउनस्ट्रीम प्रमुख तकनीकों जैसे वेफर-लेवल सोल्डरलेस डायरेक्ट बॉन्डिंग और सटीक कम-थर्मल-प्रतिरोध प्रक्रिया नियंत्रण में कमियां बनी हुई हैं।
लागत के संदर्भ में, एमपीसीवीडी उपकरण की उच्च बिजली खपत बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए प्राथमिक लागत दबाव है। इसे संबोधित करने के लिए, एसएफ डायमंड, हुआंग व्हर्लविंड और हुइफेंग डायमंड जैसी प्रमुख घरेलू कंपनियां रणनीतिक रूप से झिंजियांग और इनर मंगोलिया जैसे कम बिजली की कीमतों वाले क्षेत्रों में उत्पादन क्षमता का निर्माण कर रही हैं, विनिर्माण लागत को लगातार कम करने के लिए सस्ती बिजली, बड़े-कक्ष उत्पादन उपकरण और मालिकाना प्रक्रिया विकास का लाभ उठा रही हैं।
कुल मिलाकर, एआई चिप्स में लगातार बढ़ती बिजली खपत की प्रवृत्ति को देखते हुए, पारंपरिक तांबा-आधारित गर्मी लंपटता सामग्री अपनी भौतिक प्रदर्शन सीमा तक पहुंच गई है और अगली पीढ़ी के उच्च-अंत चिप्स की मांगों को शायद ही पूरा कर सकती है। डायमंड, अति-उच्च तापीय चालकता और कम तापीय बेमेल के अपने अद्वितीय संयोजन के साथ, उन्नत एआई चिप्स के लिए एक प्रभावी थर्मल प्रबंधन समाधान के रूप में सामने आता है।